燃氣輪機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；.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱5000）

燃氣輪機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.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱150001）

摘要：采用一種周期拓展的燃燒室分析方法，對燃氣輪機燃燒室性能進行研究。研究表明，該方法可在不影響燃燒室性能分析結果的基礎上，有效簡化計算模型，減小計算量，降低計算成本?；谶@一分析方法，研究了二級旋流器出口角及一、二級旋流器進氣比對燃燒室性能的影響。結果表明：隨著二級旋流器出口角的增大，燃燒室出口溫度分布系數逐漸降低，燃燒室燃燒效率及出口NOX排放量均先減小后增加；隨著二級旋流器進氣量的增加，燃燒室出口溫度分布系數逐漸降低，燃燒室出口NOX排放量先減小后增加。

關鍵詞：燃氣輪機；燃燒室；旋流器；數值模擬；周期拓展分析方法；NOX排放量

1　引言

燃氣輪機自上世紀40年代以來，經過70多年的研究，取得了突飛猛進的進展。由于其具有結構簡單、單機功率大、質量尺寸小、機動性好等優點，而被廣泛應用于航空、船舶、電力、石油等諸多工業領域［1-2］。燃燒室作為燃氣輪機的三大部件之一，其性能直接影響燃料利用率、渦輪葉片壽命、燃氣輪機整體效率及工作穩定性。特別是現代對燃氣輪機燃燒室性能指標的要求日益提高，迫切需要研發出一種燃料利用率高、流阻損失低、燃燒穩定可靠、使用壽命長、排放污染低、出口溫度分布合理的高溫升燃燒室［3］。

燃氣輪機燃燒室的設計方法，主要有經驗方法［4-5］、半經驗方法、半分析方法、半分析機理方法［6-7］、混合模擬方法［8］和CFD數值模擬方法［9-10］等6種。由于CFD數值模擬技術在燃燒室燃燒流場預測方面的出色表現，設計者們比以往更加重視其應用［11-12］?？v觀國內外燃氣輪機燃燒室CFD數值模擬的發展歷程，對燃氣輪機燃燒室這樣一個非常復雜的燃燒設備進行CFD數值模擬，所面臨的困難主要包括兩個方面：一是對耦合在一起相互作用的物理和化學現象的準確描述，二是對復雜結構的簡單、準確、快速的幾何建模和網格劃分［13］。前者是燃燒室數值模擬的根基，也是一直以來研究的重點，發展到現在根基己越扎越深；而后者是數值模擬的枝葉，對其發展的重要性也越來越明顯［14-15］。

目前，美國GE公司的CONCERT軟件［16］、英國R·R公司的PACE軟件、美國P&W公司的PREACH軟件，已均可對燃燒室性能進行可靠計算和預估；美國NASA的燃燒軟件NCC，也可為燃燒室設計和分析人員提供準確可靠的計算結果［17］。國內周形等［18］曾研究出一種計算機程序，能迅速、正確地確定具有突擴擴壓器的環形燃燒室的基本尺寸。徐世泊［4］運用傳統的經驗公式法，對燃燒室的初始條件和設計需求進行整理，提出一套設計方案并進行了相關實驗研究，而后又對其進行了數值模擬優化。

對燃燒室進行三維周期拓展研究，是介于燃燒室二維設計分析和三維數值模擬之間的中間步驟，特別是針對環管型燃燒室，既可解決二維模型無法準確模擬具有較大射流深度的主燃孔后流場的問題，又可避免三維模型網格復雜、計算周期長的問題。本文通過三維周期拓展結構模擬結果與全尺寸燃燒室模擬結果的對比分析，證明了這種三維周期拓展優化設計方法的可行性，并分析了旋流器各參數尺寸對燃燒流場的影響。

2　燃燒室建模及網格劃分

2.1單頭部全尺寸燃燒室建模及網格劃分

研究對象為某型燃氣輪機環管型燃燒室，由于該燃燒室幾何具有周期性，文中取一個火焰筒進行數值模擬，其結構如圖1所示。該燃燒室由雙級突擴擴壓器、斜切徑向旋流器、火焰筒及內外機匣等組成。采用四面體非結構化網格對燃燒室進行網格劃分，并對冷卻孔、旋流器處的網格局部加密?？紤]到計算精度、計算速度與計算能力三方面因素，經網格無關性驗證，最終生成的網格數量為750萬。

2.2三維周期拓展燃燒室建模及網格劃分

采用三維周期拓展建模方法，對原燃燒室模型進行簡化，大幅減少建模工作量及網格數量。具體過程為：由于燃燒室頭部結構對燃燒室性能影響較大，故此過程中未對頭部結構進行簡化。對于摻混區，僅考慮摻混過程，故在三維模擬時將尾氣收集段進行適當簡化，以漸縮管代替；燃燒室外機匣也簡化成周期對稱的漸縮型外機匣。經此簡化后，整個燃燒室為軸對稱形式。故再次運用周期性，只取火焰筒的十二分之一進行模擬。經網格無關性驗證，最終劃分的網格數量為53萬，收斂精度達10-4。其幾何結構和具體網格劃分如圖2所示。

圖1　燃燒室結構示意圖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　燃燒室燃燒流場控制方程

燃燒室的湍流燃燒流動，涉及到連續方程、動量方程、能量方程、湍流方程、組分方程及狀態方程等控制方程的求解。采用Realizablek-ε湍流模型，對強旋流流動進行數值模擬。具體的控制方程（忽略輻射和重力影響）為：

