某燃?xì)廨啓C燃燒室燃料噴嘴流量特性研究

楊安建田曉晶鳳云仙馮珍珍

（1.長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽， 618000；2.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

某重型燃?xì)廨啓C是公司重點推進(jìn)的科研項目，對公司開拓市場與提升行業(yè)地位均具有不可估量的作用。燃燒室是燃?xì)廨啓C的三大核心部件之一，高溫、高壓、高燃燒熱強度的工作環(huán)境對于燃燒室設(shè)計、加工及后期維護(hù)提出了更加嚴(yán)格的要求[1]。其設(shè)計技術(shù)與試驗技術(shù)是燃?xì)廨啓C研發(fā)必須掌握的核心技術(shù)。

燃料噴嘴是燃燒室的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對于氣體燃料，燃料直接經(jīng)過噴嘴進(jìn)入燃燒室與高壓空氣混合后燃燒，液體燃料則需在霧化后再參與燃燒。Lieuwe和Vigor Yang[1]等研究了燃?xì)廨啓C燃燒室壓力脈動的產(chǎn)生原因，燃料分布質(zhì)量（均勻性）是影響火焰燃燒穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。不穩(wěn)定的燃燒會激發(fā)壓力振蕩，低頻的壓力振蕩可能會促發(fā)熄火，高頻的壓力振蕩更容易對燃機的高溫部件造成破壞[2]。

文中所論述的燃燒室噴嘴主要通過噴孔將燃料噴入燃燒室，不同的噴孔方案對燃燒性能主要有以下影響：（1）燃料噴孔位置影響燃料與空氣的混合均勻度；（2）燃料噴孔之間的流量不均勻會導(dǎo)致燃料的局部壓力脈動和局部燃空比偏大或偏小；（3）在保證相同質(zhì)量流量情況下，噴孔大小決定了燃料入射深度，間接影響燃料與空氣的混合，也影響上游供氣壓力。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)

文中所論述的燃燒室采用世界先進(jìn)燃燒室的通用的DLN設(shè)計方法，以保證較低的污染物排放水平。空氣通過兩級徑向旋流器形成穩(wěn)定的回流區(qū)，兩路主燃料通過燃料噴管進(jìn)入上下級旋流器流道，并與空氣在旋流器通道內(nèi)進(jìn)行預(yù)混，在下游形成兩股反向旋轉(zhuǎn)的燃料與空氣的混合氣體，在回流區(qū)周圍被主燃區(qū)的高溫燃?xì)恻c燃后參與燃燒，利用漩渦流動所形成的回流區(qū)是最有效的[3]；值班燃料則通過噴嘴上的燃料噴孔直接進(jìn)入火焰筒，在高能點火栓作用下完成點火，形成穩(wěn)定的擴散火焰，由于擴散火焰較預(yù)混火焰具有更加穩(wěn)定的特性，所以在燃燒室運行過程中可以起到穩(wěn)定火焰的作用。

兩路主燃料與值班燃料分別連接不同的燃料腔室，燃料腔室將來自燃料管道的天然氣進(jìn)行穩(wěn)壓后通過噴孔噴入火焰筒。相比于值班燃料腔室，主燃料腔室中附帶管徑較小的燃料噴管，將燃料平均供給旋流器的8個氣流通道。三路燃料在進(jìn)入火焰筒之前是相互獨立的，燃料通流圖如圖1所示，所以各路燃料入射質(zhì)量對于流動和燃燒的影響可獨立分析。

圖1 燃料通流圖

2 模型建立與邊界設(shè)定

2.1 計算模型

根據(jù)噴嘴實際尺寸進(jìn)行模型創(chuàng)建，鑒于本文的論述重點為燃料噴孔處的質(zhì)量流量特性，而各路噴孔之間存在較大的物理距離，故各路燃料進(jìn)行獨立建模分析；值班燃料通過噴孔直接進(jìn)入火焰筒進(jìn)行擴散燃燒，燃料噴孔處的質(zhì)量流量對于穩(wěn)定燃燒的影響很小，故本次不進(jìn)行對比討論。

分別對兩路主燃料進(jìn)行建模分析，其中模型1包括燃料管道A、燃料腔室A、燃料噴管和噴孔；模型2包括燃料管道B、燃料腔室B、燃料噴管和噴孔。利用數(shù)值分析軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對小尺寸的噴孔進(jìn)行細(xì)化處理。主A模型及網(wǎng)格如圖2所示，主B模型及網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 主A模型及風(fēng)格

圖3 主B模型與網(wǎng)格

2.2 邊界設(shè)定

為獲得主A燃料從低流量到滿負(fù)荷時噴孔處的質(zhì)量流量特性，初步選取滿負(fù)荷工況A2和低流量工況A1進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計算域介質(zhì)CH4 Ideal Gas。進(jìn)氣管道為模型唯一進(jìn)口，80個噴口為模型出口。模型1數(shù)值分析計算邊界條件見表1。

表1 模型1數(shù)值分析邊界設(shè)定

為獲得主B燃料從低流量到滿負(fù)荷時噴孔處的質(zhì)量流量特性，初步選取滿負(fù)荷工況B1和低流量工況B2進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計算域介質(zhì)CH4 Ideal Gas。進(jìn)氣管道為模型唯一進(jìn)口，80個噴口為模型出口。模型2數(shù)值分析計算邊界見表2。

