燃气轮机燃烧室流场数值计算研究及分析

44I圣言乞扮拨IDONGFANGTURBINE风云仙东方汽轮机有限公司，四川I德阳，618000摘要对燃气轮机逆流式环形燃烧室，热态三维流场的数值模拟F“L进行了研究，建立了三维计算模型，生成了数值计算网格。数值模拟研究表明，改变燃烧室的几个结构参数，可以得到更加合理的流场。通过对关键截面的流动分析，可以判断燃烧室设计的合理性，为进一步优化燃烧室结构设计、改善流场奠定了基础。关键词燃气轮机燃烧室；数值模拟；流场RESEARCHANDANALYSISOFFLOWNUMERICALFORGASTURBINECOMBUSTORFENGYUNXIANDONGFANGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTINTHISTHESIS，NUMERICALSIMULATIONMETHODOFHEATTHREEDIMENSIONALTURBULENTREACTINGFLOWWASSTUDIEDABOUTAREVERSEFLOWCOMBUSTIONCHAMBEROFGASTURBINEMATHEMATICALMODELOFTHECOMBUSTORWASDEVELOPED，GENERATETHEREASONABLEMESHFORCOMPUTETHENUMERICALSIMULATIONFORCHANGESOMEPARAMETEROFTHECOMBUSTORINORDERTOGETBEERFLOWFIELDWASINDICATEDITCANESTIMATETHERATIONALITYOFTHECOMBUSTORDESIGN，WHICHWASTHEBASISOFOPTIMIZETHECOMBUSTORDESIGN，BYTHEFLOWANALYSISOFKEYSECTIONKEYWORDSGASTURBINECOMBUSTOR，NUMERICALSIMULATION，FLOWFIELD60_00燃烧室是燃气轮机中的重要部件之一，位于压气机和燃气透平之间。其功能是将增压后的空气与燃料进行混合和高效的燃烧，形成均匀的、满足设计要求的高温燃气。燃烧室的工作过程具有高温燃烧、高速流动、燃烧强度高、高过量空气、参数变化剧烈等一系列特点。因此，燃烧室设计难度大，除常规设计、数值模拟计算研究外，还要进行实验研究，才能最后确定燃烧室的几何尺寸和结构参数。数值模拟技术的进步，目前在燃气轮机燃烧室设计的某些阶段，已可能用数值模拟来代替试验。数值模拟能节省费用、缩短开发周期，因此对燃烧室数值模拟技术进行研究，有重大意义。本文由简到难建立了多个数值模拟计算模型。采用先进的计算流体动力学方法，完成燃烧室内部流场模拟计算。分析燃烧室内部流场模拟结果，从而判断燃烧室设计的合理性，为进一步优化燃烧室结构设计、改善流场提供依据。孥漕蓉11湍流模型本次数值计算采用商用流体计算软件FLUENT进行，湍流选用工程中广泛应用的两方程K一模型。输运方程如式1、式2作者简介风云仙1982一，女，工学硕士，助理工程师，2008年毕业于西安交通大学热能工程专业，现从事燃气轮机设计与研发工作。鲁CP毒PKUIA“ZKF、AXJGKP1C丢C寿寿CTKGK73一C2。PS2其中是由于速度梯度引起的应力生成项G一9U；U3经过模化后，有G女PTS，其中_2，十代表由于浮升力引起的湍流动能产生项，被定义为U,OT其中PR是湍流PRANDTL，GI是在F方向的重力分量。标准模型中有5个常数C。、。、6、和，通常采用LAUNDER和SPALDING推荐的下列值C。144，G192，YKM10，CG13，CO09。12燃烧模型燃烧模型采用非预混燃烧的“平衡混合分数PDF”模型。“平衡混合分数PDF”模型绕过化学反应详细机理，能满足实际需求的“快速化学反应”和“简单化学反应系统”的假设。数值求解输运方程见式4、式5，求解守恒量，勺脉动量昙CP7毒P毒CC4PGPFZ岳鲁_PG5暾6OXOXK厂是一个随机变量，可运用概率密度函数尸厂来描述厂随机变量的脉动性质，概率密度函圣吉芘拾搂DONGFANGTURBLNE45数P厂根据JONES和WHITE1AW提出，采用BETA函数形式的概率分布函数来确定。