某燃气轮机燃烧室燃料喷嘴流量特性研究

杨安建田晓晶凤云仙冯珍珍

（1.长寿命高温材料国家重点实验室，四川 德阳， 618000；2.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

0 引言

某重型燃气轮机是公司重点推进的科研项目，对公司开拓市场与提升行业地位均具有不可估量的作用。燃烧室是燃气轮机的三大核心部件之一，高温、高压、高燃烧热强度的工作环境对于燃烧室设计、加工及后期维护提出了更加严格的要求[1]。其设计技术与试验技术是燃气轮机研发必须掌握的核心技术。

燃料喷嘴是燃烧室的关键结构，对于气体燃料，燃料直接经过喷嘴进入燃烧室与高压空气混合后燃烧，液体燃料则需在雾化后再参与燃烧。Lieuwe和Vigor Yang[1]等研究了燃气轮机燃烧室压力脉动的产生原因，燃料分布质量（均匀性）是影响火焰燃烧稳定性的关键因素之一。不稳定的燃烧会激发压力振荡，低频的压力振荡可能会促发熄火，高频的压力振荡更容易对燃机的高温部件造成破坏[2]。

文中所论述的燃烧室喷嘴主要通过喷孔将燃料喷入燃烧室，不同的喷孔方案对燃烧性能主要有以下影响：（1）燃料喷孔位置影响燃料与空气的混合均匀度；（2）燃料喷孔之间的流量不均匀会导致燃料的局部压力脉动和局部燃空比偏大或偏小；（3）在保证相同质量流量情况下，喷孔大小决定了燃料入射深度，间接影响燃料与空气的混合，也影响上游供气压力。

1 喷嘴结构

文中所论述的燃烧室采用世界先进燃烧室的通用的DLN设计方法，以保证较低的污染物排放水平。空气通过两级径向旋流器形成稳定的回流区，两路主燃料通过燃料喷管进入上下级旋流器流道，并与空气在旋流器通道内进行预混，在下游形成两股反向旋转的燃料与空气的混合气体，在回流区周围被主燃区的高温燃气点燃后参与燃烧，利用漩涡流动所形成的回流区是最有效的[3]；值班燃料则通过喷嘴上的燃料喷孔直接进入火焰筒，在高能点火栓作用下完成点火，形成稳定的扩散火焰，由于扩散火焰较预混火焰具有更加稳定的特性，所以在燃烧室运行过程中可以起到稳定火焰的作用。

两路主燃料与值班燃料分别连接不同的燃料腔室，燃料腔室将来自燃料管道的天然气进行稳压后通过喷孔喷入火焰筒。相比于值班燃料腔室，主燃料腔室中附带管径较小的燃料喷管，将燃料平均供给旋流器的8个气流通道。三路燃料在进入火焰筒之前是相互独立的，燃料通流图如图1所示，所以各路燃料入射质量对于流动和燃烧的影响可独立分析。

图1 燃料通流图

2 模型建立与边界设定

2.1 计算模型

根据喷嘴实际尺寸进行模型创建，鉴于本文的论述重点为燃料喷孔处的质量流量特性，而各路喷孔之间存在较大的物理距离，故各路燃料进行独立建模分析；值班燃料通过喷孔直接进入火焰筒进行扩散燃烧，燃料喷孔处的质量流量对于稳定燃烧的影响很小，故本次不进行对比讨论。

分别对两路主燃料进行建模分析，其中模型1包括燃料管道A、燃料腔室A、燃料喷管和喷孔；模型2包括燃料管道B、燃料腔室B、燃料喷管和喷孔。利用数值分析软件对模型进行网格划分，并对小尺寸的喷孔进行细化处理。主A模型及网格如图2所示，主B模型及网格如图3所示。

图2 主A模型及风格

图3 主B模型与网格

2.2 边界设定

为获得主A燃料从低流量到满负荷时喷孔处的质量流量特性，初步选取满负荷工况A2和低流量工况A1进行数值模拟分析。计算域介质CH4 Ideal Gas。进气管道为模型唯一进口，80个喷口为模型出口。模型1数值分析计算边界条件见表1。

