燃气轮机变负荷条件下的MILD燃烧性能研究

眭晓蔚，齐东东，杨 阳，王力军

(沈阳航空航天大学a.航空航天工程学部(院)；b.能源与环境学院,沈阳 110136)

温和与适度低氧稀释燃烧MILD(Moderate and Intense Low Oxygen Diffusion)，是指燃料在低氧氛围下反应的燃烧模式。据研究报道，MILD燃烧的热效率提高20%，NOx排放减少70%[1]。MILD燃烧又称为无焰燃烧/HiTAC,高温燃烧和无色燃烧。自20世纪90年代提出至今，MILD燃烧的燃料适用范围包括气体、液体、固体、合成燃料和混合燃料；MILD燃烧的助燃空气适用范围也从最初仅需要高温预热空气助燃拓展到现在的常温空气助燃；MILD燃烧的应用范围最初限于工业加热、化工冶金、热能动力、能源环境等工程领域；目前，各国正在积极研究探索将该技术应用于燃气轮机、航空航天等高科技领域，并取得了初期成果[2]，MILD燃烧被国际燃烧界誉为本世纪最有发展前途的燃烧技术之一。

在燃气轮机MILD燃烧室的应用基础研究方面，M.Costa等人[3]在特殊几何形状的常压MILD燃烧室试验台上，用高动量入射空气产生强回流卷混高温燃气形成MILD燃烧机制。在燃烧当量比为0.24～0.28、空气入射温度为425K等试验条件下，试验得到的平均燃烧效率98.5%、NOx低于10.6ppm(@15%O2)。J.Gutmark等人[4-5]先后在欧盟无焰燃烧室EU(European Flameless Combustor)和辛辛那提燃烧室UC(University of Cincinnati Flameless Combustor)试验研究了多种燃料和试验条件下的MILD燃烧模式，验证了将MILD燃烧技术应用于燃气轮机的可行性。德国航空航天中心[6]将FLOX@无焰燃烧喷嘴应用于高压无焰燃烧试验室，采用平面激光诱导荧光技术PLIF实测了天然气和氢气混合燃料预混合和扩散的无焰燃烧OH*火焰特性，NOx低于10ppm(@15%O2)。Jerry M.Seitzman等人[7]的SPRF燃烧室(Stagnation-Point Reverse-Flow Combustor)试验，采用PIV和OH PLIF试验测定了气-油雾颗粒两相流的流场和无焰燃烧的火焰特性，分析了空气对燃油颗粒和高温回流燃气间的隔离作用对无焰燃烧机制的作用，NOx超低排放为1 ppm。Y.Levy等人[8]在传统航空燃气轮机单管燃烧室的结构基础上，设想燃油壁面喷嘴的逆流式喷射燃烧方式，但尚无燃烧试验和数值计算的研究结果发表。Yufeng Cui等[9]对所建立的MILD燃烧室用PIV和PLIF进行了试验研究，采用加氢混合燃料的MILD燃烧能使CO和NOx排放均低于10 ppm(@15%O2)。

本文的新型MILD燃烧室以航空煤油为燃料，通过改变航空煤油燃烧的当量比，模拟分析起飞、爬升、巡航等3种工况下的MILD燃烧方式和燃烧特性。

1 MILD模型燃烧室与数学模型

1.1 燃烧室模型与网格

MILD模型燃烧室主体采用筒式结构，图1为模型燃烧室的1/12对称体和在头部燃油喷嘴位置的横断面网格剖分图。图1中带箭头实线表征了气体流动特征，头部入射空气按一定的空气流量分配分别进入机匣和火焰筒；机匣内的部分空气在头部被主流引射后进入火焰筒以节约空气总量，机匣其余空气经火焰筒尾部12个掺混孔调温调质。燃烧室内的流场结构分别为头部的引射掺混区、火焰筒内部回流区和尾部掺混区。燃烧室头部燃油腔内周向均匀布置12个雾化燃油直射喷嘴。火焰筒内径为100 mm，燃烧室长度为420 mm。采用结构与非结构网格划分，近壁采用加密网格，网格总数为857，855。

图1 MILD模型燃烧室及网格剖分图

1.2 数学模型

湍流燃烧反应流连续相基本控制方程组表达式见方程(1)。

(1)

Ri=-min(Reddy,RChem)

(2)

(3)

RChem=A[fuel]a[oxygen]bexp(-E/RT)

(4)

式中rfu为燃料燃烧的化学当量比，A、E和T分别为燃烧化学反应速率阿累尼乌斯公式中的指前因子、活化能和气体温度。NOx的生成浓度用热力NO模型和快速NO模型。辐射传热采用P1辐射模型，包括CO2和H2O等烟气的辐射特性计算。燃油雾滴离散相由颗粒随机离散运动模型计算。燃油雾滴的速度、质量和温度变化速率由拉格朗日方程同时求解。方程(1)中的源项Sp,φ由DPM模型计算。雾化颗粒尺寸服从Rosin-Rammler分布，其速度计算考虑了气相湍流脉动速度的影响。燃烧室内的各气体组分和燃油理化性能如密度、粘性、比热容等均采用温度的多项式函数。在燃烧室各壁面边界条件处理中，考虑到壁面和热流体间的热耦合作用，取热-流-固耦合边界条件。

