李煒 謝芳 林志勇

摘 要：輔助動力裝置燃燒室與發(fā)動機燃燒室相比，具有結(jié)構(gòu)尺寸小，燃油流量及空氣流量小，空氣壓力低等特點，為了獲得良好的綜合性能，同時兼顧低廉的經(jīng)濟成本，輔助動力裝置燃燒室的頭部設(shè)計具有其自身特點，頭部一般不采用常規(guī)的渦流器來形成回流區(qū)，而是在火焰筒頭部內(nèi)、外環(huán)上設(shè)計若干道氣膜槽，通過內(nèi)外環(huán)上的氣膜孔進氣在周向或軸向形成環(huán)渦，因此，火焰筒頭部氣膜槽的高度尺寸對頭部環(huán)渦流場有較大影響。目前國內(nèi)在此方面的相關(guān)研究還不深入，公開發(fā)表的文獻也較少。本文以某輔助動力裝置燃燒室為研究對象，采用商用軟件ANSYS Fluent計算了單一氣膜槽高度尺寸變化對燃燒室冷、熱態(tài)流場的影響及對燃燒室點火及性能的影響，為今后的設(shè)計提供參考。研究結(jié)果表明：點火狀態(tài)，頭部氣膜槽高度尺寸不斷增大，會造成火焰筒頭部回流區(qū)位置發(fā)生變化，甚至消失，不利于點火。在大狀態(tài)下，頭部氣膜槽高度尺寸不斷增大，會造成火焰筒內(nèi)的溫度分布發(fā)生變化，壁面的局部溫度升高，影響火焰筒的壽命。

關(guān)鍵詞：輔助動力裝置；火焰筒頭部；流場；氣膜槽高度

中圖分類號：V235 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0092-03

輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit，簡稱APU）主要用于起動主發(fā)動機，為飛機環(huán)控系統(tǒng)提供壓縮空氣源，驅(qū)動飛機的液壓泵、發(fā)電機[1]?，F(xiàn)在，無論是軍用飛機或是民用飛機都已經(jīng)普遍使用了APU，使飛機不依靠地面的支持設(shè)備提供電源或氣源，更具有獨立性、舒適性。

輔助動力裝置燃燒室與發(fā)動機燃燒室相比，具有結(jié)構(gòu)尺寸小，燃油流量及空氣流量小，空氣壓力低等特點[2]，為了獲得良好的綜合性能，同時兼顧低廉的經(jīng)濟成本，輔助動力裝置燃燒室的頭部設(shè)計具有其自身特點，頭部一般不采用常規(guī)的渦流器來形成回流區(qū)，而是在火焰筒頭部內(nèi)、外環(huán)上設(shè)計若干道氣膜槽，通過內(nèi)外環(huán)上的氣膜孔進氣在周向或軸向形成環(huán)渦，因此，火焰筒頭部氣膜槽的高度尺寸對頭部環(huán)渦流場有較大影響。目前國內(nèi)在此方面的相關(guān)研究還不深入，公開發(fā)表的文獻也較少。

本文以某輔助動力裝置燃燒室為研究對象，采用商用軟件ANSYS Fluent計算了單一氣膜槽高度尺寸變化對燃燒室冷、熱態(tài)流場的影響及對燃燒室點火及性能的影響，為今后的設(shè)計提供參考。

1 研究對象

本文以某輔助動力裝置燃燒室為研究對象，其結(jié)構(gòu)示意見圖1?；鹧嫱差^部采用單渦頭部氣流結(jié)構(gòu)，依靠火焰筒頭部內(nèi)、外環(huán)上三道氣膜槽的空氣射流在火焰筒頭部組織穩(wěn)定回流區(qū)，燃油在回流區(qū)與空氣混合并燃燒。

為了研究氣膜槽高度尺寸對燃燒室頭部流場的影響，本文僅改變第三道氣膜槽的高度（由設(shè)計值2.9mm分別增加到3.4mm和4.1mm），計算了單一氣膜槽高度尺寸變化對燃燒室冷、熱態(tài)流場的影響，并根據(jù)計算結(jié)果分析對燃燒室點火及性能的影響。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 計算模型

為分析火焰筒頭部氣膜槽高度對燃燒室性能的影響，采用商業(yè)軟件ANSYS Fluent對燃燒室進行了點火狀態(tài)和某大狀態(tài)的數(shù)值模擬計算。

