燃烧丨西工大&624所：燃气轮机掺氢预混燃烧室动态压力特性试验与数值模拟研究

随着全球气候变暖日益严峻与燃气轮机技术的发展，在燃气轮机中应用氢燃料是响应双碳战略，促进绿色低碳发展的有效途径。氢能作为清洁能源载体，作为燃料一方面可显著降低燃气轮机的碳排放，并有助于推动氢能经济发展。另一方面由于天然气燃料燃气轮机技术成熟，其设计与控制技术可为掺氢燃料燃气轮机的研究提供支撑，且只需对现有设备进行适度改造，可有效降低成本。与天然气相比，氢气具有较高的绝热火焰温度、可燃性和层流火焰速度，极大地增加了自燃与回火的倾向，并导致燃烧不稳定现象更容易发生，因此，解决掺氢燃料的燃烧不稳定问题是发展掺氢燃料燃气轮机的重中之重。

但由于氢气和天然气物理特性与化学属性差异，高混合比例的掺氢燃料用于燃气轮机时，由于氢气的热释放速率与火焰传播速度快，同时贫预混燃烧技术要求燃烧区当量比较低，火焰易受不稳定声压振荡与火焰热释放率脉动耦合影响，进而可能产生燃声自激振荡现象。

掺氢比例（体积分数）成为燃烧性能的重要影响因素，成为各国学者的研究热点。SHIH等对掺氢比例为0~90%的燃烧室燃烧与排放性能进行了数值计算研究，发现低掺氢比例有利于燃烧效率。PATEL等通过试验发现，掺氢燃烧后，CO排放量显著降低，而火焰长度变短。WU等发现当甲烷中加入氢时，火焰温度升高，而火焰长度会缩短。ZHENG等对甲烷掺氢预混火焰传播进行了数值研究，发现当氢含量从0%增加到50%时，火焰呈喇叭口形，而氢含量为100%时，火焰会变得扭曲。LI等通过改变初始压力和掺氢比例，研究了不同当量比（0.8、1.0、1.4）条件下的甲烷氢火焰特性。结果表明，氢的加入增强了热不稳定性和与流动不稳定性的影响。BOURAS等表明，随着燃料混合物中氢气的加入，扩散火焰中火焰温度的峰值增大。JONES等利用环形燃烧器进行了试验，发现掺氢比为34.7%的掺氢燃料不会发生回火现象。李祥晟等对天然气燃气轮机燃烧室改用氢燃料时性能变化进行数值研究，发现在保持输出功率不变情况下，掺氢比例达到40%时会产生回火问题。秦琨等基于现役某型工业低排放燃气轮机结构用数值模拟方法分析了燃料中氢气比例对低排放燃烧室性能的影响，研究表明：在1.0额定工况，掺氢比小于等于30%时，燃烧室不发生回火，喷嘴内部和火焰筒肩部回流区的温度以及燃烧室的总压损失随掺氢比的升高而升高；当掺氢比大于30%时，燃烧室发生回火，喷嘴和火焰筒肩部回流区温度、总压损失、NO_x排放体积分数大幅升高。王鑫慈采用贫燃预混燃烧技术，对纯甲烷和不同掺氢比例的氢气甲烷混合燃料在低排放燃烧室中的燃烧特性及污染物排放特性进行了研究。结果表明：燃料掺氢比例对流场结构产生较大的影响，燃料掺氢比例和当量比越大，越容易发生自燃或回火现象。马勤勇等对氢气掺混比为0~100%时的燃气轮机的运行特性与能耗特性进行了计算分析，认为燃气轮机功率、比功与发电效率均随氢气体积分数的升高而提升。贾亮等通过定容燃烧弹高速纹影装置对不同掺氢比例的火焰稳定性进行了研究，发现高掺氢比例下火焰表面出现大量明显裂纹与凹坑，低掺氢比例时火焰稳定性更好。崔耀欣等对F型燃气轮机燃烧器进行了全温、全压、全流量天然气掺氢燃烧试验，发现加入20%以内氢含量，可以满足排放与稳定性要求。赵昊等基于DLN1.0燃烧室，通过数值计算的方式研究了掺氢比例为0~30%时火焰筒流场、温度场与燃烧产物分布，发现随着掺氢比例的升高，CO与CO₂排放量显著减少，但火焰筒出口温度变差，NO_x排放增加。

