鳳云仙，馮珍珍，田曉晶，楊安建，宋超

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

雙徑向反向旋流器燃燒室冷態(tài)流場數(shù)值研究

鳳云仙，馮珍珍，田曉晶，楊安建，宋超

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

文章采用數(shù)值模擬的方法對一種新設(shè)計(jì)的雙徑向旋流器燃燒室的冷態(tài)流場進(jìn)行了研究，并對旋流器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和驗(yàn)證。研究表明：雙徑向反向旋流器能在燃燒區(qū)形成有效的回流區(qū)，同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)了燃料空氣混合，有利于污染控制。從旋流數(shù)來看，燃燒區(qū)旋流數(shù)均大于0.6，旋流強(qiáng)度足以形成有效的回流區(qū)用于穩(wěn)燃。最后文章研究了此結(jié)構(gòu)下兩級旋流器的流量系數(shù)并與初始設(shè)計(jì)用值進(jìn)行了比較。

反向旋轉(zhuǎn)旋流器，數(shù)值模擬，旋流數(shù)，流量系數(shù)

0 前言

在現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)中，數(shù)值分析計(jì)算已經(jīng)作為一種有效的手段應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程的各個(gè)階段。數(shù)值分析的重要作用不僅體現(xiàn)在可以節(jié)省研發(fā)費(fèi)用和時(shí)間上，而且可以對復(fù)雜問題提供更深刻的理解，而這些都是傳統(tǒng)的昂貴試驗(yàn)所不能提供的[1]。旋流器作為一種火焰穩(wěn)定機(jī)構(gòu)是燃燒室的重要部件，它的性能全面影響了燃燒室的綜合性能。在燃燒器初步設(shè)計(jì)完成后，可以通過數(shù)值分析手段對所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以使旋流器的設(shè)計(jì)達(dá)到目標(biāo)。

在現(xiàn)代干式低NOx（DLN）燃燒器中，有一種方式是采用多個(gè)旋流器的方法分區(qū)供入空氣，如多徑向旋流器或軸向旋流器或兩者的組合。對于雙徑向旋流器多采用反向旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)以加強(qiáng)混合[2]。西門子的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)SGT100-400系列采用單級徑向旋流來實(shí)現(xiàn)貧預(yù)混燃燒[3]。近年來為了滿足穩(wěn)定、寬范圍的燃燒發(fā)展了多級旋流器。國內(nèi)外不少專家對徑向旋流的特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種雙級徑向旋流器。采用數(shù)值模擬的方法，對已設(shè)計(jì)的雙級徑向旋流器在模型燃燒室中進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了旋流器第Ⅱ級葉片安裝角對燃燒性能的影響。文獻(xiàn)[5]中SHANWU WANG，VIGOR YANGANS利用RANS得到了徑向旋流器和試驗(yàn)相吻合的結(jié)果，但是有細(xì)微差別，比如在旋流器出口，RANS得到的速度場，在靠近軸線的內(nèi)部為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與初級旋流器的旋向一致，而靠近外側(cè)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與二級旋流器一致。但是用LDV得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在二級旋流器下游，一級和二級旋流器的氣流已經(jīng)充分混和，旋向僅為順時(shí)針方向。文章對混合的機(jī)理做了簡單闡述。M.N.Mohd Jaafar,K.Jusoff等[6]采用數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)的方法對直葉片和彎曲葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，對不同葉片的旋流數(shù)、流量系數(shù)等進(jìn)行了比較。Gordon E.Andrews等[7]采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法對四種葉片的旋流器進(jìn)行了研究，并比較了出口NOx的含量。但是，縱觀所有上述文獻(xiàn)，均未涉及雙徑向旋流器流量系數(shù)及流量分配的分析，而這卻是設(shè)計(jì)是否合理的關(guān)鍵因素。

