何 念，陳明敏，高賢智，尹靜姝

（上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，上海200240）

低壓模化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室工作特性影響的數(shù)值分析

何 念，陳明敏，高賢智，尹靜姝

（上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，上海200240）

為研究低壓?；瘜?duì)于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室工作特性的影響，采用A N SY S軟件的FLU EN T模塊，對(duì)燃燒室在低壓模化以及低壓1/3尺寸?；瘲l件下的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室分別進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并與在全壓條件下的燃燒室計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明：在低壓?；瘲l件下，燃燒室的流線形態(tài)與全壓下基本相同；由于壓力對(duì)于化學(xué)反應(yīng)平衡的影響，在低壓條件下燃燒室的壁溫相比在全壓下的平均降低70～1 00 K，其出口溫度場(chǎng)指標(biāo)比在全壓下的更好；由于受燃燒室入口空氣壓力的影響，在低壓條件下燃燒室的燃燒效率和流阻損失均比在全壓下的低；另外，由燃燒室壓力和尺寸的變化引起的燃燒室內(nèi)溫度分布變化，造成N O源分布的不同及燃燒室內(nèi)N O的生成速率發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致燃燒室N O x的排放水平不同，并驗(yàn)證了壓力指數(shù)。其計(jì)算結(jié)果可為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的低壓和常壓?；囼?yàn)提供參考。

燃燒室；燃?xì)廨啓C(jī)；低壓模化；工作特性；數(shù)值模擬

0 引言

燃燒室的研究和工程設(shè)計(jì)至今仍以試驗(yàn)方法為主，主要因?yàn)槿紵壹捌涔ぷ鬟^(guò)程非常復(fù)雜，所以在工程條件下的許多問(wèn)題尚不能完全用數(shù)學(xué)分析的方法解決。燃燒室的試驗(yàn)方法分為原型試驗(yàn)法和物理模型試驗(yàn)法。原型試驗(yàn)法是在實(shí)際燃燒室（或燃燒器）上進(jìn)行各參數(shù)的測(cè)量，即在實(shí)際燃燒室（或燃燒器）上進(jìn)行全壓試驗(yàn)；物理模型試驗(yàn)法則采用原型尺寸的燃燒室（或燃燒器），但在簡(jiǎn)化或縮小的工況參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)（稱為低壓試驗(yàn)），或者采用放大或縮小的燃燒室（或燃燒器）的模型（一般為縮小的模型）進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量（稱為尺寸?；囼?yàn)）[1]。

在實(shí)際的燃燒室設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中，都期望在全壓（或全參數(shù)）條件下對(duì)燃燒室進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠地調(diào)節(jié)。然而，一方面，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)正在向高壓比、高初溫、大流量、大功率的方向發(fā)展；另一方面，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室在設(shè)計(jì)、研發(fā)過(guò)程中需要進(jìn)行大量試驗(yàn)和調(diào)試。因此，在全壓（或全參數(shù)）條件下對(duì)燃燒室進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，雖然所得的結(jié)果可靠，但實(shí)際試驗(yàn)有很大的局限性，如對(duì)試驗(yàn)的氣源要求非常高、設(shè)備復(fù)雜、周期長(zhǎng)、費(fèi)用大等[1-3]。為此，研究人員一直在探索和研究燃燒室模擬試驗(yàn)的方法。

燃燒室的模擬試驗(yàn)方法多種多樣，其中最令人關(guān)注的是燃燒室在低壓條件下按照等容積流率的規(guī)律進(jìn)行模擬試驗(yàn)的方法[2]。中國(guó)的許多學(xué)者在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室模擬試驗(yàn)的方法方面做了大量有益的探索。陳丹之[4-5]研究了燃燒室在低壓工況下的?；瘻?zhǔn)則；焦樹(shù)建[2,6-7]在低壓條件下，按等容積流率的規(guī)律設(shè)計(jì)和調(diào)試了多種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室。但研究大多或者偏重于對(duì)低壓模擬試驗(yàn)的模化準(zhǔn)則進(jìn)行理論探索，或者偏重于燃燒室低壓調(diào)試試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。Yufeng Cui等[8]利用數(shù)值模擬的方法研究了壓力對(duì)某型燃用中熱值合成氣燃燒室燃燒性能的影響，但僅僅分析了燃燒室性能的1、2個(gè)方面，并且對(duì)于全壓/低壓試驗(yàn)也很難形成有效的指導(dǎo)作用。

