低壓模化對燃氣輪機燃燒室工作特性影響的數值分析

何 念，陳明敏，高賢智，尹靜姝

（上海電氣燃氣輪機有限公司，上海200240）

低壓模化對燃氣輪機燃燒室工作特性影響的數值分析

何 念，陳明敏，高賢智，尹靜姝

（上海電氣燃氣輪機有限公司，上海200240）

為研究低壓模化對于燃氣輪機燃燒室工作特性的影響，采用A N SY S軟件的FLU EN T模塊，對燃燒室在低壓模化以及低壓1/3尺寸模化條件下的燃氣輪機燃燒室分別進行數值模擬研究，并與在全壓條件下的燃燒室計算結果進行對比分析。計算結果表明：在低壓模化條件下，燃燒室的流線形態與全壓下基本相同；由于壓力對于化學反應平衡的影響，在低壓條件下燃燒室的壁溫相比在全壓下的平均降低70～1 00 K，其出口溫度場指標比在全壓下的更好；由于受燃燒室入口空氣壓力的影響，在低壓條件下燃燒室的燃燒效率和流阻損失均比在全壓下的低；另外，由燃燒室壓力和尺寸的變化引起的燃燒室內溫度分布變化，造成N O源分布的不同及燃燒室內N O的生成速率發生巨大變化，導致燃燒室N O x的排放水平不同，并驗證了壓力指數。其計算結果可為燃氣輪機燃燒室的低壓和常壓模化試驗提供參考。

燃燒室；燃氣輪機；低壓模化；工作特性；數值模擬

0 引言

燃燒室的研究和工程設計至今仍以試驗方法為主，主要因為燃燒室及其工作過程非常復雜，所以在工程條件下的許多問題尚不能完全用數學分析的方法解決。燃燒室的試驗方法分為原型試驗法和物理模型試驗法。原型試驗法是在實際燃燒室（或燃燒器）上進行各參數的測量，即在實際燃燒室（或燃燒器）上進行全壓試驗；物理模型試驗法則采用原型尺寸的燃燒室（或燃燒器），但在簡化或縮小的工況參數下進行試驗（稱為低壓試驗），或者采用放大或縮小的燃燒室（或燃燒器）的模型（一般為縮小的模型）進行試驗測量（稱為尺寸模化試驗）[1]。

在實際的燃燒室設計和調試過程中，都期望在全壓（或全參數）條件下對燃燒室進行準確、可靠地調節。然而，一方面，現代燃氣輪機正在向高壓比、高初溫、大流量、大功率的方向發展；另一方面，燃氣輪機燃燒室在設計、研發過程中需要進行大量試驗和調試。因此，在全壓（或全參數）條件下對燃燒室進行設計和調試，雖然所得的結果可靠，但實際試驗有很大的局限性，如對試驗的氣源要求非常高、設備復雜、周期長、費用大等[1-3]。為此，研究人員一直在探索和研究燃燒室模擬試驗的方法。

燃燒室的模擬試驗方法多種多樣，其中最令人關注的是燃燒室在低壓條件下按照等容積流率的規律進行模擬試驗的方法[2]。中國的許多學者在燃氣輪機燃燒室模擬試驗的方法方面做了大量有益的探索。陳丹之[4-5]研究了燃燒室在低壓工況下的模化準則；焦樹建[2,6-7]在低壓條件下，按等容積流率的規律設計和調試了多種燃氣輪機燃燒室。但研究大多或者偏重于對低壓模擬試驗的模化準則進行理論探索，或者偏重于燃燒室低壓調試試驗的經驗總結。Yufeng Cui等[8]利用數值模擬的方法研究了壓力對某型燃用中熱值合成氣燃燒室燃燒性能的影響，但僅僅分析了燃燒室性能的1、2個方面，并且對于全壓/低壓試驗也很難形成有效的指導作用。

本文對燃燒室低壓模化以及低壓1/3尺寸模化條件下的燃氣輪機天然氣燃燒室進行數值模擬，并對比分析在全壓條件下燃燒室的工作特性，探索燃燒室低壓、常壓模化試驗的方法論，為燃燒室的低壓和常壓模化試驗提供參考。

1 數值模擬方法

1.1 幾何模型及網格

燃燒室計算幾何模型如圖1所示。該模型為分管式燃燒室、單個火焰筒。在火焰筒筒體上均布2排主燃孔、1排摻混孔以及7列冷卻孔，火焰筒頭部也均布2列冷卻孔。燃燒器采用擴散燃燒方式、旋流器為軸流式。

