內機匣故障對燃燒室性能影響的數值與試驗研究

王文波，岳　明，金　捷

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191）

內機匣故障對燃燒室性能影響的數值與試驗研究

王文波，岳明，金捷

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191）

為了研究內機匣故障對燃燒室性能的影響，在對某回流燃燒室的正常件及小彎管有裂縫故障件進行試驗的基礎上，通過可實現的k-ε湍流模型、顆粒隨機軌道模型、火焰面模型和K undu化學反應機理對模型燃燒室內3維2相燃燒流場進行了數值模擬，分別對小彎管不同裂縫長度（占模型弧長的10%、20%、30%、40%、50%）且最寬處為0.55 mm不變情況下的模型燃燒室的出口溫度分布進行對比分析。結果表明：裂縫漏氣導致葉尖溫度降低，葉根溫度升高，不利于渦輪轉子葉片工作。

內機匣；故障；試驗；數值模擬；出口溫度分布；航空發動機

0　引言

燃燒室是燃氣輪機的核心組成部件，其工作環境具有熱負荷大、流場復雜及高溫高速等特點。燃燒室出口溫度場均勻性不僅是燃氣輪機燃燒室的重要安全性指標，而且是渦輪葉片安全長久工作的重要保證，密切關注燃燒室性能參數是十分必要的。隨著渦輪前溫度的提高，燃燒室火焰筒等高溫零件的故障問題日益成為關注的焦點。據相關統計數據［1］，在燃燒室故障中，63%是火焰筒的故障，5%是燃燒室外套的故障，4%是噴嘴的故障。然而在公開文獻中，極少研究故障發生后對燃氣輪機產生的影響。而且，由于燃燒室內部流場、化學反應及物理變化過程非常復雜，在試驗中不能細致觀察到燃燒室內部燃燒流動情況，有很大的局限性。隨著計算機性能的提高，計算方法的不斷完善和改進，燃燒室的數值模擬研究得到國內外的廣泛重視，比如GE公司提出的ACC（Advanced Combustion Code）計劃［2］，采用參數化建模方法［3-4］和基于計算流體力學（CFD）的數值方法［5］，以及3維湍流燃燒數值模擬［6］來分析燃燒室的工作特性，預測其流場、溫度分布以及NOX排放指數，對減少燃燒室試驗和研制費用，縮短研制周期具有重要的現實意義［7］。

本文在試驗的基礎上，用數值模擬的方法研究某回流燃燒室火焰筒內壁故障對其出口溫度分布的影響，以期引起相關研究者的重視，并對燃氣輪機的維護起一定指導作用。

1　研究對象及計算網格

本文研究對象為某回流環形燃燒室，包括14個沿周向均勻分布的旋流器，每個旋流器內部裝有1個空氣霧化噴嘴，渦流杯位于內外機匣的中部，并與火焰筒頭部相連。在火焰筒內、外機匣壁面上開有2排較大的孔，前面為主燃孔，后面為摻混孔，在火焰筒上分布5～6排冷卻孔。燃燒室結構如圖1所示?？諝鈴膲簹鈾C出來經外環腔通道，大量空氣在組織燃燒和與燃氣摻混的過程要經過2次折轉再流入渦輪部件，為了與試驗結果對比分析，所有組件盡量與實際燃燒室結構相同。而為了提高網格質量和計算精度，本文對燃燒室流場影響較小的組件作了適當簡化。

在燃氣輪機實際工作過程中，在燃燒室內機匣小彎管部位（即圖1中A處）形成了裂縫，裂縫狀態如圖2所示。裂紋長度沿周向約占環形燃燒室整圈周長的50%，在裝配狀態下測得裂紋冷態下最寬處約為0.55 mm，為了研究內機匣裂縫對燃燒室性能的影響，在燃燒室部件試驗器上安裝裂紋故障件進行了部件性能試驗。

圖1　回流燃燒室結構

圖2　小彎管焊縫裂紋

某研究機構對回流環形燃燒室進行試驗的運行工況見表1。分別模擬了內機匣故障件和正常件燃燒室的性能試驗，并作簡單的對比分析，在此基礎上，通過數值模擬方法研究了A處不同裂縫長度下（占模型燃燒室弧長的10%、20%、30%、40%、50%）燃燒室的性能變化情況，分析其變化過程。

表1　燃燒室的運行工況參數

由于環形燃燒室的幾何結構比較復雜，考慮到計算時間成本問題，取1個噴嘴對應的幾何區域作為計算區域，以Y=0 mm為中心截面，周向取26°扇形區域即1/14環形燃燒室，并適當的延長進出口區域。使用ICEM-CFD軟件對計算模型劃分網格，所用網格主要采用四面體網格，如圖3所示。在主燃區、旋流器等局部局域進行加密，燃燒室網格數為約590萬。