燃烧室热声振荡问题涉及多种物理和化学过程，具有很强的非线性特征。燃烧室热声振荡的相关研究主要基于数值模拟线性分析和试验数据分析。高贤智等利用三维有限元声学仿真对单扇区、扇形、全环燃烧室典型工况的热声稳定性进行了预测，并建立了三种燃烧室热声振荡特性之间的联系。马静等通过实验对甲烷-空气预混旋流火焰的燃烧不稳定性模态转换现象进行了研究。研究发现随着当量比增加，脉动幅值大幅增加，发现当量比渐增到0.72附近时，燃烧有明显的模态转换，压力脉动主频由264Hz突变为187Hz，脉动幅值大幅增加。发现模态转换前平均火焰为喇叭形，转换后为“M”型，模态的转换与涡脱落模式有重要关系。隋永枫等对某型轴向分级燃烧室在高温高压条件下进行了热声稳定性试验。利用时频域分析方法和相空间重构分析法研究了燃烧室内热声特性的变化趋势。

因此，在掺氢燃烧室设计初期，利用试验手段掌握燃料掺氢比和湍流脉动速度对热声特性的影响规律具有十分重要的意义。本文基于某型燃气轮机燃烧室结构尺寸与工况数据，针对不同掺氢比例与湍流脉动速度下声学特性进行试验与数值计算研究，为下一阶段掺氢燃料热声不稳定研究提供试验数据支撑。

1.1 燃烧室结构

本文设计的掺氢预混燃烧室试验模型结构如图1所示，由旋流器、头部法兰、火焰筒、后法兰组成。旋流器轮毂直径为12mm，包括12个直中空旋流叶片，其叶片厚度为1.25mm，旋流角度为40°。每个中空叶片上有两个直径为0.4mm且等距分布的燃料喷射孔，燃料从中空叶片的燃料喷射孔中沿叶面法向喷出，在旋流器中与空气充分混合；燃烧区域为长195mm、宽58.5mm、高58.5mm的长方体区域，点火器位于Z=45mm的火焰筒上壁面处；引压管为内径6mm的细长管，可通过动态压力传感器测量声压变化。

图1 掺氢预混燃烧室结构

1.2 试验系统与工况

掺氢预混燃烧室试验系统与平台如图2、图3所示，由供气系统、燃料系统、点火系统、控制系统、试验段、测量系统、排放系统组成。供气系统主要由空压机、进气管路、调节阀、质量流量计组成，可为试验提供空气来源。燃料系统由天然气罐、氢气罐、燃气管路、质量流量控制器、混合罐组成，可为试验提供不同掺氢比例的燃料。控制系统承担空气流量、燃气组份与流量的调节与点火控制。排放系统通过抽吸收集废气，并做无害化处理。

图2 试验系统示意图

图3 掺氢预混燃烧室试验平台

测量系统主要由动态压力传感器组成，测量频率为10kHz，采用半无限长管法减弱声波反射，从而提高声压测量精度，并通过3个测点测量燃烧室不同位置处动态压力，动态压力的三个测点分别在Z=45mm的火焰筒下壁面、Z=103mm的火焰筒上下壁面处，测点位置如图4所示。

图4 动态压力测点位置

通过该试验平台，对掺氢预混燃烧室进行了不同掺氢比例与不同进口湍流脉动速度工况的动态压力进行了试验测量。根据某型燃气轮机燃烧室工况，保证进口马赫数与出口平均温度不变，改变燃料中天然气与氢气的体积分数来调节掺氢比例；通过改变空气流量，并调整燃料流量保证燃空比不变，达到改变旋流器进口处湍流脉动速度的目的。雷诺数定义公式如下

受试验条件限制，试验的掺氢比例范围为0~50%（序号1~6），进口湍流脉动速度为0.10m/s，0.12m/s，0.14m/s （序号7，序号4，序号8），具体试验工况见表1,其中进口空气压力为101.325kPa,进口温度为298K。

表1 试验工况表

1.3 频谱分析方法

快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）是一种高效的算法，用于计算离散傅里叶变换（discrete Fourier transform，DFT）及其逆变换。傅里叶变换是将信号从时域转换到频域的基本工具，可以将动态压力传感器测量的高频动态压力信号转化为频域分析。在燃烧声学领域，频谱分析是理解声音特性的重要手段。通过对时域信号进行FFT处理，可以获得频率成分的幅度和相位信息，展示了声音的频率分布。因此，本文采用快速傅里叶变换对采集的动态压力信号进行分析。

