摘要：近年来，国内对燃烧室污染排放标准要求越来越严格，相关的法律法规越来越完善。NOx排放值作为考察燃气轮机燃烧室的重要标准之一，在燃烧室设计阶段需要对其进行充分考虑，发展通用性强的NOx预估模型是适应中国自主研发燃气轮机燃烧室的重要方向。基于此，本文利用数值模拟代替试验对轻型燃气轮机燃烧室进行分析，将多参数优化的数值模拟结果与传统的估算模型进行对比，并通过对进口压力、空气质量流量、主燃区温度3个主要参数与NOx排放值变化关系进行研究，根据数值模拟结果拟合出适用于3个参数的拟合公式。
关键词：轻型燃气轮机；燃烧室；NOx估算
1数值分析及结果验证
选取QD128燃气轮机燃烧室15个喷嘴中的1个喷嘴为计算域，建立全尺度周期性数值分析模型，如图1所示。该模型包括扩压器、内外二股腔道和火焰筒。针对数值计算主要的分析参数有燃烧室进口压力、进口流量及主燃区温度。在进行网格划分时，仅对结构复杂的头部旋流器采用4面体网格，其他部位均采用6面体网格，保证网格紧密的情况下验证网格无关性，最终确定网格总数为510万。
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图1燃烧室物理模型
利用CFD计算流体力学软件对燃烧室进行3维数值模拟计算分析，得到的燃烧室纵截面总温分布如图2所示。
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图2燃烧室纵截面总温分布
从图中可见，主燃孔射流较深，基本达到火焰筒高度的50%，有效切断了头部回流区边界，随着二次气流及掺混气流的增加，燃烧室内温度逐渐降低，出口区域温度基本保持稳定。温度模拟结果与金戈、徐丽等针对QD128燃气轮机的研究结果一致。
燃烧室头部横截面的速度分布如图3所示。从图中可见，中心区域是旋流引起的低速区域，紧接着是旋流区，外环是气膜孔的引气，最外环则是二次通道。数值结果很好地描述了该燃烧室头部的流通状况。
数值模拟计算结果与金戈、徐丽等的研究结果符合度较高，可为NOx排放预估模型的进一步研究提供参考。
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图3燃烧室头部横截面速度分布
2模拟结果分析与公式拟合
2.1基于进口压力的NOx预估
通过数值模拟研究及经验公式推导，当选取进口压力Pin=1.05～1.63MPa时，数值模拟NOx排放值为0.844～1.198g/kg。在压力较低时，NOx排放值变化趋势较为缓慢，变化不大；当压力升高到1.20MPa时，NOx排放值变化趋势开始增大；压力升高到1.40MPa之后，变化率保持不变。根据经验公式计算得到的NOx排放值为0.708～0.917g/kg，变化趋势与上述2个模型的相同，但变化趋势较小，对于进口压力的幂次为0.5，在3个公式中，对进口压力参数的敏感程度最低。
通过对比分析数值模拟与经验公式的数据曲线变化趋势发现，运用数值模拟得到的结果与运用经验公式计算出的结果总体趋势相同，说明运用数值模拟替代试验其结果具有较高的参考价值，具有一定的科学性，值得深入研究。
运用数值模拟结果得到初步拟合的公式
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以上2次拟合公式的拟合度大于0.8，拟合优度较高，拟合效果较好。式（1）适用于轻型燃气轮机燃烧室基于进口压力的NOx排放预估，拟合前选取的空气质量流量、主燃区温度均符合设定值，式（1）中进口压力的范围仍需进一步验证。
2.2 基于空气质量流量ma的NOx预估
通过数值模拟研究及经验公式推导，当选取ma=2.9～3.9kg/s时，随着ma的增加，数值模拟NOx排放值为0.67～0.93g/kg，呈减小趋势。在数值模拟过程中，当ma增加，燃料流量不变时，燃空比持续减小，导致燃烧室的主燃区温度降低，NOx的生成量减少。数值模拟结果与Lefebvre经验公式计算出的NOx排放值具有相同趋势，所以本次研究主要对Lefebvre的经验公式与数值模拟的结果进行对比分析。
运用数值模拟结果得到初步拟合的公式：
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以上2次拟合公式的拟合度大于0.8，拟合优度较好，具有应用价值。式（2）适用于轻型燃气轮机燃烧室基于空气质量流量的NOx排放预估，对于式（2）中空气质量流量的范围仍需进一步深入研究。
2.3 基于主燃区温度的NOx预估
通过数值模拟研究及经验公式推导，当选取主燃区温度Tpz=1995～2085K时，数值模拟的NOx排放值为0.30～0.66g/kg，NOx排放值与根据估算式计算得到的NOx排放值相比较小；通过数值模拟的方法预估出的NOx排放值比通过经验公式计算的小，其变化趋势与已有模型的变化趋势一致，即随着主燃区温度的升高，NOx排放值呈上升趋势。说明数值模拟方法在一定程度上可以替代预估公式，计算得到的NOx排放值，针对轻型燃气轮机燃烧室NOx排放具有较强的预估作用，为其设计提供可靠参考。
运用数值模拟结果得到初步拟合公式
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以上2次拟合公式的拟合度大于0.8，可以实现较好的拟合效果。式（3）适用于轻型燃气轮机燃烧室基于主燃区温度的NOx排放预估，拟合在其他影响的具体范围仍需进一步研究。
2.4 NOx排放拟合公式
上述得出的拟合公式适用于单一参数变化的NOx排放估算，为进一步丰富公式的适用范围，对适用于进口压力、空气质量流量、主燃区温度3个主要参数进行拟合，考虑这些因素拟合公式初步假定的形式为
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式中：a、b为系数；C为常数项。
系数及常数项的确定根据数值模拟得到，根据NOx排放值与3个参数的变化关系拟合出的公式如下
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拟合公式的应用条件之一为轻型燃烧室，式中3个参数的范围仍需验证后加以使用。
3结论
综上，通过对轻型燃气轮机燃烧室NOx排放数值进行仿真试验及计算，得出：
（1）对于轻型燃气轮机燃烧室，随着主燃区温度及进口压力的升高，NOx排放量随之增加，其中增加的主要是热力型NOx。
（2）随着空气质量流量的增大，燃料燃烧更加充分，NOx排放值呈减少趋势。
（3）提出适合于轻型燃气轮机燃烧室NOx排放的快速估算公式，利用该公式对轻型燃气轮机燃烧室NOx排放进行计算得到的估算值与根据经验公式得到的计算值吻合度较高，但有效性及参数的范围有待进一步验证。
参考文献
[1]钱文凯, 朱民, 李苏辉,等. 燃气轮机分级燃烧室NOx排放动力学模拟研究[J]. 动力工程学报, 2019, 039(001):P.33-40.
[2]赵巧男, 王国峰, 张皓男,等. QD128燃气轮机燃烧室NOx排放分析[J]. 沈阳工程学院学报(自然科学版), 2019(3).