小型轴流燃烧室火焰筒壁面冷却研究

宋宇佳 1 张成龙 2 王海涛 2 何振良 2

（ 1 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，哈尔滨市 150066）

（2 中国人民解放军93156部队，哈尔滨市 150066）

摘要：本文对一种小型弹用涡扇发动机轴流燃烧室火焰筒冷却结构进行改型设计，通过3种冷却方案对比研究孔径、孔间距比和排距比对冷却效率的影响。利用ANSYS数值模拟计算得出火焰筒内、外压差越大，孔径对冷却效率影响越大；该小型燃烧室孔间距比合适范围为5～7；孔排距比合适范围11～15；主燃孔和补燃孔后部易为高温区等结论。通过计算评估出改后方案各项指标满足要求。

关键词：轴流燃烧室 多斜孔冷却 冷却效率 数值模拟

0 引言

本文以一种小型涡扇发动机燃烧室为研究对象，将其原气膜冷却改型为冷却效率更高的多斜孔冷却，利用理论分析和数值模拟方法，研究多斜孔的孔径、孔间距比和孔排距比对该小型轴流燃烧室火焰筒壁面冷却效率的影响，并设计出满足要求的冷却方案。

1 原模型燃烧室火焰筒冷却研究

小型涡扇发动机轴流燃烧室为短环形燃烧室，体积小、结构紧凑，火焰筒为棱槽形气膜冷却，存在结构复杂、焊接工序多，热应力较大，加工成本高问题；火焰筒后部壁面气膜冷却效率低问题；主燃孔前部壁面温度高问题。

根据使用需求，该燃烧室火焰筒冷却改型设计时，需满足以下要求：

1. 壁面最高温度不高于1100℃；

2. 为减少设计工作，不改变火焰筒空气流量分配；

3. 燃烧效率、总压恢复系数、出口温度分布等不劣于原结构；

4. 工艺性好，加工难度低，维修性好，成本低。

2 多斜孔冷却设计

孔径、孔间距比（p/d）和孔排距比（s/d）^[1]对多斜孔冷却效率影响较大^[2]，结合冷却设计经验，设计了3种冷却方案。

表3.1

3 数值模拟

3.1网格划分及边界条件

模型简化为燃烧室单头部，以CFX为求解器，非结构化网格，节点数200万。工况选择最大热负荷状态，边界条件详见表2。选择湍流模型选择标准

模型，近壁处采用标准壁面函数，收敛残差标准^[3]。

表2

3.2 计算结果

3.2.1 速度场

三个方案速度场主流场几乎不变，回流区同原模型一致。发散孔不同孔径射流流场图详见图1。火焰筒头部处内、外压差较大，孔径0.5射流速度较高，深度较深，约为4倍壁厚，发散孔与主流掺混较多；孔径0.4射流深度较好，在3倍壁厚以内，气流大部分贴壁形成稳定气膜。

3.2.2温度场

与原模型相比，三种方案的主温度场几乎不变，因此可认为三个方案对燃烧室主温度场影响较小。

图1 火焰筒外环、内环轴向近壁面温度场

外环近壁面温度场（沿无主燃孔和掺混孔截面）详见图1。对比可知方案一主燃区孔间距比偏小，导致补燃区后部和掺混区冷气量不足，冷却效果差。方案二冷却效果好，近壁面气膜连续温度低；证明该排间距能满足气膜的连续性。方案三主燃区孔径大且排间距较小,导致后部冷气利用率低，气膜温度过高。

内环近壁面温度场（沿无主燃孔和掺混孔截面）详见图1。内环与外环相比，高温区距离壁面更近，长度更长。与外环类似，方案二中内环壁面实现了全壁面均匀连续气膜层，满足设计要求。

火焰筒内、外环主燃孔后壁面温度比其他位置温度稍高约50K，原因为主燃孔射流与壁面形成回流区，高温燃气距离壁面更近，方案二中主燃区后（补燃区）孔间距比和孔排距比适当加密，因此壁面温度满足要求。

4 最终方案

将方案二作为最终方案，通过对壁面温度进行数值模拟得到如下结论：

1. 壁面最高温度1093.2℃，比原模型1100℃低，且高温区面积较小；

2. 内环壁面整个平均温度明显低于原模型平均温度，气膜有效性较好；

燃烧室出口平均温度为1424K，根据热焓法计算得燃烧效率为95.2%，比原模型效率更高，说明燃烧效率得到了优化。燃烧室总压恢复系数为94.86%，优于原模型。燃烧室出口温度分布均匀，内环处无高温区，因此符合要求。

5 结论

本文以一种小型涡扇发动机燃烧室为研究对象，将其原气膜冷却改型设计为多斜孔冷却，利用理论分析和数值模拟计算的方法，研究多斜孔冷却的影响因素，得到如下结论：

1. 多斜孔与壁面夹角一定时，火焰筒内、外压差越大，孔径对冷却效率的影响越大，孔径越大，射流深度越深，冷却气与主燃气掺混越快，冷却效率越低；

2. 初始设计孔间距比可选择5～7，根据壁面温度可适当调整孔间距比至4～8；

3. 孔排距比可选择11；

4. 主燃孔和补燃孔后部易为高温区，需适当增加冷气量。

参考文献

[1] 林宇震，许全宏，刘高恩. 燃气轮机燃烧室[M]. 北京：国防工业出版社，2008:6-9

[2] 宋波，林宇震，刘高恩等. 不同排列方式多斜孔壁气膜冷却绝热温比研究[J]. 航空动力学报, 1999,14(1): 91-94.

[3] 林宇震,宋波,李彬,刘高恩.不同偏角多斜孔气膜冷却绝热温比研究[J].推进技术,1998,19(5):43～46.