2.1 不同掺氢比例下的动态压力频谱

通过快速傅里叶变换将动态压力结果转化为频域，不同掺氢比例在测点1处的动态压力频谱如图5所示。从试验数据中可以看出:随着掺氢比例从0%提高到30%,动态压力的低频振荡频率集中在70~76Hz，幅值逐渐由82.2Pa降低到21.4Pa，而高频振荡幅值增强并不明显，说明在低掺氢比例下，氢气的加入会减弱动态压力的低频振荡。随着掺氢比例从30%提高到40%，动态压力的波动主频从75.36Hz跃升到197Hz,出现模态转换现象。在工况变化时,燃烧振荡状态由一个稳定状态突变为另一个状态,脉动主频和幅值均有变化，该现象称为模态转换。掺氢40%引发的模态转换（75.36Hz→197Hz）本质是氢燃料的高反应性与燃烧室声学特性协同作用的结果，其后果威胁发动机可靠性与排放性能。当高频压力振荡接近燃烧室结构固有频率时，可能引发共振，导致火焰筒或喷嘴疲劳裂纹；燃烧性能恶化，高频振荡破坏燃料-空气掺混均匀性，燃烧效率下降，局部高温区持续时间延长，热力型NO_x生成速率显著提升。随着掺氢比例提高，动态压力的低频振荡减弱，而高频振荡增强，主频由70.74Hz提高到193.9Hz，这意味着掺氢比例提高会使燃烧室动态压力从低频转至高频，高频振荡能量提高，燃烧室更易产生不稳定现象。这是因为随着掺氢比例的提高，燃料燃烧速度提高，火焰传播速度提高，在相同进口条件下，火焰更难保持稳定。因此，在高掺氢比例下，需要重点研究动态压力的高频特征并对其开展抑制研究。

图5 不同掺氢比例测点1处动态压力脉动频谱图

为分析燃烧室内不同位置处的声学特性，针对掺氢比例50%工况，提取其动态压力测量数据与分析数据，对燃烧室不同位置处测点处动态压力提取并分析（如图6、图7所示）。

图6 50%掺氢比例动态压力测量结果

图7 50%掺氢比例各测点动态压力频谱图

掺氢比例为50%时，燃烧室内动态压力振荡幅度最大可达3444Pa，展现出周期性振荡的特征，且振荡频率较高。不同测点处测得的主频频率相同，而测点1处动态压力幅值更高。这是由于测点1处更靠近火焰，声波在传递过程中受到的削减更弱，导致测点1处的动态压力幅值更高；而测点2、3处动态压力幅值差异不大，说明在该掺氢预混燃烧室中，周向位置动态压力基本无差异；不同测点处的主频相同，且频谱图相似，也可以看出燃烧室内不同位置处的动态压力频率基本一致。

OH基可以反应火焰面的形态，将试验过程中高速相机拍摄的OH基图片进行叠加，得到掺氢比例为10%~40%工况下稳态的OH基分布，如图8所示。可以看出，随着掺氢比例提高，火焰面逐渐向火焰筒下游扩散，其形成原因在数值计算结果中进行分析。

图8 不同试验工况下燃烧室OH基场

2.2 不同湍流脉动速度下的动态压力频谱

湍流脉动速度增加通常会导致火焰的波动性增加，较强的湍流可能导致火焰的局部吹灭或火焰前锋的剧烈波动，造成不稳定燃烧。因此，在掺氢比例为30%的条件下，对三种不同进口湍流脉动速度的掺氢预混燃烧室进行动态压力测量试验研究。

通过快速傅里叶变换将动态压力结果转化为频域，不同湍流脉动速度在测点1处的动态压力频谱如图9所示。从试验数据中可以看出，随着湍流脉动速度从0.10m/s提高到0.14m/s，动态压力的低频振荡减弱,高频振荡增强,主频由63.33Hz提高到203Hz，湍流脉动速度提高会使燃烧室动态压力从低频转至高频，高频振荡能量提高，燃烧室更易产生不稳定现象。

图9 不同湍流脉动速度各测点动态压力频谱图

3.1 计算模型与方案

根据试验燃烧室结构，构建了燃烧室的物理模型，如图10所示。计算域由旋流器、燃料进口、空气进口、燃烧室组成。由于头部冷却孔有效流通面积不足总火焰筒有效流通面积的3%，为避免计算资源浪费，计算域中取消了头部冷却孔。

图10 燃烧室物理模型

本文使用Fluent meshing软件对掺氢预混燃烧室结构进行网格划分，网格划分方法为六面体核心非结构化网格，同时对旋流器与燃烧区域进行网格加密。网格尺寸计算网格截面如图11所示。

