燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室三維周期拓展分析方法

苗　淼，卞朋交，鄭洪濤（.海軍裝備部，西安700；.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱5000）

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室三維周期拓展分析方法

苗淼1，卞朋交2，鄭洪濤2
（1.海軍裝備部，西安710021；2.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱150001）

摘要：采用一種周期拓展的燃燒室分析方法，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室性能進(jìn)行研究。研究表明，該方法可在不影響燃燒室性能分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，有效簡(jiǎn)化計(jì)算模型，減小計(jì)算量，降低計(jì)算成本?；谶@一分析方法，研究了二級(jí)旋流器出口角及一、二級(jí)旋流器進(jìn)氣比對(duì)燃燒室性能的影響。結(jié)果表明：隨著二級(jí)旋流器出口角的增大，燃燒室出口溫度分布系數(shù)逐漸降低，燃燒室燃燒效率及出口NOX排放量均先減小后增加；隨著二級(jí)旋流器進(jìn)氣量的增加，燃燒室出口溫度分布系數(shù)逐漸降低，燃燒室出口NOX排放量先減小后增加。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；燃燒室；旋流器；數(shù)值模擬；周期拓展分析方法；NOX排放量

1　引言

燃?xì)廨啓C(jī)自上世紀(jì)40年代以來(lái)，經(jīng)過70多年的研究，取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單機(jī)功率大、質(zhì)量尺寸小、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空、船舶、電力、石油等諸多工業(yè)領(lǐng)域［1-2］。燃燒室作為燃?xì)廨啓C(jī)的三大部件之一，其性能直接影響燃料利用率、渦輪葉片壽命、燃?xì)廨啓C(jī)整體效率及工作穩(wěn)定性。特別是現(xiàn)代對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室性能指標(biāo)的要求日益提高，迫切需要研發(fā)出一種燃料利用率高、流阻損失低、燃燒穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)、排放污染低、出口溫度分布合理的高溫升燃燒室［3］。

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)方法，主要有經(jīng)驗(yàn)方法［4-5］、半經(jīng)驗(yàn)方法、半分析方法、半分析機(jī)理方法［6-7］、混合模擬方法［8］和CFD數(shù)值模擬方法［9-10］等6種。由于CFD數(shù)值模擬技術(shù)在燃燒室燃燒流場(chǎng)預(yù)測(cè)方面的出色表現(xiàn)，設(shè)計(jì)者們比以往更加重視其應(yīng)用［11-12］。縱觀國(guó)內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室CFD數(shù)值模擬的發(fā)展歷程，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室這樣一個(gè)非常復(fù)雜的燃燒設(shè)備進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，所面臨的困難主要包括兩個(gè)方面：一是對(duì)耦合在一起相互作用的物理和化學(xué)現(xiàn)象的準(zhǔn)確描述，二是對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快速的幾何建模和網(wǎng)格劃分［13］。前者是燃燒室數(shù)值模擬的根基，也是一直以來(lái)研究的重點(diǎn)，發(fā)展到現(xiàn)在根基己越扎越深；而后者是數(shù)值模擬的枝葉，對(duì)其發(fā)展的重要性也越來(lái)越明顯［14-15］。

目前，美國(guó)GE公司的CONCERT軟件［16］、英國(guó)R·R公司的PACE軟件、美國(guó)P&W公司的PREACH軟件，已均可對(duì)燃燒室性能進(jìn)行可靠計(jì)算和預(yù)估；美國(guó)NASA的燃燒軟件NCC，也可為燃燒室設(shè)計(jì)和分析人員提供準(zhǔn)確可靠的計(jì)算結(jié)果［17］。國(guó)內(nèi)周形等［18］曾研究出一種計(jì)算機(jī)程序，能迅速、正確地確定具有突擴(kuò)擴(kuò)壓器的環(huán)形燃燒室的基本尺寸。徐世泊［4］運(yùn)用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式法，對(duì)燃燒室的初始條件和設(shè)計(jì)需求進(jìn)行整理，提出一套設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，而后又對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化。

對(duì)燃燒室進(jìn)行三維周期拓展研究，是介于燃燒室二維設(shè)計(jì)分析和三維數(shù)值模擬之間的中間步驟，特別是針對(duì)環(huán)管型燃燒室，既可解決二維模型無(wú)法準(zhǔn)確模擬具有較大射流深度的主燃孔后流場(chǎng)的問題，又可避免三維模型網(wǎng)格復(fù)雜、計(jì)算周期長(zhǎng)的問題。本文通過三維周期拓展結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果與全尺寸燃燒室模擬結(jié)果的對(duì)比分析，證明了這種三維周期拓展優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性，并分析了旋流器各參數(shù)尺寸對(duì)燃燒流場(chǎng)的影響。

