燃烧室出流条件对涡轮静叶端...动结构和传热冷却特性的影响_孙添一.pdf

第5 7卷 第1期2 0 2 3年1月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.1J a n.2 0 2 3.*燃烧室出流条件对涡轮静叶端壁流动结构和传热冷却特性的影响孙添一,张垲垣,李志刚,李军(西安交通大学叶轮机械研究所,7 1 0 0 4 9,西安)摘要:论文数值研究了不同燃烧室旋流器时序位置与旋流方向工况下,涡轮静叶叶栅气动特征,端壁附近流动结构,总压损失系数和端壁、叶表传热与冷却特性以及冷却气的流动趋势;建立了双环预混旋流器(T A P S)燃烧室简化模型,将其与涡轮第一级静叶叶栅进行整体数值计算。研究表明:本文计算采用的T A P S燃烧室模型旋流器出口旋流数为0.7 1,可以代表典型贫油预混燃烧室流动特征;火焰筒内壁发散冷却气会在静叶端壁附近形成高总压区,燃烧室旋流使中间叶展位置总压降低;正向旋流会在叶片前缘处分为两股,反向旋流则全部流入一个叶栅通道;燃烧室旋流冲刷会显著提升叶片吸力面上游换热强度,正向旋流会对下端壁压力面侧的冷却效果产生负面影响;槽缝射流局部吹风比在滞止点处最低,但旋流器正对叶片前缘时,旋流会削弱滞止点的影响;静叶端壁流动结构与传热、冷却特性受到燃烧室出流条件的显著影响,在进行叶栅气动性能优化与冷却结构设计时需对其加以考虑。关键词:燃烧室旋流;发散冷却;静叶端壁;流动结构中图分类号:T K 4 7 4.7 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 1 0 1 5 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 1-0 1 5 2-1 2E f f e c t o fC o m b u s t o rO u t f l o wC o n d i t i o n so nt h eF l o wS t r u c t u r ea n dH e a tT r a n s f e rC o o l i n gC h a r a c t e r i s t i c so fT u r b i n eV a n eE n d w a l lS UNT i a n y i,Z HANGK a i y u a n,L IZ h i g a n g,L I J u n(I n s t i t u t eo fT u r b o m a c h i n e r y,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e r,t h r o u g ht h en u m e r i c a la n a l y s i sr e s e a r c h,i n v e s t i g a t e st h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h et u r b i n ev a n ec a s c a d e,f l o ws t r u c t u r e sn e a rt h et u r b i n ev a n ee n d w a l l,t o t a lp r e s s u r e l o s sc o e f f i c i e n t,h e a tt r a n s f e ra n dc o o l i n gc h a r a c t e r i s t i c so nt h ee n d w a l la n dv a n es u r-f a c e,a n dt h e f l o wt r e n do f t h ec o o l i n ga i ru n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sw i t hd i f f e r e n t c l o c k i n gp o s i-t i o n sa n dw h i r l i n gd i r e c t i o n so f t h ec o m b u s t o rs w i r l e r.As i m p l i f i e dm o d e lo ft w i na n n u l a rp r e-m i x i n gs w i r l e r(T A P S)c o m b u s t o r i se s t a b l i s h e d,a n dt h eo v e r a l ln u m e r i c a l c a l c u l a t i o n i sc a r r i e do u tb y i n c l u d i n gt h e t u r b i n en o z z l ev a n ec a s c a d ec o m b i n e da n dt h ec o m b u s t o r s e c t i o na saw h o l e.T h eo b t a i n e dr e s u l t ss h o wt h a tt h eT A P Sc o m b u s t o rc a l c u l a t i o nm o d e lu s e di nt h i sp a p e rh a sas w i r ln u m b e ro f 0.7 1a t t h eo u t l e t o f t h e s w i r l e r,w h i c hc a nr e p r e s e n t t h e t y p i c a l f l o wc h a r a c t e r i s-t i c so f a l e a n-b u r np r e m i x e d c o m b u s t o r.T h e e m i s s i o no f c o o l i n g a i r f r o mt h e i n n e rw a l l o f t h e f l a m e t u b e*收稿日期:2 0 2 2-0 4-0 2。作者简介:孙添一(1 9 9 8),男,博士生;李军(通信作者),男,教授,博士生导师。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 9 3 6 0 0 8)。网络出版时间:2 0 2 2-0 7-2 8 网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 2 0 8 2 9.1 5 3 4.0 0 2.h t m l 第1期孙添一,等:燃烧室出流条件对涡轮静叶端壁流动结构和传热冷却特性的影响 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n l e a d s t oah i g h t o t a l p r e s s u r e a r e an e a r t h e v a n e e n d w a l l,w h i l e c o m b u s t o r s w i r l i n g f l o wr e d u c e s t h e t o t a lp r e s s u r ea tm i d-s p a np o s i t i o n.T h ep o s i t i v e s w i r l i n g f l o wi s s e p a r a t e d i n t o t w o s t r e a m s a t t h ev a n e l e a d-i n g-e d g e,w h i l e t h en e g a t i v e s w i r l i n g f l o we n t e r so n ec a s c a d ea saw h o l e.T h ec o m b u s t o rs w i r l i n gf l o ws i g n i f i c a n t l ye n h a n c e s t h eu p s t r e a mh e a t t r a n s f e ro nt h ev a n es u c t i o ns i d e.T h ep o s i t i v es w i r l i n gf l o wn e g a t i v e l ya f f e c t s t h e c o o l i n ge f f e c t o nt h ep r e s s u r es i d eo f t h eh u be n d w a l l.T h e l o c a lb l o w i n gr a t i oo fs l o t j e t f l o wi s t h e l o w e s t a t t h e s t a g n a t i o np o i n t,b u tw h e n t h e s w i r l e r i s a l i g n e dw i t h t h ev a n e l e a d i n g-e d g e,t h e s w i r l i n g f l o ww e a k e n s t h e i n f l u e n c eo f t h e s t a g n a t i o np o i n t.T h e f l o ws t r u c t u r e,h e a t t r a n s f e ra n dc o o l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ev a n e e n d w a l l a r e s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db y t h e c o m b u s t o r o u t f l o wc o n d i-t i o n s,w h i c hn e e d t ob e c o n s i d e r e dw h e no p t i m i z i n g t h e a e r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f v a n e c a s c a d e a n dd e-s i g n i n g t h e c o o l i n gs t r u c t u r e.K e y w o r d s:c o m b u s t o rs w i r l i n gf l o w;e f f u s i o nc o o l i n g;v a n ee n d w a l l;f l o ws t r u c t u r e 航空发动机核心机提高透平进口温度以改善热效率的同时,还导致热力型NOx排放量增加。高效率、低排放、高可靠性的航空发动机发展趋势对燃烧技术与涡轮气热设计提出了更高的要求。先进燃烧室采用的贫油预混燃烧技术使燃烧室出口出现热斑、强旋流与高湍流度1。燃烧室、涡轮交界面的非均匀气热参数分布显著影响高压涡轮级的气热性能,为其冷却设计带来了挑战2。针对燃烧室出口旋流对高压涡轮气热性能的影响,研究人员进行了数值模拟与试验研究。J o h a n s-s o n等3基于牛津大学透平研究试验台4试验研究了燃烧室旋流器时序位置对涡轮静叶气动性能的影响,结果表明:燃烧室旋流增强了涡轮静叶叶栅中的径向掺混而静叶通道掺混量受旋流器时序位置的影响。达姆施塔特工业大学的研究者在大比例透平试验段(L S T R)5上进行了燃烧室旋流条件对涡轮气热性 能 影 响 的 研 究。W e r s c h n i k等