圖3　模型回流燃燒室網格

2　數值計算方法

2.1數學物理模型

數值計算采用FLUENT 15商用軟件。在任意非結構網格下，建立了燃燒室內3維噴霧2相流燃燒過程的數學模型，選用能較好修正湍流黏度系數Cμ［8］且易收斂的Realizable k-ε模型［9］、穩態火焰面模型［10］及顆粒群軌道模型等對3維2相化學反應流場進行計算，近壁面區采用標準壁面函數處理，數值算法采用SIMPLE壓力速度耦合算法。在全流場中使用拉格朗日發追蹤離散相液滴的運動，按照顆粒軌道模型求解油珠的運動軌跡，以及沿軌道的顆粒速度、大小和溫度的變化過程，液滴的分布采用Rosin-Rammler分布［11］。

本文以C12H23為航空煤油的替代燃料進行模擬，化學反應采用Kundu反應機理［12］，該機理是Kundu 在1999年提出的最具代表性的1個化學反應機理，應用范圍廣泛，且經過了預混燃燒試驗驗證。根據文獻［13］提到的131種組分1020步不可逆基元反應的詳細化學反應機理，Kundu給出了16個組分，23步反應的簡化機理，能很好準確預測模型燃燒室的溫度場和CO2排放量［14］，并能節省大量計算時間。

火焰面模型采用近平衡化學假設，在湍流燃燒過程中，當火焰面厚度小于湍流最小的漩渦尺度時，湍流燃燒呈皺褶的層流火焰面燃燒模式。此時穩態擴散火焰可以看成由一系列具有不同結構的層流火焰面組成，通過將標量耗散率作為獨立的參數引入穩態火焰面方程中，且當火焰面穩定時，火焰面結構僅由標量耗散率和混合分數2個參數決定，求解火焰面方程，生成標量耗散率和混合分數的變化關系寫入數據文件。通過求解湍流流場，得到平均標量耗散率和平均混合分數，然后在數據庫中插值得到對應的組分質量分數和溫度值。

2.2邊界條件

計算工況的設定參考試驗工況（見表1），進口采用質量進口邊界條件，來流空氣溫度為623 K，假設質量流量每個頭部均勻分配，即取試驗狀態的1/14，約為0.298 kg/s，出口截面采用壓力出口邊界條件，燃燒室的兩側面設定為旋轉周期性邊界條件，旋轉角度為26°，近壁面的湍流動能及其耗散率由標準壁面函數法確定，給定噴射類型為霧化錐形式，噴霧角度為60°。

3　結果與分析

3.1燃燒室出口溫度分布

出口溫度試驗值如圖4所示。圖中對比了正常件和故障件燃燒室在同一工況下（表1）某測溫耙上的出口溫度試驗值，故障燃燒室試驗值（Exp.f）由于機匣裂縫導致出口溫度與機匣正常燃燒室試驗值（Exp.）產生明顯變化：在約70%葉高處溫度相等，并且向葉尖方向降低，向葉根方向升高，葉尖溫度最高降低10%，約130 K，葉根溫度升高5%，約70 K。

圖4　出口溫度試驗值

燃燒室出口溫度計算值和試驗值對比情況如圖5所示。計算值（Cal.）與燃燒室正常件出口溫度試驗值（Exp.）相比，計算值能部分反映試驗結果，中心高溫區域溫度與試驗相符，同時葉根溫度低于試驗值，沿周向存在較明顯的低溫帶，燃燒室出口溫度分布計算值出現偏差的原因有很多［15］，總體而言，模型燃燒室的計算結果能滿足本文要求。

圖5　出口溫度徑向分布

為了進一步分析出口溫度的分布情況，無量綱化的出口溫度徑向分布如圖6所示。在模型燃燒室不同裂縫占比下（0、30%、 50%）的出口溫度無量綱化后的分布曲線中，將出口溫度除以3種狀態下溫度最大值（裂縫占比為50%時周向平均溫度最大值為1530 K），表征了不同狀態下出口溫度沿徑向的分布特征。從圖中可見，出口溫度變化趨勢和試驗值相符，隨著內機匣裂縫變長，高溫區下移15%，溫升約5%，由于葉尖溫度降低過多，出口溫度分布曲線在葉尖變化較大。并且，出口溫度在65%葉高附近發生轉變。

圖6　無量綱化的出口溫度徑向分布

3.2出口溫度分布評價指標

采用平均徑向溫度分布系數TRDF作為出口溫度場品質的評價指標［16］

式中：T3為燃燒室進口空氣溫度；T4為出口燃氣溫度；下標ave為整個橫截面平均，max為最大值，avc為周向平均。

模型燃燒室內機匣不同裂縫長度條件下TRDF值見表2。計算結果顯示，隨著燃燒室內機匣故障嚴重化，TRDF值不斷變大。從表中可見，隨著裂縫變長，TRDF值增至0.145，同時，故障燃燒室對比正常燃燒室TRDF值從0.078增至0.144。而文獻［14］指出，在目前溫升水平的燃燒室中，TRDF值不超過0.15。

表2　不同裂縫長度下出口溫度品質

為了進一步說明，又分析了TRDF值大小和徑向位置的關系，如圖7所示。正常燃燒室TRDF最大值為0.09，徑向位置約在70%葉高處；當內機匣裂縫長度占比為50%時，TRDF=0.145，徑向位置約在1/2葉高處。隨著裂縫變大，TRDF峰值不斷變大且徑向位置向葉根方向下移，TRDF最大值和出口高度隨裂縫長度的加劇呈線性關系。

