燃氣輪機燃燒室網絡式流量分配設計

吳晶峰，周燕佩

（中國民用航空發動機適航審定中心，北京　100102）

燃氣輪機燃燒室網絡式流量分配設計

吳晶峰，周燕佩

（中國民用航空發動機適航審定中心，北京100102）

采用一維網絡式方法對某型燃燒室進行流量分配設計，并作三維數值模擬驗證。網絡式方法將燃燒室分割為若干個獨立的單元，各單元互相關聯構成整體網絡。整體網絡通過壓力關系式求解，得到各元件壓力損失、質量流量等性能參數。對某型燃燒室結構進行網絡化建模并作優化設計，目標包括：①各排主燃孔及氣膜冷卻孔流量分配；②燃燒室進出口壓降4.2%。對優化后的燃燒室結構作三維數值模擬并與一維網絡優化結果對比驗證。結果顯示：二者吻合很好，各排孔的流量分配以及燃燒室總壓損失目標均實現良好，顯示一維網絡方法在燃燒室復雜結構設計中的精確性和可靠性。

燃氣輪機；燃燒室；一維網絡；流量分配；燃燒

燃燒室是燃氣輪機三大部件之一，對于燃機的性能、成本和安全性都有重要影響。燃燒室結構及部件的設計手段包括經驗公式[1]、實驗方法[2-3]和數值模擬方法等[4-10]。與實驗方法相比，數值模擬方法具有經濟性、靈活性和易重復迭代等特性，計算精度也在逐步提高；當然，在現階段的燃燒室設計中，實驗測試仍然是一個必不可少的環節。

影響燃燒室性能的因素包括燃燒室類型、燃燒組織方式、空氣流量分配、當量比分布、有效面積、火焰停留時間等[11]。上述因素中，空氣流量分配影響到燃燒區域、當量比分布以及火焰停留時間等，有效面積則與燃燒室總壓降相關，影響下游渦輪進口條件，對燃燒室性能及透平性能有著直接的影響。因此，本文選取空氣流量分配以及燃燒室總壓降這兩個方面進行研究。

對于空氣流量分配，擴散形式燃燒室和預混形式燃燒室有著本質的差別，許多專家學者對此展開了研究并得出一系列經驗參數，如Sawyer[12]和Saravanamuttoo等[13]定義了擴散形式燃燒室中主燃區、二次區和摻混區的空氣流量；Gauthier[14]定義了預混型燃燒室中通過旋流器和射流孔進入主燃區的空氣流量，以及通過摻混孔的空氣氣量。對具有多排主燃孔和氣膜冷卻孔的燃燒室結構來說，數十排孔的空氣流量（即開孔面積）很難同時精確控制，同時，開孔面積又與總壓降息息相關，需要協調統一。在實際設計過程中，往往需要多次循環迭代才能達到預定目標。三維數值模擬方法盡管計算速度較快，但是對于復雜結構來說仍存在著建模繁瑣、計算規模較大的缺點；實驗方法盡管精確，卻更是無法承受多次的反復迭代。基于上述背景，本文開展了一維網絡方法對燃燒室流量進行計算設計。

一維網絡方法，通過編寫程序或商業軟件架構來實現。一維網絡方法的基本原理如下[15]：將復雜燃燒室結構的三維流動求解簡化為一維求解，將燃燒室分割為若干個獨立的元件，元件模型中輸入幾何結構參數，各元件互相關聯形成一個網絡；整個網絡通過壓力關系式求解，得到各元件的壓力損失、質量流量等氣動性能參數；通過化學平衡方法和摻混、回流模型模擬燃燒室內燃燒效應；一維網絡中各元件的控制方程為半經驗的關系式，包含一系列經驗系數；在一維網絡中引入傳熱模型，計算熱傳導、熱對流、熱輻射等效應；采用一維網絡方法，結合傳統一維設計的相關經驗參數，有望進一步縮短燃燒室主體及部件的設計周期，減少燃燒室流量實驗次數，提高設計精度及可靠性。