（1）質量連續方程

（2）動量守恒方程

（3）能量守恒方程

（4）理想氣體狀態方程

（5）組分質量守恒方程

（6）Realizablek-ε湍流模型［19］

（7）PDF湍流燃燒模型

采用PDF燃燒模型對湍流燃燒進行模擬，此時計算不再采用組分輸運方程進行求解，而是采用混合分數輸運方程進行求解。關于混合分數f的方程為

4　燃燒室計算結果及分析

4.1冷態流場分析

圖3為燃燒室中心截面（Z=0）的冷態流場流線圖。由圖中可知，一次空氣流經旋流器，在旋流器出口形成高速旋轉射流；該射流在離心力作用下形成中心低壓區，進一步與主燃孔射流相互作用，在火焰筒頭部產生上、下兩個較強且旋轉方向相反的旋渦，形成中心回流區，對穩定燃燒及促進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，旋流器來流經由兩主燃孔之間的孔隙向主燃孔后流動，在主燃孔后形成局部小范圍回流。從圖中可以看出，采用周期拓展對燃燒室進行合理簡化，計算所得的燃燒室冷態流場與原燃燒室計算結果吻合良好，可為定性分析提供參考。

4.2燃燒流場分析

圖4為燃燒室中心截面（Z=0）燃燒流場溫度分布。由圖中可知，火焰筒頭部高溫區集中在主回流區渦心位置，大部分燃油在該區域內燒掉，全尺寸燃燒室燃燒流場與三維周期拓展所得計算結果一致。此外，由于主燃孔的射流作用，使得主燃孔后形成低壓區，主反應區來流的反應混氣，經由兩主燃孔之間的間隙流向燃燒室下游，同時向主燃孔后低壓區擴展，在主燃孔后形成小的補燃區，產生局部高溫。

4.3燃燒室性能分析

通過監測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幾何模型與三維全尺寸燃燒室幾何模型相比，各部分進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匣各部分完全對稱引起。

圖3　燃燒室中心截面（Z=0）冷態流場流線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，η為燃燒室燃燒效率，σ為總壓恢復系數?？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為：

（1）由于三維周期拓展假設燃燒室軸對稱，與真實三維流場存在差異，導致全尺寸燃燒室流場中主燃孔進氣量比三維周期燃燒室進氣量小，從而使得頭部反應區溫度升高，反應完全程度提高，NOX排放量提高；同時，該燃燒室內氣流的摻混主要來自于主燃孔與旋流器進氣的混合，主燃孔進氣量減少，必然導致燃燒室摻混惡化，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，旋流強度降低，燃燒室頭部整體溫度提高，燃料燃燒更加充分，同時NOX排放量增加。

表1　燃燒流場各部分配氣比例　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比Table 2 Comparison of combustor performance in full-scale and cycle expansion combustor

5　旋流器結構對燃燒流場的影響

文中研究的旋流器結構如圖5所示，由一級斜切孔和二級徑向旋流器構成。一級斜切孔旋流器主要輔助燃料霧化，二級徑向旋流器主要進行主回流區控制。二級旋流器出口角及兩級流量比對燃燒室流場組織具有重要意義，下面分別從燃燒室燃燒效率、出口溫度分布系數及出口NOX排放量三方面，分析旋流器幾何結構對燃燒室性能的影響。

圖5　旋流器結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of swirler

5.1二級旋流器出口角對燃燒流場的影響

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，旋流強度逐漸增大，使得燃燒室內摻混強度增大，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。這是因為隨著旋流器出口角的增大，旋流器出口空氣旋流強度增大，回流量逐漸增加，主反應區溫度降低，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一步增加，燃燒室頭部摻混強度增大，反應區溫度提高，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律相同：隨著主反應區溫度的降低，燃燒室NOX排放量逐漸降低；同時，由于摻混強度的增加，主反應區溫度提高，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，燃燒室旋流強度逐漸增大，燃燒室內氣體摻混強度增大，燃燒室內氣體溫度更加均勻，局部高溫溫度降低，從而使得燃燒室壁面溫度降低。

5.2兩級旋流器流量比對燃燒流場的影響

分別對表4中所示工況進行數值分析，重點討論旋流器進氣量一定的情況下，兩級旋流器流量比對燃燒室性能的影響，結果如表5所示。由表中可知，隨著一級旋流器流量的逐漸減少和二級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　兩級旋流器流量比計算工況Table 4 The flow ratio of primary and secondary swirler

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

兩級旋流器流量比的變化，使得旋流器用于霧化和形成回流區的空氣流量比例發生變化。從圖8中可以看出，隨著二級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。這是由于二級旋流器流量增加，形成回流區的旋流器進氣量增加，燃燒室內擾動增強，內部流體交換得到強化所致。

圖9給出了燃燒室出口NOX排放量隨兩級旋流器流量比的變化?？梢?，隨著二級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；當兩級旋流器流量相當即流量比為1：1.05時，出口NOX排放量最低。這是因為隨著二級旋流器流量的增加，形成回流區的空氣量增加，主回流區回流強度增大，從主燃孔進入主回流區的空氣增加，從而降低了燃燒室主反應區及主回流區的反應溫度，使得燃燒室NOX生成量降低；當二級旋流器流量進一步增加時，通過一級旋流器的流量減少，用于霧化的空氣減少，不利于燃料霧化，反應區域擴大，高溫區體積增加，從而使得燃燒室內NOX生成量增加，出口NOX排放量增加。

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

6　結論

（1）采用燃燒室三維周期拓展分析，可有效預測燃燒室性能，同時能大大簡化燃燒室模型，減小計算量，降低設計成本。

（2）隨著二級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）隨著二級旋流器進氣量的增加，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：TK471

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2015）03-0033-06

收稿日期：2015-05-15；修回日期：2015-06-07

作者簡介：苗淼（1985-），女，陜西橫山人，工程師，碩士，主要從事燃氣輪機技術研究工作。

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