低排放塔式同轴分级旋流配比对燃烧流场的影响.pdf

燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology 2023，29(4)：)：475-482DOI 10.11715/rskxjs.R202305027 收稿日期：2022-06-01 基金项目：国家科技重大专项资助项目(2017-0006-0031).作者简介：邵志强(1990 )，男，硕士，工程师，.通信作者：刘 潇，男，博士，副教授，liuxiao_ 低排放塔式同轴分级旋流配比对燃烧流场的影响 邵志强1，王 赛1，赵云科1，任彤彤1，褚泽丰1，杨文涛2，刘 潇2(1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015；2.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨 150001)摘 要：以天然气-低排放塔式同轴分级燃烧室为研究对象，采用 Realizable k-湍流模型和 FGM 燃烧模型研究了旋流器旋流数对热态流场的影响结果表明：随着二级旋流数增加，中心级和一级流量增加，二级流量减少，燃料掺混均匀性提高，均匀指数最大提高 0.061；压力损失小幅增加，而 CO 排放显著减少，燃烧效率提高且超过 99%；模拟的各工况温度分布均匀，均形成稳定的回流区，燃烧稳定；对 16 种不同的旋流器方案进行筛选，选出 0.7/0.8 旋流器方案为最佳方案 关键词：同轴分级燃烧室；塔式旋流器；数值模拟；低排放 中图分类号：TK11 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2023)04-0475-08 Influence of Low Emission Tower-Type Coaxial-Staged Swirl Ratio on Combustion Flow Field Shao Zhiqiang1，Wang Sai1，Zhao Yunke1，Ren Tongtong1，Chu Zefeng1，Yang Wentao2，Liu Xiao2(1.AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 110015，China；2.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)Abstract：The natural gas-low emission tower coaxial staged combustor taken as the research object,the effects of swirl number of the swirler on the combustion characteristics were studied by using the Realizable k-turbulence model and the FGM combustion model.The results show that,with the increase of the secondary swirl number,the flow rate of the central stage and the primary stage increases,the secondary flow decreases,and the uniformity of fuel blending increases,with 0.061 as the maximum increase of uniformity index.The pressure loss increases slightly,the CO emission decreases significantly,and the combustion efficiency increases and exceeds 99%.The temperature distribution of each simulated working condition is uniform,a stable recirculation zone is formed,and the combustion is stable.16 different cyclone schemes are screened,and the 0.7/0.8 cyclone scheme is selected as the optimal plan.Keywords：co-axial staged combustor；tower-type swirler；numerical