圖1 燃燒室計算幾何模型

計算過程的計算域選取在進入火焰筒各孔與旋流器直到燃燒室過渡段出口的燃燒室核心部分。空氣與燃料在這一區域發生復雜的湍流流動與燃燒，是燃燒室的最重要部分，也是數值模擬最關心的區域。此核心部分又可以劃分為3個區域：

（1）頭部及靠近火焰筒壁面的區域。擬采用精細的小尺寸非結構化網格可以完好再現該區域復雜的幾何結構；

（2）火焰筒中空氣與燃料發生燃燒的主要空間區域。擬采用結構化網格提升計算的速度與精度；

（3）靠近燃燒室出口的區域，即過渡段的區域。該區域對燃燒過程沒有太大影響，擬采用尺寸相對較大的非結構化網格節省計算成本。

將各區域網格畫好之后，通過網格拼接技術，就可得到整個計算域的網格，如圖2所示。

圖2 計算網格

1.2 數學模型

數值模擬計算采用ANSYS軟件的FLUENT模塊進行。在計算過程中的物理模型選擇如下。

（1）湍流模型。由于空氣旋流器會在燃燒室頭部形成一定的旋流強度，燃燒室腔體內的流動選用Realizable k-epsilon模型。輸運方程為

式中：Gk為由速度梯度引起的應力生成項；C1=max（0.43）；υ為運動黏度；C2=1.9；σk=1.0；σε=1.2。

（2）輻射模型。由于燃燒室內溫度較高，故應考慮燃燒室內部氣體與顆粒之間的輻射換熱，計算選擇P1輻射模型。

（3）燃燒模型。計算選擇Non-Premixed Combustion模型（PDF模型）。計算NOX排放時，考慮了熱力型和快速型NOX的生成機理，O和OH離子的濃度由部分平衡方法計算，NOX生成速率的時均值采用混合分數（mixture fraction）的概率密度函數（PDF）進行計算。輸運方程為

式中：f為隨機變量，可運用概率密度函數P（f）來描述其脈動性質；σf、Cg1和Cg2為一般常數，分別取0.85，2.86 和 2.0。

1.3 邊界條件

在全壓條件下燃燒室的進、出口條件見表1。

表1 在全壓條件下燃燒室進、出口邊界條件

為了保證流經燃燒室的雷諾數大于臨界雷諾數，在低壓模化條件和低壓1/3尺寸模化條件下的壓力選為152 kPa，其他參數均按照等速度準則確定，燃料量按等當量比確定。

計算采用的天然氣組分見表2。

表2 天然氣組分

2 計算結果對比分析

2.1 流場分布

在3種模擬條件下燃燒室的流線分布對比情況如圖3所示。從圖中可見，燃燒室的流線分布在3種模擬條件下總體上大致相同，并且在燃燒室頭部靠近軸線附近形成明顯的中心回流區；值得注意的是：在低壓模化條件下燃燒室中心回流區的尺寸比在全壓條件下明顯小一些；另外，在燃燒室頭部壁面附近也不可避免地產生了一些“渦”，這些“渦”并不會隨燃燒室工作壓力或尺寸的變化而消除，因此，其形成主要是由燃燒室頭部的特定結構造成的。

圖3 在3種模擬條件下的流場分布對比

2.2 溫度分布

在3種模擬條件下燃燒室出口截面的溫度分布對比情況如圖4所示。從圖中可見，在3種模擬條件下，高溫區基本位于出口截面的中心，并且在低壓模化條件下燃燒室出口截面中心的溫度比在全壓條件下的低。燃燒室出口溫度隨高度的變化如圖5所示。在燃燒室出口截面軸對稱線上等距離選取21個點，研究3種模擬條件下燃燒室出口溫度隨高度的變化情況。從圖中可見，燃燒室出口溫度沿高度的分布規律基本一致，但在相同位置處的溫度，在低壓模化條件下比在全壓條件下的略低，并且燃燒室尺寸的改變也對相同位置處的溫度略有影響。

