径向旋流器叶片安装角对多旋流分级燃烧室性能影响研究

郭宏亮，齐秀龙，王 威，刘世铮，许博文，刘 潇

(1.中国船舶集团有限公司第七〇三研究所，哈尔滨 150078；2.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨 150001)

燃气轮机燃烧室的研发向着低污染、燃烧效率高、总压损失小、出口温度分布合理、工作稳定的方向发展，燃烧室的性能参数对燃气轮机的整机性能有着很大的影响，燃烧室燃油与空气的燃烧组织方式直接影响燃烧室性能[1-3]，其中旋流器结构参数对燃油与空气的掺混有着很大的影响.

为探究先进燃烧室头部燃油与空气组织方式及旋流器结构参数的影响，国内外学者对多级旋流燃烧技术进行了研究，较多采用的方法是多旋流分级燃烧方案，即值班级采用扩散燃烧，主燃级为贫油或近化学恰当比燃烧[4].这些研究的趋势是主燃级旋流器级数增多，由原来的一级轴向或径向旋流器发展为两级轴向或径向旋流器[5].Dhanuka 等[6-8]实验研究了TAPS 燃烧室内的瞬时流场、火焰相互耦合作用和周期性回火现象，研究表明回流区对实现火焰稳定有着重要作用；Mongia[9]研究了多级旋流对燃烧室性能的影响，均满足高温升、低排放的要求，说明合理的火焰筒头部气流组织是实现低排放的有效方法；Li 等[10]采用PIV 技术对不同机构的三级旋流器燃烧室流场特性进行了研究，发现不同结构参数的头部结构对燃烧室回流区有显著影响；Mansour 等[11]实验研究了多级燃烧室的油雾场分布，并且通过数值模拟研究了冷态流场，结果表明多级旋流头部方案对燃烧室燃油雾化有着重要作用.颜应文等[12]通过PIV 研究了值班级叶片安装角变化时，燃烧室流场的变化，发现中心回流区的轴向和径向尺寸随叶片安装角的增大而增大；彭云晖等[13]采用PIV 技术研究了双旋流器和三旋流器对高温升燃烧室主燃区流场的影响，实验结果表明三旋流器方案的出口温度分布系数及贫油熄火性能均优于双旋流器方案.陈浩等[14]通过数值模拟研究了中心分级高温升燃烧室的油气掺混特性，发现主燃级同旋向布置会加强燃烧室内的油气掺混，燃烧室出口径向温度分布系数降低.高伟伟等[15]通过数值模拟的方法研究了高温升燃烧室在不同旋流器特征参数下的燃烧性能，表明旋流器旋向组合和旋流数可以直接影响燃烧室的燃烧性能.

目前径向旋流器叶片角度的变化对燃烧室性能的影响未开展深入研究，基于多旋流分级的燃烧方案，本文提出一种多级组合式旋流器头部结构.通过数值模拟的方法，分析了主燃级径向旋流器叶片安装角对燃烧室油雾场、速度分布、温度分布以及燃烧效率、出口温度分布系数等性能参数的影响.最后给出了叶片安装角对总压损失、出口温度分布系数影响的预测公式，为优化多旋流分级燃烧室头部设计奠定理论基础.

1 模型建立与方法

1.1 几何模型

本文设计的多旋流分级模型燃烧室结构如图1所示，旋流器结构如图2 所示，由机匣、旋流器和火焰筒组成，火焰筒采用收缩出口设计，火焰筒上未开设主燃孔和掺混孔，壁面采用多斜孔气膜的冷却方式，目的为减少火焰筒冷却孔的进气量，增加旋流器头部的进气量，降低头部当量比，从而提高燃烧效率和降低污染物排放.某型燃烧室共有16 个头部，本文将单头部结构简化成矩形区域进行计算.多旋流分级燃烧室头部采用四级旋流器结构，值班级采用两级反旋布置的轴向旋流器，同时匹配文氏管；主燃级采用轴向和径向组合的旋流器结构，为了实现主燃级、值班级两级燃油分级和空气分级，主燃级出口采用收缩结构，并且在值班级和主燃级之间形成一定高度的台阶.在燃油雾化方面，值班级采用一个锥形射流喷嘴，燃油在内外两级旋流器的剪切作用下发生破碎雾化，值班级为扩散燃烧模式；主燃级采用多点喷射的横向射流雾化，在主燃一级轴向旋流器出口通道均布12 个同轴空气雾化喷射点，在主燃二级旋流器侧壁上均布12 个喷射点，燃油通过这些喷射点向主燃级流道内喷射，在两级旋流作用下，燃油发生剪切破碎、雾化和掺混，主燃级为预混燃烧模式.

