F級燃氣輪機噴嘴長度對燃燒特性影響研究

嵇國軍

(江蘇國信協聯燃氣熱電有限公司，宜興 214200)

燃燒室作為燃氣輪機三大核心部件之一，其工作過程涉及氣體流動、燃燒、傳熱傳質、輻射、化學反應等一系列復雜的物理和化學過程。燃燒室出口參數直接影響透平的工作性能及壽命，從而影響燃氣輪機的整體性能。燃燒器是燃燒室的核心部件之一，其設計與結構直接影響燃燒室的性能。

現階段對燃燒的理論分析還存在很大的局限性，試驗費用特別昂貴，同時，試驗條件也受各種客觀條件的限制，很難捕捉到一些細小的改變。隨著計算機性能的提高和數值模擬方法的改進及完善，數值模擬成為燃燒室設計的重要手段[1-2]。

本文對F級燃燒器進行整體建模，并進行三維數值模擬，得到其內部流場分布、壓力損失、出口溫度分布、燃燒效率等的特性和變化規律，為進一步優化設計，提高燃燒室性能提供參考。

1 F級燃燒器特點與建模

根據工業F級燃氣輪機燃燒室相關資料[3-4]，對環形燃燒室進行三維UG建模。由于該燃燒室幾何結構相當復雜，在不影響燃燒室整體性能的基礎上，本文的建模過程對局部細節結構進行了適當簡化。圖1為F級燃氣輪機燃燒室燃燒器示意圖。空氣從壓氣機出來經過擴壓器，大部分空氣(主燃空氣)經過斜旋流器和來自預混通道的燃料充分摻混后進入燃燒室；其余少量空氣(次燃空氣)通過軸向旋流器進入燃燒室。大部分燃料采用預混燃燒，同時有部分燃料進入值班燃燒器燃燒，起到穩定火焰的作用。

該燃氣輪機的燃燒室為環形燃燒室，共有24個燃燒器。考慮到燃燒室內腔的周期對稱性和計算的時間成本，構建了燃燒室1/24周期(含一個完整的燃燒器)的流場模型，圖2為實際計算區域。燃燒器噴嘴(Combustion Burner Outlet，CBO)長度分別選取 0 mm(基本結構)、35 mm以及97 mm構建幾何模型進行數值計算，其他幾何部分均保持一致。

將上述模型導入網格劃分軟件ICEM中進行網格劃分，由于該燃燒室結構較為復雜，所以在劃分網格時采用非結構化網格劃分方式，最終計算模型的網格數在270萬左右。圖3為計算模型的網格劃分圖。

2 計算邊界條件

本文中的邊界條件包括進口條件、出口條件、壁面條件以及周期性邊界條件。進口邊界條件均采用質量流量進口，在Fluent中設置質量流量數值和方向、水力直徑、溫度等特征量；出口條件定義為壓力出口；壁面邊界條件假定壁面無速度滑移、湍流脈動量為零，壁面均采用絕熱壁面；周期性邊界條件按照實際情況定義旋轉軸以及旋轉周期。

模型選擇如下：湍流模型選擇標準k-ε模型；燃燒模型根據實際情況(該燃燒室基本工況下主要采用的是預混燃燒方式)選擇有限速率或渦耗散模型；輻射模型選擇計算量相對較少的P1模型，該模型能夠滿足計算精度的要求。壓力速度耦合采用SIMPLE算法，其他變量的離散求解采用一階精度的迎風差值格式。

3 變CBO長度燃燒特性分析

3.1 壓力損失特性

變CBO長度燃燒室壓力損失數值計算結果如表1所示。燃燒室各部分壓力損失計算結果如表2所示。

表1 變CBO長度燃燒室壓力損失計算結果

表2 變CBO長度燃燒室各部分壓力損失計算結果

為方便對比分析，將表2中各部分壓損數據整理成燃燒室各部分壓力損失對比分析圖，如圖4所示。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分別表示旋流器部分壓損、擴壓段部分壓損、火焰筒其余部分壓損和總壓損失。

圖4 變CBO長度各部分壓損對比分析圖

分析可得，整個燃燒室的總壓損失隨著CBO長度的增加略有增大，但是變化不大，均在5%左右。此外，從燃燒室各部分壓力損失的情況來看，旋流器部分壓力損失始終保持在1.5%左右，這是由于CBO中該部件位于擴壓段，不會對旋流器壓損產生很大影響。但是CBO長度對擴壓段部分壓損及后續部分壓力損失影響較大，擴壓段的壓損隨著CBO長度的增加而降低，而火焰筒其他部分壓損變化則與此相反。主要原因是氣體流動狀態下加熱所引起的損失與流動速度和加熱比有關，速度越高，則加熱損失越大(CBO0與CBO97工況分析也具有相同的結論)。但最終燃燒室整體壓力損失變化不大。

3.2 熱態速度場分析

圖5、圖6及圖7分別為CBO0、CBO35以及CBO97結構下通過燃燒室中心截面的熱態速度云圖。同一工況不同結構下的熱態速度場在燃燒室燃燒區域發生較大改變，速度大大增加，而在旋流器部分速度變化較小。