本文對(duì)燃燒室低壓模化以及低壓1/3尺寸?；瘲l件下的燃?xì)廨啓C(jī)天然氣燃燒室進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)比分析在全壓條件下燃燒室的工作特性，探索燃燒室低壓、常壓?；囼?yàn)的方法論，為燃燒室的低壓和常壓?；囼?yàn)提供參考。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格

燃燒室計(jì)算幾何模型如圖1所示。該模型為分管式燃燒室、單個(gè)火焰筒。在火焰筒筒體上均布2排主燃孔、1排摻混孔以及7列冷卻孔，火焰筒頭部也均布2列冷卻孔。燃燒器采用擴(kuò)散燃燒方式、旋流器為軸流式。

圖1 燃燒室計(jì)算幾何模型

計(jì)算過(guò)程的計(jì)算域選取在進(jìn)入火焰筒各孔與旋流器直到燃燒室過(guò)渡段出口的燃燒室核心部分。空氣與燃料在這一區(qū)域發(fā)生復(fù)雜的湍流流動(dòng)與燃燒，是燃燒室的最重要部分，也是數(shù)值模擬最關(guān)心的區(qū)域。此核心部分又可以劃分為3個(gè)區(qū)域：

（1）頭部及靠近火焰筒壁面的區(qū)域。擬采用精細(xì)的小尺寸非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以完好再現(xiàn)該區(qū)域復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)；

（2）火焰筒中空氣與燃料發(fā)生燃燒的主要空間區(qū)域。擬采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格提升計(jì)算的速度與精度；

（3）靠近燃燒室出口的區(qū)域，即過(guò)渡段的區(qū)域。該區(qū)域?qū)θ紵^(guò)程沒(méi)有太大影響，擬采用尺寸相對(duì)較大的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格節(jié)省計(jì)算成本。

將各區(qū)域網(wǎng)格畫(huà)好之后，通過(guò)網(wǎng)格拼接技術(shù)，就可得到整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬計(jì)算采用ANSYS軟件的FLUENT模塊進(jìn)行。在計(jì)算過(guò)程中的物理模型選擇如下。

（1）湍流模型。由于空氣旋流器會(huì)在燃燒室頭部形成一定的旋流強(qiáng)度，燃燒室腔體內(nèi)的流動(dòng)選用Realizable k-epsilon模型。輸運(yùn)方程為

式中：Gk為由速度梯度引起的應(yīng)力生成項(xiàng)；C1=max（0.43）；υ為運(yùn)動(dòng)黏度；C2=1.9；σk=1.0；σε=1.2。

（2）輻射模型。由于燃燒室內(nèi)溫度較高，故應(yīng)考慮燃燒室內(nèi)部氣體與顆粒之間的輻射換熱，計(jì)算選擇P1輻射模型。

（3）燃燒模型。計(jì)算選擇Non-Premixed Combustion模型（PDF模型）。計(jì)算NOX排放時(shí)，考慮了熱力型和快速型NOX的生成機(jī)理，O和OH離子的濃度由部分平衡方法計(jì)算，NOX生成速率的時(shí)均值采用混合分?jǐn)?shù)（mixture fraction）的概率密度函數(shù)（PDF）進(jìn)行計(jì)算。輸運(yùn)方程為

式中：f為隨機(jī)變量，可運(yùn)用概率密度函數(shù)P（f）來(lái)描述其脈動(dòng)性質(zhì)；σf、Cg1和Cg2為一般常數(shù)，分別取0.85，2.86 和 2.0。

1.3 邊界條件

在全壓條件下燃燒室的進(jìn)、出口條件見(jiàn)表1。

表1 在全壓條件下燃燒室進(jìn)、出口邊界條件

為了保證流經(jīng)燃燒室的雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)，在低壓?；瘲l件和低壓1/3尺寸模化條件下的壓力選為152 kPa，其他參數(shù)均按照等速度準(zhǔn)則確定，燃料量按等當(dāng)量比確定。