1.3 计算条件

已发表的MILD燃烧实验和计算研究表明，燃料的循环率Kv对MILD燃烧机制有重要的影响[1]。只有当Kv值在大于一定范围时才能形成MILD燃烧机制。沿流动方向x的局部高温烟气循环率Kv(x)的表达式见公式(5)，Craya-Curtet受限射流卷吸半经验公式见公式(6)：

(5)

(6)

式中，Mrec为循环的高温烟气质量流量kg/s，Mair、Mfuel分别是空气和煤油的入口质量流量kg/s，Minjection为空气射流在燃烧室头部对机匣内空气的引射量kg/s。面积A(x)为回旋区的局部x与轴向垂直的局部断面积。ρrev和vrec分别为高温烟气回流区x处的局部密度(kg/m3)和速度(m/s)。假设燃烧室内压力为0.4 MPa，空气入口的喷射速度均为100 m/s，温度为800 K。燃油进口温度为300 K。计算工况和按公式(5)的Kv计算结果见表1。对于固、液、气3种燃料的预混和扩散燃烧等多种燃烧方式的试验和数值研究结果均表明，Kv在3～6范围内是实现MILD燃烧机制的重要条件[1]。表1中的计算结果表明，新型MILD燃烧室的Kv计算值在起飞、加油和巡航等3个工况下的高温烟气循环率均大于3.3。计算工况与相似条件下J.Gutmark等人的MILD燃烧室[5]的试验工况一致。Kv(x)的数值计算结果和按Craya-Curtet受限射流卷吸半经验公式(6)的计算结果和试验工况相符合。

表1 计算条件

2 计算结果与分析

2.1 当量比对MILD燃烧方式的影响

图2为在所选择的3种工况下，颗粒-气体的两相流行为以及由此而产生的MILD燃烧模式(用燃烧温度场表示)对比图。由图可见，当火焰筒内的高温烟气循环率Kv足够大时，回流区内3种当量比对应的燃油颗粒浓度都呈较大的空间弥散分布状态。较大油气当量比时，燃油雾化颗粒在回流区中的停留时间随着喷油量的增加而延长。可见，燃油颗粒穿透较强的回流区空间并呈弥散分布，是MILD燃烧模式的重要条件。而燃烧温度场计算结果呈现的燃烧火焰空间分布状态和小于50 ℃的局部温差表明了MILD燃烧方式，提高燃油当量比，火焰弥散空间相应增大。在MILD燃烧方式下，不同Φ有相同的空间燃烧特性。

图2 Φ对MILD燃烧模式的影响

2.2 MILD出口温度场品质与验证

燃气轮机燃烧室出口的温度场品质是燃烧性能的重要标志之一。温度场品质用出口温度分布系数OTDF(Outlet Temperature Distribution Factor)描述

(7)

图3 Φ对出口温度场品质的影响

2.3 NOx排放

图4为不同当量比时燃烧室的NOx排放与试验结果的对比。在3种当量比对应的工况下，MILD燃烧室的NOx(@15%O2)排放都很低，具有很低的NOx排放优良性能。这与其中2种工况的实测数据相符合。低NOx主要是因为MILD燃烧室的恰当停留时间、均匀的燃烧温度场以及回流区的低氧浓度。但当量比较大时燃料在回流区内的停留时间和燃烧温度场有所增大，所以同样的MILD燃烧模式，计算和实测的结果都表明NOx排放增加。

图4 Φ对NOx排放的影响

2.4 燃烧效率

燃烧效率η的表达式为：

(5)

燃烧效率表征燃烧过程对燃料的利用效率。从表2可以看到，当量比为0.496时，燃烧效率最低，可以解释为此时的燃料最多，有更多的燃料来不及在燃烧室内与有限的氧发生反应而被直接排出，3种工况MILD的燃烧效率都高于97%，与试验规律相符合[5]。

表2 燃烧效率η

3 结论

本文对MILD模型燃烧室在改变当量比Φ时的燃烧方式和燃烧特性进行了模拟研究，结论如下：(1) 当Kv大于0.33时，燃烧室内的高温烟气回流是产生MILD燃烧方式的重要前提。在所研究的Φ值范围内，燃油颗粒能够穿透回流区产生MILD燃烧模式。燃烧呈空间弥散燃烧特征，燃烧温度场均匀，局部温差很小;(2) 在MILD燃烧模式下，燃烧室燃烧温度场和出口温度品质良好。当量比对燃烧室燃烧场和出口温度场品质影响很小。燃烧室的NOx排放随着燃油当量比的提高而增加，增幅小于2ppm。当量比对MILD燃烧的低NOx排放特性影响不大,不同当量比时的MILD燃烧具有较高的燃烧效率;(3) MILD具有优良的燃烧性能,计算结果与相似条件下的试验相符合。

参考文献(References)：

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