《燃气轮机燃烧室》

燃气轮机中使喷入的燃料与从压气机来的高压空气混合燃烧从而形成高温燃气的设备。它能在近乎等压的条件下把燃料中的能量释放出来﹐直接加热工质(空气)以提高其作功能力。通常﹐它是用钢板和高温合金板料制成的。

燃烧过程的特点 为了适应燃气轮机轻小的等点﹐燃烧室的尺寸都设计得比较紧凑﹐一般它在单位时间和单位体积内能够燃烧释放出比常压锅炉大 10~300倍的热量﹐因而燃烧过程是在高热强度﹑高速流动的连续气流中进行的。此外﹐由于进入燃气透平的燃气初温的限制﹐供给燃烧室的空气流量与燃料流量的比值总是比理论燃烧条件下的配比关系大得多﹐而且气流的温度﹑压力和流速都随燃气轮机负荷的改变而发生较大幅度的变化﹐有时还要求同一个燃烧室能够兼烧多种燃料。这些特点使得燃烧过程甚难组织﹐为此必须采取特殊措施。否则﹐燃烧室会被烧坏﹐火焰容易被吹灭﹐燃料不能完全燃烧﹐火焰会伸得过长而烧毁燃气透平。

结构 燃烧室通常有圆筒型﹑分管型﹑环管型和环型之分。图 分管型燃烧室结构 中是一种分管型燃烧室。它由扩压段﹑外壳﹑火焰筒﹑燃料喷嘴﹑点火器和燃气导管等部件组成。在火焰筒上一般都装有旋流器﹐并开设一次空气射流孔﹑二次空气掺混射流孔和冷却空气射流孔。此外﹐为了把火焰筒安装在外壳中﹐还设置有定位组件。在分管型和环管型燃烧室中﹐为了点火传焰和平衡各燃烧室之间的压力﹐还装设有联焰管﹐使各火焰筒的燃烧空间能够彼此沟通。

工作过程 对于图 分管型燃烧室结构 中的燃烧室来说﹐由压气机(即压缩机)送来的高压空气﹐首先在扩压段中扩压降速﹐以减小气流流经燃烧室时的流阻损失﹐同时使火焰能在速度稍低的火焰筒中稳定地燃烧﹐以防被吹灭。进入燃烧室的空气分流成为几个部分逐渐流入火焰筒﹐以适应空气流量与燃料流量的比值总是比理论燃烧条件下的配比关系大很多的特点。其中之一称为"一次空气"﹐它分别由旋流器和一次空气射流孔流入火焰筒前端的燃烧区﹐与由燃料喷嘴供来的燃料混合和燃烧﹐转化成为1500~2000℃的燃气﹐这部分空气大约占进入燃烧室的总空气流量的25%﹔另一部分空气称为"冷却空气"﹐它通过许多排冷却空气射流孔﹐沿着火焰筒的内壁表面流动﹐形成冷却空气保护膜﹐与在外壳和火焰筒之间流动的气流一起﹐冷却高温的火焰筒壁﹐使其免遭烧坏。剩下的那部分空气则称为"二次掺混空气"﹐它由开在火焰筒尾部的掺混射流孔喷射到由燃烧区流来的高温燃气中去﹐以使燃气温度能够比较均匀地降低到燃气初温的设计值。这股燃气通过燃气导管送到燃气透平中去作功。调整各股空气流量的分配规律﹑改善燃料雾化质量及其与一次空气流的配比关系﹐设计良好的燃烧室和燃料喷嘴的结构﹐可以保证满意的燃烧性能。

燃气轮机燃烧室内部燃烧过程包含湍流、燃油雾化蒸发和混合、化学反应、燃气的辐射和对流、传热传质等多种现象，并且这些现象中，有的是相互耦合、相互作用的。

早期，燃烧室的设计主要依靠大量的试验和经验积累，并在此基础上发展了一维半经验和半分析的燃烧室设计方法。这种计算方法是适用和可靠的，但是需要较长的研制时间、较多的研制经费。

