環(huán)形燃燒室燃燒性能的數(shù)值模擬

環(huán)形燃燒室燃燒性能的數(shù)值模擬

由于它具有大規(guī)模的功率大、體積小、重量輕、便于移動、振動加速快、工作效率高、可選燃料等優(yōu)點，已廣泛應用于許多行業(yè)的發(fā)電、石油、天然氣生產(chǎn)和管道輸送。改型后燃機主要燒天然氣和中低熱值燃料,針對氣體燃料燃燒時存在燃燒穩(wěn)定范圍窄、燃燒穩(wěn)定性差及控制NO排放與CO排放的矛盾和冷卻等問題,因此需對燃燒室燃料噴嘴、供應管路、點火系統(tǒng)等主要部件進行了重新設計。長期以來,燃氣輪機燃燒室的設計方法主要是依靠大量實驗數(shù)據(jù)歸納出的經(jīng)驗公式來進行的,但隨著計算流體力學、計算燃燒學的迅速發(fā)展以及計算機商業(yè)軟件的廣泛應用,利用CFD方法與半經(jīng)驗半分析設計相結(jié)合的方法來預測燃燒室燃燒流動性能和工程設計越來越受到重視,這對減小燃燒室研制費用,縮短研發(fā)周期具有重要的現(xiàn)實意義。本文旨在根據(jù)航改燃機設計圖紙,考慮輸氣管、旋流器等部件對燃燒室流場的影響建立三維實體真實的幾何模型,利用FLUENT軟件對燃燒室燃燒天然氣與中低熱值燃料進行了燃燒性能的數(shù)值模擬。1旋流葉片幾何模型本文所研究的是航改型燃氣輪機環(huán)形燃燒室,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其環(huán)形燃燒室的內(nèi)徑為395mm,外徑為671mm,長度為412mm,在燃燒室進口截面裝有15個均布的軸向旋流器,每個旋流器內(nèi)有5個葉片,葉片安裝角為78°,在旋流器中心裝有天然氣噴嘴,噴嘴上開有兩排噴射孔共30個。燃燒室內(nèi)環(huán)有8段氣膜冷卻結(jié)構(gòu),外環(huán)有7段冷卻氣膜,導管安裝邊內(nèi)各有180個Ф2.0和300個Ф2.2冷卻孔。在幾何建模時充分考慮到燃燒室內(nèi)部輸氣管、點火裝置和旋流葉片等部件的存在對內(nèi)部流動的影響,使模型基本接近實際的燃燒室。同時又考慮到整個流動滿足一定對稱性和周期性,取整個燃燒室的1/15為計算區(qū)域,即24°扇形段。在空氣供給量52.81kg/s,燃氣比為0.0168一定情況下,燃燒室燃燒(1)天然氣、(2)中熱值燃料與(3)低熱值燃料,其各燃料成份見表1、表2、表3。2湍流模型的標定利用FLUENT軟件中非交錯網(wǎng)格求解,數(shù)值模擬采用了非絕熱概率密度函數(shù)(PDF)燃燒模型;采用可實現(xiàn)(realizablek-ε)湍流模型,避免了強湍流條件下在標準k-ε模型得到負的雷諾應力的一些不足,采用標準的壁面函數(shù);輻射模型采用了六通量輻射模型;NO生成采用熱力型生成模型。壓力——速度耦合采用了SIMPLE算法,其它變量的離散均采用了二階精度迎風插值格式。計算時給定燃料和空氣的流量、溫度以及混合分數(shù),燃燒室出口給定靜壓。網(wǎng)格劃分采用多塊劃分,對火焰筒頭部及氣膜冷卻孔采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,其余部分采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,另外對參數(shù)梯度變化大的區(qū)域進行了加密處理,最終網(wǎng)格數(shù)為70萬。3燃燒3種燃料出口溫度與no、燃燒溫度分布圖2給出了3種燃料下縱切面溫度分布云圖,從圖中看出燃燒中低熱值燃料,火焰長度較長,這主要由于燃料熱值較低,為獲得同樣功率,需要較大燃料流量。采用與燃燒天然氣同樣結(jié)構(gòu)燃氣噴嘴與燃燒室,燃料的流動速度加大,勢必影響到燃燒室內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)。另外,由于各燃料成份不同,火焰高溫區(qū)溫度也不同,低燃料熱值最高溫度只有1280K。圖3給出燃燒3種燃料的出口溫度分布,經(jīng)計算燃燒天然氣、中熱值燃料與低熱值燃料出口平均溫度分別為1431K、1550K、1216K,出口徑向溫度分布不均勻系數(shù)分別23%、19%、13%,均小于理論值35%,說明該航機在改型后在一定燃氣比條件,燃燒天然氣、中低熱值燃料出口溫度、徑向不均勻系數(shù)指標能夠達到設計要求。圖4給出燃燒3種燃料的出口NO分布,從圖中可看出燃燒中熱值燃料的NO最高,燃燒低熱值燃料的NO最低,這主要是由于燃燒中熱值燃料的出口溫度較高,而燃燒低熱值燃料的出口溫度較低。這說明NO的生成量主要與出口溫度高低有關(guān),而計算也表明瞬發(fā)型NO生成很少。因此,為了控制與減少NO的生成,應適當控制出口溫度。圖5給出燃燒3種燃料的火焰筒壁溫分布,從圖中看出燃燒中熱值燃料的火焰筒壁溫較高,燃燒低熱值燃料的壁溫較低。這主要由于燃燒中熱值燃料時火焰長度較長,而燃燒低熱值燃料時火焰長度雖然較長,但火焰溫度較低,因此,火焰筒壁溫較低。另外,由于天然氣、低熱值燃料氫含量較少,而中熱值燃料中的氫含量較高,加大了火焰輻射熱流,致使火焰筒壁溫較高。4燃燒天然氣、中熱值燃料出口溫度根據(jù)航改燃機的結(jié)構(gòu)特點建立了包括擴壓器和火焰筒在內(nèi)的環(huán)形燃燒室真實的三維幾何模型,選取SIMPLE算法、可實現(xiàn)(realizablek-ε)湍流模型,六通量輻射模型,熱力型NO模型對航改燃機燃燒天然氣、中熱值燃料及低熱值燃料進行了數(shù)值模擬,計算結(jié)果表明:(1)在適當燃氣比條件,燃燒天然氣、中熱值燃料出口溫度均能到達設計要求,燃燒低熱值燃料出口溫度較低,而且燃燒中低熱值燃料由于其熱值較低,在同樣輸出功率,勢必增加燃料供應量,從而改變?nèi)紵覂?nèi)部流場結(jié)構(gòu),因此,應適當加大噴嘴噴口直徑,降低燃料噴射速度,穩(wěn)定火焰;(2)由于3種燃料成份不同,燃燒產(chǎn)生的火焰溫度、火焰輻射熱流不同,使得火焰筒壁溫也不同,尤其對燃燒中熱值燃料,應考慮增加冷卻壁溫的空氣量;(3)由于燃燒3種燃料出口溫度不同,產(chǎn)生的NO量也不同,溫度越高,產(chǎn)生NO也高,因此,在一定燃燒效率下,應適當控制出