某重型燃氣輪機DLN燃燒室數值模擬冷態分析

丁勇能,田勇,王 波,4，鄭迎九，邵衛衛,4

(1. 杭州華電半山發電有限公司，杭州 310015；2. 中國科學院工程熱物理研究所 先進能源動力重點實驗室，北京 100190；3. 江蘇中國科學院能源動力研究中心，江蘇 連云港 222069；4. 中國科學院大學，北京 100049)

燃燒室作為重型燃氣輪機的關鍵熱端部件[1]，工作在高溫高壓的極端環境中，開展試驗研究難度大、成本高，因此數值模擬成為分析燃燒室性能的重要手段[2-11]。然而，燃燒室幾何高度復雜，其中火焰筒部分通常包含數以百計的氣膜孔以及肋化壁面，噴嘴部分包含高度復雜的多環腔通道、旋流器以及蜂窩狀整流罩，因此研究通常是開展單元噴嘴或者單獨火焰筒模擬，既無法精確給定流量分配，也無法考慮各單元之間的相互影響。本文采用無損檢測的3D掃描結合工業CT的方法獲得完整幾何結構參數，通過燃氣輪機整體參數分析獲得燃燒室邊界條件，在天津國家超算中心上實現了對某重型燃氣輪機DLN燃燒室單筒全尺寸模型的大規模數值模擬。

1 幾何測繪

1.1 外型測繪

對整個燃燒室的各主要部件均開展了詳細外形測繪，包括火焰筒、導流襯套、噴嘴及其機匣等。小孔采用卡尺測繪，曲面采用全三維坐標掃描，掃描設備為關節臂式三坐標測量機。鑒于橋式激光三坐標測量儀用于全三維造型成本較高且很費時，本文采用關節臂測量機攜帶激光測頭，盡管單點精度不高(約0.04 mm)，但靈活、速度快而且整體點云質量好，數據完整性好。

1.2 內型掃描

為獲得燃燒室噴嘴內部通道結構與尺寸參數，對燃燒室噴嘴等具有復雜內筒的部件開展了工業CT掃描。圖2為噴嘴某截面掃描結果。

工業CT(Industial Computed Tomography)即工業計算機X線斷層攝影技術，是20世紀80年代發展起來的先進無損檢測技術[12]。目前業內多數工業CT設備功率偏小，不足以穿透重型燃氣輪機燃燒室噴嘴，本次測繪選用了6 MeV加速器的CT掃描儀，其射線最大穿透厚度能達到250 mm Fe，空間分辨率能達到1 Lp/mm，滿足重型燃氣輪機燃燒室噴嘴的內型掃描需求。

2 幾何建模

基于外形三坐標掃描和內型工業CT掃描的結果，獲得了較為完整的燃燒室幾何數據，以此為基礎進行了可用于單筒全尺寸燃燒室CFD模擬的三維實體模型重建。其中過渡段僅模擬襯套部分，將圓變扇形狀簡化成了圓柱，保留冷卻孔的大小與布置基本一致，以便更真實地反映空氣流量在過渡段與燃燒室之間的分配情況。

3 數值模擬

3.1 網格劃分

在ANSYS ICEM CFD19.0中生成整個燃燒室的計算網格。計算域設置如圖4。

網格(如圖5)特點如下：

(1) 計算域主體采用四面體網格，固壁表面流體邊界層區采用五面體棱柱網格。網格總數1.7億左右。

(2) 在孔區域和噴嘴通道壁面附近加密網格，以便更好地捕捉空氣流量的分配。如圖6～圖8。

3.2 邊界條件設置

燃燒室模擬計算的工況設置如表1所示。

表1 燃燒室冷態模擬邊界條件設置

3.3 計算方法

采用ANSYS FLUENT 19.0作為求解器，基于三維可壓縮粘性N-S方程及均相組分輸運方程。壓力速度耦合采用全隱式耦合算法，對流項采用二階迎風格式，湍流項采用一階迎風格式，組分輸運項采用一階迎風格式。迭代收斂準則設為殘差10-6，同時監控出口濃度、速度及湍動能等參數的收斂。

3.4 計算結果

3.4.1 空氣流量分配

圖9為中心剖面(穿過一個噴嘴)的軸向速度分布及矢量圖?？諝膺M入壓氣機排氣機匣后，一部分通過過渡段襯套上的冷卻孔進入過渡段導流襯套，進而往上游進入火焰筒襯套；一部分通過火焰筒襯套上的三排沖擊冷卻孔進入火焰筒導流襯套，然后與來自過渡段襯套的空氣匯合，往上游進入噴嘴機匣區，途中會有部分空氣通過火焰筒壁上的兩排氣膜冷卻孔直接進入火焰筒區。進入噴嘴機匣區的空氣，一部分通過噴嘴頭罩上的大孔進入噴嘴頭罩區，然后通過近火焰筒的布封板上的數百個冷卻孔排出，保護布封板；一部分在上游端蓋處回流后通過噴嘴上的蜂窩孔進入噴嘴，在噴嘴內部的旋流葉片外與燃料實現摻混。由圖9可見，噴嘴出口下游形成了有利于燃燒穩定的低速回流區。

通過計算獲得了燃燒室各通道的空氣流量分配情況，如表2。統計表2得到燃燒室空氣主要分配如表3,面積合計0.082 822 m2，流量合計28.337 kg/s。

表2 燃燒室各通道流量

表3 燃燒室空氣流量分配情況

3.4.2 主噴嘴燃空摻混性能

噴嘴出口(圖10所示位置)的流動特性能代表主噴嘴燃空摻混性能。統計如下：噴嘴出口平均速度61.5 m/s，噴嘴出口平均濃度2.689%，噴嘴出口旋流強度0.551 4，噴嘴出口預混不均勻度5.95%。

圖11和圖12分別給出了噴嘴出口的燃料分布及軸向速度分布情況。中心回流區明顯，有利于擴散燃燒穩焰。值班燃料在中心積累了較高濃度，四周環內濃度也較高，總體上看摻混均勻度較差，近6%的預混不均勻度仍然有較大提升的空間，通過內環和外環預混燃料的比例的調整或許能改善。

旋流強度NS代表噴嘴出口角動量與軸向動量之比，其定義式如下：

式中：Gφ表示截面上角動量通量，Gx表示截面上軸向動量通量，R表示截面當量半徑，ρ表示密度，Va表示軸向速度，Vt表示切向速度，r表示徑向坐標。

預混不均勻度DSM代表噴嘴出口面上各點燃料濃度偏離截面平均濃度的程度，其定義式如下：

3.4.3 壓力損失

通過下式計算燃燒室的總壓恢復系數。

經過計算得到本工況下燃燒室的總壓恢復系數為0.964,與燃氣輪機總體性能預估相比較為合理。

4 結語

本文通過內型CT掃描結合外形3D掃描的方法獲得了某重型燃氣輪機燃燒室的詳細幾何結構，并結合燃氣輪機整體工況參數，開展了單筒全尺寸燃燒室的冷態數值模擬。模擬結果表明該方法對燃氣輪機燃燒室流量分配、噴嘴預混性能整體預測基本合理。方法與結果可以為重型燃氣輪機DLN燃燒室的分析與設計提供參考。