燃气轮机燃油燃烧室改用双燃料流场数值分析

　　随着全球石油资源的日益匮乏,新能源技术的广泛开发利用,人们对燃气轮机燃烧室的工作性能提出了新的要求。建立能提高余热利用率的化学回热先进循环燃气轮机动力系统成为新的研究课题。在该循环中,燃气轮机排气余热被蒸汽发生器和燃料裂解器吸收,在催化剂的作用下,液态燃料和水蒸气进行裂解反应而生成气态小分子燃料(如H2、CO)和CO2等混合物,即裂解气燃料。然后将裂解气注入燃烧室燃烧。许多研究者报道该循环的热效率可以达到47%以上[1,2]。为了适应化学回热循环的要求,研制能够燃用液态和气态的双燃料燃烧室就成为一种必然。[1]

　　论文针对某燃油燃烧室原型进行双燃料燃烧室改造,重新设计燃料系统的组织方式,实现双燃料喷嘴的一体化结构思想[3]。为了验证改造方案的可行性,采用CFD技术对其燃烧流场进行分析,主要考察其温度分布、燃烧效率及壁面温度等重要流场参数。为进一步研究设计双燃料燃烧室提供理论支持。

　　1　几何模型及网格划分

　　燃烧室的结构如图1所示,为环管型燃油燃烧室。为了实现双燃料燃烧的要求,根据文献[4]中设计气体燃料喷嘴的原则,提出了如图2中的喷嘴结构,其中φ2的小孔处设计为液体燃料出口。由于燃烧室结构复杂,气膜冷却孔数量众多且尺寸很小,为了划分出计算机能接受的网格数量和提高计算精度,对气膜冷却孔部分进行了无壁厚处理,同时加密了冷却孔的网格,总网格数量控制在3×左右,如图3所示。

　　2　数值模型及燃烧预处理

　　2·1控制方程

　　双燃料燃烧室的燃烧过程是一个复杂的化学反应过程,它涉及湍流、液体燃料的雾化蒸发、燃料的裂解燃烧、辐射换热以及燃料颗粒与气相场的相互耦合等。根据需要,在保证计算精度的前提下,对物理模型进行简化。湍流采用标准κ-ε模型;液体燃料的雾化蒸发采用随机颗粒轨道模型,并忽略热泳力、Saffman升力和重力等;燃烧采用快速化学反应系统的简单概率密度函数(PDF)模型;忽略辐射换热的影响。其具体控制方程可用柱坐标下的非线性偏微分守恒方程[5,6]表示:

　　2.2湍流燃烧模型

　　湍流燃烧化学反应是个十分复杂的过程,即使是纯燃料的过程也包含几十个至几百个复杂的中间反应。由于计算条件和燃烧模型的限制,要计算出如此复杂的链式反应中各种中间产物和最终产物在空间各点的精确分布还相当困难。对燃烧室的模拟所考虑的重点仍是燃烧的热效应(如效率、温度和热流分布等),而化学反应对流动过程的影响也主要是由它的热效应引起的。针对这个特点,论文采用了可以绕过化学反应详细机理,而又满足实际需要化学平衡条件、“快速化学反应”假设和“简单化学反应系统”模型[7,8]。根据对湍流脉动的设想,燃烧过程采用事先给出的概率密度Beta函数形式下的简化概率密度函数(PDF)模型进行描述。双燃料燃烧室中,燃烧方式主要有三种情况:单独燃用液态燃料、气态燃料或两种燃料混合燃烧。在不涉及两种燃料的切换燃烧方式时,只考察单独燃用液态和气态燃料的流场结构。因此,液态燃料采用单纯的C7H16,而气态燃料采用化学回热循环中