双燃料燃气轮机喷嘴结构设计与数值模拟.pdfVIP

高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集 编号：C-100024 双燃料燃气轮机喷嘴结构设计与数值模拟 杨洪磊 郑洪涛 （哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨，150001 ） 摘 要：本文针对化学回热循环燃气轮机燃烧室，设计了几种双燃料喷嘴结构，应用RNG（重整化群） k-ε 双方程湍流模型、PDF燃烧模型以及SIMPLE 算法，借助CFD技术对采用这几种不同喷嘴结构的燃烧室燃烧流 场进行了数值模拟与对比分析。通过对这几种喷嘴结构模型的火焰长度、高温区的位置、壁面温度、出口温 度场的均匀性等关键影响因素的对比分析表明：采用斜气孔气体燃料旋流双燃料喷嘴，可以在气体流道中产 生预旋气流，使裂解气与空气能更好地进行掺混燃烧，同时避免了火焰烧到喷嘴和火焰筒壁面，出口温度场 也更均匀。 关键词：化学回热循环燃气轮机；燃烧室；双燃料喷嘴；数值模拟 1 引言 化学回热循环燃气轮机可以充分利用排气余热来提高循环热效率和输出功率，减少NOx 排放[1-4] 。化学回热循环燃气轮机(CRGT)的工作方式决定其燃烧室采用双燃料系统。燃气轮机 启动过程采用燃油燃料点火启动；到一定工况时，燃气轮机排气温度被回收利用，以之加热 蒸汽和燃料并使其反应形成裂解气，燃烧室呈现双燃料燃烧状态；运行稳定后，燃烧室只燃 用裂解燃料。因此，化学回热燃气轮机要求燃烧室不但具有单独燃用燃油或裂解气燃料的功 能，还具有两种燃料混烧的功能[5] 。喷嘴作为燃烧室的重要组件，其性能的优劣将直接影响点 火、燃烧效率、燃烧稳定性、温度分布和排气污染等方面的性能，同时也会影响火焰筒和涡 轮叶片的寿命[6] 。因此，在使用双燃料燃烧系统的燃烧室中，设计出与之配套的双燃料喷嘴， 使火焰长度短、火焰筒壁面无过热区、出口温度场均匀，是进行燃油燃烧室改造、实现燃气 轮机化学回热循环的关键。 本文针对化学回热循环燃油燃气轮机燃烧室，在保证喷嘴接口尺寸不变、火焰筒结构不 变和燃烧室出口焓值不变的前提下，设计出一套新型双燃料喷嘴，使其既可以单独燃用燃油 或裂解气，又可燃用油气混合燃料。为验证和优化作者提出的设计方案，本文采用 CFD 技术 对多种喷嘴结构和安装位置的燃烧室燃烧流场进行了数值模拟研究和对比分析。 2 燃烧室几何模型及网格划分 本文采用的模型是回流式环管型燃烧室，由于模型的周期性，为减少计算工作量，取其 中一个火焰筒、采用周期边界进行数值模拟。燃烧室的三维实体模型如图 1 所示。 本文用非结构化混合网格对模型进行划分。在网格划分时,首先对模型采用了分区切割的 方法，对每个分区单独进行网格划分，并用尺寸函数来保证网格的合理过度，同时适当增加 了喷嘴附近以及火焰筒壁面气膜冷却孔的网格数量，其它区域用粗网格处理。如图 2 和图 3 -5 所示，燃烧室的网格生成总数约 400 万，计算收敛精度均为 10 。 图1 燃烧室几何模型图 图2 网格生成图 图3 燃烧室局部网格生成图 3 数值模拟方法与边界条件 假设在设计工况下，燃烧室内部流场为三维稳态湍流流场。本文在数值模拟时采用 SIMPLE算法进行N-S方程的求解，湍流模型采用重整化群k −ε k −ε [7][8] （RNG ） 双方程湍 流模型，燃烧模型采用非绝热的PDF模型。对控制方程采用一阶迎风差分格式进行离散，壁面 处理采用标准壁面函数法以减少壁面网格数量。 数值模拟过程中的计算边界条件处理如下[9] ： (1)空气进口：给定进口处的质量流量、压力、温度、水力直径及平均混合分数。 (2)