某燃氣輪機燃燒室燃料噴嘴流量特性研究

楊安建田曉晶鳳云仙馮珍珍

（1.長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽， 618000；2.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

某重型燃氣輪機是公司重點推進的科研項目，對公司開拓市場與提升行業地位均具有不可估量的作用。燃燒室是燃氣輪機的三大核心部件之一，高溫、高壓、高燃燒熱強度的工作環境對于燃燒室設計、加工及后期維護提出了更加嚴格的要求[1]。其設計技術與試驗技術是燃氣輪機研發必須掌握的核心技術。

燃料噴嘴是燃燒室的關鍵結構，對于氣體燃料，燃料直接經過噴嘴進入燃燒室與高壓空氣混合后燃燒，液體燃料則需在霧化后再參與燃燒。Lieuwe和Vigor Yang[1]等研究了燃氣輪機燃燒室壓力脈動的產生原因，燃料分布質量（均勻性）是影響火焰燃燒穩定性的關鍵因素之一。不穩定的燃燒會激發壓力振蕩，低頻的壓力振蕩可能會促發熄火，高頻的壓力振蕩更容易對燃機的高溫部件造成破壞[2]。

文中所論述的燃燒室噴嘴主要通過噴孔將燃料噴入燃燒室，不同的噴孔方案對燃燒性能主要有以下影響：（1）燃料噴孔位置影響燃料與空氣的混合均勻度；（2）燃料噴孔之間的流量不均勻會導致燃料的局部壓力脈動和局部燃空比偏大或偏小；（3）在保證相同質量流量情況下，噴孔大小決定了燃料入射深度，間接影響燃料與空氣的混合，也影響上游供氣壓力。

1 噴嘴結構

文中所論述的燃燒室采用世界先進燃燒室的通用的DLN設計方法，以保證較低的污染物排放水平。空氣通過兩級徑向旋流器形成穩定的回流區，兩路主燃料通過燃料噴管進入上下級旋流器流道，并與空氣在旋流器通道內進行預混，在下游形成兩股反向旋轉的燃料與空氣的混合氣體，在回流區周圍被主燃區的高溫燃氣點燃后參與燃燒，利用漩渦流動所形成的回流區是最有效的[3]；值班燃料則通過噴嘴上的燃料噴孔直接進入火焰筒，在高能點火栓作用下完成點火，形成穩定的擴散火焰，由于擴散火焰較預混火焰具有更加穩定的特性，所以在燃燒室運行過程中可以起到穩定火焰的作用。

兩路主燃料與值班燃料分別連接不同的燃料腔室，燃料腔室將來自燃料管道的天然氣進行穩壓后通過噴孔噴入火焰筒。相比于值班燃料腔室，主燃料腔室中附帶管徑較小的燃料噴管，將燃料平均供給旋流器的8個氣流通道。三路燃料在進入火焰筒之前是相互獨立的，燃料通流圖如圖1所示，所以各路燃料入射質量對于流動和燃燒的影響可獨立分析。

圖1 燃料通流圖

2 模型建立與邊界設定

2.1 計算模型

根據噴嘴實際尺寸進行模型創建，鑒于本文的論述重點為燃料噴孔處的質量流量特性，而各路噴孔之間存在較大的物理距離，故各路燃料進行獨立建模分析；值班燃料通過噴孔直接進入火焰筒進行擴散燃燒，燃料噴孔處的質量流量對于穩定燃燒的影響很小，故本次不進行對比討論。

分別對兩路主燃料進行建模分析，其中模型1包括燃料管道A、燃料腔室A、燃料噴管和噴孔；模型2包括燃料管道B、燃料腔室B、燃料噴管和噴孔。利用數值分析軟件對模型進行網格劃分，并對小尺寸的噴孔進行細化處理。主A模型及網格如圖2所示，主B模型及網格如圖3所示。

圖2 主A模型及風格

圖3 主B模型與網格

2.2 邊界設定

為獲得主A燃料從低流量到滿負荷時噴孔處的質量流量特性，初步選取滿負荷工況A2和低流量工況A1進行數值模擬分析。計算域介質CH4 Ideal Gas。進氣管道為模型唯一進口，80個噴口為模型出口。模型1數值分析計算邊界條件見表1。

