R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟

航空发动机

1引言

燃气轮机燃烧室的传统设计

方法主要是依靠经过分析、总结的大量试验数据后，得到的经验公式，而由此设计出的方案还要再通过反复试验来验证

、完善及筛选。因此，传统燃烧室设计需要耗费大量时间、

人力、物力和财力[1]。近来，计算流体力学和计算燃烧学的迅速发展以及计算机商业软件的广泛应用，使得以计算机模拟、诊断技术研究为主的新型设计方法逐步趋向成熟，虽然

目前还不能替代传统的设计方法，但可作为辅助设计手段，以缩短燃烧室设计周期，减少设计费用。

本文在已有燃烧室试验结果

的基础上，使用Fluent 软件，对R0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒内部的流场进行了全尺寸的三维数值模拟计算，并与试验结果进行了比较分

齐兵（1981），男，主要从事燃气轮机燃烧室设计工作。

收稿日期：2008-05-13

R0110重型燃气轮机燃烧室

三维数值模拟

齐兵，金

戈，顾铭企

（沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

摘要:采用SIM PL E 算法，应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率/涡耗散化学反应模型，对R 0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。将计算出的燃烧室出口温度场的分布、

品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致，火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。计算和对比分析的结果表明，计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。

关键词：燃烧室；数值模拟；重型燃气轮机；温度场；品质；壁温

3D Numerical Simulation of R0110Heavy Duty Gas Turbine Combustor

QI Bing,JIN Ge,GU Ming-qi

(Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China)

Abstract:3D numerical simulation of the single liner was performed for the R0110heavy duty gas turbine reverse-flow cannular combustor using SIMPLE algorithm based on k-εtwo-equation turbulent model with turbulent corrected and finite-rate/eddy dissipation chemistry reaction model.The comparative analyses between the calculation and experiment results with the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the liner

wall temperature were conducted.The aerodynamic parameters of the combustor inlet flow,temperature and pressure etc.were consistent with the test values.The air flow distributions of the liner were determined according to the experimental results.The results of the calculation and comparative analysis show that calculation results of the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the distribution of liner wall temperature approach to the experimental results.

Key words:combustor;numerical simulation;heavy duty gas turbine;temperature field;quality;wall temperature

28/29

2009年第35卷第4期Vol.35No.4Aug.2009

航空发动机

析，主要目的是评估计算结果与试验结果的一致性，同时也为今后同类型燃烧室计算积累经验。

2燃烧室简介

R0110重型燃气轮机的燃烧室为逆流环管型（其结构如图1所示），位于压气机的外侧，以缩短燃气轮机轴向长度；主要由燃烧室气缸、沿周向均布的20个火焰筒及喷嘴组件等组成。

该燃烧室设计采用了目前较为先进的干低排放技术，每个火焰筒（其立体图如图2所示）均是分级、分区组织燃烧，以降低污染物排放。

第I级为带8个微型涡流器的环形火焰筒，燃烧方式为扩散燃烧。在低状态下，只有环形火焰筒工作，以保证燃烧完全，降低CO和UHC的排放。

第II级为带有1个主涡流器的管型主火焰筒。主涡流器前安装有8个气体燃料喷杆，喷杆喷出的燃料与空气一起，经主涡流器进入火焰筒燃烧区，形成预混燃烧，以便控制燃烧区火焰温度，降低NOx的排放。

考虑到贫油预混燃烧的不稳定性，在主火焰筒中心还安装了1

个值班气体燃料喷嘴，形成扩散

燃烧，防止燃烧室工作时熄火。

3数学模型

对于所有的流动，FLUENT都

是解质量和动量守恒方程。对于

包括热传导或可压性的流动，需

要解能量守恒的附加方程；对于

包括组分混合和反应的流动，需

要解组分守恒方程或者使用PDF

模型，来解混合分数的守恒方程

以及其方差；当流动是湍流时，还

要解附加的输运方程。

连续性方程、动量方程、能量

方程、气相组分方程及k-ε方程

在柱坐标系中的统一形式可以表

示为

鄣ρu

鄣鄣

φ+鄣rρν

鄣鄣

φ+鄣ρw

鄣鄣

φ=

鄣│Г

φ

鄣φ│+鄣

│rГ

φ

鄣φ

鄣r

│+鄣

r鄣θ

│

Г

φ

1

r

鄣φ

鄣x

│+S

φ

（1）

式中：φ为流动物理

量；Г

φ

为有效扩散

系数；S

φ

为源项；x、r、

θ分别为轴向、径向、

周向坐标；u、ν、w分别为x、r、θ方

向的速度；ρ为气体密度。

当φ=u、ν、w、k、ε、f和h时，分

别对应于x、r、θ方向的动量方程、

湍流动能方程、湍流动能耗散率

方程、组分质量分数方程和能量

方程；当φ=1、Г

φ

=0时，为连续

方程。各方程中Г

φ

和S

φ

的表达

式请参阅文献[2]。

4计算域

考虑到该燃烧室结构复杂且

尺寸较大，为控制网格数量，计算

域仅选取1个完整的火焰筒内

部，即未包括2股腔道部分。按照

火焰筒实际尺寸，用Gambit软件

进行建模及网格划分。Gambit中

生成的计算域如图3所示。整个

计算域划分后的网格节点数量为

220万左右。

在建模中，进行了如下简化，

以便于网格划分：过渡段的结构；

冷却气膜孔简化为等面积的气膜

环；主燃孔和掺混孔简化为等面

积的方孔；未模拟过渡段背部及

出口安装边的冷却孔。

5边界条件

5.1燃料

在计算中，使用100%的甲烷

代替成分较为复杂的天然气，主

要是考虑到计算机硬件配置问题

图1燃烧室简图图2火焰筒

图3计算域实体

2009年第35卷第4期Vol.35No.4Aug.2009