图1 燃烧室示意Fig.1 Schematic diagram of combustion chamber

图2 旋流器结构示意Fig.2 Structural diagram of swirler

1.2 计算方法与边界条件

本文计算采用Fluent 软件对燃烧室进行数值模拟计算，湍流模型选用Realizable k-ε，近壁面处理采用标准壁面函数.燃烧室燃料为柴油用C12H26代替，包括106 组分和420 步详细化学反应机理；燃烧模型采用部分预混FGM 算法，燃油喷雾采用DPM 离散相模型及Cone 型喷嘴，微分方程采用SIMPLE 算法进行压力-速度耦合计算；动量方程、湍流动能、湍流耗散、组分和能量方程均采用二阶迎风离散格式，以全部残差小于1.0×10-3时的结果作为收敛结果.计算边界条件如表1 所示.

表1 计算边界条件Tab.1 Computational boundary conditions

1.3 网格无关性与数值验证

通过ICEM 软件对燃烧室进行四面体非结构网格划分，对火焰筒冷却孔、旋流器叶片、轮毂等位置进行局部网格加密，中截面网格如图3 所示.考虑网格数量会对数值模拟计算的精度和准确性产生影响，进行网格无关性验证，得到网格数分别为380 万、510 万、620 万和710 万的模型进行计算.图4 给出了在相同边界条件下，不同网格数下燃烧室流场中轴线上的轴向速度分布，从图4 可以看出，当网格数量大于510 万时，速度分布不再受其影响.因此，选用网格数量为510 万进行数值计算.

图3 中截面网格Fig.3 Medium section mesh

图4 中轴线速度变化曲线Fig.4 Central axis velocity variation curve

为了确定数值计算所选湍流模型与燃烧模型的有效性与准确性，使用辛辛那提大学Fu[16]研究团队的燃烧室模型与实验数据进行模型验证，模型燃烧室结构如图5 所示，边界条件参数如表2 所示.

表2 边界条件Tab.2 Boundary condition

图5 模型燃烧室结构Fig.Model combustor structure

图6 为距离旋流器出口平面D 分别为5 mm、15 mm、29 mm、46 mm、76 mm、92 mm 处的数值模拟数据与实验数据对比，在3 处不同的轴向位置，数值计算得到的燃烧室热态场轴向速度与实验值虽然有差异，但变化规律基本一致，说明采用Realizable k-ε模型与FGM 燃烧模型可以较好地反映燃烧室流场分布规律.因此，在后续的数值计算中，湍流模型采用Realizable k-ε模型，燃烧模型采用部分预混FGM算法.

图6 数值计算结果与实验数据对比Fig.6 Comparison between numerical results and experimental data

1.4 研究方案

为了研究径向旋流器叶片安装角对多旋流分级燃烧室性能的影响，采取的研究方案如表3 所示，Case1～Case4 值班级旋流器和主燃级轴向旋流器叶片安装角保持不变，只改变主燃级径向旋流器叶片安装角.

表3 研究方案Tab.3 Research scheme

2 计算结果与分析

值班级与主燃级的燃油分级比例为1∶9，对设定的方案进行计算，分别从燃烧室油雾场、速度分布、温度分布、出口污染物排放性能以及性能参数分析不同叶片安装角的旋流器结构对燃烧室性能的影响.

