燃气轮机中心分级燃烧器天然气掺氢燃烧的受迫振荡特性

天然气掺氢燃烧是燃气轮机机组降低碳排放重要措施之一,但掺氢燃料的组分变化会导致燃烧室火焰结构及燃烧稳定性发生变化.为分析中心分级燃烧器掺氢燃烧条件下的燃烧不稳定性问题,通过试验研究了燃烧器入口速度扰动下,不同掺氢比对中心分级掺氢燃烧的瞬态火焰结构、压力以及热释放响应的影响,并利用本征正交分解(POD)法提取了火焰脉动的特征模态,发现其主要包含火焰干涉区强脉动和轴向扰动两种模态.试验结果表明,随着掺氢体积比从0%增大到30%,火焰前沿向上游移动,两级火焰间距缩短,火焰干涉对应的脉动模态的能量占比增大,加强了压力与热释放的耦合,导致燃烧室内的压力响应增大9%,热释放响应增大37%.

主燃级旋流器对中心分级燃烧室出口性能的影响

针对中心分级燃烧室头部主燃级旋流器的结构参数变化,探究其对燃烧室出口性能的影响。首先建立三级旋流器的简化模型,再针对主燃级旋流器的旋流孔角度分别设计30°、45°、60°、75°。利用FLUENT软件对燃烧室沿轴向温度分布、出口温度分布、沿轴向NO_(x)分布、出口NO_(x)排放分布等4个方面进行对比分析。结果表明:当主燃级旋流器旋流孔角度为60°时,旋流器对中心分级燃烧室的出口温度分布性能最好,且中心回流区发展较好,旋流器对中心分级燃烧室的出口NO_(x)排放量最小。

基于PIV的中心分级燃烧室冷态流场试验

为了掌握中心分级燃烧室流场特性,利用粒子图像测速仪(PIV)对中心分级燃烧室的冷态流场进行试验,对具有不同流通面积的主模旋流器和副模旋流器出口流场进行了对比。结果表明:在压降相同条件下,副模旋流器单独工作时流过的空气流量约占主、副膜旋流器同时工作时的1/3;副模单独工作时,流场中无明显回流区,这表明副模旋流器主要作用是在燃烧室头部提供高速气流与燃油喷嘴喷出油雾颗粒充分混合形成油气混合物;在压降不变的条件下,随着主模旋流器流通面积的增加,空气流量增大,燃烧室头部流场分布受流通面积影响显著;在流通面积不变的条件下,随着供气压降的提高,空气流量增大,流场中旋转回流区位置向燃烧室头部方向移动,面积减小,中心回流区位置基本不变,回流速度加快。

旋流器结构对中心分级燃烧室热态流场的影响

以装有三级斜切式径向旋流器的中心分级燃烧室为研究对象,利用数值模拟和控制变量的方法分别进行了值班级第一级旋流器斜切孔角度、值班级第二级旋流器叶片安装角和主燃级旋流器旋流孔角度对中心分级燃烧室热态流场影响的仿真和对比分析。结果表明:当值班级第一级旋流器斜切孔和值班级第二级旋流器叶片安装角角度分别为25°和30°~45°,主燃级旋流器旋流孔角度为45°~60°时,中心回流区的形状最好,中心分级燃烧室热态流场的品质最佳。

无掺混孔中心分级燃烧室性能数值研究

以一种无掺混孔的中心分级燃烧室为研究对象,通过改变燃烧室中三级旋流器结构参数,利用数值模拟研究旋流器结构对燃烧室性能的影响。首先使用控制变量法,通过改变各级旋流器叶片的安装角大小及旋向设计了研究方案,再通过FLUENT进行数值模拟,最后对数值模拟的结果进行分析并得出结论。结果表明:第一、二级旋流器叶片的结构对燃烧室的回流区大小和出口温度分布影响较小,而第三级旋流器叶片安装角大小对燃烧室的回流区和出口温度分布影响较大;第三级旋流器安装角越大,回流区越大,燃烧就越充分,燃烧室出口温度分布就越均匀。

