预混段出口角度对旋流预混燃烧特性影响

付忠广，宋家胜



预混段出口角度对旋流预混燃烧特性影响

付忠广，宋家胜

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京 102206）

采用数值模拟研究了预混段出口角度对某燃气轮机燃烧室旋流预混燃烧特性的影响，分析了不同预混段出口角度下燃烧室内的流场、温度场、CH4分布及NOx生成特性。结果表明：随着预混段出口角度的增大，轴向速度减小，回流速度下降，预混段出口处回流区变宽，总回流区面积减小，角回流区逐渐消失，回流强度减弱；CH4逐渐向角回流区扩散，火焰长度有所延长，高温区范围扩大，出口处NOx摩尔分数逐渐升高，而CO摩尔分数变化则相反；在进口参数相同的情况下，最为合理的预混段出口角度为12°。

燃气轮机；燃烧室；旋流预混燃烧；预混段出口角度；回流区；NOx排放

随着天然气资源的开发利用和液化天然气资源的不断引进，燃气-蒸汽联合循环技术在我国蓬勃发展[1]。由于该技术具有能量利用率高，污染物排放少，调峰性能好等优点，逐渐得到广泛关注[2-3]。

在燃气-蒸汽联合循环电站中，实现热量与功量转换的核心部件是燃气轮机[4]。衡量燃气轮机燃烧室的指标有污染物排放水平、燃烧效率以及火焰筒壁面温度水平和梯度等[5]。当前主流燃烧室按预混方式组织燃烧以降低燃烧温度，减少污染物排放[6]。

燃烧室结构对其内部流场、温度场以及污染物排放水平影响显著，合理布置燃烧室结构对提升燃气轮机整体性能有重要意义。田晓晶等[7]运用数值模拟研究了预混段结构对氢燃料旋流预混燃烧诱导涡破碎回火的影响，发现回火极限与预混段长度、预混段水力直径之间存在函数关系，由于增大上述结构参数会延长混合物在预混段的停留时间，从而相对更容易发生回火，因而在保证合适的预混程度和压力损失的情况下，缩短预混段长度以及减小预混段水力直径可以减少回火的发生次数。黄行良等[8]数值研究了预混段结构对燃烧及污染物排放的影响，发现提高旋流器的旋流强度可以强化湍流扰动，缩小燃料喷孔孔径可以提高射流动量，上述措施均可改善预混均匀性和降低燃烧室峰值温度，从而降低NO排放水平。邵卫卫等[9]通过建立化学反应网格模型研究了预混不均匀度与NO排放摩尔分数的关系，发现当预混不均匀度大于5%，绝热燃烧温度高于1 800 K时，NO排放摩尔分数随着预混不均匀度的增大急剧升高；同时还对预混燃烧器典型结构进行了不同当量比下的实验研究，结果表明燃料空气掺混愈均匀，OH、OH*分布也愈均匀，火焰脉动也越小。综上所述，针对燃烧室预混段结构的研究主要集中在预混段长度及喷射孔，而对预混段出口角度相关研究（图1）涉及较少。

本文拟对某燃气轮机燃烧室不同预混段出口角度下的旋流预混燃烧特性进行数值模拟，分析燃烧室内的流场、温度场、CH4分布及NO的生成特性，为燃烧室预混段设计提供参考。

1 研究对象

本文研究的燃烧室物理模型根据文献[10]简化得到，模型燃烧室的结构尺寸如图2所示。采用径向旋流器，燃烧室长275 mm，直径165 mm；预混段长46 mm，直径86 mm；排气段长188 mm，出口直径为50 mm。燃烧室采用双层外壳，其间为压气机中间某级引入的冷却空气，在燃烧室工作时冷却其壁面，使壁面温度维持在允许范围内[11]。燃料和预热空气经过径向旋流器后，以一定的旋流角度进入燃烧室预混段，在燃烧主体区域剧烈燃烧，随后高温高压燃烧产物经过燃烧室尾部排出，推动透平做功。