simulation；low emission 随着我国生态文明建设的推进，能源行业在排放方面的要求日渐提高 随着研究的不断深入，出现了实现燃机低排放要求的方案 旋流器是最能影响同轴分级燃烧室的结构1 在以低污染为设计目标的燃烧室中，旋流器既能够稳燃，也可以使燃料与空气掺混 而在旋流器的结构参数中，旋流数是一项极为重 燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 476 要的参数，采用适当的旋流数有利于改善燃烧室燃料与空气的掺混效果，有效提高火焰的稳定性2 所以，研究旋流器旋流数对热态流场的影响有重要意义 国内外专家学者针对旋流器的种类对燃烧室热态流场的影响做了大量的研究 林宇震等3研究了旋流器类型对冷、热态流场的改变规律 结果显示旋流器类型对旋转的影响不大，主要参考旋流数来判断旋流的大小4 Raj 等5通过实验和数值模拟发现，旋流器叶片角对形成的回流区的大小有较大影响，在 15到 60叶片范围内，45为最佳旋流叶片角 闫东博 等6研究了某型轴流旋流器，得到一级旋流强度最能改善回流区尺寸 张群等7研究了低旋流条件下的流场特点，研究发现出口呈喷射式结构 武萍等8通过数值模拟和实验结合的方法，在结果中总结出结论：两级径向旋流器以同方向 0.7 旋流数为最佳参数，大于 1.0 旋流数会产生较大的总压损失，而旋流数为 0.6时则过小 目前研究单级旋流器对流场的影响日渐成熟，但同时考虑一、二级旋流器旋流数的研究较少.本文通过改变一级、二级旋流器的旋流数形成不同组合的旋流器方案，对天然气低排放塔式同轴分级燃烧室进行研究，得出旋流器旋流数对燃烧室流场和燃烧性能的影响 最后根据计算结果选出燃烧室燃烧性能最好的旋流器方案 1 数学模型 本文使用 SIMPLE 算法，采用二阶差分离散格式，使用的湍流模型为较为常见的 Realizable-k模型，燃烧机理使用的是 FGM 机理耦合 CH4的 53 步GRI3.0 化学反应机理 1.1 Realizable k-湍流模型 在经过试验后，决定使用改进过的 Realizable k-模型，能够减少不符合实际的正应力产生的现象发生.()()+=+tjjjkjkkkutxxx +kbMkGGYS(1)10.43,max5=+=CkS(2)121.441.91.0=kCC(3)1.2 FGM燃烧模型 本文采用 FGM 模型9-10进行计算 进程变量 c与混合分数 f 定义为11：ubuTTcTT=(4)HH,oCC,oHCH,fH,oC,fC,oHC0.520.52+=+YYYYMMfYYYYMM(5)式中：YH为氢原子的质量分布，YC为碳原子的质量 分数 混合分数 f 与对流和扩散有关，它的输运方程为：()()iiiifDfu fxtxx+=(6)进程变量c不仅受对流与扩散的影响，还与化学反应的速率有关，其控制方程为 ()()iiiicDcu cxtxx+=+?(7)式中：D表示层流扩散系数；?表示化学反应速率，其计算公式为 1,bu()=?iiinYYip YHcTT(8)其中：iY表示第i个组分的质量分数；?表示化学反应速率；H表示温度 T 下的焓值；cp表示定压比热容；n表示组分个数 2 物理模型及边界条件 2.1 边界条件 进口总压为 1MPa，总温 600K；甲烷总流量为0.051175kg/s，进口温度 300K；出口压力为大气压，进口边界条件见表 1 燃烧模型使用 FGM 燃烧模型，甲烷反应机理使用 GRI Mech3.0 机理 表 1 进口边界条件 Tab.1 Inlet boundary conditions 参数 数值 流量分级比 19 中心级流量/(kgs-1)0.000 4 一级旋流器流量/(kgs-1)0.006 9 二级旋流器流量/(kgs-1)0.438 75 空气流量/(kgs-1)2.273 2.2 物理模型 本文对 LETCC-GF 进行数值模拟计算，其旋流器几何模型为两级轴向旋流器同向布置，具体旋流器和燃烧室结构如图 1 及图 2 所示 旋流器流量分级比为 19，旋流数为 0.60.9，在范围内选 4 个区域，取 0.6、0.7、0.8、0.9 具体各头邵志强等：低排放塔式同轴分级旋流配比对燃烧流场的影响 燃烧科学与技术 477 部旋流器参数由表 2 给出 图 1 塔式旋流器结构 Fig.1 Tower cyclone structure 对图 2 所示模型燃烧室结构进行网格划分，以中心回流区轴向参数为指标，进行网格无关性分析，见图 3 图 2 模型燃烧室结构示意 Fig.2Shematic diagram of the model combustion cham-ber structure 表 2 模型燃烧室模拟的头部结构参数 Tab.2 The head structure