表1 模型1數值分析邊界設定

為獲得主B燃料從低流量到滿負荷時噴孔處的質量流量特性，初步選取滿負荷工況B1和低流量工況B2進行數值模擬分析。計算域介質CH4 Ideal Gas。進氣管道為模型唯一進口，80個噴口為模型出口。模型2數值分析計算邊界見表2。

表2 模型2數值分析邊界設定

3 流量特性分析

鑒于試驗分析模型中有16根圓周布置的流量噴管，以及噴管上有多達80個質量流量噴孔出口，為準確表述，對模型中的噴管和噴孔進行編號：從進氣側看，噴管從進氣管道開始，順時針編號1～16；噴孔根據到腔室距離，從近到遠編號1～5。

3.1 噴管流量特性分析

單根噴管上布置有5個燃料噴孔，單根噴管的質量流量為其噴孔質量流量之和，同時也是單個旋流器通道中的燃料流量。分別選取主A/主B的噴管為分析對象，計算單個噴管的質量流量，圖4展示的是主A噴管和主B噴管之間的均值偏差；表3給出了主A和主B噴管在不同工況下的均值最大偏差和差值最大偏差。

圖4 流量分布

表3 噴管流量偏差

分析圖4中噴管流量分布可知，在A1和A2兩種工況下，主A噴管的流量分布基本一致，趨勢相同；主B噴管流量分布也可得到同樣的結果。不同之處在于燃料管道兩側的噴管流量具有較大差異，主A的燃料進氣管道接近1號噴管和16號噴管中間位置，燃料從主A進氣管道進來后先撞擊環腔底部，然后向兩側流動，所以主A整體均勻性較好；主B燃料進氣管道正對其1號噴管，部分燃料從主B進氣管道進來后直接進入1號噴管，導致1號噴管流量偏大，而與1號噴管靠近的16號噴管流量偏低的原因是：未進入1號噴管的主流燃料在進入環腔后直接撞擊壁面，在16號噴管的進口處形成高流速區，靜壓偏低的情況下進入1號噴管的流量就偏小。

通過比較噴量流量偏差，可以發現無論是主A燃料還是主B燃料，流量差值最大偏差率在2%左右，遠小于3%；均值偏差率遠小于2%。偏差值大小與分布受工況變化的影響可以忽略不計。從而可以反映燃料腔室內的流場分布較為均勻和穩定，而燃料管道位置的影響并未成為噴管流量偏差的決定性因素，其影響主要體現在對局部噴管的流量偏差的影響。

3.2 噴孔流量特性分析

對于單根噴管，由于噴管下游端部堵頭的作用，在噴管下游形成回流堵塞區，速度快速降低并導致靜壓快速升高，從而影響噴孔的質量流量。對各工況同軸向位置噴孔質量流量進行均值處理，所得結果如圖5所示。

圖5 噴孔位置對于質量流量的影響

由圖5可知，受噴管下游滯止區影響，噴孔質量流量沿軸向位置遞增，即越接近下游，噴孔噴入的燃料量越多，但增加幅度有限，各工況下5號位置相對1號的流量增幅均小于3%。

單根噴管在旋流器通道部分布置有5個燃料噴孔，相同序號的噴孔在同一個軸向位置。燃料通過噴孔進入旋流器流道與空氣進行混合，燃料經噴孔入射的軸向均勻性對燃料混合有重要影響。分別選選取主A/主B燃料噴孔為分析對象，分析相同軸向位置噴孔之間的流量均勻性，結果見表4。

表4 同軸向位置噴孔流量偏差%

通過表4中同軸向位置的噴孔流量偏差值可知，所有噴孔的流量偏差均小于2.5%。在不同工況下，噴孔流量偏差與噴孔的軸向位置未發現有特殊關系；與所選負荷的大小也未發現有直接關系。

4 結論

本文通過數值模擬方法對燃燒室主燃料腔室及其噴管進行計算，利用統計分析方法對通過噴管和噴孔的燃料質量流量進行分析，可得到以下結論：

（1）主A/主B燃料噴管的質量流量不均勻度均＜3%，同軸向位置的噴孔流量不均勻度＜2.5%，該燃料噴管結構可提供滿足結構需求的燃料分布。

（2）噴孔流量受噴管下游端部回流區影響，噴孔的質量流量沿軸向遞增，增幅均小于3%。

（3）燃料進口與燃料噴管的相對位置對流量分配影響較大，后續可優化燃料進口位置以進一步優化燃料分布質量。