為實(shí)現(xiàn)高效低污染燃燒，同時(shí)擴(kuò)大燃燒范圍，本文研發(fā)了一種雙徑向反向旋流器。本文利用ANSYS FLUENT軟件，采用數(shù)值模擬的方法對雙徑向反向旋流器的冷態(tài)流場特征進(jìn)行分析，并與文獻(xiàn)中的可靠結(jié)果進(jìn)行比較，為旋流器的優(yōu)化、改型提供支持。

1 結(jié)構(gòu)介紹

整個(gè)燃燒器為逆流環(huán)管式燃燒器，圖1為其中一個(gè)燃燒器的模型示意圖，壓氣機(jī)出口的排氣通過上下游兩級旋流器進(jìn)入燃燒器和燃料燃燒，而后和摻混孔進(jìn)入的空氣進(jìn)行混合，使燃?xì)鉁囟冗_(dá)到透平的設(shè)計(jì)入口溫度，摻混后的燃?xì)饨?jīng)過尾筒進(jìn)入透平做功。由于進(jìn)入旋流器的空氣直接參與燃燒，影響主燃區(qū)的燃空比、燃燒火焰溫度及污染物的排放，所以通過旋流器的空氣量必須精確控制達(dá)到設(shè)計(jì)值。圖2所示為上下游旋流器流體域的示意圖，空氣通過旋流器葉片之間的槽道旋轉(zhuǎn)進(jìn)入燃燒器，在燃燒器頭部形成大的回流區(qū)，穩(wěn)定火焰連續(xù)燃燒。

圖1 計(jì)算模型示意圖 （流體域）

圖2 上下游旋流器結(jié)構(gòu)示意圖 （流體域）

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，分塊劃分后合并網(wǎng)格，交界面采用interior處理，倒角和曲率大的面局部加密網(wǎng)格，所有壁面均加棱柱層網(wǎng)格。計(jì)算結(jié)果顯示（見圖3），整個(gè)模型壁面的Y+最大值為39.9。湍流模型的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法適用。

圖3 整個(gè)計(jì)算域壁面Y+值

2.2 計(jì)算模型及收斂

基本控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程及能量守恒方程。

數(shù)值計(jì)算采用FLUNET作為求解器，壓力速度耦合采用了隱式分離求解器SIMPLE算法，所有變量采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

湍流采用Realizable k-ε模型，近壁區(qū)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

計(jì)算中給出了進(jìn)口空氣流量及溫度，出口給定靜壓，操作壓力為燃燒器設(shè)計(jì)壓力。計(jì)算工質(zhì)為空氣，密度采用理想氣體模型。

收斂判定為所有殘差降到10E-4以下，并監(jiān)視進(jìn)出口壓差及出口流量的變化值小于0.1%。

3 結(jié)果分析

3.1 流線及旋向

圖4所示為經(jīng)過上下游旋流器氣流流線圖，從圖中可以看出經(jīng)過旋流器的氣流旋向與旋流器葉片的旋向是一致的，從進(jìn)氣側(cè)看，經(jīng)過上游旋流器氣流為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過下游旋流器的氣流為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。但是在經(jīng)過回流區(qū)后上游旋流器的氣流旋向變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)。圖5為下游旋流器出口截面（a）及處于回流區(qū)的典型截面（b）速度場分布圖。由圖中可以看出在下游旋流器出口附近，氣流旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榭拷行木€順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，靠近壁面處逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)氣流經(jīng)過回流區(qū)后，旋流方向只存在單一方向。這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[5]的試驗(yàn)結(jié)果是吻合的。

圖4 上下游旋流器流線分析

圖5 沿氣流方向兩個(gè)截面的速度場比較

3.2 回流區(qū)