图11 燃烧室网格划分截面图

在数值计算中，对网格数量分别为371万、511万、748万、1178万与1436万进行网格无关性验证，对比Z=20mm处的Y方向的轴向速度计算结果，如图12所示。

图12 不同网格数的轴向速度计算结果

可以看出，相对于1178万与1436万网格的计算结果，371万、511万与748万的计算结果偏差较大，考虑到计算精度与经济性，选择网格数量为1178万的网格进行数值计算。

由于需要分析时域上的压力波动，而直接数值模拟对计算资源要求非常高，因此采用大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）湍流模型进行计算，其中亚格子模型为WALE模型，其克服了Smagorinsky-Lilly模型无法较好模拟近壁面流动的问题，适用于受限空间的湍流燃烧计算。使用涡耗散的概念模型（Eddy-Dissipation Concept，EDC）计算掺氢燃料的燃烧过程。反应机理为GRI-Mech 3.0的简化机理，包含18组份，共计34步基元反应，包括了CH₄与H₂燃烧的详细反应。根据试验结果，测点1位置处（图4）可以较好反应燃烧室内的动态压力状态，因此在测点1位置处设置压力监测点。

对试验中不同掺氢比例（10%、30%、50%）工况进行数值计算，验证数值计算的准确性，动态压力计算结果如图13所示。

图13 数值计算验证

在选取的试验工况下，数值计算与试验测量得到的主频差异不大且规律一致，即随着掺氢比例提高，主频逐步提升。掺氢比例为10%与50%时，数值计算与试验测量所获得的主频相差不超过6Hz，相对误差分别为6.2%与3.1%；而30%掺氢比例方案的主频差值为23.4Hz，但掺氢比例与主频之间的规律一致，可以通过数值计算反映燃烧室中的声学特性。

数值仿真工况基于某型燃气轮机燃烧室设计工况，保证出口平均温度一致，调节天然气与氢气的比例（掺氢比例为0~100%）。空气进口条件不变，空气流量为0.4053kg/s，进口压力为2408.9kPa, 进口温度为794.1K。出口平均温度为1590K。数值仿真工况见表2。

表2 数值仿真工况表

由于数值计算工况下，燃烧室内燃气的瞬态流速可达260m/s，为保证计算结果准确性，根据不同工况设置大涡模拟时间步长在10⁻⁷～10⁻⁶秒范围内。

3.2 计算结果

通过快速傅里叶变换处理压力监测点处的动态压力数据，不同掺氢比例工况下动态压力脉动频谱如图14所示。从图中可以看出：当掺氢比例为0%和30%时，燃烧室内的动态压力幅值较低，且动态压力振荡并不显著，动态压力的最高值分别为1705Pa和1427Pa，分别为燃烧室工作压力的0.07%和0.06%。在掺氢比例较低时，燃烧过程相对稳定，气流扰动较小，因此动态压力振荡幅值保持在较低水平，未出现明显的压力波动。随着掺氢比例从30%提高到50%，燃烧室中的动态压力频谱发生了显著变化，尤其是在低频范围内，动态压力振荡幅值大幅提升，达到了燃烧室工作压力的0.57%，表明掺氢比例的增加对动态压力振荡产生了较强的激励作用。当掺氢比例提高到100%时，燃烧室中的低频动态压力幅值升高到10836Pa，同时高频范围内也表现出较强的动态压力振荡。高掺氢比例下，火焰的稳定性显著降低，燃烧室内气流的波动更加频繁，从而引发了更强的高频动态压力波动。这表明，当掺氢比例接近纯氢时，燃料性质的变化对动态压力产生了较大影响，加剧了燃烧的不稳定性，随着掺氢比例的增加，燃烧室内的高频动态压力基本呈现逐渐提高的趋势，这与试验结论一致。

图14 不同掺氢比例下动态压力脉动频谱图

为分析纯氢时燃烧室的声压特征，通过数值计算，得到100%掺氢比例下燃烧室测点1位置处的时域声压测量数据，如图15所示。通过分析得到：掺氢比例为100%时，燃烧室内动态压力振荡幅度最大可达122554Pa，振荡幅值较大。

图15 不同掺氢比例下时域声压图

在探究掺氢燃料燃烧不稳定性过程中，一方面，由于燃料瞬间热释放会影响火焰结构与火焰温度，需要对燃料热释放进行分析；另一方面，燃烧室内涡结构会对动态压力传递产生影响，因此需要对燃烧室内部流场进行分析。

