燃气轮机燃烧室模化试验方法研究

朱杰文, 刘 江,b, 翁培奋,b, 项文威

(上海电力学院 a.能源与机械工程学院， b.上海热交换系统节能工程技术研究中心, 上海 200090)

燃气轮机作为能源装置具有高效率、低污染等优点,在发电、分布式能源、动力系统以及船舶等领域均得到了广泛应用。燃气-蒸汽联合循环、冷热电三联产分布式供能系统等诸多优点使其可以逐步替代煤电,为改造煤电提供了方向[1-3]。燃烧室作为燃气轮机的核心部件之一,有燃气轮机的“心脏”之称,燃气轮机工作的稳定性、可靠性在很大程度上依赖燃烧室的工作性能[4-5]。在燃烧室内燃料进行强烈的化学反应,燃料的化学能与氧气燃烧反应产生热能,反应造成的高温高压产物推动透平做功,进一步将热能通过透平转变成所需要的机械能。燃烧室内部的工作涉及一系列复杂传热传质过程,燃烧室的出口参数关系到透平的工作,进而给整台机组的性能带来影响[6-7]。2013年国务院发布了《国家重大科技基础设施建设中长期规划 (2012—2030年)》[8],将“洁净高效燃气轮机实验装置”列为“十二五”启动的项目之一,而且“十三五”规划中也明确要求重点推动重型燃气轮机发展和掌握高效低排放燃烧室的设计技术。

燃气轮机配备任何一款燃烧室都要经过大量的数据调试、改进,才能逐步达到设计指标。调试过程中需要广泛结合以往经验以及现场试验数据制定方案,这是燃气轮机研制过程中不可逾越的一部分[9-10]。为了保证燃烧室试验的准确性,需要试验条件与运行条件相一致,这样费用将会十分昂贵,而通过模化试验能够在较低费用下得到与真实燃烧室内部近似的各种参数。因此,充分了解燃烧室模化原理、模化准则和模化试验方法,不仅能简化试验过程,而且能够加快燃气轮机燃烧室研发进程。

1 燃烧室模化原理及相关理论准则

燃气轮机的发展方向是追求较高的压力比、较高的入口温度以及较大的功率。燃烧室模化就是使燃烧室模型内部工作状况与实际燃烧室工作状况相似,即保证两者之间呈现的物理、化学规律相同,相关变量在对应空间、对应时间成一定比例[11]。用相似理论方法进行燃烧室试验,在燃烧室实物或者几何尺寸较小的模拟燃烧室里,用相对原始空气源较低的“模化参数”做试验,为燃烧室的后续优化设计减少人力和物力的投入。

模化后燃烧室的试验能否正确反映出实际燃烧室内的流动燃烧现象,由相似原理可知必须要满足4个单值性条件[11]:模化前后试件几何相似;参与试验的气体或燃料的物理性质相似;边界条件相似;单值性条件组成的相似准则相等,以这些单值性条件为基础而推导出的基本相似准则包括雷诺准则、傅鲁德准则、欧拉准则、马赫准则、卡巴准则、紊流克努森准则等共计11个相似准则[12]。

1.1 传统模拟准则

1.1.1 等容积流率模化准则

当进气压力pM≥0.147 2 MPa时,在几何相似、进口燃料与空气温度相同的条件下,等容积流率模化准则表达式为[13]

qvaM=qvaR

式中:qvaM,qvaR——空气容积流率的试验参数、原设计参数。

因而,试验时采用的空气质量流率qmaM满足

式中:qmaM,qmaR——空气的质量流率的试验参数、原设计参数;

pcM,pcR——燃烧室入口空气压力的试验参数、原设计参数。

1.1.2 卡巴准则(K准则)

用D表示火焰筒的筒径,K准则通用形式表示为[9]

式中:ma——燃烧室进口空气质量流量;

pc,Tc——燃烧室空气进口压力和进口温度。

1.1.3 L准则

用F和l分别代表燃烧室参考横截面积和长度,L准则的通用形式表示为[14]

式中:q——燃烧室质量流量;

p——燃烧室进口压力;

T——燃烧室进口温度;

b——余气系数的函数。

1.1.4 N准则

郭明焕等人[15]以传统的K准则与L准则为依据,推导出一种按真实燃烧室进气压力、流量及实验设备可达到的进气压力、流量计算试验压力或其指数的模化准则(简称“N准则”)。

1.2 现有模化理论

燃气轮机内发生的燃烧现象是一个复杂的物理-化学过程,因此确保试验过程中燃烧室的燃烧状况与原型机实际的燃烧过程相似,才能保证试验数据有效。而整个燃烧过程十分复杂,缺乏比较完善的理论可以系统描述每一过程。以下几种模化研究方法近几年得到完善发展,并在燃气轮机燃烧室的模化研究中得到广泛的应用。