圖4 在3種模擬條件下燃燒室出口溫度分布對比

圖5 燃燒室出口溫度沿高度的變化

在3種模擬條件下燃燒室出口溫度分布指標統計情況見表3。從圖中可見，在低壓模化條件下燃燒室出口燃氣平均溫度較在全壓條件下的低15～25 K，但前者的出口溫度分布系數比后者要好一些，焦樹建[2-6]通過大量的試驗調試數據也總結了類似的結論。在低壓模化條件下燃燒室出口燃氣平均溫度降低，主要是由壓力對化學反應平衡的影響造成的[8-9]，在高溫條件下燃燒室內存在很多裂解反應（見式（5）～（7）中的H2O和CO2的裂解反應），裂解反應導致反應產物的總摩爾數增加，然而壓力的降低總是使化學平衡向著摩爾數增加的方向進行，從而促進裂解反應的進行，由熱裂解造成的熱損失增多，相應的火焰溫度會更低。在3種模擬條件下燃燒室縱截面溫度分布對比如圖6所示。從圖中可見，由于在低壓模化條件下燃燒室內的火焰長度比在全壓條件下的短，故前者的出口溫度分布系數要好。

表3 3種模擬條件下燃燒室出口溫度分布指標

圖6 在3種模擬條件下燃燒室縱截面溫度分布對比

圖7 在3種模擬條件下燃燒室壁溫分布對比

在3種模擬條件下燃燒室壁溫分布對比情況如圖7所示。從圖中可見，在3種模擬條件下燃燒室的平均壁面溫度分別為894.74、917.51、985.87 K，在低壓模化條件下火焰筒壁溫比在全壓條件下的低70～100 K，也比在低壓1/3尺寸模化條件下的壁溫稍低。由式（5）～（7）可知，當燃燒室工作壓力降低時，燃燒產物中的H2O和CO2等3原子、多原子分子含量減少，O2和H2等對稱結構的雙原子分子含量增加，而在常見溫度范圍內，雙原子分子沒有發射和吸收輻射的能力，而一氧化碳、水蒸氣、二氧化硫、甲烷和一氧化碳等3原子、多原子以及結構不對稱的雙原子氣體卻具有相當大的輻射能力[8]，因此，在低壓模化條件下，燃燒室內的輻射換熱會明顯減弱。焦樹建[2,6]通過大量試驗也總結了“常壓試驗燃燒室火焰筒壁面的溫度一般要比真實參數試驗時低100～200℃”的規律。

2.3 燃燒效率

對燃燒室運用熱焓法計算其燃燒效率（計算結果見表 4）

式中：ma為燃燒室進口空氣質量流量，kg/s；mf為燃料質量流量，kg/s；Hτ4為燃燒室出口燃氣滯止熱焓，kJ/kg；Hτ3為燃燒室進口燃氣滯止熱焓，kJ/kg；Hτf為燃料進口熱焓，kJ/kg；Hτ3為燃料進口熱焓，kJ/kg；Hu為燃料低位發熱量，kJ/kg。

表4 在3種模擬條件下燃燒室的燃燒效率

從表中可見，在低壓模化條件下燃燒室的燃燒效率比在全壓條件下的低2%左右。在入口空氣溫度不變的條件下，隨著入口空氣壓力的升高，燃燒室燃燒效率會逐漸提高。焦樹建[2,6]通過大量試驗也總結了“在低壓模擬試驗時，燃燒效率約比原設計參數條件下的低0.5%～2%”的結論。

2.4 總壓損失

在燃燒室工作時，由于存在摩擦阻力、混合阻力和加熱阻力等，出口總壓必然低于進口總壓。燃燒室總壓損失為

式中：pt3為燃燒室進口總壓，Pa；pt4為燃燒室出口總壓，Pa。

燃燒室總壓損失的計算結果見表5。

表5 3種模擬條件下燃燒室的總壓損失

在低壓模擬條件下燃燒室的總壓損失比在全壓條件下的小，而縮小燃燒室的尺寸對燃燒室總壓損失的影響并不大。實際上，在低壓模化條件下的燃燒室進口溫度、出口溫度、流動速度與在全壓條件下的幾乎相等，因此，燃燒室的加熱損失相差不大，這種變化主要由于燃燒室工作壓力的變化而影響燃燒室內部的流動損失，從而影響燃燒室總壓損失。

2.5 NOX排放

在3種模擬條件下NOX排放對比情況如圖8所示。從圖中可見，在3種模擬條件下NOX排放差異明顯。根據國家標準《火電廠大氣污染物排放標準》[10]和行業標準《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》[11]中方法，對數值模擬計算結果進行折算（折算方法見式（10）），結果見表 6。