燃料燃烧过程中，热释放会导致燃烧室中的压力发生波动，而燃料分配不均匀或燃烧不充分会导致燃烧室内不同位置处的热释放速率不同。OH基是CH₄与H₂燃烧反应的中间产物，因此，首先对燃烧室Z=0~100mm处的OH基分布进行分析，不同掺氢比例下燃烧室内的OH基分布如图16所示。

图16 不同掺氢比例下燃烧室OH基场

通过分析可以得到：OH基主要分布在Z=10~40mm的燃烧室区域内，这表明燃烧反应也主要发生在该区域内，这是由于气流经过旋流器后，在旋流器出口处形成了中心回流区，燃烧反应主要在回流区中进行。回流区可以提高燃料与空气在高温区中停留的时间，提高燃烧效率，且可以使火焰稳定。随着掺氢比例提高，OH基分布基本呈现向外扩散的趋势，与试验结果相符，这一方面是由于掺氢比例的提高使燃料中氢原子的数量逐渐增加而碳原子的数量逐渐减少，反应物中氢原子的数量提高从而使得OH基的生成量增加；另一方面是由于氢气的燃烧反应速率与火焰燃烧速度相对于甲烷更快，随着掺氢比例的提高，燃料在旋流器出口位置处的燃烧反应更加剧烈。在Z=10mm处，当掺氢比例为0%~85%时，燃烧室中心区域OH基分布较分散，当掺氢比例为100%时，燃烧室中心区域的OH基分布较集中，其质量分数最大值达到了0.08%，高燃烧速度导致火焰锋面不稳定，加剧燃烧过程中的热反馈和压力波动，从而容易引发燃烧不稳定现象。与图8试验工况下燃烧室OH基场对比可以得出，随着进口空气温度的升高，湍流混合效应更显著，容易形成更薄的火焰面；随着进口空气压力升高OH基高浓度区向径向扩张，湍流混合增强。

燃烧室流场中的涡结构是旋流器与燃烧反应共同作用下的结果，且燃烧室内动态压力传递与涡结构密不可分。为分析燃烧室中的涡团结构与分布，基于Q准则，取Q=4×10⁹s⁻¹等值面涡量场对高强度的涡团进行筛选，并使用轴向速度对涡团进行染色，对燃烧室内Z轴坐标为10~40mm位置处的轴向速度与涡结构进行分析，如图17所示。

图17 不同掺氢比例下轴向速度与涡结构云图

从计算结果中可以看出：在旋流器出口位置处，涡团保持螺旋状并向外扩散，而在Z=20~40mm处，完整的涡团结构逐渐破碎为多个小涡团，气流逐渐向外扩散，高速气流与中心回流区的压力梯度使涡团无法保持连续的结构；燃烧反应产生的热量使局部区域的压力提高，进一步增强了涡团破碎过程。不同掺氢比例下燃烧室内涡团均由旋转模式向涡脱落模式转化，当掺氢比例为100%时，燃烧室中的离散涡团破碎显著高于其他掺氢比例方案，燃烧室中心连续涡团外侧的轴向速度更大，内侧的轴向速度更小，该趋势与OH自由基分布随掺氢比例的变化规律一致。

1) 试验工况下，在掺氢比例从0%增至30%的过程中，随着氢气混合比例的提升，燃烧室内的动态压力主频略有上升，但总体保持在70至76Hz的范围内，而当掺氢比例达到40%时，动态压力脉动主频从75.36Hz跃升到197Hz，出现模态转换现象。其本质是氢燃料的高反应性与燃烧室声学特性协同作用的结果，其后果威胁发动机可靠性与排放性能。解决需综合燃烧室设计优化、燃料分级策略与高频主动控制技术，具体优化方案通过进一步高精度CFD仿真与燃烧台架试验联合验证。

2) 掺氢预混燃烧室中，不同位置处动态压力主频相同，周向位置动态压力基本无差异；轴向位置上，靠近火焰区域的动态压力幅值更高，而远离火焰区域的动态压力在传递过程中受到削减，因此动态压力幅值更低。

3) 数值计算工况下，随着掺氢比例的增加，燃烧室内的高频动态压力基本呈现逐渐提高的趋势。通过分析燃烧室内OH基分布与涡结构发现，随着掺氢比例提高，OH基分布基本呈现向外扩散的趋势，纯氢燃烧室内OH基分布更集中；不同掺氢比例下燃烧室内涡团均由旋转模式向涡脱落模式转化，纯氢燃烧中的离散涡团破碎显著高于其他掺氢比例方案，该趋势与OH基分布随掺氢比例的变化规律一致。