1　一維網絡基本元件

一維網絡的計算有3種方法，分別是節點法、回路求解法和單元法[15]，3種方法各有優劣，本文屬于第一種節點法，基于壓力-流量關系求解，實現對系統及各元件壓力、流量、流速、密度等參數的精確計算。一維網絡模型的基本單元如圖1所示，基本要素為單元和節點。其中，單元代表所模擬的各部件結構或物理、化學反應過程，節點連接各獨立單元，獨立單元內部流動采用半經驗控制方程計算，單元之間的數據傳遞通過節點實現。

圖1　一維網絡基本單元Fig.1　Basic elements of 1-D network

一維網絡建模采用Flowmaster軟件，包含各類元件模型。文中使用的部分元件模型包括：

1）源項模型用于燃燒室進、出口的邊界封閉，根據邊界條件不同，分為流量源邊界或壓力源邊界。

2）通道模型用于燃燒室中各種定截面或變截面流動通道，包括噴嘴內部管道流動、火焰筒流道等；

3）過渡模型分為突變模型和漸變模型，分別用于模擬面積發生突然擴張（收縮）或者漸變擴張（收縮）的流動特征；

4）損失模型 用于模擬流動通道中限流器類型結構，包括旋流器、主燃孔、摻混孔、氣膜孔等，同時還可作為通道模型損失模擬的補充元件；

5）流體修正模型用于模擬燃燒效應，可輸入工質成分以及自定義輸出工質組分，模擬燃燒后的升溫效應以及燃燒及流動過程的總壓損失效應。

在一維網絡中，關鍵參數包括結構參數和性能參數。其中，結構參數由燃燒室具體結構尺寸決定，性能參數則包括損失模型的流量系數和通道模型的阻尼系數等，需要根據經驗或者參考數據確定。

2　燃燒室結構及建模

2.1燃燒室結構

本文研究的對象為某擴散形式燃燒室，結構如圖2所示。該燃燒室為典型的逆流式燃燒室結構，包括導流襯套、火焰筒、燃料噴嘴、空氣旋流器、配氣蓋板、過渡錐頂等，火焰筒具有3排主燃孔、20排氣膜冷卻孔，導流襯套空氣進口處6排沖擊冷卻孔。

圖2　燃燒室結構Fig.2　Combustor structure

空氣由導流襯套進口截面流入，逆流至燃燒室頭部，途經氣膜冷卻孔和3排主燃孔，進入頭部后分為兩股，一股由配氣蓋板經過渡錐頂進入主燃區，另一股空氣由中空葉片通道進入中心環管，由空氣旋流器流出進入主燃區參與燃燒；燃燒室頭部結構，包括燃料氣進口以及中心清吹空氣管路。

2.2一維建模

本節對燃燒室整體結構進行一維建模，選取典型結構的一維模型進行描述。

燃燒室頭部包括導流襯套通道、CAP孔、魚鱗孔、旋流葉片通道和旋流器，是燃燒室中結構復雜、功能突出的部分，其一維模型如圖3所示。圖中標示①處采用突擴模型模擬流體經導流襯套到頭部空間的面積突擴流動；②處采用一個損失模型模擬CAP小孔結構；③處采用一個損失模型模擬魚鱗孔結構；④處采用一個損失模型模擬旋流葉片通道結構；⑤處采用一個損失模型模擬旋流器；其余流動通道采用內部通道模型模擬。

圖3　燃燒室頭部一維模型Fig.3　1-D model of combustor head

圖4給出了燃燒室3排主燃孔區域結構的一維建模，每排主燃孔均采用一個損失模型模擬，圖中標示⑥、⑦、⑧分別對應一排主燃孔；氣膜冷卻孔也采用相同方式模擬；在火焰筒內主燃區，采用3個流體修正模型模擬燃燒效應，自定義輸出流體的組分，輸入熱量或輸出溫度以模擬燃燒后溫升效應，輸入損失系數模擬燃燒過程總壓損失。

圖4　燃燒室主燃區一維模型Fig.4　1-D model of combustor primary zone

圖5給出了導流襯套的沖擊冷卻孔模型，冷卻孔一共有6排，每排100個孔，符合典型的孔類限流器結構特征，采用損失模型建模，輸入每排孔的總物理流通面積和流量系數Cd，求解孔前后的壓力、流量、速度等。