式中：Em為折算的NO排放濃度；Er為實測的NO排放濃度；Cr為實測的煙氣含氧量，%；Cm為折算的煙氣含氧量，按15%計算。

圖8 在3種模擬條件下NOX排放對比

表6 在3種模擬條件下NO排放對比數據

從表中可見，壓力的變化對燃燒室的NO排放產生了顯著影響，由于壓力的變化引起燃燒室內的溫度分布變化，進而導致燃燒室內快速型NO源分布的差別以及燃燒室內NO的生成速率發生巨大變化。此外，在低壓模化條件下，燃燒室尺寸的減小引起了高溫區范圍的減小，從而引起NO排放的降低。

由于低壓模化條件是通過相似原理確定的，空氣/燃料流速、空氣溫度均與全壓條件下保持一致，所以只有壓力的影響需要考慮。為了進一步評估在低壓模化條件和全壓條件下NOX排放計算結果的差異，引入“壓力指數”的概念，通常，壓力對于NOX排放的影響可以表達為[12]

式中：下標1為全壓條件；下標0為低壓條件；上標n為壓力指數。

計算得到n=0.5476。壓力指數實際指導意義在于，通過測得在低壓模化條件下的NOX排放值后，就可通過壓力指數求得在全壓條件下的NOX排放值。文獻[13]中使用類似的帶軸向旋流器的擴散燃燒器對壓力指數進行了試驗研究，測得在相同當量比條件下壓力指數n≈0.55，表明上述壓力指數的計算具有一定的參考性。

3 結論

在低壓模化以及低壓1/3尺寸模化條件下對燃氣輪機天然氣燃燒室分別進行了數值模擬計算，并與在全壓條件下的燃燒室進行對比分析，獲得了在模化條件下燃燒室流場分布、溫度分布、燃燒效率、總壓損失、NOX排放等變化規律，主要結論如下：

（1）獲得了燃燒室在低壓模化條件下的流場分布，其對于燃燒室在實際工作條件下的流場結構具有一定的預測作用；

（2）獲得了燃燒室在低壓模化條件下火焰筒壁溫、燃燒室出口溫度等的分布情況，其較燃燒室的實際工作情況存在一定差異；

（3）由于壓力的變化對于燃燒過程的影響，在低壓模化條件下燃燒室的燃燒效率、總壓損失均比實際工作時低；

（4）初步獲得了該燃燒室的“壓力指數”，從而可以定性考察由于壓力的變化引起燃燒室內的溫度分布的變化，進而造成NO排放差異；

（5）由于在低壓條件下尺寸的模化可能進一步引起問題復雜化，如縮尺寸引起的燃燒室溫度分布、高溫區分布的變化，建議在低壓試驗或常壓試驗過程中不優先考慮采用縮尺寸或尺寸模化的方法。

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Numerical Analysis on Influence of Low Pressure Modeling on Operation Characteristics of Gas Turbine
Combustor

HE Nian,CHEN M ing-min,GAO Xian-zhi,YIN Jing-shu
（Shanghai Electric Gas Turbine Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China）

In order to study the influence of low pressure modeling on operation characteristics of gas turbine combustor,the full-size gas turbine combustor and its 1/3 size model combustor at low pressure condition were simulated by using FLUENT model of ANSYS software,and the calculation results were compared with full-size combustor in full pressure condition.The simulation results show that in low pressure condition,stream line distribution in the combustor are substantially the same as that in full pressure condition.Due to affect of on the pressure chemical reaction equilibrium,the liner wall temperature in low pressure condition is averagely 70 K to100 K lower than that in full pressure condition,and the outlet temperature pattern factor in low pressure conditions is better.Because of the impact of inlet pressure,combustion efficiency and total pressure loss in low pressure condition are lower than in full pressure condition.In addition,because of the temperature distribution change in the combustor caused by the change of combustor pressure and size,the distribution of NO sources and the growth rate of NO change a lot,so NOx emissions in three different conditions are much different.Furthermore,the pressure impact index is verified.The results can provide references for gas turbine combustor low-pressure and atmospheric pressure test.

combustor;gas turbine;low pressure modeling;operation characteristics;numerical simulation

V 231.2

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.003

2016-09-16

何念（1986），男，碩士，工程師，主要從事燃氣輪機燃燒設計工作；E-mail:henian@shanghai-electric.com。

何念，陳明敏，高賢智，等.低壓模化對燃燒室工作特性影響的數值分析[J].航空發動機，2017，43（2）：10-16.HE Nian，CHEN Mingmin，GAO Xianzhi，etal.Numericalanalysison influence oflowpressure modelinginfluence on operation characteristicsofgasturbine combustor[J].Aeroengine，2017，43（2）：10-16

(編輯：張寶玲)