表2 模型2數(shù)值分析邊界設(shè)定

3 流量特性分析

鑒于試驗分析模型中有16根圓周布置的流量噴管，以及噴管上有多達(dá)80個質(zhì)量流量噴孔出口，為準(zhǔn)確表述，對模型中的噴管和噴孔進(jìn)行編號：從進(jìn)氣側(cè)看，噴管從進(jìn)氣管道開始，順時針編號1～16；噴孔根據(jù)到腔室距離，從近到遠(yuǎn)編號1～5。

3.1 噴管流量特性分析

單根噴管上布置有5個燃料噴孔，單根噴管的質(zhì)量流量為其噴孔質(zhì)量流量之和，同時也是單個旋流器通道中的燃料流量。分別選取主A/主B的噴管為分析對象，計算單個噴管的質(zhì)量流量，圖4展示的是主A噴管和主B噴管之間的均值偏差；表3給出了主A和主B噴管在不同工況下的均值最大偏差和差值最大偏差。

圖4 流量分布

表3 噴管流量偏差

分析圖4中噴管流量分布可知，在A1和A2兩種工況下，主A噴管的流量分布基本一致，趨勢相同；主B噴管流量分布也可得到同樣的結(jié)果。不同之處在于燃料管道兩側(cè)的噴管流量具有較大差異，主A的燃料進(jìn)氣管道接近1號噴管和16號噴管中間位置，燃料從主A進(jìn)氣管道進(jìn)來后先撞擊環(huán)腔底部，然后向兩側(cè)流動，所以主A整體均勻性較好；主B燃料進(jìn)氣管道正對其1號噴管，部分燃料從主B進(jìn)氣管道進(jìn)來后直接進(jìn)入1號噴管，導(dǎo)致1號噴管流量偏大，而與1號噴管靠近的16號噴管流量偏低的原因是：未進(jìn)入1號噴管的主流燃料在進(jìn)入環(huán)腔后直接撞擊壁面，在16號噴管的進(jìn)口處形成高流速區(qū)，靜壓偏低的情況下進(jìn)入1號噴管的流量就偏小。

通過比較噴量流量偏差，可以發(fā)現(xiàn)無論是主A燃料還是主B燃料，流量差值最大偏差率在2%左右，遠(yuǎn)小于3%；均值偏差率遠(yuǎn)小于2%。偏差值大小與分布受工況變化的影響可以忽略不計。從而可以反映燃料腔室內(nèi)的流場分布較為均勻和穩(wěn)定，而燃料管道位置的影響并未成為噴管流量偏差的決定性因素，其影響主要體現(xiàn)在對局部噴管的流量偏差的影響。

3.2 噴孔流量特性分析

對于單根噴管，由于噴管下游端部堵頭的作用，在噴管下游形成回流堵塞區(qū)，速度快速降低并導(dǎo)致靜壓快速升高，從而影響噴孔的質(zhì)量流量。對各工況同軸向位置噴孔質(zhì)量流量進(jìn)行均值處理，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 噴孔位置對于質(zhì)量流量的影響

由圖5可知，受噴管下游滯止區(qū)影響，噴孔質(zhì)量流量沿軸向位置遞增，即越接近下游，噴孔噴入的燃料量越多，但增加幅度有限，各工況下5號位置相對1號的流量增幅均小于3%。

單根噴管在旋流器通道部分布置有5個燃料噴孔，相同序號的噴孔在同一個軸向位置。燃料通過噴孔進(jìn)入旋流器流道與空氣進(jìn)行混合，燃料經(jīng)噴孔入射的軸向均勻性對燃料混合有重要影響。分別選選取主A/主B燃料噴孔為分析對象，分析相同軸向位置噴孔之間的流量均勻性，結(jié)果見表4。

表4 同軸向位置噴孔流量偏差%

通過表4中同軸向位置的噴孔流量偏差值可知，所有噴孔的流量偏差均小于2.5%。在不同工況下，噴孔流量偏差與噴孔的軸向位置未發(fā)現(xiàn)有特殊關(guān)系；與所選負(fù)荷的大小也未發(fā)現(xiàn)有直接關(guān)系。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬方法對燃燒室主燃料腔室及其噴管進(jìn)行計算，利用統(tǒng)計分析方法對通過噴管和噴孔的燃料質(zhì)量流量進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：

（1）主A/主B燃料噴管的質(zhì)量流量不均勻度均＜3%，同軸向位置的噴孔流量不均勻度＜2.5%，該燃料噴管結(jié)構(gòu)可提供滿足結(jié)構(gòu)需求的燃料分布。

（2）噴孔流量受噴管下游端部回流區(qū)影響，噴孔的質(zhì)量流量沿軸向遞增，增幅均小于3%。

（3）燃料進(jìn)口與燃料噴管的相對位置對流量分配影響較大，后續(xù)可優(yōu)化燃料進(jìn)口位置以進(jìn)一步優(yōu)化燃料分布質(zhì)量。