旋流器结构特征参数对中心分级燃烧室温度场的影响

以装有三级旋流器的中心分级燃烧室为研究对象,分别建立旋流器和燃烧室物理模型,利用数值模拟和控制变量的方法,研究旋流器结构特征参数对中心分级燃烧室温度场的影响,分别完成了值班级第一级、第二级旋流器和主燃级旋流器结构参数变化对中心分级燃烧室温度场影响的数值模拟和对比分析。结果表明:当值班级第一级旋流器的斜切孔角度为25°和值班级第二级旋流器的叶片安装角度为30°~45°时,中心回流区分布较好,反映出值班级旋流器对中心分级燃烧室温度场的影响较好,促进了火焰稳定燃烧;当主燃级旋流器旋流孔角度为45°~60°时,中心回流区分布较为理想,反映出主燃级旋流器对中心分级燃烧室温度场的影响较为理想,可有效避免因中心回流区面积过大造成燃烧室高温区集中。

中心分级燃烧室进场工况燃油分级方式试验研究

设计了一种贫头部中心分级燃烧室,在大推力发动机进场工况参数下,采用单头部矩形试验件,进行了污染排放测试试验,对比了预燃级单独供油、主预两级共同供油、全环主燃级周向分级三种方式的燃烧效率、氮氧化物(NO x)和冒烟(Smoke)排放。试验结果表明,进场工况下,设计的中心分级燃烧室采用预燃级单独供油方式时具有较高的燃烧效率,但NO x排放指数也较高,超过了指标要求;主预两级共同供油方式可获得较低的NO x排放,但燃烧效率难以达到指标;在合理的燃油分配比例下,全环主燃级周向分级方式燃烧效率和NO x排放能够同时满足指标要求;3种燃油分级方式下,冒烟数都远低于指标要求。

中心分级燃烧室点火性能试验研究

对中心分级燃烧室常温常压和常温低压下的点火性能进行了试验研究。在进口压力分别为0.1,0.035,0.03MPa,进口温度为常温的条件下,试验研究了不同空气压降（0.5%~6%）下的贫油点火油气比,获得了其点火边界曲线。试验结果表明：随着压力降增加,在各种燃烧室进口压力下的贫油点火油气比具有一个最低值;随着进口压力减小,这个最低值所对应的压降不断降低,同时贫油点火油气比升高。通过分析进口空气条件、燃烧室参考速度和燃油SMD对点火性能的影响,得到了其点火模型。

旋流器结构对中心分级燃烧室贫油熄火影响数值模拟

为了优化中心分级燃烧室最佳匹配旋流器结构,借助燃油稳态逐次逼近法,通过改变旋流器旋向组合和安装角得到13种旋流器结构,借助数值模拟分析了不同旋流器结构对中心分级燃烧室贫油熄火影响。结果表明:贫油熄火过程中,主燃区温度场形状凹陷,贫油熄火后高温区并未消失,中心回流区整体尺寸变大;随着第1、2级叶片安装角增大,熄火油气比降低,且第2级降幅略大于第1级;随着主燃级叶片安装角增大,熄火油气比逐渐增加;第1、2级旋流器方向不同,主燃级与第2级旋向相同时,贫油熄火性能更好;最佳结构为第1、2级方向相反,第2级与主燃级相同,第1、2级和主燃级安装角分别为70°、45°和60°;贫油熄火试验结果与计算结果吻合较好。

超高温升中心分级燃烧室设计及计算分析

针对航空发动机高推重比、高温升的需求,提出1种中心分级旋流燃烧室的设计方案。在保证与现有单环腔燃烧室(SAC)进出口尺寸、机匣尺寸限制不变的情况下,对设计模型进行了3维数值模拟,并与现有的单环腔燃烧室数值模拟结果及试验结果进行了对比分析。研究结果表明:设计油气比为0.045时,设计中心分级燃烧室温升可达1356 K,出口温度分布可达0.137,出口径向温度分布可达0.096;此外,与SAC相比,中心分级燃烧室可获得更低的总压损失,更低的出口温度分布系数以及高工况下可获得更高的燃烧效率;污染排放性能表明,中心分级燃烧室在慢车点CO排放比SAC的稍高,在设计点NOx排放按g/kg燃油计比SAC的低。

