基于数值方法的燃气轮机贫预混旋流燃烧室单头部结构设计

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21109

摘要/Abstract

摘要：

为分析贫预混旋流燃烧室头部结构特性影响，采用计算流体力学方法研究了中心体端面形状、空气流量，燃料喷孔数量、位置，以及头部扩张比对燃烧火焰、流场及火焰动态响应的影响。结果表明：空气流速增大到一定值后，火焰形态基本保持不变；增加压力面燃料孔数量，高放热率区集中在中心回流区根部，同时增加压力面和吸力面燃料孔数量使得中心回流区根部温度更低，有降低热力NO _x 的趋势；增加火焰筒直径，有助于中心回流区沿径向扩张，导致火焰更长、更细；将中心体端面改成椭圆，会缩短火焰轴向长度；改变中心体端面形状基本不影响火焰传递函数幅值和相位，但增加燃料孔数量明显改变火焰传递函数相位。

关键词: 燃气轮机, 旋流预混燃烧室, 头部结构, 燃料孔布置, 燃烧特性, 数值模拟

Abstract:

To analyse the dome structure of the lean premixed swirled combustor, the influences of lance tip shapes, inflow air flow rates, numbers and locations of fuel nozzles and head expansion ratios on the combustion flame, flow field and flame dynamic response were investigated by computational fluid dynamics. The results show that the flame shape remains unchanged when the air velocity increases to a certain value. Increasing the number of fuel holes on the pressure surface, the high heat release rate area is concentrated in the root of the central recirculation zone. While increasing the number of fuel injectors on the pressure side and suction side makes the flame root temperature of the central recirculation zone lower, indicating a tendency to reduce the thermal NO _x . Increasing the flame tube diameter helps the central recirculation zone to expand radially, resulting in longer flame branches. The axial length of flame will be shortened by changing the centre-lance tip from flat to ellipse. The amplitude and phase of flame transfer function are not affected by changing the centre-lance tip face shape, but the phase of flame transfer function is obviously changed by increasing the number of fuel holes.

Key words: gas turbine, swirled premixed combustor, dome structure, fuel nozzle configuration, combustion characteristic, numerical simulation

中图分类号:

TK 47

杨旸, 李耀强, 张金琦. 基于数值方法的燃气轮机贫预混旋流燃烧室单头部结构设计[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 712-721.

Yang YANG, Yaoqiang LI, Jinqi ZHANG. Design of Dome Structure for A Lean Premixed Swirled Combustor of Gas Turbine Based on the Numerical Method[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(5): 712-721.

图/表 19

图1 轴向旋流器实物及数值计算所用的几何模型

Fig. 1 Axial swirler and geometric model for numerical calculation

图2 单头部燃烧室计算域几何结构及相应参数

Fig. 2 Geometric structure and corresponding parameters of calculation domain of single-head combustor

表1 不同空气流速下工况及边界条件

Tab. 1 Boundary conditions of cases with different velocities and mass flow rates

边界	参数	空气进口	燃料吸力面	燃料压力面	燃烧器出口	燃料质量分数/%
1	速度/(m/s)	18.00	25.64	26.30	11.98	2.9
1	流量/(g/s)	19.87	0.30	0.30	20.47	2.9
2	速度/(m/s)	35.00	49.90	51.18	22.54	2.9
2	流量/(g/s)	38.63	0.58	0.58	39.80	2.9
3	速度/(m/s)	50.00	60.22	61.77	29.93	2.5
3	流量/(g/s)	55.19	0.70	0.70	56.59	2.5
4	速度/(m/s)	50.00	71.23	73.07	32.20	2.9
4	流量/(g/s)	55.19	0.83	0.83	56.85	2.9
5	速度/(m/s)	75.00	106.85	109.60	48.25	2.9
5	流量/(g/s)	82.79	1.24	1.24	85.28	2.9

表2 不同燃料喷嘴参数及边界条件

Tab. 2 Parameters and boundary conditions of different fuel nozzles

工况	孔数	压力面喷孔			吸力面喷孔
工况	孔数	面积/mm²	速度/(m/s)	流量/(g/s)	面积/mm²	速度/(m/s)	流量/(g/s)
基准型	压力面、吸力面各2孔	17.9	71.23	0.83	17.4	73.07	0.83
改型1	压力面、吸力面各4孔	34.9	36.57	0.83	34.4	37.05	0.83
改型2	压力面4孔	34.9	73.13	1.66	0	0	0
改型3	吸力面4孔	0	0	0	34.4	74.09	1.66

图3 各轴向位置截面速度基和动量基旋流数对比

Fig. 3 Comparison of swirl numbers of velocity base and momentum base at each axial position sections

