基于环形燃烧室结构的燃气发生器设计与仿真

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2023.05.016

摘要/Abstract

摘要：

为有效解决高能化学激光器压力恢复系统无法实现小型化及机动性能等问题，提出了以高温气源替代常温空气作为引射气源的方案，并设计了一种基于航空发动机环形燃烧室结构的空气/酒精燃气发生器。采用CFD计算软件开展了燃气发生器的流场仿真计算，获取了燃气发生器冷态及燃烧工况下的速度、压力与温度场，并将部分仿真计算结果与理论计算及试验值进行了对比。研究表明：燃气发生器设计合理，扩压器及二股腔道转接处无气流分离，帽罩处无溢流现象；主燃区回流区明显，且尺度适中，有利于组织燃烧，并有效指导了高能电火装置的位置布局；空气流量配比合理，主燃孔及掺混孔的射流深度满足燃烧及掺混要求；燃烧室总压恢复系数达到96.7%，燃烧效率实现98.4%，实现了高效燃烧；此外，相同工况下的理论计算值及试验结果验证了数值计算方法的合理可行性。

关键词: 压力恢复系统, 引射气源, 航空发动机, 环形燃烧室, 燃气发生器

Abstract:

A scheme of employing high-temperature gas source instead of normal-temperature air as the ejection gas source is proposed， and an air/alcohol gas generator based on aeroengine annular combustor structure is designed to meet the miniaturization and maneuverability of a high-energy chemical laser pressure recovery system. Meanwhile， CFD software is adopted to simulate the flow field of gas generator， and obtain the velocity， pressure， and temperature fields of gas generator in cold and combustion conditions. Some simulation results are compared with theoretical calculation and experimental values. The research shows that the design of the gas generator is reasonable， and there is no air flow separation at the diffuser and the junction of the two-channel cavity， without overflow at the cap. The recirculating zone of the main combustion zone is obvious with moderate scale， which is conducive to combustion organization and guides the location layout of high-energy electric fire devices. The air flow ratio is reasonable， and the jet depth of the main combustion hole and mixing hole meets the combustion and mixing requirements. The total pressure recovery coefficient of the combustion combustor reaches 96.7% with the combustion efficiency of 98.4%， which realizes efficient combustion. Additionally， the theoretical calculated values and experimental results in the same working conditions verify the rationality and feasibility of the numerical simulation method.

Key words: pressure recovery system（PRS）, ejection gas source, aeroengine, annular combustor, gas generator

中图分类号:

V231.2

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图/表 16

图1 燃气发生器结构示意图

Fig. 1 Structure diagram of gas generator

表1 燃气发生器主要设计参数

Table 1 Main design parameters of gas generator

主要参数	数值
空气流量/（kg·s^-1）	35.0
余气系数	3.0
室压/MPa	3.5
总温/K	1 100.0
单次最长工作时间/s	不小于50.0
出口温度偏差/℃	50.0
总压恢复系数	不小于95%
燃烧效率	不小于95%

图2 燃气发生器工作原理图

Fig. 2 Working principle diagram of gas generator

图3 喷嘴结构简图

Fig. 3 Structure diagram of injector

图4 计算模型及网格

Fig. 4 Computing model and grid

表2 计算边界条件

Table 2 Calculation boundary conditions

边界类型	边界条件	组元	流量/（kg·s^-1）	温度/K
入口条件	质量流量入口	空气	35	298.15
入口条件	壁面喷入	酒精	1.296	298.15
出口条件	压力出口	燃气	设定反压为1013 25 Pa
壁面	绝热、无滑移

图5 燃气发生器冷态压力场

Fig. 5 Cold pressure field of gas generator

图6 燃气发生器冷态速度场

Fig. 6 Cold velocity field of gas generator

图7 燃气发生器冷态速度矢量场

Fig. 7 Cold velocity vector field of gas generator

图8 燃气发生器燃烧速度场

Fig. 8 Combustion velocity field of gas generator

图9 燃气发生器燃烧速度矢量场

Fig. 9 Combustion velocity vector field of gas generator

图10 燃气发生器燃烧温度场

Fig. 10 Combustion temperature field of gas generator

表3 物性参数

Table3 Physical parameters

参数	温度/K	CO₂	H₂O	N₂	C₂H₅OH
△h_f / （J·mol^-1）		393.5	242	0	278
C_p，i / （J·mol^-1K^-1）	200	32.39	32.55	28.79
	300	37.28	33.47	29.15
	800	51.55	38.59	31.39
	1 200	56.21	43.87	33.7

图11 压力监控点示意图

Fig. 11 Schematic diagram of pressure monitoring points

图12 燃气发生器出口排架温度曲线分布［12］

Fig.12 Temperature curve distribution of gas generator outlet［12］

图13 数值仿真及试验压力对比

Fig. 13 Pressure Comparison of numerical simulation and test

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