中心分级燃烧室雾化特性试验研究

为了研究中心分级燃烧室雾化特性,设计中心分级燃烧室头部进行雾化特性试验研究。头部预燃级采用贫油直接喷射,主燃级采用预混预蒸发。试验采用了相位多普勒粒子分析仪测量液滴粒径及速度,用10μm以下的小液滴速度近似流场速度。实验结果表明:流场具有中心回流区(PRZ)、唇口回流区、角落回流区(CRZ)、预燃级高速射流区及主燃级高速射流区等结构;流场结构对称且受工况改变影响较小;大液滴集中在中心回流区及角落回流区。中心分级燃烧室不同于其他分级燃烧室,其具有特殊的流场结构及燃油雾化分布规律;在近场流场区域65μm^75μm液滴集中在PRZ区域和CRZ区域;近场区域内Case 4雾化D32是Case 3的60%。

不同结构中心分级燃烧室回流区数值模拟

针对燃气轮机中心分级燃烧室,采用数值模拟的方法研究了燃烧室长径比、受限比、预燃级旋流器旋向及主燃级叶片数目对回流区冷态流场的影响。结果表明燃烧室长径比H由2.14提高至3.43时,回流区长度增加23.2%,长径比继续增加时,回流区长度基本保持不变;燃烧室受限比I由1.66提高至3.75时,随着受限比增大,燃烧室回流区长度、宽度均是先增加后减小,在临界受限比I=2.60时最大;预燃级旋流器第一、二级相同旋向较相反时,回流区宽度和长度分别增加1.6%、6.7%,预燃级旋流器旋向组合对回流区的影响不显著;主燃级叶片数目由24增加至40时,回流区宽度增长不明显,始终处于0.050~0.052 m,长度增长显著,涨幅为22.7%。该结果可为燃气轮机中心分级燃烧室设计提供理论依据,并为其进一步研究提供参考。

中心分级燃烧室燃烧性能试验研究

针对中心分级燃烧室在常压下燃烧性能,分别进行不同进气温度、进气速度和油气比对值班级单独工作以及值班级与主燃级共同工作时的燃烧性能试验,获得在一定实验条件下的燃烧规律。试验结果表明:值班级单独工作时随着进气温度、进气速度增加,点火特性更好;值班级与主燃级同时工作时,进气速度的增加对燃烧的影响不大;当进气温度增加时对燃烧较好;随着油气比的增加,CO和UHC排放有所增加,出口温度增加。

主燃级旋流数对中心分级燃烧室流场的影响

为了研究中心分级燃烧室的流场特性及主燃级旋流器旋流数对中心回流区的影响,采用数值模拟方法对2种不同主燃级旋流数的头部结构下的出口流场开展了对比研究,并进行了试验验证。结果表明:主燃级部分旋流气体与预燃级掺混,参与影响中心回流区的形成;主燃级旋流数的变化对头部流场分布有显著影响。主燃级旋流数减少,使主燃级径向尺寸增加,径向分区明显;使预燃级回流区位置后移,涡心向火焰筒中心靠拢。

掺混孔对中心分级燃烧室出口特性分析的数值模拟

燃烧室是航空发动机的核心部分,由于其出口工作环境复杂,研究分析其出口特性参数就显得尤其重要。针对中心分级燃烧室掺混孔几何特性方面对出口的影响,首先建立三级旋流器燃烧室的简化模型,再设计圆形、雨滴形、斜缝形3种掺混孔几何形状,利用FLUENT分析其各截面温度分布、速度场及NO x产物排放3个方面,并进行对比,经过模拟分析得雨滴形掺混孔对出口温度分布影响较好,圆形对燃烧室排放有着更好的调节作用。可见掺混孔对燃烧室出口特性有重要影响。

