燃烧室涡轮相互作用的挑战和解决方案

在过去的几十年里，通过提高总压比、提高涡轮入口温度、使用先进材料和减小核心发动机尺寸等手段，提高Brayton循环的发动机效率已经成为可能。这些改进导致了所有模块之间紧密而复杂的相互作用的紧凑型航空发动机的出现。

这些技术成就是通过对每个模块(风扇、压缩机、燃烧器和涡轮机)的性能以及它们如何组合成一台非凡的机器来实现的。通过分析进行设计，通过测试进行验证，使这一过程成为可能，并且更快。

由于原始设备制造商的设计团队是孤立的，因此单独模拟燃气轮机的每个模块仍然是常见的做法。对这些模块之间的交互进行建模仍然很复杂。事实上，发动机核心的紧凑性质使得很难确定组件之间的明确接口位置。在热段，通常将燃烧室和高压涡轮(HPT)分开建模，并将边界条件转移到涡轮进口。这种方法并不适合捕捉在燃烧室和涡轮机之间的所有复杂流动细节，也不适合跟踪决定涡轮机耐用性的热条纹迁移。对燃烧室-涡轮相互作用进行建模需要一种实用的方法，可以在发动机设计过程中加以利用，同时确保准确、快速和强大的CFD解决方案。

涡扇发动机原理图

燃烧室-涡轮相互作用中的静态构件建模

建立燃烧室-涡轮相互作用模型的第一步是从静态部件开始。本文中展示的仿真考虑了两种建模方法。第一种方法——联合仿真-独立解决两个组件，并将2D轮廓从燃烧室出口传输到定子入口。与传统的单向传递方法不同，采用双向耦合方法，形成一个剖面交换的反馈回路，直至各分量收敛。第二种方法联合仿真-在同一计算域中求解燃烧室和定子。

联合仿真域(左)和联合仿真域(右)

联合模拟方法面临的挑战是找到定义燃烧室出口和叶片入口的适当界面位置。发动机的紧凑特性加上冷却通道和排气口的存在，使得很难确定燃烧室区域和定子叶片区域之间的重叠区域。联合模拟方法也符合当前的建模实践，即燃烧室采用尺度分解模拟，如大涡模拟(LES)或应力混合涡模拟(SBES)，而涡轮采用reynolds -average Navier-Stokes (RANS)建模。统计平均量，如总压力、总温度和速度分量在燃烧室内插值，并应用于定子叶片进口作为边界条件。从燃烧室LES运行中准确提取湍流强度和长度尺度等湍流量需要非常注意，因为已知这些参数对涡轮内的混合和换热有很大影响。

联合模拟方法更直接，具有单一的计算域，其中尺度分解模拟和反应流在整个模型中占主导地位。网格被细化到平稳过渡，从燃烧室到叶片的要求，特别是在墙壁附近。

联合模拟网格与边界层过渡。

联合模拟方法要求至少有一个反馈回路在燃烧室和叶片双极中达到收敛。这意味着在两次燃烧室模拟和两次定子叶片运行后，两个组件的边界条件剖面和性能参数——燃烧室温度、出口剖面、总压降、涡轮进口压力——稳定在给定的阈值内。相比之下，联合模拟只需要一次运行，因此比联合模拟需要的时间少50%。

中螺距和叶片双壁的温度曲线。

联合模拟和联合模拟比较的一个重要方面是了解每种方法对温度分布和叶片壁面热负荷的影响。两种方法在叶片前缘上游的周平均温度分布差异不大。然而，在后缘的下游，这种变化更加明显，尤其是在轮毂和叶冠处。在联合模拟和联合模拟中，双叶片上的近壁温度轮廓相似，但在双叶片的每个叶片上都表现出不同的径向梯度。

双叶片跨中热斑迁移。

叶片上游和下游的平均温度分布

叶片双叶片壁面近壁面温度曲线。

当耦合仅限于静态组件时，联合仿真在预测燃烧室-定子相互作用方面具有更实用的过程和更高效的计算时间，同时在预测燃烧室-定子相互作用方面具有与联合仿真相似的精度。

转子模拟提出问题

当我们将转子纳入关节和联合仿真时，建模条件发生了变化。联合仿真仍然要求在燃烧室模型和定子-转子模型之间至少有一个反馈回路。然而，联合模拟时间尺度的变化，以比燃烧室时间步长小一个数量级的时间步长来调整转子的叶片通过频率。联合模拟现在需要一个更大的周转时间来完成从燃烧室入口到涡轮出口的规模分解模拟。

问题就变成了:在燃烧室涡轮双向交互方面进行联合模拟的好处是否超过了获得解决方案所需的长时间?这将是我们后续文章的主题。

热斑迁移通过高压涡轮。