图4 预混段3个轴向位置3个速度分量径向分布

Fig. 4 Radial distribution of three velocity components at three different axial positions

表3 不同空气流速及相应热功率工况

Tab. 3 Different air flow rates and corresponding thermal power conditions

参数	工况
参数	1	2	3	4
空气流速/(m/s)	18	35	50	75
折算热功率/(MW/MPa)	0.332	0.645	0.921	1.383

图5 不同空气流速下热释放率的云图

Fig. 5 Heat release rate at different air flow rates

图6 不同轴向位置截面的热释放率的积分分布

Fig. 6 Integral distribution of heat release rate of cross sections at different axial positions

图7 不同空气流速下燃烧中间产物OH基团质量分数云图

Fig. 7 Cloud pictures of mass fraction of OH groups in combustion intermediates at different air flow rates

表4 各形式燃料孔

Tab. 4 Different fuel hole structures

结构	压力面燃料孔个数	吸力面燃料孔个数
基准型	2	2
改型1	4	4
改型2	4	0
改型3	0	4

图8 不同燃料喷嘴配置下热释放率分布云图

Fig. 8 Distribution of heat release rate under different fuel nozzles

图9 不同燃料喷嘴配置下OH基团质量分数分布

Fig. 9 Mass fraction distribution of OH at different fuel nozzles

图10 4种不同头部结构的热释放率云图

Fig. 10 Heat release rate of four different head structures

图11 4种不同头部结构的燃烧中间产物OH基团的质量分数分布云图

Fig. 11 Cloud diagrams of mass fraction distribution of OH groups in combustion intermediates with four different head structures

图12 4种不同头部结构的燃烧最终产物H2O的质量分数分布云图

Fig. 12 Cloud diagram of mass fraction distribution of H2O, the final combustion product with four different head structures

图13 4种不同头部结构的轴向速度云图

Fig. 13 Axial velocity cloud images of four different head structures

图14 4种不同头部结构的轴向速度分量流线图

Fig. 14 Streamlines of axial velocity components of four different head structures

图15 3种不同头部结构的火焰传递函数幅值和相位

Fig. 15 Amplitude and phase of flame transfer function for three different head structures

参考文献 17

1	LEFEBVRE A H， BALLAL D R ．Gas turbine combustion：alternative fuels and emissions[M]．Karabas：CRC Press，2010． doi:10.1201/9781420086058
2	GOLDMEER J， YORK W， GLASER P ．Fuel and combustion system capabilities of GE’s F and HA class gas turbines[C]//ASME Turbo Expo：Turbomachinery Technical Conference & Exposition．Charlotte，North Carolina，USA：ASME，2017：64588． doi:10.1115/gt2017-64588
3	田晓晶，崔玉峰，邢双喜，等．预混段结构对旋流预混氢火焰回火形式影响的数值研究[J]．推进技术，2015，36(3)：345-351． doi:10.13675/j.cnki.tjjs.2015.03.004
	TIAN X J， CUI Y F， XING S X，et al ．Numerical investigation on effects of mixing zone structure on flashback type for swirl-premixed hydrogen flame[J]．Journal of Propulsion Technology，2015，36(3)：345-351． doi:10.13675/j.cnki.tjjs.2015.03.004
4	HUANG Y， YANG V ．Effect of swirl on combustion dynamics in a lean-premixed swirl-stabilized combustor[J]．Proceedings of the Combustion Institute，2005，30(2)：1775-1782． doi:10.1016/j.proci.2004.08.237
5	杨旸，陈明敏，刘潇，等．天然气低排放旋流燃烧室头部结构性能研究[J]．燃气轮机技术，2020，33(1)：25-31．
	YANG Y， CHEN M M， LIU X，et al ．Research on design and performance of swirl combustor for low emission natural gas turbine[J]．Gas Turbine Technology，2020，33(1)：25-31．
6	祝俊宗，胡羽，夏单城，等．改善低 NO _x 燃烧室预混均匀性的结构优化策略[J]．中国电机工程学报，2017，37(21)：6353-6362． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.162186
	ZHU J Z， HU Y， XIA D C，et al ．Structural optimization strategy of improving the premixing uniformity in a low NO _x combustor[J]．Proceedings of the CSEE，2017，37(21)：6353-6362． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.162186
7	YANG Y， NOIRAY N， SCARPATO A，et al ．Numerical analysis of the dynamic flame response in Alstom reheat combustion systems[C]//ASME Turbo Exposition：Turbine Technical Conference & Exposition．Montreal，Canada：ASME，2015：42622． doi:10.1115/gt2015-42622
8	YANG Y， LIU X， ZHANG Z H ．Large eddy simulation calculated flame dynamics of one F-class gas turbine combustor[J]．Fuel，2020，261：116451． doi:10.1016/j.fuel.2019.116451
9	管金，何宗泽，吕小静，等．30 kW微型燃气轮机发电机组启动实验研究[J]．发电技术，2021，42(4)：404-411． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21086
	GUAN J， HE Z Z， LÜ X J，et al ．Experimental study on startup of 30 kW micro gas turbine generator set[J]．Power Generation Technology，2021，42(4)：404-411． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21086
10	POLIFKE W ．Modeling and analysis of premixed flame dynamics by means of distributed time delays[J]．Progress in Energy and Combustion Science，2020，79：100845． doi:10.1016/j.pecs.2020.100845
11	GREGORY P S， DAVID M G， MICHAEL F，et al ．GRI-Mech 3.0[EB/OL]．Berkeley，CA：University of California，(2000-02-15)[2021-10-05]．．
12	ZIMONT V， POLIFKE W， BETTELINI M，et al. An efficient computational model for premixed turbulent combustion at high Reynolds numbers based on a turbulent flame speed closure[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1998，120：526． doi:10.1115/1.2818178
13	DOBBELING K， HELLAT J， KOCH H ．25 years of BBC/ABB/Alstom lean premix combustion technologies [C]//Turbo Expo：Power for Land，Sea，and Air．Nevada，USA：ASME，2005：201-213． doi:10.1115/gt2005-68269
14	CHONG L TAY WO， KOMAREK T， KAESS R，et al ．Identification of flame transfer functions from LES of a premixed swirl burner[C]//Turbo Expo：Power for Land，Sea，and Air．Glasgow，UK：ASME，2010：623-635． doi:10.1115/gt2010-22769
15	INNOCENTI A， ANDREINI A， FACCHINI B，et al ．Numerical analysis of the dynamic flame response of a spray flame for aero-engine applications[J]．International Journal of Spray and Combustion Dynamics，2017，9(4)：310-329． doi:10.1177/1756827717703577
16	ISERMANN R， MÜNCHHOF M ．Identification of dynamic systems：an introduction with applications[M]．Germany：Springer Science & Business Media，2010． doi:10.1007/978-3-540-78879-9_22
17	GUPTA A K， LILLEY D G， SYRED N ．Swirl flows[M]．Tunbridge Wells：Abacus Press，1984．

