F级燃气轮机喷嘴长度对燃烧特性影响研究

嵇国军

(江苏国信协联燃气热电有限公司，宜兴 214200)

燃烧室作为燃气轮机三大核心部件之一，其工作过程涉及气体流动、燃烧、传热传质、辐射、化学反应等一系列复杂的物理和化学过程。燃烧室出口参数直接影响透平的工作性能及寿命，从而影响燃气轮机的整体性能。燃烧器是燃烧室的核心部件之一，其设计与结构直接影响燃烧室的性能。

现阶段对燃烧的理论分析还存在很大的局限性，试验费用特别昂贵，同时，试验条件也受各种客观条件的限制，很难捕捉到一些细小的改变。随着计算机性能的提高和数值模拟方法的改进及完善，数值模拟成为燃烧室设计的重要手段[1-2]。

本文对F级燃烧器进行整体建模，并进行三维数值模拟，得到其内部流场分布、压力损失、出口温度分布、燃烧效率等的特性和变化规律，为进一步优化设计，提高燃烧室性能提供参考。

1 F级燃烧器特点与建模

根据工业F级燃气轮机燃烧室相关资料[3-4]，对环形燃烧室进行三维UG建模。由于该燃烧室几何结构相当复杂，在不影响燃烧室整体性能的基础上，本文的建模过程对局部细节结构进行了适当简化。图1为F级燃气轮机燃烧室燃烧器示意图。空气从压气机出来经过扩压器，大部分空气(主燃空气)经过斜旋流器和来自预混通道的燃料充分掺混后进入燃烧室；其余少量空气(次燃空气)通过轴向旋流器进入燃烧室。大部分燃料采用预混燃烧，同时有部分燃料进入值班燃烧器燃烧，起到稳定火焰的作用。

该燃气轮机的燃烧室为环形燃烧室，共有24个燃烧器。考虑到燃烧室内腔的周期对称性和计算的时间成本，构建了燃烧室1/24周期(含一个完整的燃烧器)的流场模型，图2为实际计算区域。燃烧器喷嘴(Combustion Burner Outlet，CBO)长度分别选取 0 mm(基本结构)、35 mm以及97 mm构建几何模型进行数值计算，其他几何部分均保持一致。

将上述模型导入网格划分软件ICEM中进行网格划分，由于该燃烧室结构较为复杂，所以在划分网格时采用非结构化网格划分方式，最终计算模型的网格数在270万左右。图3为计算模型的网格划分图。

2 计算边界条件

本文中的边界条件包括进口条件、出口条件、壁面条件以及周期性边界条件。进口边界条件均采用质量流量进口，在Fluent中设置质量流量数值和方向、水力直径、温度等特征量；出口条件定义为压力出口；壁面边界条件假定壁面无速度滑移、湍流脉动量为零，壁面均采用绝热壁面；周期性边界条件按照实际情况定义旋转轴以及旋转周期。

模型选择如下：湍流模型选择标准k-ε模型；燃烧模型根据实际情况(该燃烧室基本工况下主要采用的是预混燃烧方式)选择有限速率或涡耗散模型；辐射模型选择计算量相对较少的P1模型，该模型能够满足计算精度的要求。压力速度耦合采用SIMPLE算法，其他变量的离散求解采用一阶精度的迎风差值格式。

3 变CBO长度燃烧特性分析

3.1 压力损失特性

变CBO长度燃烧室压力损失数值计算结果如表1所示。燃烧室各部分压力损失计算结果如表2所示。

表1 变CBO长度燃烧室压力损失计算结果

表2 变CBO长度燃烧室各部分压力损失计算结果

为方便对比分析，将表2中各部分压损数据整理成燃烧室各部分压力损失对比分析图，如图4所示。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分别表示旋流器部分压损、扩压段部分压损、火焰筒其余部分压损和总压损失。

图4 变CBO长度各部分压损对比分析图

分析可得，整个燃烧室的总压损失随着CBO长度的增加略有增大，但是变化不大，均在5%左右。此外，从燃烧室各部分压力损失的情况来看，旋流器部分压力损失始终保持在1.5%左右，这是由于CBO中该部件位于扩压段，不会对旋流器压损产生很大影响。但是CBO长度对扩压段部分压损及后续部分压力损失影响较大，扩压段的压损随着CBO长度的增加而降低，而火焰筒其他部分压损变化则与此相反。主要原因是气体流动状态下加热所引起的损失与流动速度和加热比有关，速度越高，则加热损失越大(CBO0与CBO97工况分析也具有相同的结论)。但最终燃烧室整体压力损失变化不大。

3.2 热态速度场分析

图5、图6及图7分别为CBO0、CBO35以及CBO97结构下通过燃烧室中心截面的热态速度云图。同一工况不同结构下的热态速度场在燃烧室燃烧区域发生较大改变，速度大大增加，而在旋流器部分速度变化较小。