掺混孔位置对中心分级燃烧室性能影响的数值模拟

以中心分级燃烧室为研究对象,采用数值仿真(CFD)方法研究了掺混孔位置对燃烧室出口特性的影响。在改变掺混孔与旋流器的距离的前提下,设计3种方案(其距离分别为0.180,0.195和0.215 m)。结果表明:随着掺混孔与旋流器距离的增加,燃烧室中主燃区温度逐渐增大,但火焰筒出口温度逐渐降低;3种方案均形成回流区,回流区的宽度基本相同,长度逐渐增加,方案C和B比方案A分别增长9.20%和5.17%;NOX的排放量大幅度增加。

掺混孔排列方式对中心分级燃烧室性能的影响

为研究掺混孔的排列方式对中心分级燃烧室性能的影响,以中心分级燃烧室为研究对象,在保证掺混孔总面积相同的前提下,设计了方案A(双排对排)和方案B(双排错排)两种掺混孔排列方案,采用数值模拟的方法,对两种方案下的速度场、温度场、污染物排放量等进行分析和对比。结果表明两种方案的速度分布差异较小,方案A的中心回流区比方案B更加稳定;方案A的出口径向温度分布系数值与出口温度分布系数值比方案B更为合理,出口温度分布更为均匀;方案A比方案B污染物排放量更少。

旋流器结构对中心分级燃烧室冷态流场的影响

以装有三级旋流器的中心分级燃烧室作为研究对象,利用数值模拟和控制变量的方法分别进行了主燃级旋流器扩张角角度大小、值班级第一级和第二级旋流器叶片安装角角度大小对中心分级燃烧室冷态流场影响的仿真和对比分析。结果表明当主燃级旋流器扩张角角度为20°,值班级第一级和第二级旋流器叶片安装角角度分别为40°和50°时,中心回流区的形状最好,中心分级燃烧室冷态流场的品质最佳。

中心分级燃烧器流-热-声动态特性实验研究

通过高频粒子图像测速法(particle image velocimetry,PIV)及高速相机、压力传感器、光电倍增管等,研究中心分级燃烧器流-热-声动态特性,揭示了中心分级燃烧器单级旋流和中心分级火焰的流动及热声稳定性的变化规律。结果表明:主燃级为旋流火焰时,预燃级的旋流空气会破坏流场中的回流区,加剧主燃级火焰的不稳定性,而预燃级为旋流火焰时可将主燃级火焰的脉动压力幅值降低76.8%;燃烧热负荷增大导致气流加速膨胀,诱发射流剪切层产生更高强度的旋涡,预燃级与主燃级火焰相互干涉可加速旋涡的耗散,改变了旋涡的脱落频率;与单级旋流火焰相比,主燃级和预燃级火焰干涉区的火焰脉动最剧烈,且主燃级射流外剪切层的大尺度旋涡加剧了主燃级火焰的脉动。

中心分级燃烧室慢车工况油雾场特性

为获得中心分级燃烧室慢车工况下主副级油雾场特性,采用粒子图像测速仪(PIV)对单管燃烧室不同头部方案和不同喷嘴燃油比例的油雾场进行试验测量,开发了油雾场图像后处理软件,对油雾场图像进行后处理,获得了中心分级燃烧室油雾场空间分布。慢车工况下油雾场试验结果表明:大粒径油珠在燃烧室富油头部区域呈锥形分布,同时索太尔平均直径(SMD)沿径向呈V型分布,即中间小、两侧大。燃烧室头部折流板扩张角的减小,使得燃烧室富油头部区域油珠数目集中、同时平均SMD较大。保持来流条件和油气比一定时,改变燃油比例对燃烧室雾化效果影响不大。油雾场中油珠数目最多的粒径是25μm,而体积占比最大的粒径范围是30~50μm。