圖6為整個(gè)計(jì)算域中心截面軸向速度云圖，從圖中可以清楚地看到中心回流區(qū)的邊界（Vx=0）。由于經(jīng)過旋流器的氣流做高速旋轉(zhuǎn)，在徑向方向形成很高的壓力梯度來平衡離心力，進(jìn)而在中心線周圍形成一個(gè)低壓區(qū)。在下游由于流道擴(kuò)張，速度減小，中心壓力恢復(fù)，在中心線附近又形成一個(gè)相反的壓力梯度，進(jìn)而引起氣流回流，形成中心回流區(qū)。除中心回流區(qū)外，由于突擴(kuò)作用氣流在內(nèi)筒突然擴(kuò)大的拐角處與主流形成一個(gè)漩渦區(qū)，稱為外回流區(qū)?；旌蠚怏w的燃燒主要受外回流區(qū)和中心回流區(qū)的控制，在二者之間的剪切區(qū)進(jìn)行燃燒[8]。所以掌握回流區(qū)的位置便于我們了解火焰產(chǎn)生的位置。

圖6 中心截面軸向速度云圖

由圖7看到中心回流區(qū)的軸向范圍為x=-0.2延伸到x=3.0?；亓鲄^(qū)徑向范圍的擴(kuò)展：x=0時(shí)，回流區(qū)位于Y/R=-0.1～0.1，慢慢擴(kuò)展，徑向范圍越來越大，當(dāng)x=2.0時(shí)達(dá)到最大，位于Y/R=-0.4～0.4，回流區(qū)范圍達(dá)到內(nèi)筒尺寸的40%，x=3.0時(shí)突然縮小，位于Y/R=-0.2～0.2，x=3.5時(shí)，回流區(qū)截止。后面的軸向速度分布趨于均勻。

圖7 中心截面軸向速度分布分析

3.3 旋流數(shù)分析

旋流數(shù)是表征渦旋流動(dòng)旋轉(zhuǎn)程度的一個(gè)重要的無量綱參數(shù)。Chigier與Beer定義了被廣泛采用的旋流數(shù)公式，見式（1）。

Vx為軸向速度；

Vθ為切向速度[9]。

后來的文獻(xiàn)[5]中，使用者忽略了壓力項(xiàng)，見式（2）。

為了簡化計(jì)算，本文中采用上式計(jì)算旋流數(shù)。

為了與文獻(xiàn)[3]中（原文Figure 5）的旋流數(shù)分布作比較，在上下游旋流器附近又取出10個(gè)截面，并計(jì)算每個(gè)截面上的平均旋流數(shù)，繪制成曲線（見圖8）。從原文中看出，兩級旋流器反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，從第一級旋流器下游至第二級旋流器下游，呈現(xiàn)出先減小，再增大，通過第二級旋流器后又緩慢減小。本次計(jì)算的旋流數(shù)變化規(guī)律與文獻(xiàn)中一致。

圖8 旋流數(shù)軸向分布

3.4 流量系數(shù)

在旋流器初始設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇一個(gè)流量系數(shù)Cd0，由此設(shè)計(jì)旋流器的實(shí)際通流面積。由于旋流器流量系數(shù)的影響因素眾多，所以在設(shè)計(jì)完成后通過數(shù)值模擬的方法來確認(rèn)實(shí)際的流量系數(shù)是一個(gè)高效的方法。文獻(xiàn) [7]Gordon E.Andrews給出了壓損和流量系數(shù)的幾個(gè)關(guān)系式，在本次計(jì)算中采用關(guān)系式 （3）對CFD的結(jié)果進(jìn)行后處理，得到上、下游旋流器的真實(shí)流量系數(shù)。

其中：

ma為通過旋流器的質(zhì)量流量，kg/s；

Cd為旋流器的流量系數(shù)，無量綱；

A2為旋流器的實(shí)際通流面積，m2；

ΔP為旋流器的壓損，Pa；

ρ為空氣密度，kg/m3。

本次設(shè)計(jì)中采用的雙徑向旋流器，在此主要根據(jù)CFD結(jié)果分析上、下游旋流器流量系數(shù)相比單旋流器流量系數(shù)Cd0的變化情況。

