以天然气为燃料的燃气轮机燃烧室燃烧场数值模拟

彭春梅 李鹏 王建辉 赵坚勇

摘要：某燃气轮机以天然气为燃料，对其燃烧室燃烧流场进行数值模拟，得到典型工况的速度场、温度场、CO2分布，总结了燃烧室出口温度不均匀度、燃烧效率的变化规律。结果表明：旋流器的导向作用明显，在火焰筒头部出现了明显的回流区，有利于火焰稳定;随着工况升高，燃烧室出口平均速度增大、CO2质量分数增大，燃烧效率提高;燃烧室出口温度分布均匀，掺混孔的掺混效果较好。

关键词：天然气;燃气轮机;燃烧室;数值模拟;燃烧

中图分类号：TK472                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）06-0006-02

0  引言

燃气轮机广泛应用于机械驱动、发电等工业领域[1]，随着市场需求增大，考虑环保要求[2-3]，天然气作为清洁燃料具有广阔的应用前景。燃烧室是燃气轮机核心部件，其综合性能直接影响整机性能及安全性，利用基于计算流体动力学（CFD）的数值方法研究，可有效缩减燃烧室研制周期和研制费用[4]。

本文对以天然气为燃料的某燃气轮机燃烧室的燃烧流场进行数值模拟研究，通过分析速度场、温度场及CO2的分布趋势，总结燃烧室出口温度不均匀度、燃烧效率在典型工况的变化规律，为该燃烧室的改型及结构优化积累了经验。

1  研究对象

该燃烧室为逆流环管式结构，含16个火焰筒和喷油嘴。选取燃烧室1/16的扇形部分进行建模，包含单个火焰筒，对于扇形部分的前后两个边界，计算过程中采用FLUENT进行处理。

2  计算方法

2.1 边界条件

①空气入口边界：给定来流空气的质量流量、温度、压力、湍流度、水利直径、混合分数及其方差;

②燃料入口边界：燃料为天然气，计算时采用CH4作为替代分子式，给定其质量流量、温度、压力、湍流度、水利直径等;

③燃烧室出口边界：给定出口压力、回流温度等;

④壁面：按绝热且无滑移条件处理;

⑤周期性边界：在环形周期边界上，所有独立变量按周期性处理。

2.2 计算网格

采用GRIDGEN对三维几何结构进行网格划分。燃烧室结构较为复杂，采用非结构网格，共生成网格数约200万。

3  结果与分析

在3个典型工况（0.2Ne、0.6Ne、1.0Ne）下，得出了燃烧室的速度场、温度场、CO2分布，并计算得到燃烧效率。

3.1 速度场

图1为各工况的速度分布。由图1可见：流场为不均匀的旋转状态。火焰筒头部旋流器的导向作用明显，气流流线呈现不对称分布。在火焰筒头部出现了明显的回流区，有利于火焰稳定。不同工况下燃烧室内速度分布基本一致，在火焰筒头部由旋流器和主燃孔空气形成的回流区大小也基本一致。随着工况升高，燃烧室负荷增加，出口平均速度增大。这主要是由于随着工况升高，燃烧室入口流量增大，入口总温同时增大引起的。

3.2 温度场

图2为各工况的温度分布。由图2可见：高温区主要分布在回流区及边缘附近，温度超过1500K，有利于火焰稳定;主燃孔的补燃效果明显，主燃孔与掺混孔之间形成另一个高温区，燃烧室内的最高温度超过2500K。不同工况时火焰筒内的温度分布基本一致。从掺混孔进入的空气对高温燃气的掺混效果较好，火焰筒后半部温度逐渐趋于均匀。

表1为燃烧室出口温度不均匀度OTDF。由表1可见，燃烧室出口温度的均匀性较好，有利于延长涡轮叶片的寿命。

3.3 CO2分布

图3为各工况的CO2质量分數分布。由图3可见：火焰筒内的CO2质量分数分布趋势与温度分布趋势相吻合;燃烧室出口CO2质量分数随着工况的升高而增大。原因在于工况升高后，天然气流量增大，燃烧产物增多。

3.4 燃烧效率

表2所示为各工况的燃烧效率，3个工况的燃烧效率均在96～99.9%，燃烧性能良好。燃烧效率随着工况的升高而提高，1.0工况时达到99.9%。说明该负荷下燃料与空气的掺混效果很好，燃烧更为充分，促进燃烧效率升高。

4  结论

①旋流器的导向作用明显，火焰筒头部出现明显的回流区，有利于火焰稳定。

②随着工况的升高，燃烧效率提高，燃烧室出口的平均速度增大、CO2质量分数增大，火焰筒内的CO2质量分数与温度分布趋势相吻合。

③燃烧室出口温度分布均匀，掺混孔的掺混效果较好。

④燃烧室结构合理，流场分布均匀，设计工况燃烧效率达到99.9%，燃烧性能较好。

参考文献：

[1]曾文.重型燃气轮机燃烧过程的反应动力学数值模拟[J].推进技术，2015，36（5）：737-744.

[2]赵坚行.民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势[J].航空动力学报，2008，23（6）：986-996.

[3]蒋波.低排放驻涡燃烧室冷态流场特性试验[J].航空动力学报，2013，28（8）：1719-1726.

[4]B.Zamuner.Numerical simulation of the reactive two-phase flow in a kerosene/air tubular combustor[J]. Aerospace Science and Technology，2002（6）：521-529.