parameters simulated in the model combustion chamber 分类 旋流数 叶片角/()内径/mm 外径/mm 分类旋流数 叶片角/()内径/mm 外径/mm 0.6 39.0 12.01 30.45 0.6 40.0 45.72 87.16 0.6 39.0 12.01 30.45 0.7 44.0 45.96 86.51 0.6 39.0 12.01 30.45 0.8 47.5 45.89 85.93 0.6 38.5 13.51 30.80 0.9 50.5 46.05 85.59 0.7 43.0 11.44 30.18 0.6 40.0 45.72 87.16 0.7 43.0 11.44 30.18 0.7 44.0 45.96 86.51 0.7 43.0 11.44 30.18 0.8 47.5 45.89 85.93 0.7 42.5 13.02 30.48 0.9 50.5 46.05 85.59 0.8 45.5 13.99 30.61 0.6 40.0 45.72 87.16 0.8 45.5 13.99 30.61 0.7 44.0 45.96 86.51 0.8 45.5 13.99 30.61 0.8 47.5 45.89 85.93 0.8 46.0 12.37 30.22 0.9 50.5 46.05 85.59 0.9 48.5 13.57 30.41 0.6 40.0 45.72 87.16 0.9 48.5 13.57 30.41 0.7 44.0 45.96 86.51 0.9 48.5 13.57 30.41 0.8 47.5 45.89 85.93 一 级 旋 流 器 结 构 0.9 49.0 11.81 30.03 二 级 旋 流 器 结 构 0.9 50.5 46.05 85.59 （a）轴向温度 （b）轴向速度 图 3 不同网格尺度下轴向参数分布 Fig.3 Axial parameter distribution under different grid scales 3 结果分析 3.1 冷态场分析 3.1.1 对冷态场各级流量的影响 分析图 4 可知，设计与实际流量之间存在偏差，设定流量分级比为 19，模拟结果为 16.5 由于实际进气方式等因素会存在些许误差 二级旋流数对流量的影响较为主要 3.1.2 对燃料与空气掺混均匀性的影响 本节主要判断模型燃烧室掺混度，其指数越大表明效果越佳 掺混度指数mr的表达式为：()()m1mm112niiiiiniiiiv Arv A=(9)燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 478 （a）中心级流量对比 （b）一级流量对比 （c）二级流量对比 图 4 旋流器各级流量对比 Fig.4 Comparison of flow rates at all stages of the cyclone ()1m1niiiiiniiiiv Av A=(10)从图 5 中可以看到二级旋流数对掺混影响最大，一级旋流数基本不发挥作用 掺混均匀性指数提高量最大达 0.061 图 5 旋流器出口燃料掺混均匀性指数 Fig.5 Index map of fuel blending uniformity at the outletof the cyclone 图 6 展示了冷态状况下一级旋流数为 0.7、二级旋流数不同的出口以及中截面的 CH4浓度云图 分析可知，二级旋流数上升旋流器的掺混效果加剧，中截面上旋流器后方的甲烷浓度迅速降低，掺混效果越来越好 图 6 旋流器的出口及局部中截面的 CH4体积分数分布 Fig.6CH4concentration distribution at the outlet of the cyclone and partial mid-section 3.2 旋流器热态温度与速度分析 3.2.1 对温度场的影响 图 7 展示了燃烧室中截面温度云图，除一级/二级放流数 0.8/0.6、0.9/0.6 两种旋流器方案出现小范围的高温区外，其他方案的温度分布都很均匀 从火焰角度考虑，火焰形态主要受二级旋流数影响较大 当旋流数降低，剪切层产生的锥角变小；一级旋流数为 0.6、0.7 时的温度相近，一级旋流数为0.8、0.9 之间时温度相近，但在 0.7、0.8 时温度分布存在差异 燃烧室温度分布均小于 2000K，部分位置高于1900K，该温度下，热力型 NOx生成量较低，实现了低污染的预混燃烧 3.2.2 对速度场的影响 图 8 展示了一级旋流数为 0.7 的模型燃烧室速邵志强等：低排放塔式同轴分级旋流配比对燃烧流场的影响 燃烧科学与技术 479 度分布 通过分析，一级旋流数基本不影响速度场，二级旋流数对回流区中心位置影响不明显 