1.2.1 化学反应动力学理论和火焰传播理论

化学反应动力学理论:假定在燃烧室燃烧反应过程中,氧化剂的氧化过程是最慢的一个反应,它决定整个燃烧室的燃烧效率。火焰传播理论:假定燃烧室的燃烧效率由火焰传播速度决定,而燃烧过程看成是火焰在燃烧室不同燃料空气混合区内传递过程,并且紊流对燃烧效率的影响仅考虑多火焰表面积的影响。CHILDS J H和GRAVES C C[16]由上述两种假定推导出在不同压力条件下燃烧室燃烧效率模化准则。

1.2.2 燃烧速率理论

燃烧速率理论主要基于两个假设:燃烧速率和气体速率的比值决定燃烧室的燃烧特性;任何尺度的紊流都会影响燃烧室的燃烧速率。GREENHOUGH V W等人[17]通过燃烧速率理论分析推导出有关燃烧效率的模化准则。杨锐等人[18]通过对两种不同燃烧类型的燃烧室进行数值计算,分析了燃烧效率模化试验中燃烧类型对压力指数的影响规律。

2 燃烧室模化试验方法

燃烧室模化试验方法分为两大类:原型试验法和物理模型试验法。原型试验法表示在实际燃烧室内并保证工作状况与实际工作条件相同下进行试验,进而测量出燃烧室在实际运行中的各种参数。物理模型试验法则通常采用燃烧室尺寸不作任何改变,但在试验工况为简化或缩小的参数下进行试验(称为低压模化试验);或者改变燃烧室模型的大小,通过缩小或放大原燃烧室模型(一般为缩小模型)的方法进行试验测量(称为尺寸模化试验)[19]。

2.1 原型试验法

原型试验法要求测量实际运行中的燃烧室或燃烧器中的各种参数,运行条件为实际工作状况,因此得到的结果比较可靠。原型试验要求试验条件为燃烧室实际工况(高压条件下),在实验室中营造高压环境需要很强的空气能源,使得试验投入费用高昂,故原型试验法较少使用。

对于一些特殊条件下运行的燃气轮机,例如航空发动机,则需要获得发动机燃烧室在实际工况下的数据,因此原型试验法是研制航空发动机燃烧室的必须手段。孟刚等人[20]概括阐述了国外一些航空强国航空发动机燃烧室研发机构,详细介绍了主要的发动机燃烧室试验器类型以及各类试验器的详细结构、测量系统布置等情况,并针对我国现阶段航空发动机燃烧室研发的不足提出相关建议,为我国航空事业发展提供了借鉴。

罗智锋等人[21]详细介绍了某燃气电厂燃烧室故障解决过程中试验平台的搭设以及如何确保试验条件与实际运行条件一致的方法过程。其中,试验件为1/20大小的环管式燃烧室,试验过程重现燃烧室壁面烧蚀现象,分析在运行过程中出现该问题的原因及解决手段,为燃烧室结构优化积累了经验。

2.2 物理模型试验法

2.2.1 低压模化试验

谢刚等人[22]为测试某型燃气轮机燃烧室的排放性能,在低压模拟环境下对单管燃烧室进行试验,发现该型燃烧室污染物排放超标等问题,并提出进一步改善污染物排放方案。林枫等人[23]对某型燃气轮机燃烧室振荡燃烧进行了全尺寸低压模化试验,分析了影响燃烧室内压力出现波动的原因及变化规律,并为抑制振荡燃烧提供了方法。房爱兵[24]为了研究燃气轮机燃烧室合成气燃烧不稳定现象,对全尺寸燃烧室在中压实验台进行了试验,分析了实验数据并与全压条件下扩散燃烧不稳定性进行对比,为优化合成气燃烧室的扩散燃烧提供了理论支撑。

汪凤山等人[25]通过运用等容积流率模化准则,研究了额定工况下某型燃气轮机燃烧室的燃烧性能,分析了燃烧室火焰筒壁面温度分布以及燃烧室出口温度分布规律,并进一步探究主燃区与点火区之间燃料流量比例变化对燃烧室排放的影响规律。徐纲等人[26]运用等容积流率模化准则的方法,在中压全尺寸实验台上对两个用中热值合成气的某分管型燃气轮机燃烧室的改造方案进行考核和研究,验证改造之后燃气轮机燃烧室的性能参数是否达标。李名家等人[27]针对某型燃气轮机逆流环管型燃烧室,运用等容积流率模化准则,分析了该燃烧室联焰管附近主燃孔裂纹,分析故障原因并对火焰筒等结构进行了局部优化。汪凤山等人[28]基于等容积流率模化准则,对某微型燃气轮机燃烧室进行试验研究,在确保燃气轮机额定工况、燃烧室出口温度不变的情况下,研究了燃烧室空气进口流量、温度对燃烧效率和NOx排放的影响。

