燃气轮机贫预混多旋流组合燃烧室头部结构设计

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21123

发电技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (2): 183-192.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.21123

燃气轮机贫预混多旋流组合燃烧室头部结构设计

杨旸¹^,², 郭德三³^,⁴, 李耀强⁴, 张金琦⁴

^1.中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室，北京市海淀区 100190
^2.中科南京未来能源系统研究院，江苏省南京市 210000
^3.同济大学机械与能源工程学院，上海市嘉定区，201804
^4.新奥能源动力科技(上海)有限公司，上海市浦东新区 201306

收稿日期:2022-03-20 出版日期:2023-04-30 发布日期:2023-04-28
作者简介:杨旸(1984)，女，博士，主要研究方向为燃气轮机燃烧方向设计，yybelinda0000@163.com；
郭德三(1985)，男，高级工程师，博士生研究生，主要研究方向为燃气轮机燃烧方向设计，guodesan@ENN.com；
李耀强(1989)，男，硕士，主要研究方向为燃气轮机燃烧方向设计，liyaoqiang@ENN.com；
张金琦(1992)，女，硕士，主要研究方向为燃气轮机燃烧室设计，zhangjinqi@enn.cn。
基金资助:
国家重大科技专项资助项目(J2019-III-0020-0064)

Design of Lean Premixed Multi-Swirl Combustor Dome Structure for Gas Turbine

Yang YANG¹^,², Desan GUO³^,⁴, Yaoqiang LI⁴, Jinqi ZHANG⁴

^1.Advanced Gas Turbine Laboratory, Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China
^2.Nanjing Institute of Future Energy System, Nanjing 210000, Jiangsu Province, China
^3.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Jiading District, Shanghai 201804, China
^4.ENN Energy Power Technology (Shanghai) Co. , Ltd. , Pudong New Area, Shanghai 201306, China

Received:2022-03-20 Published:2023-04-30 Online:2023-04-28
Supported by:
National Science and Technology Major Project(J2019-III-0020-0064)

摘要/Abstract

摘要：

根据势流理论对5种不同结构的多头部旋流器进行了讨论，从联焰、壁面温度、流场的角度选取其中3种形式的方案进行进一步的数值模拟研究，利用计算流体方法考察其主级和中心值班级燃烧器旋向对燃烧特性的影响。结果表明：主级采用不同旋向时有利于联焰，但非对称流场会出现热斑，对满负荷状态下NO _x 污染物以及火焰筒冷却带来影响；当仅有值班级旋流与主旋旋转方向不一致时，郁金香形状火焰较长；当全部旋流器(主旋加值班级)的旋向相同时，仅有一个郁金香形火焰；当相邻两主旋旋转方向不同时，产生稳定的一对郁金香形火焰与一对开火焰。

关键词: 燃气轮机, 旋流预混燃烧室, 多头部结构, 势流理论, 燃烧特性, 数值模拟

Abstract:

Five kinds of multi-head burners with different structures were discussed according to potential flow theory in this paper. Three cases were selected for further numerical simulation from the consideration of cross fire, wall temperature and flow field. The influence of the rotation direction of the main stage and central class burner on the combustion characteristics was investigated by computational fluid method. The results show the rotation direction of the main swirlers are beneficial to the cross fire, but it will cause hot spots in the asymmetric flow field, which will affect the NO _x emission and the cooling of the liner. The tulip-shaped flame is longer when the pilot swirler is counter rotating with main swirlers. When all swirlers rotate in the same direction, there is only one tulip-shaped flame. If the rotations of two adjacent main swirlers are different, a stable pair of tulip-shaped flames and a pair of open flames are produced.

Key words: gas turbine, swirled premixed combustor, multi-head structure, potential flow theory, combustion characteristic, numerical simulation

中图分类号:

TK 472

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.

Yang YANG, Desan GUO, Yaoqiang LI, Jinqi ZHANG. Design of Lean Premixed Multi-Swirl Combustor Dome Structure for Gas Turbine[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(2): 183-192.

图/表 21

图1 同旋向及反旋向(偶极子)燃烧器

Fig. 1 Vortex and counter rotating vortex (dipole) burners

图2 同旋向和反旋向布置流线图和速度大小分布

Fig. 2 Streamlines and velocity magnitude contours of vortx and counter rotating vortex structures

图3 2种旋向的x, y方向速度分布随头部间距变化

Fig. 3 Velocity distribution in x and y direction varies with the head spacing in two rotating directions

图4 头部喷嘴布置示意图(沿逆流方向)

Fig. 4 Head nozzle arrangement structure (opposite direction of coming flow)

图5 不同旋向配置流线和流速分布(沿逆流方向)

Fig. 5 Streamlines and velocity magnitude in different rotational configurations (viewing from downstream to upstream)

表1 不同燃料喷嘴参数及边界条件

Tab. 1 Parameters and boundary condition of different fuel nozzle

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

图6 值班燃烧器和旋流器叶片

Fig. 6 Structure of pilot burner and vane

表2 不同多头部算例的结构差异

Tab. 2 Structure of different multi-head Cases

算例	旋流排布(图5)	每叶片喷嘴数目	中心体端面	主旋旋向	值班级旋向
1	(a)	4	平面	4CW	1CW
2	(a)	8	平面	4CW	1CW
3	(a)	8	椭圆面	4CW	1CW
4	(b)	8	椭圆面	4CW	1CC
5	(f)	8	椭圆面	2CW2CC	1CW

图7 不同算例的详细结构

Fig. 7 Detailed structure of different cases

图8 算例1、2、3的反应进程变量

Fig. 8 Process variables of case 1, 2, 3

图9 算例1、2、3的热释放速率

Fig. 9 Reaction rate of case 1, 2, 3

图10 算例1、2、3的轴向速度

Fig. 10 Axial velocity of case 1, 2, 3

图11 壁面绝热静温

Fig. 11 Wall adiabatic static temperature

图12 算例2、3静温1 800 K等值面

Fig. 12 Static temperature 1 800 K iso-surface of case 2, 3

图13 算例3、4、5的反应进程变量

Fig. 13 Process variables of case 3, 4, 5

图14 算例3、4、5的热释放速率

Fig. 14 Reaction rate of case 3, 4, 5

图15 算例3、4、5的轴向速度

Fig. 15 Axial velocity of case 3, 4, 5

图16 算例3、4、5静温为1 800 K的等值面case 3, 4, 5

Fig. 16 Static temperature 1 800 K iso-surface of

图17 静温为1 800 K的等值面(红色)和轴向为-5 m/s的等值面(灰)

Fig. 17 Iso-surface with static temperature of 1 800 K (red) and axial velocity of -5 m/s (gray)

图18 热释放率随轴向距离的变化

Fig. 18 Variation of reaction rate with axial distance

图19 静压随轴向距离的变化

Fig. 19 Variation of static pressure with axial distance

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