圖5 CBO0下通過燃燒室中心截面的速度云圖

圖6 CBO35下通過燃燒室中心截面的速度云圖

圖7 CBO97下通過燃燒室中心截面的速度云圖

不同CBO長度下燃燒室熱態各截面速度具體數值如表3所示。變CBO長度熱態不同截面平均速度比較如圖8所示。圖8中軸向位置以旋流器出口軸向位置為參考，即旋流器出口軸向位置為零，并將軸向位置以火焰筒入口直徑為參考進行歸一化處理。

表3 變CBO長度熱態各部分速度(單位：m/s)

圖8 變CBO長度熱態不同截面平均速度比較

3.3 溫度場分析

圖9、圖10及圖11分別是CBO長度為0 mm、35 mm以及97 mm時燃燒室中心截面處溫度場分布情況。從這3幅圖中可以看出，各CBO長度下中心截面溫度場分布均勻，頭部存在局部高溫區，這主要是由值班火焰擴散燃燒所致，值班火焰在擴散燃燒中主要起到穩定燃燒的作用。

圖9 CBO0燃燒室中心截面處溫度場分布

圖10 CBO35燃燒室中心截面處溫度場分布

圖11 CBO97燃燒室中心截面處溫度場分布

圖12、圖13及圖14分別為CBO0、CBO35及CBO97結構下燃燒室出口截面處溫度分布情況。

圖12 CBO0燃燒室出口處溫度分布

圖13 CBO35燃燒室出口處溫度分布

圖14 CBO97燃燒室出口處溫度分布

表4是上面各截面不同CBO長度下燃燒室出口處溫度分布系數(Outlet Temperature Distribution Factor，OTDF)計算結果，從表中可以看出，該環形燃燒室出口截面處溫度分布系數相當低，能夠有效滿足透平對燃燒室出口溫度分布的要求。

3.4 熱態濃度場分析

圖15、圖16以及圖17分別為CBO長度為0 mm、35 mm以及97 mm時燃料甲烷的濃度分布圖。比較這3幅圖可以明顯看出，隨著CBO長度的增加，甲烷高濃度區域在軸向上拉長，因此可以預測，其燃燒火焰也隨之拉長。

圖16 CBO35燃燒室中心截面甲烷濃度分布

圖17 CBO97燃燒室中心截面甲烷濃度分布

3.5 燃燒效率分析

采取溫升法計算燃燒效率，結果如表5所示。

表5 變CBO長度燃燒效率比較

從表5中可以看出，CBO長度的增加會使得燃燒效率有所下降。

3.6 熱態中心截面軸向速度分析

圖 18給出的是不同CBO長度燃燒室熱態下不同軸向位置軸向速度沿徑向的分布對比圖。在徑向位置為零兩側，軸向速度小于零表示此軸向位置處于回流區中。熱態下CBO長度為0 mm，軸向位置為1D時，徑向位置為零的兩側有速度小于零的區域，表明在軸向位置為1D的區域存在回流區。在軸向位置為2D時，軸向速度均大于零，在此軸向位置沒有回流區。CBO長度為35 mm時，在軸向位置為2D、徑向位置等于零處，軸向速度為零，表明回流區的長度為2D。CBO長度為97 mm時，在軸向位置為2D、徑向位置等于零處，軸向速度為零，表明回流區的長度為2.5D。以上分析結果說明熱態下燃燒室中心回流區長度隨CBO長度的增加有所增加。

(a)X=0.5D

4 結 論

本文針對F級燃氣輪機燃燒器，采用數值模擬的方法分析了噴嘴長度對燃燒性能的影響，主要結論如下：

1)隨著CBO長度的增加，整個燃燒室的壓力損失略有增大，但是變化不大，均在5%左右；從燃燒室各部分壓力損失的情況來看，旋流器部分壓力損失始終保持在1.5%左右，但是擴壓段的壓損隨著CBO長度的增加而降低，而火焰筒其他部分壓損變化則與此相反。

2)在燃燒流場方面，CBO長度為0 mm時，中心回流區的長度為火焰筒入口直徑的1倍到2倍之間，CBO長度為35 mm時，中心回流區的長度為火焰筒入口直徑的2倍，CBO長度為97 mm時，中心回流區的長度為火焰筒入口直徑的2.5倍，說明燃燒中心回流區長度隨CBO增加有所增加。

3)各CBO長度下中心截面溫度場分布均勻，頭部存在局部高溫區，這主要是由值班火焰擴散燃燒所致，值班火焰在擴散燃燒中主要起到穩定燃燒的作用；且出口截面處溫度分布系數相當低，說明3個不同CBO長度結構均能有效滿足透平對燃燒室出口溫度分布的需求。

4)通過燃燒室不同CBO長度下中心截面甲烷濃度分布可知，隨著CBO長度的增加，甲烷高濃度區域在軸向上拉長，因此可以預測其燃燒火焰也隨之拉長，這正好和中心回流區長度相對應。

5)隨著CBO長度的增大，該燃燒室的燃燒效率略有下降。