以天然氣為燃料的燃氣輪機燃燒室燃燒場數值模擬

彭春梅 李鵬 王建輝 趙堅勇

摘要：某燃氣輪機以天然氣為燃料，對其燃燒室燃燒流場進行數值模擬，得到典型工況的速度場、溫度場、CO2分布，總結了燃燒室出口溫度不均勻度、燃燒效率的變化規律。結果表明：旋流器的導向作用明顯，在火焰筒頭部出現了明顯的回流區，有利于火焰穩定;隨著工況升高，燃燒室出口平均速度增大、CO2質量分數增大，燃燒效率提高;燃燒室出口溫度分布均勻，摻混孔的摻混效果較好。

關鍵詞：天然氣;燃氣輪機;燃燒室;數值模擬;燃燒

中圖分類號：TK472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0006-02

0  引言

燃氣輪機廣泛應用于機械驅動、發電等工業領域[1]，隨著市場需求增大，考慮環保要求[2-3]，天然氣作為清潔燃料具有廣闊的應用前景。燃燒室是燃氣輪機核心部件，其綜合性能直接影響整機性能及安全性，利用基于計算流體動力學（CFD）的數值方法研究，可有效縮減燃燒室研制周期和研制費用[4]。

本文對以天然氣為燃料的某燃氣輪機燃燒室的燃燒流場進行數值模擬研究，通過分析速度場、溫度場及CO2的分布趨勢，總結燃燒室出口溫度不均勻度、燃燒效率在典型工況的變化規律，為該燃燒室的改型及結構優化積累了經驗。

1? 研究對象

該燃燒室為逆流環管式結構，含16個火焰筒和噴油嘴。選取燃燒室1/16的扇形部分進行建模，包含單個火焰筒，對于扇形部分的前后兩個邊界，計算過程中采用FLUENT進行處理。

2? 計算方法

2.1 邊界條件

①空氣入口邊界：給定來流空氣的質量流量、溫度、壓力、湍流度、水利直徑、混合分數及其方差;

②燃料入口邊界：燃料為天然氣，計算時采用CH4作為替代分子式，給定其質量流量、溫度、壓力、湍流度、水利直徑等;

③燃燒室出口邊界：給定出口壓力、回流溫度等;

④壁面：按絕熱且無滑移條件處理;

⑤周期性邊界：在環形周期邊界上，所有獨立變量按周期性處理。

2.2 計算網格

采用GRIDGEN對三維幾何結構進行網格劃分。燃燒室結構較為復雜，采用非結構網格，共生成網格數約200萬。

3? 結果與分析

在3個典型工況（0.2Ne、0.6Ne、1.0Ne）下，得出了燃燒室的速度場、溫度場、CO2分布，并計算得到燃燒效率。

3.1 速度場

圖1為各工況的速度分布。由圖1可見：流場為不均勻的旋轉狀態。火焰筒頭部旋流器的導向作用明顯，氣流流線呈現不對稱分布。在火焰筒頭部出現了明顯的回流區，有利于火焰穩定。不同工況下燃燒室內速度分布基本一致，在火焰筒頭部由旋流器和主燃孔空氣形成的回流區大小也基本一致。隨著工況升高，燃燒室負荷增加，出口平均速度增大。這主要是由于隨著工況升高，燃燒室入口流量增大，入口總溫同時增大引起的。

3.2 溫度場

圖2為各工況的溫度分布。由圖2可見：高溫區主要分布在回流區及邊緣附近，溫度超過1500K，有利于火焰穩定;主燃孔的補燃效果明顯，主燃孔與摻混孔之間形成另一個高溫區，燃燒室內的最高溫度超過2500K。不同工況時火焰筒內的溫度分布基本一致。從摻混孔進入的空氣對高溫燃氣的摻混效果較好，火焰筒后半部溫度逐漸趨于均勻。

表1為燃燒室出口溫度不均勻度OTDF。由表1可見，燃燒室出口溫度的均勻性較好，有利于延長渦輪葉片的壽命。

3.3 CO2分布

圖3為各工況的CO2質量分數分布。由圖3可見：火焰筒內的CO2質量分數分布趨勢與溫度分布趨勢相吻合;燃燒室出口CO2質量分數隨著工況的升高而增大。原因在于工況升高后，天然氣流量增大，燃燒產物增多。

3.4 燃燒效率

表2所示為各工況的燃燒效率，3個工況的燃燒效率均在96～99.9%，燃燒性能良好。燃燒效率隨著工況的升高而提高，1.0工況時達到99.9%。說明該負荷下燃料與空氣的摻混效果很好，燃燒更為充分，促進燃燒效率升高。

4? 結論

①旋流器的導向作用明顯，火焰筒頭部出現明顯的回流區，有利于火焰穩定。

②隨著工況的升高，燃燒效率提高，燃燒室出口的平均速度增大、CO2質量分數增大，火焰筒內的CO2質量分數與溫度分布趨勢相吻合。

③燃燒室出口溫度分布均勻，摻混孔的摻混效果較好。

④燃燒室結構合理，流場分布均勻，設計工況燃燒效率達到99.9%，燃燒性能較好。

參考文獻：

[1]曾文.重型燃氣輪機燃燒過程的反應動力學數值模擬[J].推進技術，2015，36（5）：737-744.

[2]趙堅行.民用發動機污染排放及低污染燃燒技術發展趨勢[J].航空動力學報，2008，23（6）：986-996.

[3]蔣波.低排放駐渦燃燒室冷態流場特性試驗[J].航空動力學報，2013，28（8）：1719-1726.

[4]B.Zamuner.Numerical simulation of the reactive two-phase flow in a kerosene/air tubular combustor[J]. Aerospace Science and Technology，2002（6）：521-529.