2　燃燒室建模及網(wǎng)格劃分

2.1單頭部全尺寸燃燒室建模及網(wǎng)格劃分

研究對(duì)象為某型燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)管型燃燒室，由于該燃燒室?guī)缀尉哂兄芷谛?，文中取一個(gè)火焰筒進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該燃燒室由雙級(jí)突擴(kuò)擴(kuò)壓器、斜切徑向旋流器、火焰筒及內(nèi)外機(jī)匣等組成。采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)燃燒室進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)冷卻孔、旋流器處的網(wǎng)格局部加密。考慮到計(jì)算精度、計(jì)算速度與計(jì)算能力三方面因素，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終生成的網(wǎng)格數(shù)量為750萬(wàn)。

2.2三維周期拓展燃燒室建模及網(wǎng)格劃分

采用三維周期拓展建模方法，對(duì)原燃燒室模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，大幅減少建模工作量及網(wǎng)格數(shù)量。具體過程為：由于燃燒室頭部結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室性能影響較大，故此過程中未對(duì)頭部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)于摻混區(qū)，僅考慮摻混過程，故在三維模擬時(shí)將尾氣收集段進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，以漸縮管代替；燃燒室外機(jī)匣也簡(jiǎn)化成周期對(duì)稱的漸縮型外機(jī)匣。經(jīng)此簡(jiǎn)化后，整個(gè)燃燒室為軸對(duì)稱形式。故再次運(yùn)用周期性，只取火焰筒的十二分之一進(jìn)行模擬。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量為53萬(wàn)，收斂精度達(dá)10-4。其幾何結(jié)構(gòu)和具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1　燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of combustor construction

圖2　燃燒室周期拓展模型Fig.2 Cycle extension model of combustor

3　燃燒室燃燒流場(chǎng)控制方程

燃燒室的湍流燃燒流動(dòng)，涉及到連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流方程、組分方程及狀態(tài)方程等控制方程的求解。采用Realizablek-ε湍流模型，對(duì)強(qiáng)旋流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。具體的控制方程（忽略輻射和重力影響）為：

（1）質(zhì)量連續(xù)方程

（2）動(dòng)量守恒方程

（3）能量守恒方程

（4）理想氣體狀態(tài)方程

（5）組分質(zhì)量守恒方程

（6）Realizablek-ε湍流模型［19］

（7）PDF湍流燃燒模型

采用PDF燃燒模型對(duì)湍流燃燒進(jìn)行模擬，此時(shí)計(jì)算不再采用組分輸運(yùn)方程進(jìn)行求解，而是采用混合分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程進(jìn)行求解。關(guān)于混合分?jǐn)?shù)f的方程為

4　燃燒室計(jì)算結(jié)果及分析

4.1冷態(tài)流場(chǎng)分析

圖3為燃燒室中心截面（Z=0）的冷態(tài)流場(chǎng)流線圖。由圖中可知，一次空氣流經(jīng)旋流器，在旋流器出口形成高速旋轉(zhuǎn)射流；該射流在離心力作用下形成中心低壓區(qū)，進(jìn)一步與主燃孔射流相互作用，在火焰筒頭部產(chǎn)生上、下兩個(gè)較強(qiáng)且旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，形成中心回流區(qū)，對(duì)穩(wěn)定燃燒及促進(jìn)燃料與空氣摻混有著重要作用。此外，由于主燃孔射流流量較大，射流速度較高，使得主燃孔后形成局部低壓區(qū)，旋流器來(lái)流經(jīng)由兩主燃孔之間的孔隙向主燃孔后流動(dòng)，在主燃孔后形成局部小范圍回流。從圖中可以看出，采用周期拓展對(duì)燃燒室進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，計(jì)算所得的燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)與原燃燒室計(jì)算結(jié)果吻合良好，可為定性分析提供參考。

4.2燃燒流場(chǎng)分析

圖4為燃燒室中心截面（Z=0）燃燒流場(chǎng)溫度分布。由圖中可知，火焰筒頭部高溫區(qū)集中在主回流區(qū)渦心位置，大部分燃油在該區(qū)域內(nèi)燒掉，全尺寸燃燒室燃燒流場(chǎng)與三維周期拓展所得計(jì)算結(jié)果一致。此外，由于主燃孔的射流作用，使得主燃孔后形成低壓區(qū)，主反應(yīng)區(qū)來(lái)流的反應(yīng)混氣，經(jīng)由兩主燃孔之間的間隙流向燃燒室下游，同時(shí)向主燃孔后低壓區(qū)擴(kuò)展，在主燃孔后形成小的補(bǔ)燃區(qū)，產(chǎn)生局部高溫。

