燃气轮机旋流燃烧室冷态流场数值模拟研究

张志伟 王高升

摘要：燃气轮机技术是当前能源动力系统中的先进核心技术，以燃气轮机为核心的动力系统是电力系统研发和应用的热点和重点。对燃气轮机燃烧室的设计和性能评估也是燃气轮机技术中的重要研究方向。本文分析了一种以空气分级燃烧方式的对旋流燃烧室，通过CFD软件对其燃烧过程冷态流场进行数值模拟分析，結果表明：在燃烧室火焰筒前端，掺冷空气的注入产生了一个强的中心回流区和一个角回流区，这个回流区能够有效地使空气和燃料进一步混合，提高了燃烧效率。

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.

关键词：燃气轮机;燃烧室;冷态流场;数值模拟

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

中图分类号：TK471                                       文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）23-0191-03

0  引言

自工业化革命以来，能源和环境问题成为了全球性的重大问题之一，是制约社会可持续发展的关键性因素。使用清洁能源，有利于改进城市的能源结构，优化能源产业，减少各种环境污染物的排放，能够促进我国以火力发电为主的能源系统向更加环保的能源系统模式进行跨越式发展。[1]

自从19世纪第一台燃气轮机问世以来，燃气轮机技术就得到世界各国的高度重视。欧美一些国家先后制定了一系列计划来加大对燃气轮机技术的研究，大力发展燃气轮机技术。[2]以燃气轮机技术为基础的小型发电系统具有低污染、效率高等特点，配合我国高速发展的天然气产业，可以作为分布式电源和小型冷热电联供系统，应用于局部区域、边远地区以及重要基础设施中，具有很大潜力。因此，很有必要对燃气轮机燃烧室技术进行研究。[3]

1  燃气轮机燃烧室的结构设计

燃气轮机的工作原理是通过燃烧工质使流体连续流动做功，将热能转换为机械能。燃气轮机通常由三部分组成，即：压气机、燃烧室、燃气透平涡轮。燃气轮机中最重要的部件就是燃烧室，因为主要的复杂的反应场所都在燃烧室。燃烧室技术的高低是衡量燃气轮机水平的一项重要的指标。[4]

目前国际上大部分燃气轮机燃烧室均采用回流环形结构，仅有少部分选择罐形结构。当燃气轮机正常工作时，经离心压气机压缩后的气流首先被送入环形回热器，预热后，从燃烧室壁面的进气孔和气膜冷却孔进入燃烧室内，此时，进入的气流会与喷入的燃料相混合，然后燃烧转化为高温燃气，再经180°弯管后流经透平，由于燃烧后的高温气体会膨胀，从而推动透平及压气机做功产生动能。同时，当透平排出的高温燃气流经回热器时，热量又将传递给由离心压气机送来的气流，或用于加热其它介质。

在燃气轮机中采用回流环形燃烧室，有利于燃气轮机与与离心压气机更好地匹配，使压气机、涡轮与电机能够更紧凑地布置，有效利用空间，减轻重量并缩短轴系长度，从而最大限度的减少整机的重量和体积。此外，由于这种设计会使燃气在燃烧室内停留的时间更长，有利于提高燃烧效率;又由于气流存在大角度折转，一方面可以改善燃烧室出口的温度分布，另一方面也大大削弱了燃烧室进口温度畸变对出口温度分布的影响。

本文所采用的燃气轮机回流燃烧室结构如图1所示。

燃烧室的结构如图1所示。它主要包括径向旋流器2个、轴向旋流器1个以及火焰筒1个，火焰筒直径为130mm。气流入口以流体旋流的形式进入燃烧室。火焰筒后部开有两排均布交错排列的掺冷空气掺混射流孔，每排均布置16只射流孔，孔径为9 mm。旋流器1和旋流器2均具有径向速度分量和切向速度分量，而旋流器3具有轴向速度分量和切向速度分量。旋流器1由24个截面为9.5mm×9mm、倾斜角为18°（右倾）的方形通道组成，属于为固定塞块式旋流器。旋流器2拥有24只孔径为？准4.5、倾斜角40°（左倾）的气孔;旋流器3拥有16只孔径为？准4，倾斜角48°（左倾）的气孔，它们都属于倾斜式柱塞孔。[5]

2  数值模拟研究燃烧方法

近年来，通过计算机并基于计算流体力学、计算传热学和计算燃烧学的原理来求解燃烧室内部流动的数值模拟方法逐渐形成。[6]目前最常用的燃烧室设计过程是以计算机作为工具，利用数值方法求解控制燃烧现象的非线性偏微分方程组，对燃烧室中流动、传热以及燃烧过程进行模拟，根据数值计算的结果获得燃烧室内部流动特性，以此来预估燃烧室的性能，进一步指导燃烧室的优化。该过程可以用数值模拟的结果来取代未定型燃烧室的中间实验，从而减少费用、缩短研发周期，对促进燃气轮机燃烧室技术的发展具有重要的意义。[7]

随着计算机科学的发展，燃烧室的设计从以前主要依靠经验及大量实验，发展到现在可以通过数值模拟对燃烧室的设计进行指导。[8]现在，通过计算机软件建立仿真模型、进行模拟计算、数值分析等方法已可以实现对燃烧室中的温度场、热流场、燃烧场的进行仿真模拟运算，还能对燃烧时的污染物排放进行预估，并预报现场分布，从而提供有效的最优化方法，指导放大设计。在燃烧室设计和研究中，首要步骤就是进行数值模拟，这已成为燃烧室设计研究人员的必备技术和方法。[9]