13两相流动的模拟燃烧室存在燃油液滴和空气的两相流动，液体计算软件FLUENT中采用DPM模型离散项模型。该模型遵循欧拉一拉格朗日方法，可模拟如下的流态和燃烧态对稳态与IBIS,态流动，可以应用拉氏公式考虑离散相的惯性、曳力、重力；预报连续相中，由于湍流涡旋的作用对颗粒造成的影响；离散相的加热、冷却；液滴的蒸发与沸腾；颗粒燃烧模型，包括挥发分析出及焦炭燃烧模型；连续相与离散相问的耦合；液滴的进裂与合并。2赫壤的建童0漾本文建模采用流行的三维建模软件PROE。用PROE建好基本模型，并形成流体计算软件FLUENT的前处理软件GAMBIT够识别的文件格式。导入GAMBIT软件，进行几何结构的修补、布尔运算等，形成能够直接画出网格的几何模型，如图1所示。本文在不影响流场的情况下，对燃烧室的几何结构进行了如下简化1配气盖板和过渡锥顶上的孔不予考虑，即头部只有通过旋流器进气；2忽略了点火器对流场的影响3忽略了燃料喷嘴的具体结构，用计算软件中的现有模型代替；4假设火焰筒的厚度为0；5对旋流器结构进行了简化，简化模型如图2；6结构中所有的孔均为圆形小直孔。由于燃烧室结构的复杂性，无法实现整体划分网格，因此只能采用分块网格划分方法。采用这种方法时，根据问题的条件把整个求解区域划分成若干个小的区域块，每一块中都采用常见46I圣右乞粉拔DONGFANGTURBINE的结构化网格和非结构化网格。采用分块网格划3计算方法分疗法的优点是1呵以人火减轻网格生成的难度，因为在每一块中町以方便的，1成结构化网格或者非结构化格；2可以在不同块内采用不同的网格疏密度，从而L仃效地照顾到小H域需要不同空间尺度的情形，便网格的局部LJJU密。整个燃烧室生成的网格如图3所示。罔1燃烧器计算模2旋流器简化模型图3个燃烧事格划分0誊计算通过求解质量连续方程和NS方程，来求解燃烧室内部流场。湍流模型选用K一模型，微分方程的离散采用有限体积法，数值求解过程采用SIMPLE算法。在两相计算中，另一相为液态CH由于燃油是由多种碳氢化合物混合而成的混合物，没有具体的化学分子式，因此在进行数值计算时需要选择代用燃料模型。实际使用的是燃油分子量接近CTT。，因此本文选C。H。为代用燃料。液相采用软件中的的离散相模型ISCRETEPHASEMODE1。在流体计算软件FLUENT中，有专门的处理液滴DROPLET的方法。经过燃烧室的热平衡计算，设置燃油流量00438KGS，喷雾锥角60。，液滴直径分布为线性分布，最大直径0O001M，最小直径10M。计算时先计算连续相流场，再计算离散相和连续相的相互影响。4界窝噼。“0。0计算工质为理想空气，流动为可压流动M03。根据设计要求进口总温838K、总压086MPA，空气质量流量515KGS。入口条件进口设为质量入口边界条件，质量流量515KGS，进口总温838K，湍流定义方法采用INTENSITYANDHYDRAULICDIMETER方法，湍流强度定义为10，水利直径根据实际燃烧筒入口结构计算出为001LM。出口条件出口设为压力出口边界条件，由于操作压力已设为086MPA，因此将出口表压设为一002MPA。由此计算出进口压力，即可得到总压损失。湍流定义方法采用INTENSITYANDHYDRAULICDIMETER方法，湍流强度定义为10，水利直径计算出为003M。壁面边界条件包括旋流器、内筒、外壳均不考虑其传热，只对流动产生影响。螭果0。不。几种不同计算模型特点如表1与图4图8所表1几种不同计算模型的特点图4模型中心截面温度场分布图5模型二中心截面温度场分布6模型三巾心截面温度场分布萎豪言汔论找DONGFANGTURBINE47图7模型四中心截面温度场分布8模型五中心截面温度场分布由图4的温度分布图可以看，燃烧的中心区域不在【旦4流中心区，高温区靠近壁面，这显然不合理。原因是燃烧室设计存在问题，导致火焰筒内部温度场不合理。具体来说就是由于主燃孔开口太大，射流深度深，在内简中心区形成高压区，气流只能从主燃孔问的间隙通过，从而造成高温区在壁面附近。也可能与计算简化有关，因为计算没有考虑过度锥顶到主燃孔之间的冷却小孔。模型二与模型一的基本结构是相同的，唯一的区别就是在过渡锥项和主燃孔之间开了360个直径为4MM的冷却小孔，5排成交错状排列，都简化为圆形小孔。在实际中，冷却孔的形式多种多样。