張志偉 王高升

摘要：燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)是當(dāng)前能源動(dòng)力系統(tǒng)中的先進(jìn)核心技術(shù)，以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的動(dòng)力系統(tǒng)是電力系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估也是燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)中的重要研究方向。本文分析了一種以空氣分級(jí)燃燒方式的對(duì)旋流燃燒室，通過(guò)CFD軟件對(duì)其燃燒過(guò)程冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)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(gè)強(qiáng)的中心回流區(qū)和一個(gè)角回流區(qū)，這個(gè)回流區(qū)能夠有效地使空氣和燃料進(jìn)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(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);燃燒室;冷態(tài)流場(chǎng);數(shù)值模擬

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

中圖分類號(hào)：TK471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0191-03

0? 引言

自工業(yè)化革命以來(lái)，能源和環(huán)境問(wèn)題成為了全球性的重大問(wèn)題之一，是制約社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。使用清潔能源，有利于改進(jìn)城市的能源結(jié)構(gòu)，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(jìn)我國(guó)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(jìn)行跨越式發(fā)展。[1]

自從19世紀(jì)第一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)問(wèn)世以來(lái)，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)就得到世界各國(guó)的高度重視。歐美一些國(guó)家先后制定了一系列計(jì)劃來(lái)加大對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的研究，大力發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)。[2]以燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的小型發(fā)電系統(tǒng)具有低污染、效率高等特點(diǎn)，配合我國(guó)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(yīng)用于局部區(qū)域、邊遠(yuǎn)地區(qū)以及重要基礎(chǔ)設(shè)施中，具有很大潛力。因此，很有必要對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室技術(shù)進(jìn)行研究。[3]

1? 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理是通過(guò)燃燒工質(zhì)使流體連續(xù)流動(dòng)做功，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。燃?xì)廨啓C(jī)通常由三部分組成，即：壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)馔钙綔u輪。燃?xì)廨啓C(jī)中最重要的部件就是燃燒室，因?yàn)橹饕膹?fù)雜的反應(yīng)場(chǎng)所都在燃燒室。燃燒室技術(shù)的高低是衡量燃?xì)廨啓C(jī)水平的一項(xiàng)重要的指標(biāo)。[4]

目前國(guó)際上大部分燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室均采用回流環(huán)形結(jié)構(gòu)，僅有少部分選擇罐形結(jié)構(gòu)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)正常工作時(shí)，經(jīng)離心壓氣機(jī)壓縮后的氣流首先被送入環(huán)形回?zé)崞?，預(yù)熱后，從燃燒室壁面的進(jìn)氣孔和氣膜冷卻孔進(jìn)入燃燒室內(nèi)，此時(shí)，進(jìn)入的氣流會(huì)與噴入的燃料相混合，然后燃燒轉(zhuǎn)化為高溫燃?xì)?，再?jīng)180°彎管后流經(jīng)透平，由于燃燒后的高溫氣體會(huì)膨脹，從而推動(dòng)透平及壓氣機(jī)做功產(chǎn)生動(dòng)能。同時(shí)，當(dāng)透平排出的高溫燃?xì)饬鹘?jīng)回?zé)崞鲿r(shí)，熱量又將傳遞給由離心壓氣機(jī)送來(lái)的氣流，或用于加熱其它介質(zhì)。

在燃?xì)廨啓C(jī)中采用回流環(huán)形燃燒室，有利于燃?xì)廨啓C(jī)與與離心壓氣機(jī)更好地匹配，使壓氣機(jī)、渦輪與電機(jī)能夠更緊湊地布置，有效利用空間，減輕重量并縮短軸系長(zhǎng)度，從而最大限度的減少整機(jī)的重量和體積。此外，由于這種設(shè)計(jì)會(huì)使燃?xì)庠谌紵覂?nèi)停留的時(shí)間更長(zhǎng)，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(jìn)口溫度畸變對(duì)出口溫度分布的影響。

