某辅助动力装置火焰筒头部气膜槽高度对燃烧室头部流场影响分析

摘 要：辅助动力装置燃烧室与发动机燃烧室相比，具有结构尺寸小，燃油流量及空气流量小，空气压力低等特点，为了获得良好的综合性能，同时兼顾低廉的经济成本，辅助动力装置燃烧室的头部设计具有其自身特点，头部一般不采用常规的涡流器来形成回流区，而是在火焰筒头部内、外环上设计若干道气膜槽，通过内外环上的氣膜孔进气在周向或轴向形成环涡，因此，火焰筒头部气膜槽的高度尺寸对头部环涡流场有较大影响。目前国内在此方面的相关研究还不深入，公开发表的文献也较少。本文以某辅助动力装置燃烧室为研究对象，采用商用软件ANSYS Fluent计算了单一气膜槽高度尺寸变化对燃烧室冷、热态流场的影响及对燃烧室点火及性能的影响，为今后的设计提供参考。研究结果表明：点火状态，头部气膜槽高度尺寸不断增大，会造成火焰筒头部回流区位置发生变化，甚至消失，不利于点火。在大状态下，头部气膜槽高度尺寸不断增大，会造成火焰筒内的温度分布发生变化，壁面的局部温度升高，影响火焰筒的寿命。

关键词：辅助动力装置；火焰筒头部；流场；气膜槽高度

中图分类号：V235 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0092-03

辅助动力装置（Auxiliary Power Unit，简称APU）主要用于起动主发动机，为飞机环控系统提供压缩空气源，驱动飞机的液压泵、发电机[1]。现在，无论是军用飞机或是民用飞机都已经普遍使用了APU，使飞机不依靠地面的支持设备提供电源或气源，更具有独立性、舒适性。

辅助动力装置燃烧室与发动机燃烧室相比，具有结构尺寸小，燃油流量及空气流量小，空气压力低等特点[2]，为了获得良好的综合性能，同时兼顾低廉的经济成本，辅助动力装置燃烧室的头部设计具有其自身特点，头部一般不采用常规的涡流器来形成回流区，而是在火焰筒头部内、外环上设计若干道气膜槽，通过内外环上的气膜孔进气在周向或轴向形成环涡，因此，火焰筒头部气膜槽的高度尺寸对头部环涡流场有较大影响。目前国内在此方面的相关研究还不深入，公开发表的文献也较少。

本文以某辅助动力装置燃烧室为研究对象，采用商用软件ANSYS Fluent计算了单一气膜槽高度尺寸变化对燃烧室冷、热态流场的影响及对燃烧室点火及性能的影响，为今后的设计提供参考。

1 研究对象

本文以某辅助动力装置燃烧室为研究对象，其结构示意见图1。火焰筒头部采用单涡头部气流结构，依靠火焰筒头部内、外环上三道气膜槽的空气射流在火焰筒头部组织稳定回流区，燃油在回流区与空气混合并燃烧。

为了研究气膜槽高度尺寸对燃烧室头部流场的影响，本文仅改变第三道气膜槽的高度（由设计值2.9mm分别增加到3.4mm和4.1mm），计算了单一气膜槽高度尺寸变化对燃烧室冷、热态流场的影响，并根据计算结果分析对燃烧室点火及性能的影响。

2 数值模拟计算

2.1 计算模型

为分析火焰筒头部气膜槽高度对燃烧室性能的影响，采用商业软件ANSYS Fluent对燃烧室进行了点火状态和某大状态的数值模拟计算。

建立三维数值模型时，计算域取整个燃烧室全环形的1/3（120°扇形段），燃烧室计算模型与网格划分见图2，网格划分软件采用ANSYS meshing，总网格数约1388万，网格的最大扭曲度为0.85，网格类型为六面体和四面体混合的非结构化网格，在规则区域尽量采用六面体网格，在几何结构过于复杂的区域，比如头部区域、冷却孔附近区域采用四面体网格。

2.2 计算方法和边界条件

（1）求解器选用“分离+隐式+稳态”；（2）湍流模型：Realizable k-ε湍流模型；（3）近壁区处理：增强型壁面函数；（4）燃烧模型：非预混燃烧模型；（5）喷嘴设置：喷嘴类型为cone喷嘴。

2.3 计算方案

研究中变化的气膜槽高度方案如表1所示，共3个方案。其中，基准方案的尺寸为设计值2.9mm，模型1和2是在基准方案的基础上增大火焰筒头部第三道气膜槽的高度。

3 计算结果分析

3.1 点火状态

在点火状态下，不同气膜槽高度条件下计算得到的火焰筒头部流场见图3，由图可以看出：（1）基准模型在火焰筒头部靠近起动喷嘴的位置形成一个顺时针的回流区。分析影响，从起动喷嘴喷出的燃油与空气在该回流区充分混合并燃烧，可提高点火可靠性。（2）随着第三道气膜槽高度增大，回流区内流速和流向发生变化，造成回流区逐渐往火焰筒外环壁面及出口方向移动。当高度为4.1mm时，回流区减弱至不明显。分析影响，回流区不明显，起动喷嘴喷出燃油接触到点火电嘴的电火花后形成的初始火团很难在该区域稳定，不利于点火。

3.2 大状态

在大状态下，不同气膜槽高度条件下计算得到的火焰筒头部热态流场和温度场见图4、图5。由图可以看出：（1）目视可以看出，随着气膜槽高度增大，头部流场发生变化，但变化没有点火状态明显，分析原因是大状态下气流速度比点火状态大，第三道气膜槽对整个回流区的流场影响较小。（2）由于头部流场发生变化，头部温度场也发生变化。以图5中A区域为例，气膜槽高度为设计值2.9mm时，A区域温度约为652K～747K，当气膜槽高度增加为3.4mm时，A区域温度约上升为680K～795K，当气膜槽高度增加为4.1mm时，A区域温度约上升为740K～832K。分析影响，温度更高，更易造成火焰筒壁面积炭，A区域燃气温度升高导致附近火焰筒壁面温度升高，降低火焰筒使用寿命。

4 结语

本文以某型辅助动力装置装置为研究对象，计算了单一气膜槽高度尺寸变化对燃烧室冷、热态流场的影响及对燃烧室点火及性能的影响，分析计算结果，结论如下：（1）基准模型可在火焰筒头部靠近起动喷嘴位置产生一个单涡回流区，有利于点火。（2）火焰筒头部气膜槽高度的差异会造成头部流场的变化。点火状态，头部气膜槽高度尺寸增大，会造成火焰筒头部回流区位置发生变化，甚至消失，不利于点火。在大状态下，头部气膜槽高度尺寸不断增大，会造成火焰筒内的温度分布发生变化，壁面的局部温度升高，影响火焰筒的寿命。（3）火焰筒头部气膜槽高度尺寸的变化对燃烧室头部流场的影响很大。因此，进行辅助动力装置燃烧室火焰筒头部设计时，要严格控制气膜槽高度尺寸的公差值。

参考文献

[1] 李东杰.辅助动力装置的应用现状和发展趋势[J].航空科学技术，2012（6）：7-9.

[2] 金如山.航空然汽轮机燃烧室[M].宇航出版社，1988.

[3] Lefebvre，A.H. Gas Turbine Combustion[M].Taylor and Francis，1999.

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