建立三維數(shù)值模型時，計算域取整個燃燒室全環(huán)形的1/3（120°扇形段），燃燒室計算模型與網(wǎng)格劃分見圖2，網(wǎng)格劃分軟件采用ANSYS meshing，總網(wǎng)格數(shù)約1388萬，網(wǎng)格的最大扭曲度為0.85，網(wǎng)格類型為六面體和四面體混合的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在規(guī)則區(qū)域盡量采用六面體網(wǎng)格，在幾何結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的區(qū)域，比如頭部區(qū)域、冷卻孔附近區(qū)域采用四面體網(wǎng)格。

2.2 計算方法和邊界條件

（1）求解器選用“分離+隱式+穩(wěn)態(tài)”；（2）湍流模型：Realizable k-ε湍流模型；（3）近壁區(qū)處理：增強型壁面函數(shù)；（4）燃燒模型：非預(yù)混燃燒模型；（5）噴嘴設(shè)置：噴嘴類型為cone噴嘴。

2.3 計算方案

研究中變化的氣膜槽高度方案如表1所示，共3個方案。其中，基準方案的尺寸為設(shè)計值2.9mm，模型1和2是在基準方案的基礎(chǔ)上增大火焰筒頭部第三道氣膜槽的高度。

3 計算結(jié)果分析

3.1 點火狀態(tài)

在點火狀態(tài)下，不同氣膜槽高度條件下計算得到的火焰筒頭部流場見圖3，由圖可以看出：（1）基準模型在火焰筒頭部靠近起動噴嘴的位置形成一個順時針的回流區(qū)。分析影響，從起動噴嘴噴出的燃油與空氣在該回流區(qū)充分混合并燃燒，可提高點火可靠性。（2）隨著第三道氣膜槽高度增大，回流區(qū)內(nèi)流速和流向發(fā)生變化，造成回流區(qū)逐漸往火焰筒外環(huán)壁面及出口方向移動。當(dāng)高度為4.1mm時，回流區(qū)減弱至不明顯。分析影響，回流區(qū)不明顯，起動噴嘴噴出燃油接觸到點火電嘴的電火花后形成的初始火團很難在該區(qū)域穩(wěn)定，不利于點火。

3.2 大狀態(tài)

在大狀態(tài)下，不同氣膜槽高度條件下計算得到的火焰筒頭部熱態(tài)流場和溫度場見圖4、圖5。由圖可以看出：（1）目視可以看出，隨著氣膜槽高度增大，頭部流場發(fā)生變化，但變化沒有點火狀態(tài)明顯，分析原因是大狀態(tài)下氣流速度比點火狀態(tài)大，第三道氣膜槽對整個回流區(qū)的流場影響較小。（2）由于頭部流場發(fā)生變化，頭部溫度場也發(fā)生變化。以圖5中A區(qū)域為例，氣膜槽高度為設(shè)計值2.9mm時，A區(qū)域溫度約為652K～747K，當(dāng)氣膜槽高度增加為3.4mm時，A區(qū)域溫度約上升為680K～795K，當(dāng)氣膜槽高度增加為4.1mm時，A區(qū)域溫度約上升為740K～832K。分析影響，溫度更高，更易造成火焰筒壁面積炭，A區(qū)域燃氣溫度升高導(dǎo)致附近火焰筒壁面溫度升高，降低火焰筒使用壽命。

4 結(jié)語

本文以某型輔助動力裝置裝置為研究對象，計算了單一氣膜槽高度尺寸變化對燃燒室冷、熱態(tài)流場的影響及對燃燒室點火及性能的影響，分析計算結(jié)果，結(jié)論如下：（1）基準模型可在火焰筒頭部靠近起動噴嘴位置產(chǎn)生一個單渦回流區(qū)，有利于點火。（2）火焰筒頭部氣膜槽高度的差異會造成頭部流場的變化。點火狀態(tài)，頭部氣膜槽高度尺寸增大，會造成火焰筒頭部回流區(qū)位置發(fā)生變化，甚至消失，不利于點火。在大狀態(tài)下，頭部氣膜槽高度尺寸不斷增大，會造成火焰筒內(nèi)的溫度分布發(fā)生變化，壁面的局部溫度升高，影響火焰筒的壽命。（3）火焰筒頭部氣膜槽高度尺寸的變化對燃燒室頭部流場的影響很大。因此，進行輔助動力裝置燃燒室火焰筒頭部設(shè)計時，要嚴格控制氣膜槽高度尺寸的公差值。

參考文獻

[1] 李東杰.輔助動力裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].航空科學(xué)技術(shù)，2012（6）：7-9.

[2] 金如山.航空然汽輪機燃燒室[M].宇航出版社，1988.

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