燃烧室中心速度梯度变化大，增强了回流区强度 各工况均形成了稳定的回流区，利于稳定燃烧 图 7 燃烧室中截面温度分布 Fig.7 Sectional temperature distribution in the combus-tion chamber 图 8 模型燃烧室速度云图 Fig.8 Velocity cloud map of model combustion chamber 3.3 对回流区的范围影响 图 9、图 10 展示了一级旋流数为 0.7 时冷、热态回流区尺寸对比 回流区形态随着二级旋流数变化而周期性变化 从图中可以清晰看到冷态的回流区大小要比热态大 由图 9、图 10 可以看到，模型燃烧室的冷态的回流区的尺寸具有鲜明的特点，二级旋流数越大，冷态回流区越长 除一级/二级旋流数 0.6/0.6 和 0.6/0.7 工 图 9 模型燃烧室冷态回流区的尺寸对比 Fig.9 Cold recirculation size comparison of model com-bustor 图 10 模型燃烧室热态回流区的尺寸对比 Fig.10Hot recirculation size comparison of model com-bustor 况外，冷态回流区尺寸和旋流器的流量规律相同 冷态条件下，流量为主要影响因素 0.6/0.6 和 0.6/0.7 工况的回流区尺寸过小，因为值班级形成的回流区与主回流区之间没有联系.热态的回流区的大小与旋流器旋流数没有明显的线性关系 但由图 11(b)、12(b)对比可知，当二级旋流数为 0.8、0.9 时，回流区强于 0.6 和 0.7，0.8 与0.9 工况相差不大 对比图 11 和 12，发现气体因为温度升高而运动加剧 二级旋流数为 0.6、0.7 和 0.8 时，热态再循环区与冷态的变化趋势相近，把二级旋流数设置成 0.9的情况下，冷态和热态场再循环区尺寸减小，综上所述，二级旋流数选取 0.7 或 0.8 更为合适 （a）冷态 （b）热态 图 11 模型燃烧室回流区长度变化 Fig.11Variation curve of the length of the recirculation zone of the model combustion chamber 3.4 对燃料的影响 3.4.1 对压力损失的影响 压力损失是表示装置消耗能量大小的技术指标，燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 480 常作为燃烧室性能考量的标准之一 其计算公式：i,ao,ai,appp=(1)其中，i,ap与o,ap分别为进出口截面的平均总压 （a）冷态 （b）热态 图 12 模型燃烧室回流区宽度变化 Fig.12 Variation curve of the width of the recirculationzone of the model combustion chamber 由图 13 可以观察到，由于压力势能转化为动能，导致了出现高流速现象 压力损失、能量消耗会因为内外级气流流动、流道气流之间的剪切作用和流道结构的阻碍增加，但增加较少，压损系数最大增加量仅为 1.118%图 13 模型燃烧室压力损失 Fig.13 Model combustion chamber pressure loss diagram 3.4.2 对 NOx排放的影响 在国际上，燃气轮机污染物排放通常使用氧浓度15%时氮氧化物排放的计算公式，能较好地把当量比影响氮氧化物排放的情况表现出来 氧浓度 15%时氮氧化物排放可以通过公式(14)进行计算12：2NO,measNO,15%OO,meas(20.9 15)20.9 100=xx(12)式中：NO,15%Ox为氧浓度 15%时氮氧化物的排放，10-6；NO,measx为出口截面的氮氧化物排放，10-6；2O,meas为出口截面氧气体积分数 出口 NOx排放量如图 14 所示，燃烧的主要趋势为预混燃烧，燃烧区的温度不够，热力型 NOx无法被激活，NOx排放不太高，能够实现低污染物排放的 要求 图 14 模型燃烧室出口 NOx排放变化 Fig.14NOx emission pattern at the outlet of model com-bustor 3.4.3 对 CO 排放影响 CO 的排放受工况参数与燃烧区当量比影响较大，究其原因是由于甲烷燃烧不充分所产生的 从图 15 可以看出，燃烧状态中预混燃烧占据主导地位，部分条件下燃烧室的一氧化碳排放较高 一级旋流数对 CO 排放有影响，适当增加二级旋流数，排放会随之降低 其中，一级/二级旋流数 0.8/0.9 旋流器方案的 CO 排放量与 0.8/0.6 方案的 CO 排放量相比，降低了 84.5%，减少量显著 其原因是旋流强度达到一定标准，会使尾部 CO 含量较高的气体重新带入再循环区进行反应，提高了氧化剂的停留时长，提高反应的进行度，减少了 CO 排放 图 15 模型燃烧室 CO排放变化 Fig.15 CO variation diagram of model combustion chamber 3.4.4 对燃烧效率的影响 本文燃烧效率采用燃气分析法进行分析计算.