在本次计算中由于计算条件限制，将冷却小孔进行了简化。由图4到图5可以看出，冷却小孔对主流场的影响不大，流场的分布与模型一相似。但可以看到冷却孔的加入，使高温区向中心有所收缩，且主燃区的壁面温度降低，达到保护室壁的效果。从图5到图8模型二到模型五的中心截面温48圣言汔鼢1FIIDONGFANGTURBLNE度场分布可以看出，随着主燃孔直径的减小，主燃区的回流区向燃烧筒中心位置靠拢，且回流速度减小，这将有利于火焰在火焰筒中心位置更加稳定。但由于旧流空气量的减小，火焰将被拖长，所以主燃孔的大小应该根据实际情况取一个合适的值。经过比较，我们选定主燃孔直径33MM即模型四为最佳值，既能保证火焰稳定燃烧，也使火焰长度不会过长。图9到图I3为此次计算调整所得最佳结构的两相热态流场分布情况。图9和图1O为中心截面温度场分布图和燃烧器内筒壁面温度分布图。由图可见，温度场分布基本合理。主燃区内筒壁面由于冷却孔的存在壁面温度较低，整个内筒壁面的最高温度1057K784C，小于一般耐热金属的耐热温度。图11为燃烧器出口温度场分布，可以看出，温度分布基本均匀，出口平均温度1121K848，这与燃烧室设计计算温度860C基本吻合，说明此次计算的结果可信。图L2可以更清楚的看到整个温度场的分布和变化情况，图13是燃油液滴在气相中的运动轨迹图。U1LRSL1R0I一N图9中心截面温度场分布图一。C一MJ。L图10燃烧器内筒壁面温度分布图11出口温度场分布图图12温度场分布图图13液滴轨迹图9、靖器展蓦誉鎏誉通过本次计算可得到如下结论1经过数值模拟计算得到的燃烧器出口温度L121I848，与燃烧室设计计算温度860基本吻合，燃烧室总压力损失0O157MPA，与设计压损002MPA也基本吻合。可见，此数值模拟计算方法是可靠的。2通过对该型燃烧室结构的调整得到主燃孔直径对主燃区和整个流场影响很大，在以后的计算中对主燃孔进行简化时要注意等效性；冷K1L对整个流场分布的影响不大，但对壁温分布有较大影响。3数值模拟方法是研究燃烧室流场的有效手段，与试验相比，省钱、省时，更加直观、快捷。但需要试验数据的支持和验证，才能得到更加符合实际的数据。展望1由于没有实验数据的支撑，本研究尚是初步的。实际的化学反应要复杂得多，本文对燃烧化学反应的处理仪仪是最初步的，尚有大量的工作要深入研究。2由于燃烧室结构的复杂性，本次计算采用了非结构化网格。在以后的计算中，可使用新的方法画出结构化的网格，使计算结果更加精确。3町加入辐射模型。4存以后的计算研究中可考虑壁面冷却问题。计算燃烧学的出现，正在冲击和改变燃气轮上接第43页可发现阀壳壁厚减薄后，外径R相应减小，有利于起停时阀壳低周热疲劳应力的降低。索右芘粉搂DONGFANGTURBINE49机燃烧室传统的设计方法。例如在方案确定阶段，我们可以先运用计算燃烧学对多个方案进行计算，比较不同方案的优劣，对方案进行初选；在实验阶段，可以运用计算燃烧学指导的数值模拟试验，取代一部分实物模型试验、冷态试验，甚至取代全尺寸热态实验也是有可能的。这样不但减少费用，而且缩短了时间。因此，有希望主要依靠数值模拟计算而不需要依靠大量调试，来完成燃烧室性能的预估和工程设计，这对于促进燃气轮机快速发展，具有重要的实际意义。参考文献1】焦树建燃气轮机燃烧室北京机械工业出版社，19811【2】2范维澄，万跃鹏流动及燃烧的模型与计算安徽合肥中国科学技术大学出版社，199218【3J周力行湍流两相流动与燃烧的数值模拟北京清华大学出版社，1991110F4】SPALDINGDBMIXINGANDCHEMIEALREACTIONINSTEADYCONFINEDTURBULENTFLAMES13SYRUPINTONCOLNB1971649P【5】FLUENTINCFLUENT62USERSGUIDECDFLUENTINC，2O05本机组设计开发时合理借鉴了以往成熟结构形式，同时针对机组自身要求的特殊性进行相应设计，通过分析比较和相关计算，保证了机组的安全性和经济性。随着我国节能减排工作的深入，该类工业抽汽机组在能源利用率和环保效益方面的优势越来越受重视，应用领域将会更加广泛。今后对此类机组的设计开发应注重模块化设计，提高部套的通用性，缩短设计歼发周期，降低生产制造成本，