某重型燃氣輪機燃燒室三維流場數(shù)值模擬

張詩琦，劉 洋，王嘉奇，史俊瑞

(沈陽工程學院 a.研究生部；b.能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136)

燃氣輪機是一種將燃料化學能通過燃燒的方式轉(zhuǎn)化為機械能的動力輸出裝置，具有高效、清潔的特點，廣泛應用于航空動力、發(fā)電、獨立能源系統(tǒng)、機械驅(qū)動、船舶工程等領域[1]。燃氣輪機燃燒室的工作過程及工質(zhì)的流動、傳熱、排放分析是非常復雜的問題，包括復雜的湍流流場、燃料噴射、摻混、燃燒反應瞬變引起溫度場瞬變，伴隨工作狀態(tài)改變而引起的主要排放物(NOx、CO、CxHy)的生成，不同氣膜冷卻下的火焰筒壁溫分布，變工況下燃燒室工作穩(wěn)定性等[2]。

隨著燃燒理論和數(shù)值方法的發(fā)展，應用數(shù)值模擬的方法分析流動燃燒過程已經(jīng)成為燃燒室設計的重要手段之一[3-5]。在國外，許多研究學者專注于燃氣輪機燃燒室流場特性的數(shù)值模擬，并且成果顯著。Artur Tyliszczak[6]等人提出了一種工業(yè)燃氣輪機燃燒器中尺寸模型的數(shù)值研究。該模型使用RANS方法進行研究，湍流使用k-ε模型和LES方法與WALE子網(wǎng)格模型進行研究，在冷態(tài)反應流動條件下進行模擬，證明了化學動力學比湍流模型對結(jié)果的影響更大。

國內(nèi)方面，上海交通大學的劉煒[7]采用三維建模軟件 Pro-E 對環(huán)管型燃氣輪機燃燒室進行實體建模，采用Gambit 對模型生成非結(jié)構(gòu)化的計算網(wǎng)格。由于燃燒室的流場有回流，選用 RNG k-ε雙方程湍流模型來模擬湍流流動。哈爾濱工程大學的劉順隆[8]等人對某種船用工業(yè)燃氣輪機燃燒室中的三維冷態(tài)流場進行了數(shù)值模擬，在計算中采用了改進的k-ε雙方程湍流模型，數(shù)值模擬的結(jié)果和Clarke的實驗數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果相符合。上海交通大學的王禮進等[9]對某燃氣輪機環(huán)管型燃燒室進行三維冷態(tài)流場的數(shù)值模擬，驗證了模型的有效性，但模擬中沒用考慮燃料的霧化等問題。

燃氣輪機燃燒室內(nèi)的氣流組織，對燃燒室內(nèi)的穩(wěn)定燃燒、降低污染物排放有很大的影響。研究燃燒室氣流的冷態(tài)混合、流動和回流的特性，對燃氣輪機結(jié)構(gòu)優(yōu)化、降低污染物排放和穩(wěn)定燃燒具有重要的指導意義。通過介紹某重型燃氣輪燃燒室的基本結(jié)構(gòu)，介紹了其燃燒室模型的建模過程、網(wǎng)格的劃分過程及網(wǎng)格質(zhì)量評定；設定邊界條件，采用standard k-ε模型對燃燒室進行冷態(tài)模擬，并運用Fluent軟件進行運算并分析燃燒室內(nèi)的流動和混合情況，為燃氣輪機的燃燒優(yōu)化提供指導。

1 燃燒室的結(jié)構(gòu)

所模擬的燃氣輪機的燃燒室為逆流環(huán)管式燃燒室，位于壓氣機氣缸及擴壓器氣缸的外側(cè)，用以縮短燃氣輪機軸向長度，采用目前較為先進的干低排放技術(shù)，每個火焰筒都是分級分組織燃燒。

