环形燃烧室燃烧性能的数值模拟

环形燃烧室燃烧性能的数值模拟

由于它具有大规模的功率大、体积小、重量轻、便于移动、振动加速快、工作效率高、可选燃料等优点，已广泛应用于许多行业的发电、石油、天然气生产和管道输送。改型后燃机主要烧天然气和中低热值燃料,针对气体燃料燃烧时存在燃烧稳定范围窄、燃烧稳定性差及控制NO排放与CO排放的矛盾和冷却等问题,因此需对燃烧室燃料喷嘴、供应管路、点火系统等主要部件进行了重新设计。长期以来,燃气轮机燃烧室的设计方法主要是依靠大量实验数据归纳出的经验公式来进行的,但随着计算流体力学、计算燃烧学的迅速发展以及计算机商业软件的广泛应用,利用CFD方法与半经验半分析设计相结合的方法来预测燃烧室燃烧流动性能和工程设计越来越受到重视,这对减小燃烧室研制费用,缩短研发周期具有重要的现实意义。本文旨在根据航改燃机设计图纸,考虑输气管、旋流器等部件对燃烧室流场的影响建立三维实体真实的几何模型,利用FLUENT软件对燃烧室燃烧天然气与中低热值燃料进行了燃烧性能的数值模拟。1旋流叶片几何模型本文所研究的是航改型燃气轮机环形燃烧室,结构如图1所示。其环形燃烧室的内径为395mm,外径为671mm,长度为412mm,在燃烧室进口截面装有15个均布的轴向旋流器,每个旋流器内有5个叶片,叶片安装角为78°,在旋流器中心装有天然气喷嘴,喷嘴上开有两排喷射孔共30个。燃烧室内环有8段气膜冷却结构,外环有7段冷却气膜,导管安装边内各有180个Ф2.0和300个Ф2.2冷却孔。在几何建模时充分考虑到燃烧室内部输气管、点火装置和旋流叶片等部件的存在对内部流动的影响,使模型基本接近实际的燃烧室。同时又考虑到整个流动满足一定对称性和周期性,取整个燃烧室的1/15为计算区域,即24°扇形段。在空气供给量52.81kg/s,燃气比为0.0168一定情况下,燃烧室燃烧(1)天然气、(2)中热值燃料与(3)低热值燃料,其各燃料成份见表1、表2、表3。2湍流模型的标定利用FLUENT软件中非交错网格求解,数值模拟采用了非绝热概率密度函数(PDF)燃烧模型;采用可实现(realizablek-ε)湍流模型,避免了强湍流条件下在标准k-ε模型得到负的雷诺应力的一些不足,采用标准的壁面函数;辐射模型采用了六通量辐射模型;NO生成采用热力型生成模型。压力——速度耦合采用了SIMPLE算法,其它变量的离散均采用了二阶精度迎风插值格式。计算时给定燃料和空气的流量、温度以及混合分数,燃烧室出口给定静压。网格划分采用多块划分,对火焰筒头部及气膜冷却孔采用四面体非结构网格,其余部分采用六面体结构网格,另外对参数梯度变化大的区域进行了加密处理,最终网格数为70万。3燃烧3种燃料出口温度与no、燃烧温度分布图2给出了3种燃料下纵切面温度分布云图,从图中看出燃烧中低热值燃料,火焰长度较长,这主要由于燃料热值较低,为获得同样功率,需要较大燃料流量。采用与燃烧天然气同样结构燃气喷嘴与燃烧室,燃料的流动速度加大,势必影响到燃烧室内部流动结构。另外,由于各燃料成份不同,火焰高温区温度也不同,低燃料热值最高温度只有1280K。图3给出燃烧3种燃料的出口温度分布,经计算燃烧天然气、中热值燃料与低热值燃料出口平均温度分别为1431K、1550K、1216K,出口径向温度分布不均匀系数分别23%、19%、13%,均小于理论值35%,说明该航机在改型后在一定燃气比条件,燃烧天然气、中低热值燃料出口温度、径向不均匀系数指标能够达到设计要求。图4给出燃烧3种燃料的出口NO分布,从图中可看出燃烧中热值燃料的NO最高,燃烧低热值燃料的NO最低,这主要是由于燃烧中热值燃料的出口温度较高,而燃烧低热值燃料的出口温度较低。这说明NO的生成量主要与出口温度高低有关,而计算也表明瞬发型NO生成很少。因此,为了控制与减少NO的生成,应适当控制出口温度。图5给出燃烧3种燃料的火焰筒壁温分布,从图中看出燃烧中热值燃料的火焰筒壁温较高,燃烧低热值燃料的壁温较低。这主要由于燃烧中热值燃料时火焰长度较长,而燃烧低热值燃料时火焰长度虽然较长,但火焰温度较低,因此,火焰筒壁温较低。另外,由于天然气、低热值燃料氢含量较少,而中热值燃料中的氢含量较高,加大了火焰辐射热流,致使火焰筒壁温较高。4燃烧天然气、中热值燃料出口温度根据航改燃机的结构特点建立了包括扩压器和火焰筒在内的环形燃烧室真实的三维几何模型,选取SIMPLE算法、可实现(realizablek-ε)湍流模型,六通量辐射模型,热力型NO模型对航改燃机燃烧天然气、中热值燃料及低热值燃料进行了数值模拟,计算结果表明:(1)在适当燃气比条件,燃烧天然气、中热值燃料出口温度均能到达设计要求,燃烧低热值燃料出口温度较低,而且燃烧中低热值燃料由于其热值较低,在同样输出功率,势必增加燃料供应量,从而改变燃烧室内部流场结构,因此,应适当加大喷嘴喷口直径,降低燃料喷射速度,稳定火焰;(2)由于3种燃料成份不同,燃烧产生的火焰温度、火焰辐射热流不同,使得火焰筒壁温也不同,尤其对燃烧中热值燃料,应考虑增加冷却壁温的空气量;(3)由于燃烧3种燃料出口温度不同,产生的NO量也不同,温度越高,产生NO也高,因此,在一定燃烧效率下,应适当控制出