表1 模型1数值分析边界设定

为获得主B燃料从低流量到满负荷时喷孔处的质量流量特性，初步选取满负荷工况B1和低流量工况B2进行数值模拟分析。计算域介质CH4 Ideal Gas。进气管道为模型唯一进口，80个喷口为模型出口。模型2数值分析计算边界见表2。

表2 模型2数值分析边界设定

3 流量特性分析

鉴于试验分析模型中有16根圆周布置的流量喷管，以及喷管上有多达80个质量流量喷孔出口，为准确表述，对模型中的喷管和喷孔进行编号：从进气侧看，喷管从进气管道开始，顺时针编号1～16；喷孔根据到腔室距离，从近到远编号1～5。

3.1 喷管流量特性分析

单根喷管上布置有5个燃料喷孔，单根喷管的质量流量为其喷孔质量流量之和，同时也是单个旋流器通道中的燃料流量。分别选取主A/主B的喷管为分析对象，计算单个喷管的质量流量，图4展示的是主A喷管和主B喷管之间的均值偏差；表3给出了主A和主B喷管在不同工况下的均值最大偏差和差值最大偏差。

图4 流量分布

表3 喷管流量偏差

分析图4中喷管流量分布可知，在A1和A2两种工况下，主A喷管的流量分布基本一致，趋势相同；主B喷管流量分布也可得到同样的结果。不同之处在于燃料管道两侧的喷管流量具有较大差异，主A的燃料进气管道接近1号喷管和16号喷管中间位置，燃料从主A进气管道进来后先撞击环腔底部，然后向两侧流动，所以主A整体均匀性较好；主B燃料进气管道正对其1号喷管，部分燃料从主B进气管道进来后直接进入1号喷管，导致1号喷管流量偏大，而与1号喷管靠近的16号喷管流量偏低的原因是：未进入1号喷管的主流燃料在进入环腔后直接撞击壁面，在16号喷管的进口处形成高流速区，静压偏低的情况下进入1号喷管的流量就偏小。

通过比较喷量流量偏差，可以发现无论是主A燃料还是主B燃料，流量差值最大偏差率在2%左右，远小于3%；均值偏差率远小于2%。偏差值大小与分布受工况变化的影响可以忽略不计。从而可以反映燃料腔室内的流场分布较为均匀和稳定，而燃料管道位置的影响并未成为喷管流量偏差的决定性因素，其影响主要体现在对局部喷管的流量偏差的影响。

3.2 喷孔流量特性分析

对于单根喷管，由于喷管下游端部堵头的作用，在喷管下游形成回流堵塞区，速度快速降低并导致静压快速升高，从而影响喷孔的质量流量。对各工况同轴向位置喷孔质量流量进行均值处理，所得结果如图5所示。

图5 喷孔位置对于质量流量的影响

由图5可知，受喷管下游滞止区影响，喷孔质量流量沿轴向位置递增，即越接近下游，喷孔喷入的燃料量越多，但增加幅度有限，各工况下5号位置相对1号的流量增幅均小于3%。

单根喷管在旋流器通道部分布置有5个燃料喷孔，相同序号的喷孔在同一个轴向位置。燃料通过喷孔进入旋流器流道与空气进行混合，燃料经喷孔入射的轴向均匀性对燃料混合有重要影响。分别选选取主A/主B燃料喷孔为分析对象，分析相同轴向位置喷孔之间的流量均匀性，结果见表4。

表4 同轴向位置喷孔流量偏差%

通过表4中同轴向位置的喷孔流量偏差值可知，所有喷孔的流量偏差均小于2.5%。在不同工况下，喷孔流量偏差与喷孔的轴向位置未发现有特殊关系；与所选负荷的大小也未发现有直接关系。

4 结论

本文通过数值模拟方法对燃烧室主燃料腔室及其喷管进行计算，利用统计分析方法对通过喷管和喷孔的燃料质量流量进行分析，可得到以下结论：

（1）主A/主B燃料喷管的质量流量不均匀度均＜3%，同轴向位置的喷孔流量不均匀度＜2.5%，该燃料喷管结构可提供满足结构需求的燃料分布。

（2）喷孔流量受喷管下游端部回流区影响，喷孔的质量流量沿轴向递增，增幅均小于3%。

（3）燃料进口与燃料喷管的相对位置对流量分配影响较大，后续可优化燃料进口位置以进一步优化燃料分布质量。