燃燒室外殼最大直徑為3 100 mm，內(nèi)腔直徑為2 968 mm，全長為900 mm，質(zhì)量約為1 320 kg，周向均勻排布了20個火焰筒。主油路由在環(huán)管燃燒室頭部的中央軸線上安裝的16個值班燃料小孔噴嘴構(gòu)成，能夠穩(wěn)定火焰；副油路是由沿周向均勻安裝在環(huán)管燃燒室頭部的8個燃料噴嘴構(gòu)成的8個微型旋流器組成的，如圖1所示。在火焰筒頭部位置放置一個主旋流器，在主旋流器上沿周向分布8個燃料噴桿，如圖2所示?；鹧嫱驳念^部到中心區(qū)域設有15個氣膜孔，中心區(qū)域至尾部分別設有10個摻混孔和4個冷卻孔，如圖3所示。燃燒產(chǎn)生的高溫燃氣通過冷卻孔冷卻，達到符合要求的出口截面溫度。為方便計算，簡化燃燒室的流體模型，采用相同面積的環(huán)縫來代替從頭部到中心區(qū)域的氣膜孔[10]。

該重型燃氣輪機燃燒室主要分為環(huán)形區(qū)、均勻區(qū)、擴散區(qū)、中心區(qū)、一級回流區(qū)和二級回流區(qū)6個區(qū)域，為防止火焰筒壁溫超標和環(huán)形區(qū)回火，沿著燃燒室的軸向設有2道文丘里式節(jié)流環(huán)，以收緊火焰和產(chǎn)生回流，其頭部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖1 值班燃料小孔

圖2 噴桿

圖3 燃燒室外觀結(jié)構(gòu)

環(huán)形區(qū)位于火焰筒頭部外側(cè)，有8個微型渦流器安裝在其前壁板上。燃燒室若是以周向環(huán)形副油路和中心主油路共同燃燒模式工作，則火焰筒內(nèi)、外壁和一級文丘里式節(jié)流環(huán)所組成的空間就會形成環(huán)形區(qū)的預混室，燃料與空氣在預混室內(nèi)進行充分地混合，后經(jīng)一級文丘里式節(jié)流環(huán)產(chǎn)生回流，再與擴散區(qū)的值班火焰相遇燃燒。

中心旋流器、火焰筒內(nèi)壁和前壁板等組成均勻區(qū)，其位于火焰筒頭部內(nèi)側(cè)。在均勻區(qū)內(nèi)，燃料與空氣短暫混合，再經(jīng)中心旋流器攪拌，與擴散區(qū)的值班火焰相遇燃燒[11]。

圖4 燃燒室頭部剖面

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

通過Pro-E軟件進行建模，采用大量的規(guī)則曲面和曲線分割組合形成非規(guī)則曲面，用相等面積的氣膜帶代替火焰筒上的細小氣膜孔，在保證空氣冷卻效果的同時，又將網(wǎng)格的數(shù)量控制在合理范圍內(nèi)。為簡化建模和縮小計算的工作量，并保證準確的旋流器后的過量空氣系數(shù)，可以不對頭部的微形旋流器和主旋流器進行實體建模，通過在Fluent軟件中設定空氣進口速度的切向、軸向、徑向分量，從而增加一個旋流空氣入口實現(xiàn)對其進行簡化。

2.2 燃燒室的網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量檢驗

通過GAMBIT對燃燒室進行網(wǎng)格劃分。首先將已經(jīng)建好的模型導入，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。火焰筒環(huán)形區(qū)的微型渦流器以及中央的主旋流器等部位結(jié)構(gòu)較復雜，需要進行加密處理，在溫度梯度和速度梯度變化較大的地方，其網(wǎng)格采用先密后疏的處理辦法。對于流體流動影響不大的地方，采用較疏的網(wǎng)格，減少網(wǎng)格的數(shù)量，從而減少計算量。共生成網(wǎng)格數(shù)36萬左右，如圖5所示。

圖5 單個火焰筒的計算網(wǎng)格

模型選擇的網(wǎng)格質(zhì)量指標是EquiSize Skew，該指標是通過單元大小計算歪斜度。通常來說，EquiSize Skew在0～1之間，0為質(zhì)量最好，1為質(zhì)量最差。2D質(zhì)量好的單元，其EquiSize Skew最好在0.1以內(nèi)，3D單元在0.4以內(nèi)。如圖6所示，EquiSize Skew在0～0.4之間(lower-upper)的網(wǎng)格數(shù)占比為96.70%，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好。

圖6 網(wǎng)格質(zhì)量檢測

2.3 邊界條件

1)空氣進口

燃燒室空氣進口分別有帶有旋流的供燃料燃燒的空氣入口，排氣膜帶空氣入口15個，冷卻口空氣入口4個?？諝馊肟诘倪吔缛吭O置為速度入口，每個入口均設定速度的數(shù)值和方向、湍流度和水力直徑。設定空氣的溫度為666 K，總進氣量為6.59 kg/s。