2 数学模型及计算方法

2.1 网格划分

采用Fluent的前处理软件Gambit进行建模以及网格划分。良好的网格质量将提高计算效率，模拟结果也更精确、合理[12]。由于模型燃烧室包含径向旋流器及燃烧室主体部分，将模型燃烧室进行分块划分网格。为了有效捕捉燃烧室头部复杂的流场特性，对其网格进行加密。燃烧室尾部流场参数变化小，限于实际条件，同时为了节省计算资源，该处网格划分略疏。模型燃烧室采用六面体结构化网格，最终确定网格数约为100万。图3为模型燃烧室及径向旋流器网格划分示意。

2.2 边界条件

燃烧室入口设置为质量入口边界，出口为压力出口边界。由于燃烧过程中存在不可避免的摩擦、掺混等不可逆流动产生的损失[13]，燃烧室压损率取值1%。模拟过程中，保持燃烧室进气温度680 K、进口压力0.3 MPa等进气参数不变。为了研究预混段出口角度对燃烧室燃烧特性的影响，分别建立预混段出口角度为0°、12°及18°的3种燃烧室模型，对应工况1、工况2、工况3 3种模拟计算工况。其中，工况1为基准工况，对比分析实验值与计算值。3种工况下，参数设置为当量比0.602，甲烷质量流量6.2 g/s。

2.3 数学模型

采用雷诺时均求解平均流场及平均作用力，选择Realizable模型求解湍流流动[14]。燃烧过程中存在辐射的影响，选用P-1辐射模型。燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型。

甲烷燃烧过程复杂，包含众多的中间产物及基元反应[15]。限于实际条件，采用简化的甲烷-空气两步化学反应机理[16]，反应方程式如下：

CH4+1.5O2=CO+2H2O (1)

CO+0.5O2=CO2(2)

上述两步反应的反应速率表达式分别如下：

式中，为化学反应速率，为指前因子，为温度指数，为活化能，为摩尔浓度，为反应指数，为气体常数，为温度。

3 结果与分析

3.1 模型验证

根据建立的燃烧室模型，设置与文献[10]实验参数相同的基准工况进行验证，以确保模型有效以及模拟结果可靠。图4为距预混段出口25 mm处轴向速度实验值与计算值对比。

由图4可以看出：气体的轴向速度沿径向分布呈“M”型；中轴线附近轴向速度为负值，存在回流区，实验测得回流区宽约46 mm，而模拟结果约为48 mm；中轴线与壁面的中间位置为主流区，大部分气体由此区域通过燃烧室，轴向速度较大，实验测得轴向速度峰值约为40 m/s，出现在距中轴线约40 mm位置，而模拟结果约为43 m/s，位于距中轴线约41 mm处；对比计算值与实验值的回流区、主流区的分布及相应位置，两者吻合较好。

图5为距预混段出口25 mm处温度的计算值与实验值对比。由图5可知：中轴线附近温度较高，温度峰值约为1 750 K；高温区范围最大延伸到距中轴线25 mm的径向位置处，分布范围与图4中内回流区宽度一致。进一步分析图5可以发现，实验值与模拟值对应的高温、低温及其相应位置都处于允许误差范围内，证明了燃烧室模型有效，模拟结果可靠，可以进行下一步的研究。

3.2 预混段出口角度对轴向速度分布的影响

图6为纵截面不同工况下轴向速度分布云图。从图6可以看出：随着预混段出口角度的增大，回流速度逐渐减小，预混段出口处中心回流区变宽；回流区最大宽度位置逐渐向上游移动；预混段出口角度增大时，其横截面积也扩大，而进口气体参数保持不变，因而轴向速度降低；同时，增大预混段出口角度使气体径向速度分量增加，轴向速度分量进一步减小；对比3种工况下轴向速度分布云图，角回流区的面积也逐渐减小，回流强度减弱。

为了使不同预混段出口角度下模拟结果对比更加明显，选取工况1和工况3定量分析流场中轴向速度分布情况，对距燃烧室入口轴向距离为0、40、80、120 mm 4个典型位置进行分析。