其公式13为 邵志强等：低排放塔式同轴分级旋流配比对燃烧流场的影响 燃烧科学与技术 481 2422COCOCHHCOCOUHC0.5310.3190.397+=+(13)各工况燃烧室效率如图 16 所示，本文各条件下效率相近，均维持在 99%以上，基本达到了完全燃烧的标准 图 16 燃烧效率对比 Fig.16 Comparison of combustion efficiency 3.5 对不同结构旋流器方案进行筛选 根据数值模拟的结果分析可知，筛选主要依据最高温度、燃料残留和一氧化碳等技术指标进行全面 考量 具体标准为不超过 1900K，防止热力型 NOx污染物的生成；出口 CO 排放量不超过 2010-6，NOx排放量不高于 110-6；出口天然气残留量不超过 510-6，以免造成燃烧不完全；尽量减小压力损失，从而提高性能(见表 2)通过模拟结果与具体标准进行比较，淘汰不符合标准的旋流器方案，然后再对比剩余旋流器方案的燃烧室回流区大小 增强掺混度，会减少局部高温区的出现 因此，选取再循环区范围更大的旋流器方案(见表 3 及表 4)表 3 模拟热态结果表 Tab.3 Simulation results of thermal state 一/二级 旋流数 出口 CO 排放/10-6 NOx 排放/10-6 出口 CH4 排放/10-6 压损系数 最高 温度/K符合标准0.6/0.6 31.510 0.524 0 5.270 0.019 55 1 858.68否0.6/0.7 10.326 0.464 1 1.380 0.023 30 1 803.62是0.6/0.8 07.477 0.486 6 0.210 0.025 06 1 840.00是0.6/0.9 11.589 0.334 6 4.250 0.028 12 1 833.00否0.7/0.6 17.731 0.553 5 4.310 0.018 54 1 886.70否0.7/0.7 11.270 0.448 8 2.618 0.022 18 1 808.90是0.7/0.8 07.300 0.536 9 0.215 0.026 19 1 846.80是0.7/0.9 07.060 0.363 7 0 0.028 11 1 820.10是0.8/0.6 49.217 0.634 5 13.0000 0.018 60 1 952.00否0.8/0.7 22.867 0.847 3 4.180 0.022 50 1 968.00否0.8/0.8 13.020 0.646 0 2.600 0.026 00 1 824.90是0.8/0.9 07.649 0.379 7 0.530 0.029 78 2 009.00否0.9/0.6 37.950 0.649 4 7.680 0.018 57 1 920.00否0.9/0.7 10.000 0.675 2 0.900 0.022 80 1 844.20是0.9/0.8 12.210 0.645 5 2.670 0.025 74 1 827.20是0.9/0.9 07.200 0.598 9 0.178 0.026 73 2 009.00否表 4 模拟冷热态回流区结果 Tab.4 Simulation results of hot and cold reflow zones 一/二级旋流数冷态再循环区长度/mm冷态再循环 区宽度/mm 热态再循环 区长度/mm 热态再循环区宽度/mm0.6/0.6245.1 91.2 214.6 77.0 0.6/0.7247.2 96.5 214.1 82.2 0.6/0.8261.0 99.2 227.2 86.5 0.6/0.9262.2 98.6 227.7 83.5 0.7/0.6258.5 94.1 222.8 81.5 0.7/0.7260.6 98.3 222.8 84.0 0.7/0.8261.4 99.2 226.8 83.8 0.7/0.9262.7 100.00 222.8 80.7 0.8/0.6259.1 94.8 224.4 82.3 0.8/0.7260.2 97.5 234.8 84.3 0.8/0.8261.8 99.2 230.0 84.7 0.8/0.9264.2 99.7 222.8 79.6 0.9/0.6260.0 94.5 