計(jì)算采用的天然氣組分見(jiàn)表2。

表2 天然氣組分

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 流場(chǎng)分布

在3種模擬條件下燃燒室的流線分布對(duì)比情況如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，燃燒室的流線分布在3種模擬條件下總體上大致相同，并且在燃燒室頭部靠近軸線附近形成明顯的中心回流區(qū)；值得注意的是：在低壓?；瘲l件下燃燒室中心回流區(qū)的尺寸比在全壓條件下明顯小一些；另外，在燃燒室頭部壁面附近也不可避免地產(chǎn)生了一些“渦”，這些“渦”并不會(huì)隨燃燒室工作壓力或尺寸的變化而消除，因此，其形成主要是由燃燒室頭部的特定結(jié)構(gòu)造成的。

圖3 在3種模擬條件下的流場(chǎng)分布對(duì)比

2.2 溫度分布

在3種模擬條件下燃燒室出口截面的溫度分布對(duì)比情況如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，在3種模擬條件下，高溫區(qū)基本位于出口截面的中心，并且在低壓?；瘲l件下燃燒室出口截面中心的溫度比在全壓條件下的低。燃燒室出口溫度隨高度的變化如圖5所示。在燃燒室出口截面軸對(duì)稱線上等距離選取21個(gè)點(diǎn)，研究3種模擬條件下燃燒室出口溫度隨高度的變化情況。從圖中可見(jiàn)，燃燒室出口溫度沿高度的分布規(guī)律基本一致，但在相同位置處的溫度，在低壓?；瘲l件下比在全壓條件下的略低，并且燃燒室尺寸的改變也對(duì)相同位置處的溫度略有影響。

圖4 在3種模擬條件下燃燒室出口溫度分布對(duì)比

圖5 燃燒室出口溫度沿高度的變化

在3種模擬條件下燃燒室出口溫度分布指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3。從圖中可見(jiàn)，在低壓?；瘲l件下燃燒室出口燃?xì)馄骄鶞囟容^在全壓條件下的低15～25 K，但前者的出口溫度分布系數(shù)比后者要好一些，焦樹(shù)建[2-6]通過(guò)大量的試驗(yàn)調(diào)試數(shù)據(jù)也總結(jié)了類似的結(jié)論。在低壓模化條件下燃燒室出口燃?xì)馄骄鶞囟冉档停饕怯蓧毫?duì)化學(xué)反應(yīng)平衡的影響造成的[8-9]，在高溫條件下燃燒室內(nèi)存在很多裂解反應(yīng)（見(jiàn)式（5）～（7）中的H2O和CO2的裂解反應(yīng)），裂解反應(yīng)導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物的總摩爾數(shù)增加，然而壓力的降低總是使化學(xué)平衡向著摩爾數(shù)增加的方向進(jìn)行，從而促進(jìn)裂解反應(yīng)的進(jìn)行，由熱裂解造成的熱損失增多，相應(yīng)的火焰溫度會(huì)更低。在3種模擬條件下燃燒室縱截面溫度分布對(duì)比如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，由于在低壓?；瘲l件下燃燒室內(nèi)的火焰長(zhǎng)度比在全壓條件下的短，故前者的出口溫度分布系數(shù)要好。

表3 3種模擬條件下燃燒室出口溫度分布指標(biāo)

圖6 在3種模擬條件下燃燒室縱截面溫度分布對(duì)比

圖7 在3種模擬條件下燃燒室壁溫分布對(duì)比

在3種模擬條件下燃燒室壁溫分布對(duì)比情況如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，在3種模擬條件下燃燒室的平均壁面溫度分別為894.74、917.51、985.87 K，在低壓?；瘲l件下火焰筒壁溫比在全壓條件下的低70～100 K，也比在低壓1/3尺寸?；瘲l件下的壁溫稍低。由式（5）～（7）可知，當(dāng)燃燒室工作壓力降低時(shí)，燃燒產(chǎn)物中的H2O和CO2等3原子、多原子分子含量減少，O2和H2等對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙原子分子含量增加，而在常見(jiàn)溫度范圍內(nèi)，雙原子分子沒(méi)有發(fā)射和吸收輻射的能力，而一氧化碳、水蒸氣、二氧化硫、甲烷和一氧化碳等3原子、多原子以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的雙原子氣體卻具有相當(dāng)大的輻射能力[8]，因此，在低壓模化條件下，燃燒室內(nèi)的輻射換熱會(huì)明顯減弱。焦樹(shù)建[2,6]通過(guò)大量試驗(yàn)也總結(jié)了“常壓試驗(yàn)燃燒室火焰筒壁面的溫度一般要比真實(shí)參數(shù)試驗(yàn)時(shí)低100～200℃”的規(guī)律。

