翟云超，鐘世林，康玉東，鄧遠灝，王金濤

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

凹腔駐渦燃燒室因其火焰穩(wěn)定能力強、燃燒效率高和貧燃吹熄極限低而受到廣泛關(guān)注[1-4]。美國GE公司率先實現(xiàn)了凹腔駐渦在加力燃燒室中的應用，在其專利[5]中，將凹腔駐渦作為值班火焰穩(wěn)定器，通過徑向穩(wěn)定器傳焰和組織燃燒。因徑向穩(wěn)定器后方燃氣溫度遠遠超過了現(xiàn)有高溫合金的許用溫度，GE公司提出了一種徑向穩(wěn)定器氣冷方案，其主要思想是利用外涵引氣來實現(xiàn)對徑向穩(wěn)定器的冷卻，但并未對其冷卻方式及冷卻氣分布等特征進行闡述。相較而言，國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，針對徑向穩(wěn)定器冷卻的研究更是缺乏，暫未看到有公開發(fā)表的文獻。

基于此，本文針對徑向穩(wěn)定器的冷卻展開了探究，利用Fluent軟件比較分析了沖擊冷卻[6-7]和沖擊-發(fā)散冷卻[8-11]兩種冷卻方式的冷卻效果及其對徑向穩(wěn)定器后方流場的影響，并著重分析了發(fā)散孔傾角和發(fā)散孔開孔數(shù)目對冷卻和流場的影響。

2 計算模型

圖1給出了基于凹腔駐渦值班火焰穩(wěn)定器的加力燃燒室模型，該加力燃燒室主要包括凹腔穩(wěn)定器和徑向穩(wěn)定器等。徑向穩(wěn)定器所選材料為GH5188，該材料適用于1 373 K以下要求抗氧化性的零件。材料屬性可通過查詢材料手冊[12]獲得。

方案0為基準方案，無冷卻；通過方案1和方案2比較兩種冷卻方式的冷卻特點；方案3是在方案2的基礎(chǔ)上將發(fā)散孔傾角由90°調(diào)整為30°，即通過方案2和方案3比較發(fā)散孔傾角對冷卻的影響；方案4是在方案3的基礎(chǔ)上，保持發(fā)散孔傾角不變，將端板劃分為上、中、下三個區(qū)域，從上到下發(fā)散孔越發(fā)稀疏，為保證端板落壓比不變，增大外板上的開槽面積，即通過方案3和方案4比較發(fā)散孔排布對冷卻的影響。

3 計算方法和邊界條件

首先利用Icem軟件對上述加力燃燒室模型進行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格量為550萬。而后采用商用Fluent軟件對上述模型進行數(shù)值仿真。選用壓力求解器，Simple算法；空氣為理想氣體，采用標準k-ε湍流模型；選用質(zhì)量流量進口作為進口邊界條件，壓力出口為出口邊界條件。且在凹腔前進氣縫處設(shè)置左、中、右三處直射式噴嘴，采用solid-cone模型。燃燒模型采用有限速率/渦耗散模型，選用Fluent所提供的煤油五組分一步化學反應。進口邊界條件如表2所示。

4 結(jié)果分析

圖3給出了無冷卻徑向穩(wěn)定器端板壁溫云圖?？梢姡税鍦囟然驹? 900 K以上，超過了材料的許用溫度，印證了對徑向穩(wěn)定器進行冷卻的必要性。

圖4、圖5分別給出了方案1～方案4的端板壁溫云圖及徑向穩(wěn)定器中間截面的總溫云圖?？梢?，相較于無冷卻方案，沖擊冷卻和沖擊-發(fā)散冷卻均能明顯降低端板壁溫，使其低于材料最高許用溫度，滿足使用要求。

表1 冷卻方案Table 1 Cooling schemes

表2 進口邊界條件Table 2 Working conditions of calculation

對比方案1和方案2的端板壁溫云圖可見，在相同GC值下，采用沖擊冷卻的端板最高壁溫接近材料的最高許用溫度，而采用沖擊-發(fā)散冷卻的端板壁溫明顯低于材料的最高許用溫度，且其分布呈現(xiàn)出中間低兩端高的態(tài)勢。故相較于沖擊冷卻，沖擊-發(fā)散冷卻的冷卻效果更為顯著。另一方面，結(jié)合圖5可見，針對采用沖擊-發(fā)散冷卻方式的徑向穩(wěn)定器，從端板中出來的冷卻氣會將從凹腔中出來的高溫燃氣吹離徑向穩(wěn)定器后壁面，對徑向穩(wěn)定器后方的流場結(jié)構(gòu)造成影響，而采用沖擊冷卻方式的徑向穩(wěn)定器則不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

對比方案2和方案3的端板壁溫云圖可知，將發(fā)散孔傾角由90°改為30°后，端板壁溫分布由中間低兩端高演變成了上端高下端低。結(jié)合圖5可知，相較于方案2，方案3中從徑向穩(wěn)定器端板冷卻孔中出來的冷卻氣將高溫燃氣整體吹離端板，而未破環(huán)高溫燃氣的流場結(jié)構(gòu)，且越到徑向穩(wěn)定器下方，高溫燃氣離徑向穩(wěn)定器越遠，端板溫度越低，遠低于材料的最高許用溫度。可見，適當減小發(fā)散孔傾角能明顯削弱徑向穩(wěn)定器冷卻氣對其后流場結(jié)構(gòu)的影響。

對比方案3和方案4，兩種方案的端板壁溫分布規(guī)律一致，均小于材料的最高許用溫度。其中，方案4的端板壁溫略高，這是因為方案4對端板冷卻孔排布進行了調(diào)整，將原先的均布改為了分區(qū)排布，分為了上、中、下三個區(qū)域，且發(fā)散孔數(shù)逐漸減少。相較于方案3，方案4中的高溫燃氣離徑向穩(wěn)定器端板更近，即減弱了徑向穩(wěn)定器冷卻氣對其后方流場結(jié)構(gòu)的影響?？梢?，在確保徑向穩(wěn)定器不超溫的前提條件下，可適當減少端板發(fā)散孔的數(shù)目。

5 結(jié)論

對采用不同冷卻方式的徑向穩(wěn)定器展開了數(shù)值計算，分析了不同冷卻方式的冷卻效果及對徑向穩(wěn)定器后方流場的影響。主要得到以下結(jié)論：

(1)沖擊冷卻和沖擊-發(fā)散冷卻均能明顯降低徑向穩(wěn)定器端板壁溫分布，且在相同GC值下，沖擊-發(fā)散冷卻的冷卻效果更好，但該種冷卻方式會對徑向穩(wěn)定器后方的流場結(jié)構(gòu)造成影響。

(2)適當減小沖擊-發(fā)散冷卻的發(fā)散孔傾角，有利于削弱從端板出來的冷卻氣對徑向穩(wěn)定器后方流場結(jié)構(gòu)的影響，但冷卻氣會將高溫燃氣整體吹離徑向穩(wěn)定器壁面。

(3)針對發(fā)散孔具有傾角的沖擊-發(fā)散冷卻方式，在保證徑向穩(wěn)定器不超溫的前提條件下，減少端板上的發(fā)散孔數(shù)，雖會使得端板壁溫有所升高，但可進一步削弱從發(fā)散孔中出來的冷卻氣對徑向穩(wěn)定器后方流場結(jié)構(gòu)的影響。