從CFD的后處理中可以得到通過每級旋流器的質(zhì)量流量ma及旋流器的壓損ΔP，由此計(jì)算出上下游旋流器的流量系數(shù) Cd1／Cd0＝0.833， Cd2/Cd0=1.25，上游旋流器相比單旋流器的流量系數(shù)減小，下游旋流器相比單旋流器的流量系數(shù)增大。根據(jù)計(jì)算出的流量系數(shù)Cd1、Cd2計(jì)算出新的旋流器實(shí)際通流面積，再進(jìn)行CFD驗(yàn)算，直到旋流器的流量及流量比達(dá)到設(shè)計(jì)值。

4 結(jié)論

本文通過CFD軟件對燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室雙徑向旋流器的流場特性進(jìn)行了研究，并對旋流器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和驗(yàn)證。對兩級徑向旋流器的流線及旋向進(jìn)行了研究，得到了與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果；對兩級徑向旋流器的回流區(qū)位置及大小進(jìn)行了研究，便于判斷火焰產(chǎn)生的位置；對兩級旋流器的旋流數(shù)及變化進(jìn)行了分析，得到了與文獻(xiàn)一致的變化規(guī)律；研究了兩級旋流器的流量系數(shù)，并根據(jù)計(jì)算所得流量系數(shù)修正旋流器幾何尺寸，直到旋流器的流量及流量比達(dá)到設(shè)計(jì)值。

[1]A.Widenhorn,B.Noll,M.Aigner.Numerical study of a non-reacting turbulentflow in agasturbinemodel combustor[J],AIAA 2009-647,2000.

[2]謝剛,艾松,陶健,等.重型燃機(jī)干式低NOx燃燒室設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題[J],東方電氣評論,2014,28（10）:65-72.

[3]H Alkabie.Design methods of the ABB ALSTOM POWER gas turbine dry low emission combustion system[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part A:Journal of Power and Energy,2005,214(4):293-315.

[4]李超,王成軍,張群杰.雙級徑向旋流器燃燒性能的數(shù)值研究[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2012,29（1）：34-37.

[5]S Wang,V Yang,G Hsiao,etc.Large-eddy simulations of gas-turbine swirl injector flow dynamics[J].Journal of Fluid Mech Chanics,2017,583(583):99-122.

[6]MNM Jaafar,K Jusoff,MS Osman,etc.Combustor aerodynamic using radial swirler[J].International Journal of the Physical Sciences,2011,6(13):3091-3098.

[7]GE Andrews,N Escott,M C Mkpadi.Radial swirler designs for ultra-low NOx gas turbine combustion[J].Asme Turbo Expo:Power for Land,Sea&Air,2008:277-289.

[8]A Abou-Taouk,S Sadasivuni,D L?rstad,etc.Evaluation of global mechanisms of LES analysis of SGT-100 DLE combustion system[J].Asme Turbo Expo:Turbine Technical Conference&Exposition,2013,1:V01BT04A036.

[9]林宇震.燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[10]H Lefebvre.Gas Turbine Combustion[M].New York:Taylor&Francis Press,1998.

Numerical Study on Non-reacting Flow in a Dry Low NOx Combustor with Contra-rotating Swirler

Feng Yunxian， Feng Zhenzhen， Tian Xiaojing， Yang Anjian， Song Chao

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In this paper,a non-reacting flow of a new designed dual-stage radial swirler in a gas turbine is investigated by numerical simulation.The important design parameters of the swirler are calculated and verified.The results showes that the contra-rotating swirler can form the recirculation zone in the combustion zone,at the same time,the reverse rotation strengthenes the mixing of air and fuel,which is beneficial to control the emission.From the swirler number,the swirl numbers in the combustion zone are greater than 0.6,the swirl intensity is sufficient to form the effective recirculation zone for stable combustion.At the last,this paper investigates the discharge coefficient of two stage swirler,and compares with those of the initial design.

contra-rotating swirler,numerical simulation,swirl number,discharge coefficient

TK16

A

1674-9987（2017）04-0020-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.005

鳳云仙 （1982-），女，碩士，工程師，現(xiàn)從事燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器設(shè)計(jì)CFD及實(shí)驗(yàn)工作。