2.3 燃燒效率

對(duì)燃燒室運(yùn)用熱焓法計(jì)算其燃燒效率（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 4）

式中：ma為燃燒室進(jìn)口空氣質(zhì)量流量，kg/s；mf為燃料質(zhì)量流量，kg/s；Hτ4為燃燒室出口燃?xì)鉁篃犰?，kJ/kg；Hτ3為燃燒室進(jìn)口燃?xì)鉁篃犰?，kJ/kg；Hτf為燃料進(jìn)口熱焓，kJ/kg；Hτ3為燃料進(jìn)口熱焓，kJ/kg；Hu為燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg。

表4 在3種模擬條件下燃燒室的燃燒效率

從表中可見(jiàn)，在低壓?；瘲l件下燃燒室的燃燒效率比在全壓條件下的低2%左右。在入口空氣溫度不變的條件下，隨著入口空氣壓力的升高，燃燒室燃燒效率會(huì)逐漸提高。焦樹(shù)建[2,6]通過(guò)大量試驗(yàn)也總結(jié)了“在低壓模擬試驗(yàn)時(shí)，燃燒效率約比原設(shè)計(jì)參數(shù)條件下的低0.5%～2%”的結(jié)論。

2.4 總壓損失

在燃燒室工作時(shí)，由于存在摩擦阻力、混合阻力和加熱阻力等，出口總壓必然低于進(jìn)口總壓。燃燒室總壓損失為

式中：pt3為燃燒室進(jìn)口總壓，Pa；pt4為燃燒室出口總壓，Pa。

燃燒室總壓損失的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 3種模擬條件下燃燒室的總壓損失

在低壓模擬條件下燃燒室的總壓損失比在全壓條件下的小，而縮小燃燒室的尺寸對(duì)燃燒室總壓損失的影響并不大。實(shí)際上，在低壓?；瘲l件下的燃燒室進(jìn)口溫度、出口溫度、流動(dòng)速度與在全壓條件下的幾乎相等，因此，燃燒室的加熱損失相差不大，這種變化主要由于燃燒室工作壓力的變化而影響燃燒室內(nèi)部的流動(dòng)損失，從而影響燃燒室總壓損失。

2.5 NOX排放

在3種模擬條件下NOX排放對(duì)比情況如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，在3種模擬條件下NOX排放差異明顯。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[10]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[11]中方法，對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行折算（折算方法見(jiàn)式（10）），結(jié)果見(jiàn)表 6。

式中：Em為折算的NO排放濃度；Er為實(shí)測(cè)的NO排放濃度；Cr為實(shí)測(cè)的煙氣含氧量，%；Cm為折算的煙氣含氧量，按15%計(jì)算。

圖8 在3種模擬條件下NOX排放對(duì)比

表6 在3種模擬條件下NO排放對(duì)比數(shù)據(jù)

從表中可見(jiàn)，壓力的變化對(duì)燃燒室的NO排放產(chǎn)生了顯著影響，由于壓力的變化引起燃燒室內(nèi)的溫度分布變化，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)快速型NO源分布的差別以及燃燒室內(nèi)NO的生成速率發(fā)生巨大變化。此外，在低壓?；瘲l件下，燃燒室尺寸的減小引起了高溫區(qū)范圍的減小，從而引起NO排放的降低。

由于低壓模化條件是通過(guò)相似原理確定的，空氣/燃料流速、空氣溫度均與全壓條件下保持一致，所以只有壓力的影響需要考慮。為了進(jìn)一步評(píng)估在低壓?；瘲l件和全壓條件下NOX排放計(jì)算結(jié)果的差異，引入“壓力指數(shù)”的概念，通常，壓力對(duì)于NOX排放的影響可以表達(dá)為[12]