黎明等人[29]为测试燃烧室内部国产化火焰筒性能,在连续气源及部分燃烧室试验件条件下,使用卡巴准则模拟实际工况,通过对比国内外相同型号火焰筒的燃烧效率性能、出口温度分布状况、壁温分布和贫油熄火性能,提出了优化方案。

2.2.2 尺寸模化试验

倪兰凯[30]介绍了国外研究人员按比例缩小燃气轮机燃烧室进行燃烧室燃烧性能研究的一系列试验,并设计建造了一套燃烧试验段,主要研究燃烧流场、燃烧过程中NOx排放等问题。何念等人[31]深入研究了低压模化条件对燃烧室工作状况的影响,在燃烧室燃料为天然气的情况下,对取原型燃烧室1/3大小的模化参数下进行数值模拟,将得到数据与全压下燃烧室特性数据对比分析,为燃烧室低压模化提供依据。刘凯等人[32]对某重型燃气轮机(E级)燃烧室采用节流模化方法,并对环形燃烧室1/20大小的扇形试验段进行试验,研究其出口温度场温度分布,通过调整掺混孔尺寸与布局使周向/径向温度分布系数达到设计要求。此后,刘凯等人[33]进一步深入研究了环形燃烧室1/20大小的扇形试验段某型燃气轮机燃烧室出口温度场与掺混孔孔径比、相对孔距之间的关系,并得出在合适的相对孔距、孔径比的条件下,温度分布系数表现最佳的实验结论。张振奎等人[34]采用节流模化的方法,对高压条件下配有环形燃烧室1/8大小的试验段的试验台,研究了燃烧室出口温度分布与燃烧室头部燃油喷射点的数量之间的关系。

3 燃烧室水流模拟方法

虽然通过燃烧室模化方法能够一定程度上简化试验所需条件,但是燃烧室模化后仍然需要高压气源以及粒子图像测速仪来获得燃烧室内部流场。为了快速有效获得燃烧室内流动规律,常常采用水流模拟方法。该方法是用水流代替空气进行燃烧室内部流场模拟且无需特殊试验设备拍摄流场,因此在燃烧室研发初期得到了国内一些研究人员的青睐。

牛利明等人[35]探讨了燃烧室水流模拟试验相对于常规气相试验的优点,分析燃烧室水流模拟试验的原理和特点,并详细阐述了如何利用水流模拟进行燃烧室试验。王力军等人[36]为验证某型燃气轮机燃烧室内流场与该燃烧室数值模拟结果的相关性,搭建了类比原型燃烧室的冷态水流模拟试验平台,采用红色颜料作为示踪剂显示燃烧室内不同位置的流场轨迹,得出水流模拟条件下与数值模拟方法下燃烧室内部流场结构相似的结论。宋双文等人[37]利用某折流燃烧室1/4大小的扇形试验条件进行了水流模拟试验,通过摄像、手工描绘方法获得了该燃烧室内部流场结构、回流区形状等定性参数,并测量了相关阻力参数。

近年来,随着重型燃气轮机燃烧室设计技术的日益成熟,环保指标日益严格,燃烧室内部细小结构的改变就能影响整个燃烧室的工作性能,因此需要燃烧室内部详细准确的流场结构。但由于水流模拟方法只能通过水流流动状态反映燃烧室内部流场,缺乏准确数据分析外推获得燃烧室内部真实流场信息,不能反映细部流场特征,因此水流模拟方法在测量燃烧室流场中具有一定局限性,现阶段已较少应用。

4 结 语

经过多年大力发展燃气轮机,燃气轮机燃烧室的进气参数逐年递增,排气温度、压力也呈现增长趋势,燃烧室模化试验的难度也在提高。为了减少燃烧室模化试验结果与燃烧室实际参数误差,需要运用更加准确的模化准则。

燃气轮机燃烧室试验的模化准则与模化方法已经越来越成熟,国内主要使用的模化准则是低压模化下等容积流率模化准则,也可运用一些其他类型的模化准则,探究不同模化准则之间的差别。随着计算流体力学的深入发展,结合使用燃烧室试验模化和数值模拟,能够提升模化准则的准确性,加快燃气轮机燃烧室模化试验,节省实验时间与耗费。