[1]	崔则阳, 孔祥玲, 付经伦, 施佳君. 一种基于图像的燃气轮机叶型参数测量方法[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 106-112.
[2]	杨旸, 郭德三, 李耀强, 张金琦. 燃气轮机贫预混多旋流组合燃烧室头部结构设计[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 183-192.
[3]	刘文斌, 李璐璐, 李晓金, 姚宣, 杨海瑞. 脱硫湿烟气喷淋冷凝过程中的参数优化研究[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 107-114.
[4]	吴荣辉, 刘冬, 郁冶, 牟凯龙, 赵兰浩. 基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合数值模拟方法[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 44-52.
[5]	张弘毅, 曲立涛. 9F级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 78-84.
[6]	孔文俊, 张艳森, 汤效平, 张伟阔. 大容量储能锂电池电芯产热特性研究[J]. 发电技术, 2022, 43(5): 801-809.
[7]	王泽旭, 李冰辰, 许瑶, 刘倩, 李凯璇, 巨星. 基于过冷相变材料热开关的锂离子电池热管理系统[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 328-340.
[8]	金云峰, 刘超, 邓高峰, 关运龙, 郝建刚, 黄海舟, 蒋东翔. 燃气轮机进气过滤系统维修周期经济性分析[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 119-125.
[9]	高垚楠, 陈海峰, 王建永. 一种新型CO₂工质冷热电联供系统的热力性分析[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 131-138.
[10]	戴春喜, 梁平, 车德勇, 刘海婷. 蜂窝管湿式电除尘器内部流动特性研究[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 155-159.
[11]	廖志荣, 李朋达, 田紫芊, 徐超, 魏高升. 非均匀翅片对级联相变储热系统热性能强化的研究[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 83-91.
[12]	王立, 张智, 施瑶璐, 徐超, 孙杰. 基于数值仿真的抛物槽式太阳能集热器研究进展[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 643-652.
[13]	赵峰, 孙明兴, 郝哲峰, 车德勇. 基于计算颗粒流体力学的旋风分离器结构优化[J]. 发电技术, 2021, 42(5): 637-642.
[14]	白明亮, 张冬雪, 刘金福, 刘娇, 于达仁. 基于深度自编码器和支持向量数据描述的燃气轮机高温部件异常检测[J]. 发电技术, 2021, 42(4): 422-430.
[15]	邱彬, 付经伦. 燃气轮机排气扩压器研究现状[J]. 发电技术, 2021, 42(4): 437-446.