图7为不同轴向位置处轴向速度的径向分布。从图7可以看出：在预混段出口处，工况1中轴向速度峰值高于工况3，且位置相对集中；在轴向位置40 mm处，轴向速度分布呈“M”型。分析认为，甲烷空气混合物从预混段运动到燃烧室内部，横截面突扩，混合物沿径向扩张，使得中心轴线附近压强较低，产生抽吸作用，从而形成中心回流区。由于回流区速度与主流速度方向相反，中心轴线附近轴向速度的径向分布为负值。气体沿径向延伸，依次出现主流运动区域及角回流区，使得该处轴向速度的径向分布呈“M”型。回流的高温燃烧产物不断引燃进入燃烧室内部的甲烷空气混合物，使得燃烧稳定进行；同时也延长了其在燃烧室内部的停留时间，反应进行得更加充分[1]。

从图7还可以看出：与预混段出口处相比，轴向速度与回流速度峰值下降，回流区沿径向扩张；在靠近壁面处，轴向速度有所下降；工况1中轴向速度降低到负值，该位置处于角回流区内；而工 况3中约为5 m/s，该处位于中心流区，与轴向速度分布云图结论相符；在轴向位置80 mm和120 mm处，2种工况下轴向速度分布趋势相近；随着轴向距离的增加，相同径向位置处的轴向速度有所降低，轴向速度峰谷差值也减小，说明在燃烧室内部，随着气体的运动，轴向速度分布趋于均匀。

3.3 预混段出口角度对CH4分布的影响

图8为纵截面不同工况下流线与CH4摩尔分数分布叠加图。从图8可以看到：工况3中火焰明显长于另2种工况，燃烧反应及热释放位置集中在CH4摩尔分数梯度大的区域[15]；工况1和工况2中，燃烧反应发生在内外剪切层，而工况3中主要发生在内剪切层；工况3中角回流区位置CH4摩尔分数几乎与混合气体CH4摩尔分数相同，由于预混段出口角度增大，径向速度分量增加，混合气体到达壁面处提前，角回流区面积减小，其内CH4摩尔分数升高；不同工况下火焰与中心回流区的相对位置发生了变化，随着预混段出口角度的增大，火焰逐渐延长，回流区内漩涡中心逐渐向上游移动，火焰与中心回流区相对位置的变化将严重影响燃烧室内的温度分布。

图8 纵截面不同工况下流线与CH4摩尔分数分布叠加图

Fig.8 Overlay of streamline diagram and CH4concentration distribution under different conditions in longitudinal section

3.4 预混段出口角度对温度分布的影响

图9为纵截面不同工况下温度分布云图。从 图9可以看出，随着预混段出口角度的增大，预混段内中心回流区的温度逐渐升高，燃烧室内高温区范围扩大，从中心轴线附近逐渐扩展至燃烧室壁面附近。分析认为，预混段出口角度的增大使得轴向速度分量减小，燃烧产物在燃烧室内部停留时间延长，反应更加充分，燃烧释放的热量没有及时带出燃烧室，使得高温区范围显著扩大。

图9 纵截面不同工况下的温度分布

Fig. 9 Temperature distribution in longitudinal section under different working conditions

图10为纵截面不同轴向位置处温度的径向分布。从图10可以看出：在预混段出口处，温度快速变化的位置与内剪切层的位置相对应；在轴向位置40 mm处，2种工况温度峰值升高，工况1高温区径向跨度小于工况3；主流区内气体温度低，轴向速度快，对比该位置轴向速度分布可以发现，轴向速度峰值位置对应温度谷值附近；工况1中靠近壁面处温度上升至1 200 K，工况3温度约为900 K。对比图7和图8可以发现，工况1中该位置处于角回流区且CH4摩尔分数梯度大，化学反应速率快，而工况3中没有发生回流，CH4摩尔分数梯度小，化学反应速率缓慢，热释放少，因而出现温度分布差异。在轴向位置80 mm和120 mm处，2种工况高温区径向跨度逐渐扩大，温度分布愈加均匀。工况3中温度峰值及高温区范围明显大于工况1，与温度云图表现的规律一致。

图11为纵截面不同工况下流线与温度叠加图。从图11可以看出：工况1中高温区全部位于中心回流区内，工况2中只有上游一部分高温区与中心回流区重叠，工况3中大部分高温区位于中心回流区之外；工况1中，燃烧释放的热量一部分由主流带向下游，还有一部分进入回流区。由于工况1回流强度高，回流气体速率快，携带大量热量的气体位于回流区内层，可以及时带走热量。因此，仅在漩涡中心附近出现小范围高温区，大部分区域温度相对较低。