226.8 82.6 0.9/0.7262.2 100.00 225.8 81.5 0.9/0.8262.6 100.20 224.8 85.6 0.9/0.9261.8 100.30 230.1 85.6 综上所述，一级/二级旋流数 0.7/0.8 的旋流器作为最佳旋流器是较为正确的选择 4 结 论 本文基于不同旋流数的旋流器与方形火焰筒组成的模型燃烧室，采用数值模拟的方式对其进行研究，分析了冷态流场及热态流场的影响，并对数值模拟过程中展现出的规律进行概括总结 得到的结论如下：(1)所设计的旋流器再循环区稳定，燃烧效率都高于 99%，燃烧已经充分 (2)旋流器各级流量变化受到二级影响大，燃料掺混均匀性主要受二级旋流数影响 二级旋流强度越大，燃料与空气掺混越均匀，均匀性指数最大提高0.061 (3)随着二级旋流数增加，温度分布更均匀，CO排放显著减少，最大减小幅度达 84.5%，火焰长度缩短，燃烧更稳定 (4)针对不同旋流数组成的 16 种旋流器方案，依据参数指标进行筛选，最后选出一级旋流数为 0.7，二级旋流数为 0.8 的旋流器作为最佳旋流器方案 参考文献：1 金如山，索建秦.先进燃气轮机燃烧室M.北京：航空工业出版社，2016.Jin Rushan，Suo Jianqin.Advanced Gas Turbine Com-bustor M.Beijing：Aviation Industry Press，2016(in Chinese).燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 482 2 林宇震，林 阳，张 弛，等.先进燃烧室分级燃烧空气流量分配的探讨J.航空动力学报，2010(9)：1923-1930.Lin Yuzhen，Lin Yang，Zhang Chi，et al.Discussion on combustion airflow distribution of advanced staged combustorJ.Journal of Aerospace Power，2010(9)：1923-1930(in Chinese).3 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combustion technology for gas turbine aeroen-gine J.Aeronautical Manufacturing Technology，2013，429(9)：75-79(in Chinese).8 武 萍，曹天泽，张晨曦，等.低排放燃烧室旋流器结构对 NOx排放的影响J.热能动力工程，2015，30(2)：180-186.Wu Ping，Cao Tianze，Zhang Chenxi，et al.Influence of the structure of the swirler in a low emission combus-tor on NOx emissionsJ.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2015，30(2)：180-186，314-315(in Chinese).9 杨金虎.FGM 预混及部分预混湍流燃烧模型研究与应用D.北京：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)，2012.Yang Jinhu.FGM Based Premixed and Partially Turbu-lent Combustion ModelResearch and ApplicationD.Beijing：Graduate University of Chinese Academy of Sciences(Institute of Engineering Thermophysics)，2012(in Chinese).10 宋 帅.基于 FGM 的多模态湍流燃烧大涡模拟研究D.杭州：浙江大学航空航天学院，2014.Song Shuai.Large Eddy Simulation of Multi-Regime Flames with FGM MethodD.Hangzhou：School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，2014(in Chinese).11 Bilger R W.Future progress in turbulent combustion researchJ.Progress in Energy&Combustion 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