正常燃燒室和故障件燃燒室試驗值TRDF分布，以及模型燃燒室內機匣不同故障狀態下的TRDF最大值和徑向位置計算值（Cal.p），文獻［14］中燃燒室出口溫度分布形狀的典型要求（Ideal.）和最大分布偏差（Max deviation.），如圖8所示。

圖7　隨裂縫變化趨勢　

圖8　徑向溫度分布系數

從圖中可見，正常件燃燒室試驗結果（Exp.）與出口溫度理想分布符合良好；故障件燃燒室試驗結果（Exp.f）在葉尖處TRDF值急劇減小，然后沿著葉根方向不斷增大，TRDF值從0.078增至0.144，增大約85%。模型燃燒室TRDF內機匣正常的計算值與試驗值相符，同時，當裂縫長度為40%時，TRDF峰值為0.13，徑向位置在55%葉高處，TRDF值雖然未超過0.15，但其值已超出最大分布偏差，不利于渦輪的工作。

3.3對結果及原因分析

分析導致燃燒室出口溫度分布高溫區徑向位置下移的原因，可能是內機匣故障相當于增加了燃燒室內的開孔面積，對燃燒室內氣流分配有一定程度影響，隨著故障面積的變化導致空氣流量分配不斷變化。

正常燃燒室中心截面（Y=0 mm）的流體跡線、以及裂縫長占比為10%、30%、50%時內機匣故障處流體跡線如圖9所示。從圖中可見，由于A處（圖1）裂縫漏氣導致裂縫射流背流區形成1個穩定的射流漩渦，并且逐漸增大。文獻［17］對此認為：在射流邊界區域，因卷吸與射流間存在較強質量、動量輸運和交換，射流迎流面和背流面存在的力強梯度迫使射流彎曲，燃氣主流與裂縫射流的相互作用形成復雜的大尺度渦。從圖中射流渦的變化可見，隨著裂紋長度的增加，漏氣量增多，射流渦發展加快，射流剛性增強、對主流的影響深度逐漸增加，射流對主流的影響范圍越來越大，混合界面溫度不斷降低，對于未能影響到的主流高溫燃氣，在穩定的射流渦一定的“擠壓”作用下，導致高溫區不斷下移。

圖9　燃燒室Y=0 mm平面的流線及不同裂縫占比（10%、30%、50%）狀態下主流邊界層流體跡線

4　結論

利用Fluent軟件對回流燃燒室進行了3維2相燃燒流場數值模擬研究，同時對內機匣不同程度故障條件下的燃燒室進行數值模擬，并與試驗結果進行比較分析，得出如下結論：

（1）采用的數值模擬方法能對燃燒室3維2相燃燒場起到一定的預測作用。通過對內機匣故障燃燒室的數值模擬，可以預測內機匣故障對燃燒室出口溫度分布的影響：隨著內機匣故障加劇，燃燒室出口溫度葉尖溫度逐漸降低，葉根溫度逐漸升高；出口溫度評價指標平均徑向溫度分布系數TRDF值不斷變大，在裂縫長度占弧長的40%時，TRDF超出適用范圍，建議更換。

（2）燃燒室內機匣故障導致裂縫射流背流區形成穩定的射流渦，從而影響了燃燒室出口溫度分布，對渦輪工作不利。

本研究對于燃燒室經孔探儀檢查后是否需要進一步分解維修具有一定的指導意義。

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（編輯：張寶玲）

Numerical and Experimental Study of Effect of Inner Casing Failure on Combustor Performance

WANG Wen-bo，YUE Ming，JIN Jie
（School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

In order to study the effect of inner casing failure on combustor performance，three dimensional two-phase combustion flow fields in a model combustor were simulated using realizable k-ε turbulent model，particles stochastic trajectory model，flame let models and Kundu chemical reaction mechanism based on the experiment of a reverse-flow combustor and the one with cracks in the small bend.The outlet temperature distribution of the model combustor in the situation of different crack length（accounting for 10%，20%，30%，40%，50% of the arc length of the model）and the widest position's dimension which was a fixed value of 0.55 mm were compared and analyzed.The result shows that the crack leakage lead to the temperature dropping at blade tip but rising at the blade root，which is not conducive to the turbine rotor blade.

inner casing；failure；experimental；simulation；outlet temperature distribution；aeroengine

V 231.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.016

2015-09-19

王文波（1989），男，在讀碩士研究生，研究方向為航空發動機燃燒室數值仿真；E-mail：wwb_go@163.com。

引用格式：王文波，岳明，金捷.內機匣故障對燃燒室性能的影響的數值與試驗研究［J］.航空發動機，2016，42（2）：83-87.WANGWenbo，YUEMing，JINJie. Numericalandexperimentalstudyofeffectofinnercasingfailureoncombustorperformance［J］.Aeroengine，2016，42（2）：83-87.