圖5　沖擊冷卻孔一維模型Fig.5　1-D model of impacting cooling holes

該燃燒室整體一維網絡模型共計有元件108個，節點75個。

3　一維設計及數值模擬

3.1初始結構

首先對上述初始燃燒室結構進行數值模擬，其壓力分布和流量分配數據作為一維模型系數修正的參考依據。

數值模擬采用Star-ccm+軟件，作流-固耦合計算。湍流模型采用realizable k-epsilon two-layer model，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，對流通量的離散求解采用二階迎風格式，采用eddy break-up模型模擬燃燒，固體材料采用Ni-263，采用三步化學反應機理

計算邊界條件如下：

表1　合成氣成分Tab.1　Syngas components

4）火焰筒出口給定背壓P=1 643 120 Pa。

計算采用多面體網格，對小孔結構進行了局部加密處理，網格總數達到8 660萬，經過數值模擬試驗，達到網格無關性。對該軟件realizable k-epsilon twolayer湍流模型來說，為達到較好的數值模擬結果，需要使壁面第1層網格的y+＜30，本算例對于所關注的大部分區域，第1層網格的y+值均位于1.0～25.0的范圍內。

圖6給出了該燃燒室初始結構的數值模擬結果，速度場顯示火焰筒主燃區存在一個明顯的低速回流區，3排主燃孔的射流與主流相互摻混，在相應的射流后也存在低速區。靜溫顯示流場剖面最高溫度為2 064.2 K。

圖6　燃燒室初始結構計算結果Fig.6　Initial numerical simulation results of combustor

統計得到初始燃燒室結構各排孔流量，單位kg/s。

1）主燃孔（D1、D2、D3）：4.02、4.31、3.1；

2）氣膜冷卻孔（R1～R20）：0.19、0.211、0.155、0.245、0.211、0.333、0.334、0.282、0.394、0.405、0.315、0.291、0.242、0.237、0.204、0.165、0.179、0.172、0.188；

表2給出該燃燒室的進、出口總壓和壓力損失，得壓力損失Δp=4.88%。

表2　初始燃燒室壓降Tab.2　Initial pressure drop of combustor

3.2設計目標

該燃燒室的設計目標包括流量分配及總壓降，具體如下：

1）各排主燃孔、氣膜冷卻孔空氣流量維持初始目標要求；

2）燃燒室導流襯套進口與火焰筒出口之間總壓損失目標Δpv=4.2%。

該初始燃燒室進出口總壓損失Δp=4.88%，與目標壓損4.2%之間誤差為16.19%。反映到實際設計過程中，即為在實現流量分配目標的同時滿足總壓損失調節。

經驗表明，如果僅對各排孔面積及燃燒室頭部通道面積進行簡單的等比例縮放，各排孔流量將無法達到預定的設計目標，需要進一步調節；通過數值模擬或實驗手段實現需要多次迭代，并且無法精準控制流量分配。因此需要發展一種較為便捷、精確的方法以實現流量分配及總壓損失設計目標，這也是本文研究一維模型方法的目的所在。

3.3一維模型標定

一維模型標定包括各損失元件的流量系數、通道元件的阻力系數和流體修正模型的損失系數等。在一維網絡中輸入結構參數，設置模型性能參數，同時，參照CFD計算設置邊界條件，進行一維計算。

圖7給出了校準后的一維網絡模型流量計算結果，分別為3排主燃孔和20排冷卻孔的流量對比，可見與三維CFD結果吻合很好，標定精度很高。

圖8給出了燃燒室關鍵節點處的總壓分布，各節點位于各排主燃孔、氣膜孔對應的位置，圖中可見一維模型計算的壓力分布同樣與三維CFD計算結果吻合很好，證明一維模型中流量系數及阻尼系數比較精確，一維模型精度較高。