随着计算机、并行计算、计算流体力学（CFD）及计算燃烧学（CCD）等不断发展进步，使得模拟燃气轮机燃烧室内部燃烧过程成为可能。即便在现有条件下，通过测量的方法，也难以获得燃气轮机燃烧室内部的流动、温度、组分等详细分布的情况，数值模拟可以部分弥补上述不足。

虽然燃烧室内部流动非常复杂且伴随着化学反应、精确模拟非常困难，但仍然希望数值模拟能够部分替代试验，通过燃烧室的数值模拟，为燃烧室设计提供参考依据。

目前国内燃烧室设计已经达到经验分析、试验验证和计算分析相结合的程度，并向着计算分析为主，试验验证为辅的方向发展。

现在，计算已成为燃烧室设计不可缺少的一部分。在整个燃烧室研发的过程中，通过试验和CFD模拟相结合的方式，首先采用数值模拟对初步设计方案进行筛选、分析，发现存在的问题并提出相应的改进措施进行优化，然后再进行试验，从而达到节约研制经费、缩短研制周期之目的。

国外多家著名的燃气轮机公司在研发过程中非常重视燃烧过程模拟并且发展了他们自己的模拟工具。近二十年来，用于流动、传热、燃烧数值模拟的商用软件也有了巨大的发展，比如PHOENICS，CFX，FLUENT，STAR-CD，FLOW-3D等。这些商用CFD软件的出现，更加快速、广泛的推进了燃烧室研发人员通过商用软件来进行燃烧室燃烧过程数值模拟，加速燃烧室的研发过程和节约研发经费。

燃烧室燃烧仿真面临的困难主要在于：1）燃烧反应过程中化学组分多；2）模拟对象燃烧过程中长度尺度和时间尺度跨度范围大；3）化学反应的高度非线性和温度、反应物浓度的湍流脉动是耦合在一起的。

以碳氢燃料燃烧来说，反应中涉及的化学组分就多达上千种，为了在实际研发过程中模拟燃烧过程，必须有适当的简化机理来满足现有计算条件且尽可能准确的捕捉燃烧过程。一般地，燃烧室的特征长度在几百毫米左右，但燃烧过程中最小的湍流特征长度只有几十微米，相差千倍以上，为了精确模拟该过程，即使采用直接数值模拟（DNS）也是相当困难的，因为计算量惊人。

在实际燃烧室研发过程中，多采用大涡模拟（LES）或雷诺平均（RANS）的方式来解决以减少计算量，采用RANS的方式就不可避免的需要采用湍流模型，大涡模拟中也需采用亚格子模型，上述这些湍流模型对于燃烧过程中流动结构的发展、演化有重要的影响。

至于化学反应与组分浓度、温度的湍流扰动的相互作用，需要采用燃烧模型来解决。根据燃烧过程中燃料和氧化剂的不同进入方式可以分为预混燃烧、非预混燃烧、部分预混燃烧，可以根据不同的燃烧方式选择合适的燃烧模型。

也可根据化学反应速度分为快速反应的模型和有限反应速度的模型，若只考虑流场和温度场，可以选用快速反应的模型，若还需考虑组分浓度分布，则应选择有限反应速度的模型。如果燃料形态是液体，还需考虑液体的喷雾及蒸发过程。

此外，燃烧室燃烧过程中，产生的热有一部分通过辐射的方式传递给火焰筒壁面，准确预测壁面温度选用适当的辐射模型很重要。

上述简要介绍了燃烧室数值模拟过程中相关的化学反应机理、湍流模型、燃烧模型、辐射模型。一般来说，上述模型都是通过计算域内的网格为基础单元进行离散求解获得相应的解，可以说网格是数值模拟的基础，对模拟对象进行良好的网格划分既基础、又重要。适当计算域的选择和准确边界条件的给定，也是燃烧过程准确模拟的必要因素。

CAE分析大系 ANSYS CFD疑难问题实例详解

作者：胡坤 顾中浩 马海峰