本文所采用的燃?xì)廨啓C(jī)回流燃燒室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

燃燒室的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要包括徑向旋流器2個(gè)、軸向旋流器1個(gè)以及火焰筒1個(gè)，火焰筒直徑為130mm。氣流入口以流體旋流的形式進(jìn)入燃燒室?；鹧嫱埠蟛块_(kāi)有兩排均布交錯(cuò)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(gè)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(zhǔn)4.5、傾斜角40°（左傾）的氣孔;旋流器3擁有16只孔徑為？準(zhǔn)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(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)并基于計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)和計(jì)算燃燒學(xué)的原理來(lái)求解燃燒室內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬方法逐漸形成。[6]目前最常用的燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程是以計(jì)算機(jī)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(duì)燃燒室中流動(dòng)、傳熱以及燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果獲得燃燒室內(nèi)部流動(dòng)特性，以此來(lái)預(yù)估燃燒室的性能，進(jìn)一步指導(dǎo)燃燒室的優(yōu)化。該過(guò)程可以用數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)取代未定型燃燒室的中間實(shí)驗(yàn)，從而減少費(fèi)用、縮短研發(fā)周期，對(duì)促進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。[7]

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，燃燒室的設(shè)計(jì)從以前主要依靠經(jīng)驗(yàn)及大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)展到現(xiàn)在可以通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)燃燒室的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。[8]現(xiàn)在，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建立仿真模型、進(jìn)行模擬計(jì)算、數(shù)值分析等方法已可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室中的溫度場(chǎng)、熱流場(chǎng)、燃燒場(chǎng)的進(jìn)行仿真模擬運(yùn)算，還能對(duì)燃燒時(shí)的污染物排放進(jìn)行預(yù)估，并預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)分布，從而提供有效的最優(yōu)化方法，指導(dǎo)放大設(shè)計(jì)。在燃燒室設(shè)計(jì)和研究中，首要步驟就是進(jìn)行數(shù)值模擬，這已成為燃燒室設(shè)計(jì)研究人員的必備技術(shù)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(xué)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(guò)幾十年來(lái)的發(fā)展和完善，都能對(duì)燃燒室中氣動(dòng)熱力過(guò)程進(jìn)行較好的數(shù)值模擬。其中，目前在燃燒室燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬Fluent軟件，本文采用Fluent軟件進(jìn)行模擬分析。

3? 旋流燃燒室的燃燒場(chǎng)冷態(tài)三維模擬

3.1 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格的劃分

由于旋流燃燒室已簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因而計(jì)算區(qū)域取整個(gè)燃燒室模型縱向截面的一半。計(jì)算區(qū)域入口從各個(gè)旋流器的出口算起。網(wǎng)格劃分采用分塊網(wǎng)格，各個(gè)旋流器出口至燃燒室筒體段為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，燃燒室筒體段為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

3.2 冷態(tài)流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬結(jié)果

邊界條件及收斂條件如下：

①進(jìn)口處速度、燃料及空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按均勻分布給定。熱態(tài)數(shù)值計(jì)算時(shí)，各進(jìn)口溫度均為600K。②出口處各變量軸向梯度為0，同時(shí)滿足流量守恒以及化學(xué)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(xué)模型和給定的邊界條件，利用CFD計(jì)算軟件對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)旋流燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和計(jì)算。其中，進(jìn)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(dāng)摻冷空氣徑向射入殘冷孔時(shí)，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(guò)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(guò)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(gè)較強(qiáng)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(fù)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(duì)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(gè)射流孔之間區(qū)域軸向速度較大。圖4（a）說(shuō)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(duì)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(duì)比圖3（a）來(lái)看，當(dāng)?shù)谝慌派淞骺鬃⑷霌嚼淇諝鈺r(shí)，使該區(qū)域的速度增加了，同時(shí)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(duì)稱分布著兩個(gè)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(duì)局部環(huán)向速度影響較大。

4? 結(jié)論

本文利用CFD計(jì)算軟件對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)旋流燃燒室內(nèi)冷態(tài)三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)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(gè)強(qiáng)的中心回流區(qū)和一個(gè)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(dòng)方向逐漸衰減，軸向速度峰值向壁面移動(dòng)，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(gè)回流區(qū)能夠有效地使空氣和燃料進(jìn)一步混合，提高了燃燒效率。

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