采用气膜冷却的高速燃烧器的改进研究
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【摘要】针对采用气膜冷却的高速燃烧器燃烧室在工作时时喷管部位温度极高所导致的烧蚀故障，该文采用数值模拟燃烧室内的燃烧场，找到烧蚀的原因并提出改进方法。
【关键词】燃烧室；气膜冷却
【中图分类号】TH 【文献标识码】A
【文章编号】1007-4309（2013）07-0054-1.5
高速燃烧器燃烧室的内壁（尤其是喷管部位），在燃烧的过程中，如果不采用适当的冷却措施，很容易发生烧蚀，因此烧蚀问题是高速燃烧器设计中的重要课题之一。防止燃烧室固壁烧蚀的措施可采用气膜冷却，气膜冷却是将冷却气体喷射到需要冷却的表面，形成一层贴壁的薄膜，由于气体是热的不良导体，因此具有极好的起冷却作用。本文研究从燃烧室入口注入气体，对内壁进行冷却和保护的方法，通过对燃烧室内部流场的数值模拟，寻找造成喷口处温度非正常升高的原因，并提出了防止烧蚀的改进措施。
一、几何模型
低温冷却气体和高温燃气分别由燃烧室入口边区和中心区的气孔进入燃烧室，在计算中将三维燃烧室模型简化为轴对称模型以减少计算量。按照简化后的轴对称模型，气体从一系列以燃烧室轴心为圆心的环形入口进入燃烧室，如图1所示。
图1 几何模型
二、数值模型
本文采用基于有限体积方法的CFD软件FLUENT进行有关的数值模拟，采用轴对称计算模型，选用二阶迎风格式对方程进行离散。因为在实际应用中要求给定精确的质量流量，所以入口条件给定质量入口边界。出口采用压力边界，给定出口压力为101.325kPa，选择Spalart2―Allmaras方程湍流模式，该模式对于边界层内有负压梯度存在的情况具有较好的模拟结果。
三、结果与分析
边界条件为边区冷却气体的温度为1082.5K，流量为0.48kg/s，流动方向与轴线平行，中心区气体的温度为2707K，流量为1.98kg/s，比热容为1809.6J/（kg・K），燃烧室入口总压2MPa。
图2是气体流动达到稳定后燃烧室对称面内的流线图，计算结果表明，在内壁上游附近有一个较大的旋涡存在，使得冷却气膜中的相当一部分被卷向中心区，减少了有效的冷却气体流量，这是导致试验过程中燃烧室内壁出现烧蚀现象的主要原因。
图2 燃烧室内的流线图
图3给出了燃烧室内壁面温度分布的计算结果，图中横轴表示沿燃烧室轴向的位置，纵轴表示内壁面相应点的温度，从图中可以看出，在距离入口约60mm的位置，壁面附近的温度从1200K左右急剧升高到了2100K以上，对比流线图可知，这一位置正是靠近燃烧室内壁的旋涡开始出现的位置。从这一位置开始直至出口附近，壁面附近温度都在2100K以上。以上计算结果表明，由于内壁附近旋涡的存在，相当一部分冷却气体会被卷入燃烧室的中心区，发挥不了对内壁的冷却作用，导致出现烧蚀现象。针对该形状的燃烧室模型，为了防止烧蚀现象的出现，本文提出了改变冷却气体进入燃烧室的入流方向，从而提高冷却效果。
图3 沿燃烧室内壁面的温度分布
通过数值计算研究了采用不同气体流量和入流方向对燃烧室内流场和温度分布的影响。计算得到的喉部温度如图4所示，其中横轴代表冷却气体的入流方向角（冷却气体入流方向与燃烧室轴向的夹角），纵轴为内壁喉部的温度。在试验中，出现烧蚀现象的冷却气体流量用Q表示。冷却气体入流方向与燃烧室轴向夹角的变化范围为0-80°，0°入流角代表冷却气体入流方向与燃烧室轴线平行的情况。图4给出的曲线表明，随着边区冷却气体流量的增加，喉部的温度明显下降。在冷却气体流量一定的情况下，喉部温度随冷却气体入流角的增加出现了先降低后升高的情况。从图中可以看出，在1Q下，60°是最佳的方向角，在60°以前温度随角度的增加而下降，60°以后温度又随角度增加而升高。而在1.25Q和1.50Q下，70°是最佳方向角。对比图中1.00Q、0°和1.50Q，70°两点的温度，表明通过改变边区气体流量和方向角，喉部温度下降了500K以上。
图4 各种计算工况下燃烧室壁面喉部的温度
四、结论
针对高速燃烧起燃烧室模型在运行时喷管道出现烧蚀故障，通过FLUENT软件模拟了该燃烧室的工作过程。结果发现，导致烧蚀的主要原因是燃烧室内壁附近的气膜冷却区存在旋涡，低温气膜中的一部分冷却气体被卷入中心区，未能起到预期的冷却效果。通过提高冷却气体流量和增大冷却气体进入燃烧室的入流方向角两点改进措施，可以改善气膜冷却的效果，排除烧蚀故障。
【参考文献】
[1]孙冰，等.固体火箭冲压发动机燃烧室热防护层烧蚀计算[J].推进技术，2002（5）.
[2]林宇震，等.不同偏角多斜孔壁气膜冷却绝热温比研究[J].推进技术，1998（5）.
【作者简介】陶鹏：65194部队。 王海鹏：装甲兵技术学院。 王国宁：装甲兵技术学院。 李文卓：装甲兵技术学院。