图5 CBO0下通过燃烧室中心截面的速度云图

图6 CBO35下通过燃烧室中心截面的速度云图

图7 CBO97下通过燃烧室中心截面的速度云图

不同CBO长度下燃烧室热态各截面速度具体数值如表3所示。变CBO长度热态不同截面平均速度比较如图8所示。图8中轴向位置以旋流器出口轴向位置为参考，即旋流器出口轴向位置为零，并将轴向位置以火焰筒入口直径为参考进行归一化处理。

表3 变CBO长度热态各部分速度(单位：m/s)

图8 变CBO长度热态不同截面平均速度比较

3.3 温度场分析

图9、图10及图11分别是CBO长度为0 mm、35 mm以及97 mm时燃烧室中心截面处温度场分布情况。从这3幅图中可以看出，各CBO长度下中心截面温度场分布均匀，头部存在局部高温区，这主要是由值班火焰扩散燃烧所致，值班火焰在扩散燃烧中主要起到稳定燃烧的作用。

图9 CBO0燃烧室中心截面处温度场分布

图10 CBO35燃烧室中心截面处温度场分布

图11 CBO97燃烧室中心截面处温度场分布

图12、图13及图14分别为CBO0、CBO35及CBO97结构下燃烧室出口截面处温度分布情况。

图12 CBO0燃烧室出口处温度分布

图13 CBO35燃烧室出口处温度分布

图14 CBO97燃烧室出口处温度分布

表4是上面各截面不同CBO长度下燃烧室出口处温度分布系数(Outlet Temperature Distribution Factor，OTDF)计算结果，从表中可以看出，该环形燃烧室出口截面处温度分布系数相当低，能够有效满足透平对燃烧室出口温度分布的要求。

3.4 热态浓度场分析

图15、图16以及图17分别为CBO长度为0 mm、35 mm以及97 mm时燃料甲烷的浓度分布图。比较这3幅图可以明显看出，随着CBO长度的增加，甲烷高浓度区域在轴向上拉长，因此可以预测，其燃烧火焰也随之拉长。

图16 CBO35燃烧室中心截面甲烷浓度分布

图17 CBO97燃烧室中心截面甲烷浓度分布

3.5 燃烧效率分析

采取温升法计算燃烧效率，结果如表5所示。

表5 变CBO长度燃烧效率比较

从表5中可以看出，CBO长度的增加会使得燃烧效率有所下降。

3.6 热态中心截面轴向速度分析

图 18给出的是不同CBO长度燃烧室热态下不同轴向位置轴向速度沿径向的分布对比图。在径向位置为零两侧，轴向速度小于零表示此轴向位置处于回流区中。热态下CBO长度为0 mm，轴向位置为1D时，径向位置为零的两侧有速度小于零的区域，表明在轴向位置为1D的区域存在回流区。在轴向位置为2D时，轴向速度均大于零，在此轴向位置没有回流区。CBO长度为35 mm时，在轴向位置为2D、径向位置等于零处，轴向速度为零，表明回流区的长度为2D。CBO长度为97 mm时，在轴向位置为2D、径向位置等于零处，轴向速度为零，表明回流区的长度为2.5D。以上分析结果说明热态下燃烧室中心回流区长度随CBO长度的增加有所增加。

(a)X=0.5D

4 结 论

本文针对F级燃气轮机燃烧器，采用数值模拟的方法分析了喷嘴长度对燃烧性能的影响，主要结论如下：

1)随着CBO长度的增加，整个燃烧室的压力损失略有增大，但是变化不大，均在5%左右；从燃烧室各部分压力损失的情况来看，旋流器部分压力损失始终保持在1.5%左右，但是扩压段的压损随着CBO长度的增加而降低，而火焰筒其他部分压损变化则与此相反。

2)在燃烧流场方面，CBO长度为0 mm时，中心回流区的长度为火焰筒入口直径的1倍到2倍之间，CBO长度为35 mm时，中心回流区的长度为火焰筒入口直径的2倍，CBO长度为97 mm时，中心回流区的长度为火焰筒入口直径的2.5倍，说明燃烧中心回流区长度随CBO增加有所增加。

3)各CBO长度下中心截面温度场分布均匀，头部存在局部高温区，这主要是由值班火焰扩散燃烧所致，值班火焰在扩散燃烧中主要起到稳定燃烧的作用；且出口截面处温度分布系数相当低，说明3个不同CBO长度结构均能有效满足透平对燃烧室出口温度分布的需求。

4)通过燃烧室不同CBO长度下中心截面甲烷浓度分布可知，随着CBO长度的增加，甲烷高浓度区域在轴向上拉长，因此可以预测其燃烧火焰也随之拉长，这正好和中心回流区长度相对应。

5)随着CBO长度的增大，该燃烧室的燃烧效率略有下降。