分析工况3流线温度云图可以发现，在中心回流区附近存在着大量的热量释放。回流区外层高温气体运动至中心回流区顶端中轴线附近，其速度由正向减小到0，随后反向，往上游流动，回流区顶部会形成速度停滞区域。由于不能及时带走热量，从而集聚产生宏观高温区，其分布范围明显扩大。工况2介于工况1和工况3之间，仅有少部分热量带至中轴线附近形成小范围高温区。

3.5 不同预混段出口角度下的污染物生成特性

图12为纵截面不同工况下NO生成速率。对比CH4摩尔分数分布可以发现：3种工况下NO生成区域主要位于火焰前沿；工况3中NO主要生成区域距燃烧室入口更远，与其火焰位置变化一致；随着预混段出口角度的增大，NO的最大生成速率升高，与3种工况下燃烧室内高温区分布范围呈扩大趋势一致，验证了温度对NO生成速率的重要影响。根据NO生成速率图可以推断3种工况燃烧室出口处NO摩尔分数将会逐渐上升。

图13为3种工况下燃烧室出口处NO与CO摩尔分数变化趋势。从图13可以看出，随着预混段出口角度的增大，NO排放摩尔分数逐渐上升，CO排放摩尔分数减小。由于高温区范围的扩大，CH4燃烧更加充分，CO排放摩尔分数减小，而回流范围的扩大使得高温气体在燃烧室内停留时间延长，因此NO排放摩尔分数升高。合理的预混段出口角度应在保证燃烧室出口的NO摩尔分数不超过排放标准基础上尽量提高燃烧效率，所以最为合理的预混段出口角度出现在工况2，其值为12°。

4 结 论

1）预混段出口角度的增大，使得轴向速度减小，回流速度下降，预混段出口处回流区变宽，角回流区逐渐消失，回流区总面积变小，回流强度减弱，气体停留时间有所延长。

2）随着预混段出口角度的增大，CH4向角回流区扩散，火焰延长，高温区范围扩大，对应的NO生成速率逐渐增大；燃烧室出口处NO摩尔分数逐渐升高，CO摩尔分数逐渐降低。

3）合理的预混段出口角度应在保证燃烧室出口NO摩尔分数不超过排放标准基础上尽量提高燃烧效率，所以在进口参数相同的情况下，最为合理的预混段出口角度为12°。

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Numerical simulation of influence of premixed section exit angle on swirl premixed combustion characteristics

FU Zhongguang, SONG Jiasheng

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Numerical simulation was conducted to investigate the effect of the premixed section exit angle on swirling premixed combustion characteristics of a gas turbine combustor, and the flow field, temperature field, CH4 distribution and NOx generation characteristics in the combustion chamber at different exit angles of the premixed section were analyzed. The results show that, as the angle of exit of the premixed section increases, the axial velocity decreases, the reflux velocity reduces, the recirculation zone at the exit of the premixed zone broadens, the area of the total recirculation zone decreases, the angular recirculation zone disappears gradually, and the reflow intensity weakens. CH4 gradually diffused into the corner recirculation zone, the length of the flame extended, the range of the high-temperature zone expanded, and the NOx mole fraction at the outlet gradually increased, while the CO mole fraction changed the opposite. In the case with the same inlet parameters, the most reasonable premixed section exit angle is 12°.

gas turbine, combustion chamber, swirl premixed combustion, premixed section exit angle, recirculation area, NOx emission

The General Program of National Natural Science Foundation of Beijing (3162030)

付忠广(1963—)，男，博士，教授，主要研究方向为电站机组运行优化、洁净煤发电等技术，fzg@ncepu.edu.cn。

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201804091

付忠广, 宋家胜. 预混段出口角度对旋流预混燃烧特性影响[J]. 热力发电, 2019, 48(2): 31-38. FU Zhongguang, SONG Jiasheng. Numerical simulation of influence of premixed section exit angle on swirl premixed combustion characteristics[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 31-38.

2018-04-19

北京市自然科学基金面上项目(3162030)

宋家胜(1994—)，男，硕士，dianqingxin2016@163.com。

（责任编辑 马昕红）