而在数值模拟的软件方面，随着算法和物理化学模型的发展，各种数值模拟软件，如Fluent、CFX、star-CD和CFDRC等软件，经过几十年来的发展和完善，都能对燃烧室中气动热力过程进行较好的数值模拟。其中，目前在燃烧室燃烧过程的数值模拟中应用最广泛的当属Fluent软件，本文采用Fluent软件进行模拟分析。

3  旋流燃烧室的燃烧场冷态三维模拟

3.1 计算区域和网格的划分

由于旋流燃烧室已简化为轴对称结构，因而计算区域取整个燃烧室模型纵向截面的一半。计算区域入口从各个旋流器的出口算起。网格划分采用分块网格，各个旋流器出口至燃烧室筒体段为非结构化网格，燃烧室筒体段为结构化网格。计算网格划分见图2。

3.2 冷态流场的三维数值模拟结果

边界条件及收敛条件如下：

①进口处速度、燃料及空气的质量分数按均匀分布给定。热态数值计算时，各进口温度均为600K。②出口处各变量轴向梯度为0，同时满足流量守恒以及化学组分守恒。③壁面处不存在速度滑移，此外，其它变量法向梯度为0。

根据前面所述的数学模型和给定的边界条件，利用CFD计算软件对燃气轮机旋流燃烧室内冷态流场进行了数值模拟和计算。其中，进入燃烧室的空气总流量为0.421m3/s，其中流入掺冷孔的空气流量为0.177m3/s。燃烧室出口的平均流速Uref=31.73m/s。

当掺冷空气径向射入残冷孔时，图3所示为β=0°和β=11.25°处轴向截面上的轴向速度分布，其中β=0°为穿过第一排掺冷射流孔中心轴线燃烧室轴向截面，β=11.25°为穿过第二排掺冷射流孔中心轴线燃烧室轴向截面。从图3中可看出，β=0°和β=11.25°处轴向截面上的轴向速度分布基本相同，而两排掺冷孔附近区域的轴向速度分布则具有较大差别。在燃烧室的火焰筒的前端部分，有一个较强的中心回流区和角回流区。在燃烧室头部中心还有一数值较大的负轴向速度区域。图3（a）、图3（b）也清楚地表明了掺冷空气射流对轴向速度的影响。由于掺冷空气径向射流的影响，使两排射流孔掺冷空气流入区域气流的轴向速度较小。

从图4中可看出，掺冷空气射入的入口区域，气流轴向速度较低;而在同排两个射流孔之间区域轴向速度较大。图4（a）说明在第一排射流孔的截面上，其中心区域沿着向速度分布较均匀，在中心位置的速率较低。图4（b）与图4（a）的分布显然不同。在z=0.284 m处横截面上，围绕射流孔的中心对称轴有一圆环形的速度较高的区域。其形成的原因是：对比图3（a）来看，当第一排射流孔注入掺冷空气时，使该区域的速度增加了，同时也将气流带向中心，于是使图4（a）中心区域的轴向速度比图4（b）中相同区域中所示意的大。

图5所示为β=0°和β=11.25°处燃烧室轴向截面上的环向速度分布。从图5中可看出，除两排掺冷空气射流区域附近，β=0°和β=11.25°处截面上的环向速度分布基本相同。在燃烧室头部，对称分布着两个较高环向速度的区域。掺冷空气射流所在截面部分区域，存在着较低的环向速度，且掺冷孔射流空气对局部环向速度影响较大。

4  结论

本文利用CFD計算软件对燃气轮机旋流燃烧室内冷态三维流场进行了数值模拟，结果表明：在燃烧室火焰筒前端，掺冷空气的注入产生了一个强的中心回流区和一个角回流区。掺冷孔空气射流前，燃烧室内环向速度沿流动方向逐渐衰减，轴向速度峰值向壁面移动，数值减小，环向速度衰减较快;在掺冷孔附近，环向速度局部产生逆流，有助于气流的混合。这个回流区能够有效地使空气和燃料进一步混合，提高了燃烧效率。

参考文献：

[1]张文普，丰镇平，燃汽轮机技术的发展与应用[J].燃气轮机技术，2002，15（3）：17-25.

[2]Staffan Haugwitz. Modelling of Microturbine Systems， Lund Institute of Technology[J]. Master Thesis， May 2002.

[3]赵士杭，新概念的微型燃气轮机的发展[J].燃气轮机技术，2001，14（2）：8-13.

[4]朱凡书，将文静.小型燃汽轮机的发展前景[J].上海燃气轮机，2000（04）：51-56.

[5]普勇，张健，周力行.旋流燃烧室内湍流燃烧的PDA实验研究[J].工程热物理学报，2002，23（3）：394-396.

[6]张会强，陈兴隆，周力行，等.湍流燃烧数值模拟研究的综述[J].力学进展，1999，29（4）：567-575.

[7]杨晓东，马晖扬.变密度强旋流喷射湍流的数值计算[J].中国工程热物理学会学术会议论文集，气动热力学，编号：032055， 2003.

[8]张文普，丰镇平.燃气轮机环形燃烧室内燃烧流动的数值模拟[J].动力工程，2004，24（1）：37-40.

[9]范洁川，等编著.近代流动显示技术[M].北京国防工业出版社，2002.