燃气轮机燃烧室燃烧气体燃料的数值模拟

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1、2010年4fl沈阳航空工业学院学报Apr．2010第27卷第2期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringV01．27No．2文章编号：1007—1385(2010)02—0011—04燃气轮机燃烧室燃烧气体燃料的数值模拟王朝晖王成军王丹丹吴镇字(沈阳航空工业学院动力与能源T程学院，辽宁沈阳110136)摘要：采用数值模拟方法对燃气轮机环形燃烧室燃烧天然气、中低热值燃料进行燃烧性能的数值分析。根据该燃机的结构特点建立了包括扩压器、机匣等部件计算几何模型；计

2、算中采用SIM—PLE算法，可实现k一8双方程湍流模型，六通量辐射模型、非绝热概率密度函数(PDF)燃烧模型及热力型NO模型对其进行燃烧数值模拟，分析了燃气轮机环形燃烧室燃烧3种燃料性能。计算结果表明：该燃机燃烧天然气、中热值燃料燃烧性能均能达到设计状态，而燃烧低热值燃料燃烧室出口温度较低，表明燃烧过程的数值模拟可为进一步优化燃烧室的结构，改善流场结构提供有用的设计依据，适合于t程应用。关键词：燃气轮机；燃烧室；数值模拟；燃烧性能中图分类号：V231．2文献标识码：A航改燃机由于具有功率大、体积小、重量轻、便于移动、

3、起动加速快、热效率高及可燃用多种燃料等优点而广泛地应用在T业发电、石油和天然气的采集及管道输送等诸多领域【lqJ。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"’4】。长期以来，燃气轮机燃烧搴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

4、测燃烧室燃烧流动性能和工程设计越来越受到重视”。9J，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。收稿日期：2009—09—21作者简介：王朝晖(1984一)，男．山东威海人，在读硕士．主要研究方向：航卒发动机燃烧技术与分析技术；王成军(1967一)，男，辽宁沈阳人，博士，副教授。主要研究方向：燃烧及两相流。1燃烧室结构本文所研究

5、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412ram，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个税．0和300个就．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

6、性，取整个燃烧室的1／15为计算区域，即抖。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。12沈阳航空工业学院学报第27卷(b)火焰筒头部结构图l燃烧室结构简图表1天然气成份(V％)c也Nz比co：co。瓮，2数值模拟方法利用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一占)湍流模型，避免了强湍流条件下在标准k一8模型得到负的

7、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计算结果与分析图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

8、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2纵切面温度分布图图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、155