2)燃料進口

微型渦流器的8個燃料入口、16個值班燃料小孔入口以及燃料噴桿的8個燃料入口均為燃料進口，其入口邊界都設置為質(zhì)量流量進口，設定質(zhì)量流量的數(shù)值、湍流度及水力直徑。設定燃料入口溫度為288 K，燃氣的總進氣量為102 g/s。

3)出口

將出口邊界定義為壓力出口，給定回流度、湍流度和水力直徑。

3 結(jié)果分析

圖7中的a、b分別為單個火焰筒內(nèi)中心截面的速度分布云圖和速度矢量分布圖。由圖7可以看出，氣流的速度分布受燃燒室結(jié)構(gòu)影響較大。氣流經(jīng)各噴嘴和進氣孔進入火焰筒，在經(jīng)過環(huán)形區(qū)域的8個微型旋流器和中心的主旋流器后會產(chǎn)生強烈的回流，尤其在中心燃燒區(qū)將產(chǎn)生2個基本對稱的回流區(qū)。因此，在中心燃燒區(qū)存在2個呈棗核形的對稱的高速區(qū)域。氣流在環(huán)形區(qū)出口處遇到來自外環(huán)噴嘴口進入的氣流后改變流向，向火焰筒軸線偏轉(zhuǎn)后逐漸與軸線方向平行。在兩級束腰環(huán)的后方均存在回流區(qū)。

圖7 燃燒室內(nèi)中心截面的流場分布特性

圖8 燃燒室內(nèi)的流場分布特性

圖8所示為整個燃燒室內(nèi)的流場分布特性。由圖8可以看出，在環(huán)形燃燒區(qū)和中心燃燒區(qū)都能形成良好的回流，旋流器能夠很好地組織燃料的旋流，起到穩(wěn)定燃燒的作用。由于噴入環(huán)形燃燒區(qū)的流量相同，而由環(huán)形區(qū)域進入主燃區(qū)的橫截面積變小，速度增大，所以在第一級束腰環(huán)處，存在一個增速區(qū)。

圖9 燃燒室內(nèi)中心截面的組分分布特性

圖9為燃燒室內(nèi)CH4、O2的分布情況。由圖a可知，CH4燃料從噴嘴噴出，沿軸向到出口方向其濃度逐漸降低，這是由于燃料剛噴入燃燒室時混合能力較差，濃度較高，隨著氣流的流動，燃料的混合能力增強，CH4與空氣的不斷混合導致其濃度逐漸降低。在燃燒室頭部的主燃區(qū)中，CH4氣體主要集中在旋流器后方的一個小區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域以外的CH4氣體濃度極低，由此可知，燃燒室內(nèi)的燃燒過程主要集中在這個區(qū)域。

由圖b中可以看出，在燃料噴嘴后方存在缺氧區(qū)域，主要由于該區(qū)域是燃料濃度較高的區(qū)域，噴嘴噴出燃料，導致O2的濃度降低。大量的O2充滿整個燃燒室，這樣不僅能夠滿足燃料的燃燒，還能維持燃燒室出口溫度品質(zhì)以及對燃燒室壁面的冷卻。

4 結(jié) 論

1)氣流在經(jīng)過環(huán)形區(qū)域的8個微型旋流器和中心的主旋流器后會產(chǎn)生強烈的回流。在中心燃燒區(qū)將產(chǎn)生2個基本對稱的棗核形高速回流區(qū)；氣流在環(huán)形區(qū)出口處遇到來自外環(huán)噴嘴口進入的氣流后改變流向，向火焰筒軸線偏轉(zhuǎn)后逐漸與軸線方向平行；在兩級束腰環(huán)的后方形成回流區(qū)；在第一級束腰環(huán)處，存在一個增速區(qū)；旋流器能夠很好地組織燃料的旋流。

2)CH4燃料從噴嘴噴出沿軸向到出口方向其濃度逐漸降低；在燃燒室頭部的主燃區(qū)中，CH4氣體主要集中在旋流器后方的一個小區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域外的CH4氣體濃度極低；除燃料噴嘴后方的缺氧區(qū)域外，燃燒室內(nèi)充滿大量氧氣。由此可知，在該燃燒室內(nèi)燃料與氧氣能充分混合。