張志偉 王高升

摘要：燃氣輪機技術是當前能源動力系統(tǒng)中的先進核心技術，以燃氣輪機為核心的動力系統(tǒng)是電力系統(tǒng)研發(fā)和應用的熱點和重點。對燃氣輪機燃燒室的設計和性能評估也是燃氣輪機技術中的重要研究方向。本文分析了一種以空氣分級燃燒方式的對旋流燃燒室，通過CFD軟件對其燃燒過程冷態(tài)流場進行數(shù)值模擬分析，結果表明：在燃燒室火焰筒前端，摻冷空氣的注入產(chǎn)生了一個強的中心回流區(qū)和一個角回流區(qū)，這個回流區(qū)能夠有效地使空氣和燃料進一步混合，提高了燃燒效率。

Abstract： Gas turbine technology is the advanced core technology in the current energy power system， and the power system with gas turbine as the core is the hot spot and focus of power system research and development and application. The design and performance evaluation of gas turbine combustor is also an important research direction in gas turbine technology. This paper analyzes a counter-swirl combustor with air-staged combustion method. The cold flow field of the combustion process is numerically simulated and analyzed by CFD software. The results show that at the front of the combustor flame tube， the injection of cold air produces a strong central recirculation zone and an angular recirculation zone， this recirculation zone can effectively further mix the air and fuel， and improve the combustion efficiency.

關鍵詞：燃氣輪機;燃燒室;冷態(tài)流場;數(shù)值模擬

Key words： gas turbine;combustion chamber;cold flow field;numerical simulation

中圖分類號：TK471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0191-03

0? 引言

自工業(yè)化革命以來，能源和環(huán)境問題成為了全球性的重大問題之一，是制約社會可持續(xù)發(fā)展的關鍵性因素。使用清潔能源，有利于改進城市的能源結構，優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)，減少各種環(huán)境污染物的排放，能夠促進我國以火力發(fā)電為主的能源系統(tǒng)向更加環(huán)保的能源系統(tǒng)模式進行跨越式發(fā)展。[1]

自從19世紀第一臺燃氣輪機問世以來，燃氣輪機技術就得到世界各國的高度重視。歐美一些國家先后制定了一系列計劃來加大對燃氣輪機技術的研究，大力發(fā)展燃氣輪機技術。[2]以燃氣輪機技術為基礎的小型發(fā)電系統(tǒng)具有低污染、效率高等特點，配合我國高速發(fā)展的天然氣產(chǎn)業(yè)，可以作為分布式電源和小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，應用于局部區(qū)域、邊遠地區(qū)以及重要基礎設施中，具有很大潛力。因此，很有必要對燃氣輪機燃燒室技術進行研究。[3]

1? 燃氣輪機燃燒室的結構設計

燃氣輪機的工作原理是通過燃燒工質(zhì)使流體連續(xù)流動做功，將熱能轉(zhuǎn)換為機械能。燃氣輪機通常由三部分組成，即：壓氣機、燃燒室、燃氣透平渦輪。燃氣輪機中最重要的部件就是燃燒室，因為主要的復雜的反應場所都在燃燒室。燃燒室技術的高低是衡量燃氣輪機水平的一項重要的指標。[4]

目前國際上大部分燃氣輪機燃燒室均采用回流環(huán)形結構，僅有少部分選擇罐形結構。當燃氣輪機正常工作時，經(jīng)離心壓氣機壓縮后的氣流首先被送入環(huán)形回熱器，預熱后，從燃燒室壁面的進氣孔和氣膜冷卻孔進入燃燒室內(nèi)，此時，進入的氣流會與噴入的燃料相混合，然后燃燒轉(zhuǎn)化為高溫燃氣，再經(jīng)180°彎管后流經(jīng)透平，由于燃燒后的高溫氣體會膨脹，從而推動透平及壓氣機做功產(chǎn)生動能。同時，當透平排出的高溫燃氣流經(jīng)回熱器時，熱量又將傳遞給由離心壓氣機送來的氣流，或用于加熱其它介質(zhì)。

