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压力对燃烧室性能影响的数值模拟

崔玉峰徐纲聂超群黄伟光
(中国科学院工程热物理研究所北京 100080)

摘要:本文采用数值模拟方法研究了压力对某个燃烧中热值合成气的燃气轮机燃烧室性能的影响。采用了燃烧室各个部件
完全耦合的几何建模方法,计算采用了能够考虑详细化学反应机理和化学非平衡影响的层流小火焰湍流燃烧模型和 P-1 辐射
模型。计算结果表明:在相同的燃料和空气进口温度以及当量比下,燃烧室在高压下工作时流场分布与低压下基本相同,但
是由于压力对于 H2O 和 CO2 等组分的热裂解反应的影响,高压下燃烧室内最高温度要比低压下高 100K 左右,并且火焰筒
出口温度也要比低压下高。此外由于高压下燃烧室内气体中 CO2 和 H2O 的浓度增加,气体的吸收系数和黑度都会随之增加,
气体对火焰筒内壁面的辐射增强,造成火焰筒壁面温度升高,特别是火焰筒末端没有气膜保护的部分在高压下要比低压下高
100K。燃烧室工作在高压下时,NOX 排放量也要远高于低压下的值。

1. 引言
燃气轮机燃烧室性能试验一般都是在中压或者低压下进行,与实际燃烧室的工作压力差别较大。文
献[1]指出在低压下进行的模化试验中,燃烧室的燃烧效率要比真实参数试验所得低(1~2)%;熄火特性要比
真实参数试验时略差一些;而燃烧的火焰长度一般要比真实参数试验时略短一些,因而燃烧室出口温度场
的指标将比真实参数试验时要好;压力降低,辐射换热强度要比对流换热强度减弱得更为严重些,因而火
焰筒壁面温度要比真实参数试验时低 100~200K 左右。实际上压力是通过影响燃烧室内的燃料与空气之间
的化学反应以及流动和传热过程来影响燃烧室的性能的,其效果会随着燃烧的燃料和燃烧室的结构的不同
而不同,因此本文采用数值模拟方法研究了压力对某个燃烧中热值合成气的重型燃气轮机燃烧室性能的影
响。

本文所研究的燃气轮机燃烧室是回流式分管型燃烧室,各分管燃烧室通过联焰管连接在一起沿圆周布
置在机组的中轴周围,单个燃烧室的结构如图 1 所示。每一个分管燃烧室内有一个圆筒形火焰筒,火焰筒
和外面的导流衬套形成环形通道,压缩空气从压缩机流出之后经过扩压器的减速增压,首先从燃烧室后部
进入环形通道,然后依次通过火焰筒壁面的各种进气孔(包括冷却孔、掺混孔、补燃孔和主燃孔等)进入
火焰筒,剩余的空气最后由火焰筒头部的配气盖板/锥罩装置以及燃料喷嘴上的旋流器进入燃烧室头部。
在火焰筒后接有燃气导管(或称为过渡段),把圆形的火焰筒出口转成扇形,后面再接燃气透平。火焰筒
壁面开有两排主燃孔(每排 8 个孔)、一排补燃孔(4 个孔)和一排掺混孔(4 个孔),还有 16 排冷却孔(图
2)。盖板/锥罩装置如图 3 所示。每排冷却孔的数目很多,最少的有 32 个,最多的有 230 个;孔径最大
的是 ,最小的只有。火焰筒头部两侧开有两个联焰孔,用于与其它火焰筒联接在一起和联焰。
火焰筒管壁采用气膜冷却,锥罩则采用鱼鳞孔冷却。喷嘴结构如图 4 所示,采用了轴向旋流器,进气角为
50°,旋流数为。燃料喷射孔分成三排布置。最外侧一排在旋流器的通道内,另两排在喷