圖7　初始結構火焰筒主燃孔與氣膜冷卻孔流量Fig.7　Mass flow of initial combustor

圖8　一維網絡中各位置節點壓力標定Fig.8　Node pressure calibration of 1-D network

3.4優化設計

完成標定后，采用上述一維模型進行燃燒室結構一維設計。

調節手段包括修改燃燒室結構，取消中心清吹空氣；保持各排孔的軸向位置不變，調整各排主燃孔和氣膜冷卻孔的流通面積。

各排孔結構的尺寸修改信息如表3所示，其中主燃孔D1～D3基本為按相同比例增加面積，變化比為10.16%～10.3%，各排氣膜冷卻孔的面積變化則從8.27%～13.11%不等。

表3　燃燒室結構尺寸修改對比Table 3　Comparison of combustor structures

優化后的燃燒室三維CFD計算結果如圖9所示，分別為某截面的速度、靜溫云圖和火焰筒壁溫分布。與初始結構相比，新燃燒室火焰形態和流場結構比較相似，流場合理；新燃燒室統計后的流量分配結果與設計值吻合很好，如圖10所示。其中，主燃孔D1、D2和D3的流量與設計目標之間的誤差分別僅為3.0%、0.67%和-0.07%，其他氣膜冷卻孔及旋流器的流量誤差均在6%以內，實現了設計目標要求。

進出口壓力及總壓損失如表4所示，可見總壓降Δp=4.23%，與目標壓降Δpv之間的誤差僅為0.71%，滿足設計目標。

設計及計算經驗表明，針對燃燒室特定孔排和旋流器的流量分配調節，在調節幅度±30%以內均可一次實現；局部誤差較大的元件通過新一輪一維模型修正，可以達到較為理想的精度。

上述調節流量及總壓分布的手段不僅適用于數值模擬的設計過程，還適用于燃燒室的實驗驗驗證階段，可以快捷精確地調節開孔尺寸，縮短實驗周期。

圖9　燃燒室新結構數值模擬結果Fig.9　Numerical simulation of new combustor

圖10　流量分配對比Fig.10　Comparison of mass flow splits

表4　CFD計算壓力性能Tab.4　Pressure of numerical simulation

4　結語

采用Flowmaster一維流網軟件對某燃燒室結構進行一維建模及設計，調節主燃孔及氣膜冷卻孔尺寸，得到優化燃燒室結構。開展三維數值模擬驗證，結果表明，該燃燒室3排主燃孔、20排氣膜冷卻孔流量分配目標及燃燒室總壓損失目標均滿足設計要求。

一維網絡方法同樣可以結合實驗手段，采用實驗數據標定，指導實驗修改方案，便捷、精確地實現對火焰筒孔排和旋流器的流量分配和壓力分布優化設計，減少實驗次數。

綜合結果表明，本文所開展的一維網絡設計方法結合數值模擬或實驗測量手段，對縮短燃氣輪機燃燒室整體及部件設計周期和提高設計精度具有一定的工程應用價值。

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（責任編輯：黃月）

Network flow split design of combustor in gas turbine

WU Jingfeng,ZHOU Yanpei
（Engine Certification Center,CAAC,Beijing 100102,China）

A gas turbine combustor is modeled and designed using 1-D network method,and the result is validated compared with the result of 3-D numerical simulation.The network method divides the combustor into a series of 1-D sub-flows,the 1-D network is solved with pressure equations and the sub-flows are linked together in the overall governing equations to obtain a complete solution of the entire flow field.In this way,pressure-drops and flow-splits may be obtained throughout the region of interest.A 1-D network is applied to model and optimize the specific combustor with targets include mass flow split of primary holes and cooling holes and the total pressure drop which is equal to 4.2%.Finally,numerical simulation of this new combustor is carried out and the results are compared with 1-D network,indicating that the targets are achieved well.Results of 1-D network match well with those of numerical simulation,demonstrating the accuracy and reliability of 1-D network approach in the design of complex combustors.

gas turbine;combustor;1-D network;flow split;combustion

TK472；V231

A

1674-5590（2016）04-0053-06

2015-07-16；

2015-10-08

吳晶峰（1983—），男，江西鷹潭人，工程師，博士，研究方向為燃氣輪機壓氣機內部復雜流動，燃燒室數值模擬，民用航空發動機適航審定.