在燃氣輪機中采用回流環(huán)形燃燒室，有利于燃氣輪機與與離心壓氣機更好地匹配，使壓氣機、渦輪與電機能夠更緊湊地布置，有效利用空間，減輕重量并縮短軸系長度，從而最大限度的減少整機的重量和體積。此外，由于這種設計會使燃氣在燃燒室內(nèi)停留的時間更長，有利于提高燃燒效率;又由于氣流存在大角度折轉(zhuǎn)，一方面可以改善燃燒室出口的溫度分布，另一方面也大大削弱了燃燒室進口溫度畸變對出口溫度分布的影響。

本文所采用的燃氣輪機回流燃燒室結構如圖1所示。

燃燒室的結構如圖1所示。它主要包括徑向旋流器2個、軸向旋流器1個以及火焰筒1個，火焰筒直徑為130mm。氣流入口以流體旋流的形式進入燃燒室。火焰筒后部開有兩排均布交錯排列的摻冷空氣摻混射流孔，每排均布置16只射流孔，孔徑為9 mm。旋流器1和旋流器2均具有徑向速度分量和切向速度分量，而旋流器3具有軸向速度分量和切向速度分量。旋流器1由24個截面為9.5mm×9mm、傾斜角為18°（右傾）的方形通道組成，屬于為固定塞塊式旋流器。旋流器2擁有24只孔徑為？準4.5、傾斜角40°（左傾）的氣孔;旋流器3擁有16只孔徑為？準4，傾斜角48°（左傾）的氣孔，它們都屬于傾斜式柱塞孔。[5]

2? 數(shù)值模擬研究燃燒方法

近年來，通過計算機并基于計算流體力學、計算傳熱學和計算燃燒學的原理來求解燃燒室內(nèi)部流動的數(shù)值模擬方法逐漸形成。[6]目前最常用的燃燒室設計過程是以計算機作為工具，利用數(shù)值方法求解控制燃燒現(xiàn)象的非線性偏微分方程組，對燃燒室中流動、傳熱以及燃燒過程進行模擬，根據(jù)數(shù)值計算的結果獲得燃燒室內(nèi)部流動特性，以此來預估燃燒室的性能，進一步指導燃燒室的優(yōu)化。該過程可以用數(shù)值模擬的結果來取代未定型燃燒室的中間實驗，從而減少費用、縮短研發(fā)周期，對促進燃氣輪機燃燒室技術的發(fā)展具有重要的意義。[7]

隨著計算機科學的發(fā)展，燃燒室的設計從以前主要依靠經(jīng)驗及大量實驗，發(fā)展到現(xiàn)在可以通過數(shù)值模擬對燃燒室的設計進行指導。[8]現(xiàn)在，通過計算機軟件建立仿真模型、進行模擬計算、數(shù)值分析等方法已可以實現(xiàn)對燃燒室中的溫度場、熱流場、燃燒場的進行仿真模擬運算，還能對燃燒時的污染物排放進行預估，并預報現(xiàn)場分布，從而提供有效的最優(yōu)化方法，指導放大設計。在燃燒室設計和研究中，首要步驟就是進行數(shù)值模擬，這已成為燃燒室設計研究人員的必備技術和方法。[9]

而在數(shù)值模擬的軟件方面，隨著算法和物理化學模型的發(fā)展，各種數(shù)值模擬軟件，如Fluent、CFX、star-CD和CFDRC等軟件，經(jīng)過幾十年來的發(fā)展和完善，都能對燃燒室中氣動熱力過程進行較好的數(shù)值模擬。其中，目前在燃燒室燃燒過程的數(shù)值模擬中應用最廣泛的當屬Fluent軟件，本文采用Fluent軟件進行模擬分析。

3? 旋流燃燒室的燃燒場冷態(tài)三維模擬

3.1 計算區(qū)域和網(wǎng)格的劃分

由于旋流燃燒室已簡化為軸對稱結構，因而計算區(qū)域取整個燃燒室模型縱向截面的一半。計算區(qū)域入口從各個旋流器的出口算起。網(wǎng)格劃分采用分塊網(wǎng)格，各個旋流器出口至燃燒室筒體段為非結構化網(wǎng)格，燃燒室筒體段為結構化網(wǎng)格。計算網(wǎng)格劃分見圖2。