2.1 油雾场分布规律

图7 给出了不同叶片安装角结构中截面燃油分布图，由图可以看到，燃油自喷嘴喷出，附着在文氏管壁上，在文氏管出口位置处燃油浓度最大，燃油在文氏管的尾缘经反向旋转的气流剪切、雾化后进入燃烧室.4 种方案下的燃油分布大致沿中轴线对称，随着叶片安装角的增大，主燃级燃油出口扩张角逐渐变大，燃油更多地分布在火焰筒前部.为研究旋流器出口燃油分布的情况，选取靠近出口的Z＝35 mm 轴向截面.图8 为Z＝35 mm 时轴向截面燃油分布图，4种方案下燃油均匀分布，Case1 中燃油呈点状环形分布，四周燃油浓度较低，随着叶片安装角的增大，环状分布的燃油逐渐与周围空气混合均匀，整个截面燃油逐渐均布，如Case4 所示，说明叶片安装角增大可以使旋流器出口燃油与空气的混合位置前移.

图7 不同方案中截面燃油分布Fig.7 Section fuel distribution in different schemes

图8 Z＝35 mm轴向截面燃油分布Fig.8 Z＝35 mm axial section fuel distribution

2.2 速度分布规律

图9 为不同径向旋流器叶片安装角下中截面轴向速度分布及流线图.在燃烧室内存在中心回流区、台阶回流区和角回流区，4 种方案下的回流区形态都比较规则，基本沿中轴线对称.随着叶片安装角增大，回流区轴向速度分布的变化不明显，但回流区的后驻点逐渐前移，回流区的前部逐渐饱满，轴向尺寸逐渐缩小，两个涡核的距离逐渐增大，并且呈现前移的趋势.这是由于随着叶片安装角增大，径向旋流器旋流数增加，主燃级出口气流的轴向动量和切向动量随之增加，主燃级出口气流扩张角增大，涡核扩散能力增强，使得两个涡心沿着径向扩展.

图9 中截面轴向速度分布及流线图Fig.9 Axial velocity distribution and streamline diagram of middle section

图10、图11 为中轴线轴向速度分布和湍流强度分布图，如图10 所示，4 种方案下的轴向速度变化趋势基本一致，回流区内速度先增大后减小，负速度的最大值大约在回流区的中心位置.叶片安装角度的改变对最大负速度影响很小，基本在-20 m/s 左右，随着轴向距离的增加，叶片安装角越大轴向速度越小.由图11 可知，在回流区位置叶片安装角越大湍流强度越大，在回流区之外则有所改变，说明叶片安装角的增加能加强回流强度，有利于加强燃料与空气的掺混，使得燃烧更均匀，有助于提高燃烧效率，并且增加燃油的驻留时间.

图10 中轴线轴向速度变化曲线Fig.10 Axial velocity variation curve of central axis

图11 中轴线湍流强度变化曲线Fig.11 Central axis turbulence intensity variation curve

2.3 温度场分布规律

图12 为不同径向旋流器叶片安装角下的中截面温度云图.从图可以看出，燃烧室的温度分布基本保持不变，由于火焰筒内负压区使高温燃气回流，高温区大部分集中在中心值班级出口位置，温度超过2 200 K，外围形成超过 2 000 K 的高温区范围较大.随着叶片安装角增大，燃烧室内的平均温度逐渐降低，火焰前锋面的张角逐渐增大，高温区与火焰筒壁面接触位置逐渐前移，高温区前部径向尺寸变大，并且温度分布逐渐均匀.燃烧室壁温均在1 200 K 以下，符合火焰筒壁面冷却的要求.叶片安装角增大会促进燃烧室温度分布的均匀性，但也导致了高温区域前移.叶片安装角65°时，燃烧室角落涡的温度有所升高，应避免角落涡出现高温的现象.结合图13 平均混合分数-温度分布分析，随着叶片安装角的增大，燃烧室内平均混合分数增加，这是由于燃烧室内油气掺混由富当量比向贫当量比区移动，燃油掺混效果更好.