式中：下標(biāo)1為全壓條件；下標(biāo)0為低壓條件；上標(biāo)n為壓力指數(shù)。

計(jì)算得到n=0.5476。壓力指數(shù)實(shí)際指導(dǎo)意義在于，通過(guò)測(cè)得在低壓?；瘲l件下的NOX排放值后，就可通過(guò)壓力指數(shù)求得在全壓條件下的NOX排放值。文獻(xiàn)[13]中使用類似的帶軸向旋流器的擴(kuò)散燃燒器對(duì)壓力指數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測(cè)得在相同當(dāng)量比條件下壓力指數(shù)n≈0.55，表明上述壓力指數(shù)的計(jì)算具有一定的參考性。

3 結(jié)論

在低壓?；约暗蛪?/3尺寸模化條件下對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)天然氣燃燒室分別進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并與在全壓條件下的燃燒室進(jìn)行對(duì)比分析，獲得了在?；瘲l件下燃燒室流場(chǎng)分布、溫度分布、燃燒效率、總壓損失、NOX排放等變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）獲得了燃燒室在低壓?；瘲l件下的流場(chǎng)分布，其對(duì)于燃燒室在實(shí)際工作條件下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有一定的預(yù)測(cè)作用；

（2）獲得了燃燒室在低壓?；瘲l件下火焰筒壁溫、燃燒室出口溫度等的分布情況，其較燃燒室的實(shí)際工作情況存在一定差異；

（3）由于壓力的變化對(duì)于燃燒過(guò)程的影響，在低壓?；瘲l件下燃燒室的燃燒效率、總壓損失均比實(shí)際工作時(shí)低；

（4）初步獲得了該燃燒室的“壓力指數(shù)”，從而可以定性考察由于壓力的變化引起燃燒室內(nèi)的溫度分布的變化，進(jìn)而造成NO排放差異；

（5）由于在低壓條件下尺寸的?；赡苓M(jìn)一步引起問(wèn)題復(fù)雜化，如縮尺寸引起的燃燒室溫度分布、高溫區(qū)分布的變化，建議在低壓試驗(yàn)或常壓試驗(yàn)過(guò)程中不優(yōu)先考慮采用縮尺寸或尺寸?；姆椒?。

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Numerical Analysis on Influence of Low Pressure Modeling on Operation Characteristics of Gas Turbine
Combustor

HE Nian,CHEN M ing-min,GAO Xian-zhi,YIN Jing-shu
（Shanghai Electric Gas Turbine Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China）

In order to study the influence of low pressure modeling on operation characteristics of gas turbine combustor,the full-size gas turbine combustor and its 1/3 size model combustor at low pressure condition were simulated by using FLUENT model of ANSYS software,and the calculation results were compared with full-size combustor in full pressure condition.The simulation results show that in low pressure condition,stream line distribution in the combustor are substantially the same as that in full pressure condition.Due to affect of on the pressure chemical reaction equilibrium,the liner wall temperature in low pressure condition is averagely 70 K to100 K lower than that in full pressure condition,and the outlet temperature pattern factor in low pressure conditions is better.Because of the impact of inlet pressure,combustion efficiency and total pressure loss in low pressure condition are lower than in full pressure condition.In addition,because of the temperature distribution change in the combustor caused by the change of combustor pressure and size,the distribution of NO sources and the growth rate of NO change a lot,so NOx emissions in three different conditions are much different.Furthermore,the pressure impact index is verified.The results can provide references for gas turbine combustor low-pressure and atmospheric pressure test.

combustor;gas turbine;low pressure modeling;operation characteristics;numerical simulation

V 231.2

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.003

2016-09-16

何念（1986），男，碩士，工程師，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)燃燒設(shè)計(jì)工作；E-mail:henian@shanghai-electric.com。

何念，陳明敏，高賢智，等.低壓模化對(duì)燃燒室工作特性影響的數(shù)值分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（2）：10-16.HE Nian，CHEN Mingmin，GAO Xianzhi，etal.Numericalanalysison influence oflowpressure modelinginfluence on operation characteristicsofgasturbine combustor[J].Aeroengine，2017，43（2）：10-16

(編輯：張寶玲)