3.2 冷態(tài)流場的三維數(shù)值模擬結果

邊界條件及收斂條件如下：

①進口處速度、燃料及空氣的質(zhì)量分數(shù)按均勻分布給定。熱態(tài)數(shù)值計算時，各進口溫度均為600K。②出口處各變量軸向梯度為0，同時滿足流量守恒以及化學組分守恒。③壁面處不存在速度滑移，此外，其它變量法向梯度為0。

根據(jù)前面所述的數(shù)學模型和給定的邊界條件，利用CFD計算軟件對燃氣輪機旋流燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場進行了數(shù)值模擬和計算。其中，進入燃燒室的空氣總流量為0.421m3/s，其中流入摻冷孔的空氣流量為0.177m3/s。燃燒室出口的平均流速Uref=31.73m/s。

當摻冷空氣徑向射入殘冷孔時，圖3所示為β=0°和β=11.25°處軸向截面上的軸向速度分布，其中β=0°為穿過第一排摻冷射流孔中心軸線燃燒室軸向截面，β=11.25°為穿過第二排摻冷射流孔中心軸線燃燒室軸向截面。從圖3中可看出，β=0°和β=11.25°處軸向截面上的軸向速度分布基本相同，而兩排摻冷孔附近區(qū)域的軸向速度分布則具有較大差別。在燃燒室的火焰筒的前端部分，有一個較強的中心回流區(qū)和角回流區(qū)。在燃燒室頭部中心還有一數(shù)值較大的負軸向速度區(qū)域。圖3（a）、圖3（b）也清楚地表明了摻冷空氣射流對軸向速度的影響。由于摻冷空氣徑向射流的影響，使兩排射流孔摻冷空氣流入?yún)^(qū)域氣流的軸向速度較小。

從圖4中可看出，摻冷空氣射入的入口區(qū)域，氣流軸向速度較低;而在同排兩個射流孔之間區(qū)域軸向速度較大。圖4（a）說明在第一排射流孔的截面上，其中心區(qū)域沿著向速度分布較均勻，在中心位置的速率較低。圖4（b）與圖4（a）的分布顯然不同。在z=0.284 m處橫截面上，圍繞射流孔的中心對稱軸有一圓環(huán)形的速度較高的區(qū)域。其形成的原因是：對比圖3（a）來看，當?shù)谝慌派淞骺鬃⑷霌嚼淇諝鈺r，使該區(qū)域的速度增加了，同時也將氣流帶向中心，于是使圖4（a）中心區(qū)域的軸向速度比圖4（b）中相同區(qū)域中所示意的大。

圖5所示為β=0°和β=11.25°處燃燒室軸向截面上的環(huán)向速度分布。從圖5中可看出，除兩排摻冷空氣射流區(qū)域附近，β=0°和β=11.25°處截面上的環(huán)向速度分布基本相同。在燃燒室頭部，對稱分布著兩個較高環(huán)向速度的區(qū)域。摻冷空氣射流所在截面部分區(qū)域，存在著較低的環(huán)向速度，且摻冷孔射流空氣對局部環(huán)向速度影響較大。

4? 結論

本文利用CFD計算軟件對燃氣輪機旋流燃燒室內(nèi)冷態(tài)三維流場進行了數(shù)值模擬，結果表明：在燃燒室火焰筒前端，摻冷空氣的注入產(chǎn)生了一個強的中心回流區(qū)和一個角回流區(qū)。摻冷孔空氣射流前，燃燒室內(nèi)環(huán)向速度沿流動方向逐漸衰減，軸向速度峰值向壁面移動，數(shù)值減小，環(huán)向速度衰減較快;在摻冷孔附近，環(huán)向速度局部產(chǎn)生逆流，有助于氣流的混合。這個回流區(qū)能夠有效地使空氣和燃料進一步混合，提高了燃燒效率。

參考文獻：

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[9]范潔川，等編著.近代流動顯示技術[M].北京國防工業(yè)出版社，2002.