图12 不同方案中截面温度分布Fig.12 Section temperature distribution in different schemes

图13 不同方案中截面混合分数-温度分布Fig.13 Section mixing fraction temperature distribution in different schemes

如图14 为燃烧室出口温度分布，4 种方案下都呈现中心温度高、四周温度逐渐降低的现象，由于火焰筒上下壁面冷却空气的存在，出口温度上下面附近温度较左右面温度低.随着叶片安装角增大，出口中心高温区域形状变得狭长至消失，燃烧室出口最高温度逐渐降低，说明随着叶片安装角增大，出口温度品质逐渐变好.

图14 不同方案出口温度分布Fig.14 Outlet temperature distribution of different schemes

2.4 出口污染物排放性能分析

选取出口污染物NOx进行分析，由于热力型NOx所占的比例较大，瞬时型和中间体型NOx所占比例较小，因此主要考虑热力型NOx.从图15 可以看出，4 种方案下燃烧室出口中心区域NOx浓度较高，四周浓度较低.随着叶片安装角的增加，出口NOx的排放逐渐增加，并呈现上下两个高浓度分布区域，这是由于随着主燃级的叶片安装角增大，气流的切向动量增大，旋流作用增强，促进了燃油与空气的掺混，使得燃烧接近化学恰当比，促进了NOx的生成量.

图15 不同方案出口NOx 分布Fig.15 NOx distribution at outlet of different schemes

2.5 性能参数分析

衡量燃烧室出口温度分布常用的温度分布指标为出口温度分布系数u，定义为

一般要求u≤25%，本文采用烟气分析法计算燃烧效率，由表4 可以看出，4 种方案下的燃烧效率均在99%以上，随着叶片安装角的增大，燃烧效率略有增加，u 逐渐减小，压力损失逐渐增大.通常要求压损不超过3%，u 不大于25%，考虑综合性能参数，径向旋流器叶片安装角为60°时，燃烧室的综合性能参数较好.如图16、图17 所示为总压损失、u 随叶片安装角的变化图线，分别进行线性拟合得到如下关系式：

表4 不同方案的性能参数Tab4.Performance parameters of different schemes

图16 总压损失随叶片安装角变化Fig.16 The total pressure loss varies with the blade installation angle

图17 出口温度分布系数随叶片安装角变化Fig.17 Outlet temperature distribution factor varies with blade mounting angle

式中：y 为总压损失；u 为出口温度分布系数；x 为径向旋流器叶片安装角，50≤x≤65.该关系式可以对径向旋流器叶片安装角变化引起的总压损失、u 变化在一定范围内进行预测.

3 结论

本文针对多旋流分级燃烧室的径向旋流器叶片安装角对燃烧室性能的影响进行数值模拟研究，得到的结论如下：

(1)径向旋流器叶片安装角增大，旋流器出口燃油与空气的混合位置前移，回流区后驻点位置前移，回流区的轴向尺寸逐渐缩小，两个涡核的距离逐渐增大.在回流区内，随着叶片安装角增大，湍流强度逐渐变大.

(2)径向旋流器叶片安装角增大，温度场平均温度逐渐降低，并且温度分布逐渐均匀.出口中心高温区的面积逐渐减少，燃烧室出口最高温度逐渐降低.燃烧室出口污染物排放中心区域NOx浓度较高，四周浓度较低，随着叶片安装角的增加，出口NOx的排放逐渐增加，并呈现上下两个高浓度分布区域.

(3)径向旋流器叶片安装角增大，总压损失逐渐增大，出口温度分布系数逐渐减小，燃烧效率最大为99.98%，径向旋流器叶片安装角为60°时，燃烧室有较好的综合性能参数.燃烧室内总压损失y 和出口温度分布系数u 随叶片安装角x 变化的拟合关系式分别为y＝0.043 4x＋0.207 和u＝-0.732x＋66.64(50≤x≤65).