对于二元的前置扩压器,其扩压器效率和静压恢复系数与扩压器的扩张面积比以及长度比(定义为扩压器的长度/扩压器进口高度)是依靠实验得到的,如图9-2-4和图9-2-5所示,同时还给出了扩压器不分离的区域,扩压器的设计和选型要注意落在不分离的区域中,即虚线的下半部分。 突扩区域
环形突扩扩压器在前置扩压器的下游设置了突扩区域,见图9-2-6。从前置扩压器流出的气流,在前置扩压器的后缘台阶处与燃烧室冒罩即机匣之前的区域中分离,在分离区中,形成了回流区。在回流区中,速度较慢,动量低,在主流流动中的气流与之发生动量交换,导致了气流的总压损失。在图9-2-6回流区边界,以虚线表示,气流在到达滞止点后回流。
图9-2-4 二元扩压器的静压恢复系数
图9-2-5 直壁二元扩压器的效率
图9-2-6突扩扩压器在突扩区域内的流动
9.2.2 旋流流动
航空燃气涡轮发动机主燃区空气流动特性的重要作用在于稳定火焰。目前普遍采用的火焰稳定方法是在燃烧室的头部采用旋流器。由于强旋转射流产生回流区,使得进入火焰筒的未燃燃料空气混合物能够顺利的点燃。 旋流器结构
在航空燃气涡轮发动机上主要使用的旋流器是轴向叶片式旋流器和径向叶片式旋流器,见图9-2-7所示,以及它们的组合形式,双涡流器甚至三涡流器。因为气流通过旋流器后具有了切向速度,产生了旋转,因此称为旋流器。
(a)轴向叶片式旋流器
(b)径向叶片式旋流器
(c)旋流杯结构
图9-2-7 旋流器的几种种典型结构 旋流数
进入旋流器的气流具有了切向速度分量,气流是旋转地流出旋流器,在无外力作用下,角动量和轴向通量守恒:
RRRG???(wr)?u2?rdr?const.0
Gx??u?u2?rdr??P2?rdr?const.00
式中,u、w和静压p分别是旋转射流任意一个截面的轴向速度、切向速度及静压。上述两通量描述了旋转射流空气动力学特征,因此组合了出一个无量纲数,称之为旋流数,来描述旋流的特征:
S?G?GxR。
由于粘性耗散的作用,速度会大幅度衰减,另外,静压分布由于切向速度存在会发生改变,因此,通常采用旋流器出口的速度来计算旋流数,并略去了静压的影响,旋流数将以良好的近似程度由下式给出:
S?G?0Gx0R0 。
式中,G?0是旋流器出口的切向动量,Gx0是旋流器出口的轴向动量,并且不考虑静压影响,R0是旋流器出口外半径。
对于轴向旋流器,假设环形通道内的切向速度符合自由涡的速度分布,即wr?constant,轴向速度均匀,数值相同。
3Ro?Ri3G?o??(wr)?u2?rdr?2??utan?3Ri2RoRo2Gxo??u?u2?rdr???u2(Ro?Ri2)Ri
2?1?(Ro/Ri)3?S???tan?3?1?(Ro/Ri)2?
ReoReo对于径向旋流器,矩守恒,则有
wsiRsisin??wrG?o?Rei?2?r(wr)?udr,
Gx?Rei?2?r?u2dr,由于动量
,质量守恒,则有切向叶片式旋流器叶片间喉道流
u??s?smm?w?si22??Reo?Rei?nhsbs速与出口速度相等,则有:
S?22?Rsisin???Reo?Rei??,因此
nhsbsReo。
对于双旋流器,其中每个旋流器的旋流数计算与单涡流器相同。