4.3燃燒室性能分析

通過監(jiān)測(cè)各部分流量得出三維全尺寸燃燒室各部分流量比，如表1所示?？梢?，采用周期拓展方法得到的燃燒室?guī)缀文Ｐ团c三維全尺寸燃燒室?guī)缀文Ｐ拖啾龋鞑糠诌M(jìn)氣比例存在一定差異，該差異主要為假定周期拓展分析中機(jī)匣各部分完全對(duì)稱引起。

圖3　燃燒室中心截面（Z=0）冷態(tài)流場(chǎng)流線Fig.3 Streamline of cold flow field at the combustor cross section（Z=0）

表2給出了全尺寸燃燒室與周期拓展分析方法燃燒室性能對(duì)比，其中T3*為燃燒室出口平均溫度，T3 max為燃燒室出口最高溫度，OTDF為出口溫度分布系數(shù)，η為燃燒室燃燒效率，σ為總壓恢復(fù)系數(shù)?？梢?，全尺寸燃燒室的效率和NOX排放都較高，出口溫度分布均勻性惡化。造成兩燃燒室性能差異的主要原因?yàn)椋?/p>

（1）由于三維周期拓展假設(shè)燃燒室軸對(duì)稱，與真實(shí)三維流場(chǎng)存在差異，導(dǎo)致全尺寸燃燒室流場(chǎng)中主燃孔進(jìn)氣量比三維周期燃燒室進(jìn)氣量小，從而使得頭部反應(yīng)區(qū)溫度升高，反應(yīng)完全程度提高，NOX排放量提高；同時(shí)，該燃燒室內(nèi)氣流的摻混主要來(lái)自于主燃孔與旋流器進(jìn)氣的混合，主燃孔進(jìn)氣量減少，必然導(dǎo)致燃燒室摻混惡化，影響燃燒室出口溫度分布。

（2）由于在三維周期拓展分析中給定的是旋流器出口角，而在全尺寸燃燒室模擬中給定的是旋流器葉片安裝角。全尺寸燃燒室旋流器出口角小于旋流器葉片安裝角，使得燃燒室氣流回流量減小，旋流強(qiáng)度降低，燃燒室頭部整體溫度提高，燃料燃燒更加充分，同時(shí)NOX排放量增加。

表1　燃燒流場(chǎng)各部分配氣比例　kg/sTable 1 Gas distribution of combustor flow field

表2　全尺寸燃燒室與周期拓展分析方法燃燒室性能對(duì)比Table 2 Comparison of combustor performance in full-scale and cycle expansion combustor

5　旋流器結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒流場(chǎng)的影響

文中研究的旋流器結(jié)構(gòu)如圖5所示，由一級(jí)斜切孔和二級(jí)徑向旋流器構(gòu)成。一級(jí)斜切孔旋流器主要輔助燃料霧化，二級(jí)徑向旋流器主要進(jìn)行主回流區(qū)控制。二級(jí)旋流器出口角及兩級(jí)流量比對(duì)燃燒室流場(chǎng)組織具有重要意義，下面分別從燃燒室燃燒效率、出口溫度分布系數(shù)及出口NOX排放量三方面，分析旋流器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室性能的影響。

圖5　旋流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of swirler

5.1二級(jí)旋流器出口角對(duì)燃燒流場(chǎng)的影響

表3給出了燃燒室性能隨旋流器出口角的變化，圖6和圖7給出了OTDF、燃燒效率和NOX排放量隨旋流器出口角的變化。由表3和圖6可知，隨著旋流器出口角的增加，旋流強(qiáng)度逐漸增大，使得燃燒室內(nèi)摻混強(qiáng)度增大，燃燒室出口OTDF逐漸減小，出口溫度分布更加均勻；由表3和圖7可知，隨著旋流器出口角的增加，燃燒室出口平均溫度和燃燒效率都是先降低后提高。這是因?yàn)殡S著旋流器出口角的增大，旋流器出口空氣旋流強(qiáng)度增大，回流量逐漸增加，主反應(yīng)區(qū)溫度降低，燃燒速率降低，燃燒不充分，燃燒效率降低；但是隨著旋流器出口角的進(jìn)一步增加，燃燒室頭部摻混強(qiáng)度增大，反應(yīng)區(qū)溫度提高，燃燒室效率又逐漸增加。由表3和圖7還可知，NOX排放量與燃燒效率的變化規(guī)律相同：隨著主反應(yīng)區(qū)溫度的降低，燃燒室NOX排放量逐漸降低；同時(shí)，由于摻混強(qiáng)度的增加，主反應(yīng)區(qū)溫度提高，使得NOX排放量隨之增加。由表3還可知，隨著旋流器出口角的增加，燃燒室旋流強(qiáng)度逐漸增大，燃燒室內(nèi)氣體摻混強(qiáng)度增大，燃燒室內(nèi)氣體溫度更加均勻，局部高溫溫度降低，從而使得燃燒室壁面溫度降低。

