某折流燃烧室多斜孔壁冷却结构设计的数值研究

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随着现代航空发动机的不断发展,燃烧室越来越趋向于高温升特性的发展趋势,这就意味着需要更多的燃烧空气量,在燃烧室总进气量一定的条件下,冷却空气量则要不断降低,火焰筒的冷却问题变得越来越突出。  本文为了降低冷却空气量,提高出口温度,将多斜孔壁冷却结构应用到折流燃烧室火焰筒壁上,在其实际工作状态下,运用FLUENT软件进行数值模拟分析研究。主要包括以下三个方面:(1)原型传统折流室的冷却特性的数值研究;(2)设计多斜孔壁折流燃烧室和对其冷却特性的分析;(3)燃油量对原型传统折流燃烧室和多斜孔壁折流燃烧室性能的影响。  首先,数值模拟了原型传统折流燃烧室的流动燃烧传热特性,包括考虑空心导向叶片传热和不考虑导向叶片传热两种情况,分析原型折流燃烧室在两种情况下流场、压力场、空气分配、燃烧组分浓度和温度场等分布规律,并进行了比较分析,发现两种情况下火焰筒内的流场温度场等基本一致,然而前者的计算周期是后者的2倍。综合考虑分析,本文对下一步多斜孔壁折流燃烧室的数值模拟,将不考虑空心导向叶片的传热。  其次,根据原型传统折流燃烧室的冷却特性,设计研究了采用多斜孔壁冷却结构方式的折流燃烧室,进而对其进行流动燃烧传热的数值模拟,模拟结果与原型折流燃烧室的换热特性进行对比分析。研究发现:折流燃烧室在采用多斜孔壁冷却方式后,流场分布上基本不受影响,其总压损失比原型燃烧室增加了0.317%;前者在火焰筒外环壁温度分布上比后者更加均匀,外环壁的最高温度前者为1.87,后者为1.94,降低了3.6%,超过1.6的高温区范围,前者比后者小很多,缩小了70.76%。前者冷却外环壁的冷却空气量比后者降低了59.05%,主燃孔和进气斗的进气量比后者分别增加了45.63%和4.17%,冷却空气量的大大降低,能提供了更多的空气参与主燃区燃烧。  最后,由于已有更多的空气能够参与到燃烧过程中,故可增加燃烧室燃油量,来提高燃烧室出口温度,数值模拟了多斜孔壁和原型燃烧室在另六种燃油量状态下的流动燃烧传热特性。研究发现:在流场、压力场分布、空气分配上,两种燃烧室受燃油量变化影响较小;两者主燃区燃气的最高温度基本不受燃油量影响;两者的出口温度均随燃油量的增加而提高,且提高幅度基本一致;在任意燃油量状态下,多斜孔壁折流燃烧室的出口温度均比原型折流燃烧室略高。当原始燃油流量增加51%时,多斜孔壁燃烧室出口平均温度达到2.15,比原型传统折流燃烧室在其原始燃油量状态下提高了20.4%。随着燃油量的增加,原型燃烧室火焰筒外环壁上超过1.6的高温区范围扩大得很明显,而多斜孔壁燃烧室受影响不大,始终保持火焰筒外环壁温在最高温限内。多斜孔壁冷却方式应用到折流燃烧室,能有效地降低冷却空气量,又能使壁温在材料许用范围内,是设计高温升燃烧室的重要冷却方式。
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