5.2兩級(jí)旋流器流量比對(duì)燃燒流場(chǎng)的影響

分別對(duì)表4中所示工況進(jìn)行數(shù)值分析，重點(diǎn)討論旋流器進(jìn)氣量一定的情況下，兩級(jí)旋流器流量比對(duì)燃燒室性能的影響，結(jié)果如表5所示。由表中可知，隨著一級(jí)旋流器流量的逐漸減少和二級(jí)旋流器流量的逐漸增加，燃燒室出口OTDF逐漸減小，燃燒室出口溫度場(chǎng)更加均勻；燃燒室效率基本保持不變，維持在98.1%左右；火焰長(zhǎng)度基本保持不變，約為10 cm；燃燒室NOX排放量先減少后增加。

表3　旋流器出口角對(duì)燃燒室性能的影響Table 3 Effects of swirler exit angle on combustor performance

圖7　燃燒效率和NOX排放量隨旋流器出口角的變化Fig.7 The change of combustion efficiency and NOemissions with the exit angle

表4　兩級(jí)旋流器流量比計(jì)算工況Table 4 The flow ratio of primary and secondary swirler

表5　流量比對(duì)燃燒室性能的影響Table 5 Effects of flow ratio on combustor performance

兩級(jí)旋流器流量比的變化，使得旋流器用于霧化和形成回流區(qū)的空氣流量比例發(fā)生變化。從圖8中可以看出，隨著二級(jí)旋流器流量的逐漸增加，燃燒室OTDF逐漸降低，出口溫度分布更加均勻。這是由于二級(jí)旋流器流量增加，形成回流區(qū)的旋流器進(jìn)氣量增加，燃燒室內(nèi)擾動(dòng)增強(qiáng)，內(nèi)部流體交換得到強(qiáng)化所致。

圖9給出了燃燒室出口NOX排放量隨兩級(jí)旋流器流量比的變化?？梢?，隨著二級(jí)旋流器流量的逐漸增加，燃燒室出口NOX排放量先減少后增加；當(dāng)兩級(jí)旋流器流量相當(dāng)即流量比為1：1.05時(shí)，出口NOX排放量最低。這是因?yàn)殡S著二級(jí)旋流器流量的增加，形成回流區(qū)的空氣量增加，主回流區(qū)回流強(qiáng)度增大，從主燃孔進(jìn)入主回流區(qū)的空氣增加，從而降低了燃燒室主反應(yīng)區(qū)及主回流區(qū)的反應(yīng)溫度，使得燃燒室NOX生成量降低；當(dāng)二級(jí)旋流器流量進(jìn)一步增加時(shí)，通過一級(jí)旋流器的流量減少，用于霧化的空氣減少，不利于燃料霧化，反應(yīng)區(qū)域擴(kuò)大，高溫區(qū)體積增加，從而使得燃燒室內(nèi)NOX生成量增加，出口NOX排放量增加。

圖9　不同工況時(shí)燃燒室出口的NOX排放Fig.9 NOXEmissions in different flow ratio

6　結(jié)論

（1）采用燃燒室三維周期拓展分析，可有效預(yù)測(cè)燃燒室性能，同時(shí)能大大簡(jiǎn)化燃燒室模型，減小計(jì)算量，降低設(shè)計(jì)成本。

（2）隨著二級(jí)旋流器出口角的增加，燃燒室出口溫度分布趨于均勻，燃燒室燃燒效率及出口NOX排放量均先減小后增加。

（3）隨著二級(jí)旋流器進(jìn)氣量的增加，燃燒室出口溫度分布趨于均勻，NOX排放量先減小后增加。

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中圖分類號(hào)：TK471

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-2620（2015）03-0033-06

收稿日期：2015-05-15；修回日期：2015-06-07

作者簡(jiǎn)介：苗淼（1985-），女，陜西橫山人，工程師，碩士，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)研究工作。

Three-dimensional periodic extension analysis method on gas turbine combustor

MIAO Miao1，BIAN Peng-jiao2，ZHENG Hong-tao2
（1.Naval Equipment Department，Xi’an 710021，China；2.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Abstract：The combustor performance was studied by the periodic extension method.The investigation shows that the method can simplify the calculation model，reduce calculation amount and computational cost.Based on this method，the effects of the exit angle of secondary swirler，the inlet air ratio of the first and secondary swirler on combustor performance were researched.The results show that the outlet temperature distribution factor of combustor decreases，the combustion efficiency and the outlet NOXemissions of combustor decrease first and then increase with the increasing of exit angle of secondary swirler；the outlet temperature distribution factor of combustor decreases，the outlet NOXemissions of combustor decrease first and then increase with the increasing of inlet air flow rate of secondary swirler.

Key words：gas turbine；combustor；swirler；numerical simulation；periodic extension analysis method；NOXemissions