某航改燃机氢燃料燃烧室污染排放特性研究

为了对氢燃料燃烧室的低污染燃烧组织方案提供技术支撑,根据某航改燃机燃烧室的工况及结构参数,设计了三种氢燃料喷射单元(贫油直接喷射(LDI)单元以及两种贫油预混喷射(LPIA和LPIB)单元),通过数值计算方法研究了其流场特性,燃料-空气混合特性及污染排放特性,然后采用粒子群优化算法(PSO)建立了三种单元的NO_(x)排放回归模型。研究表明:氢气喷射方式对流场结构影响较大。LDI单元的中心回流区(CRZ)脱离喷嘴一段距离,LPIA单元的CRZ径向尺寸最大,LPIB单元的下游流场轴向速度最快;LPIA单元燃烧室内燃料-空气混合相对于其它两个单元更加均匀;在设计工况下,LDI单元的NOx排放量不能满足目前新建燃机的排放标准(@15%O_(2),≤30 mg/m^(3)),而LPI单元的NOx排放能够达标,且LPIA相对于LDI单元可降低81.6%;所建立三个单元NO_(x)排放回归模型考虑了燃烧室进口压力、温度、当量比及气流速度的影响,其决定系数R2分别为0.972,0.969和0.953。本文所采用的单元及其性能数据和建模方法可以为氢燃料燃烧室设计提供有效参考。

LPP低污染燃烧室两相喷雾燃烧数值研究

提出一种带有多点燃油直接喷射双环预混旋流(TAPS/MLDI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染圆筒燃烧室,为了获得该燃烧室两相喷雾燃烧流场与燃烧性能,利用Fluent数值研究三种LPP燃烧室头部方案和四种进口工况。计算结果表明:(1)LPP燃烧室头部冷态流场存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区,流场结果与PIV试验结果吻合较好。(2)在头部方案不变的情况下,工况从100%推力下降到7%推力时,出口平均温度逐渐下降,污染物NOx排放相应减少。(3)在进口工况不变时,头部方案B燃烧性能相对最优。(4)热力型NOx的生成速率与燃气温度超过1950K区域的大小和最高燃气温度直接相关,热力型NOx的生成主要分布在火焰锋面附近。

LPP低污染燃烧室冷态流场与油雾特性

为了研究某贫油预混预蒸发(Lean premixed prevaporized,LPP)低污染燃烧室冷态流场和油雾特性,本文采用粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)首先试验研究不同进口空气流量对燃烧室冷态流场的影响,其次分别在单开值班级喷嘴、主级喷嘴以及同开主级和值班级喷嘴时,分析了燃油流量分配和值班级喷嘴位置对燃烧室油雾特性的影响。试验结果表明:在LPP燃烧室头部流场存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区,中心回流区宽度随着距燃烧室头部距离的增加先逐渐增加,而后逐渐减少,且进口空气流量对燃烧室回流区形状影响不大;单开值班级喷嘴时,供油量增加,燃烧室油雾特性变差;单开主级喷嘴时,主级供油量增加,燃烧室油雾特性得到改善;主级和值班级喷嘴同时打开时,随着主级供油量增加,值班级供油量减少,燃油雾化特性得到改善;值班级喷嘴位于喉道处时燃油雾化效果优于值班级喷嘴在旋流器出口处。

基于LPP的多点喷射低污染燃烧室头部方案优化研究

为了研究贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室的性能,设计了两个方案的单管燃烧室。两个方案都采用同心圆式主、副模分区燃烧方式,主模燃油为多点喷射,副模为离心式压力雾化喷嘴。其中方案A主模从外向内喷油,方案B主模从内向外喷油。采用ANSYS CFX软件,对慢车工况和起飞工况的燃烧室进行了数值研究。计算结果表明：流量分配与设计值接近;总压损失介于4%~4.8%;燃烧室有较稳定的回流区和主模出口处大于100m/s的气流轴向速度;工况1时副模富油燃烧,火焰温度高;工况2时主、副模火焰相互独立,主模火焰存在因燃油分布不均匀而产生的高温点;两个方案的出口热点指标均小于0.26;燃烧效率大于99%;污染物排放水平与国际先进水平相近。两个方案在各方面性能上基本接近,方案A略微优于B。

基于贫油预混蒸发(LPP)的多点喷射低污染燃烧室头部方案研究

对设计的基于贫油预混蒸发(LPP)的多点喷射低污染燃烧室头部方案,对其性能进行了数值研究。头部为中心分级燃烧,设计为同心圆式主、副模分区燃烧方式。主模燃油为多点喷射。应用CFX软件,从冷态流动、热态燃烧和污染物生成等三方面,对该燃烧室模型进行了研究。结果表明:冷态流动时慢车工况的回流区大于起飞工况,从设计上有效避免了回火与自燃的发生;慢车工况燃烧时因为直混燃烧,局部温度可达2 400 K以上;起飞工况燃烧时,主模燃油蒸发较好,但混合不是十分均匀,主、副模分区燃烧,主模火焰最高温度低于副模。对头部冷却和火焰筒中间1/3壁面应增大冷却效果。燃烧室燃烧效率非常接近100%。两个工况的污染物均集中于副模高温区,但总体生成量均很小。

国外民用航空发动机低污染燃烧室的发展

由于地球大气污染加剧,低污染燃烧室的研制成为了制约民用飞机发动机发展的关键技术之一。叙述了ICAO CAEP标准对民用航空发动机污染物排放的规定,以及污染物形成机理和排放控制方法,详细介绍了美国和英国、德国等欧洲航空发动机先进国家研制的多种高效低污染燃烧室,如TAPS、TALON、TVC和ANTLE等。这几种燃烧室的污染物排放水平均比CAEP2标准规定值低50%以上,其研制、发展和使用经验,对中国低污染燃烧室的研制和发展具有重要的参考价值。

低污染燃烧室点火熄火特性试验研究

应用燃烧试验台完成了三旋流贫预混燃烧室点火熄火性能试验研究。针对8种旋流角组合方式,研究了不同进气流量、不同进气温度下的贫油点火、熄火极限。结果表明:三旋流贫预混燃烧室中,内旋流、中旋流角度组合决定了点火成功与否,而外旋流对点火、熄火极限有影响;采用内、中、外旋流角依次增加10°的组合方式有较好的点火、熄火性能;三旋流贫油点火油气比最低为0.05236,高于非预混燃烧室的0.035标准,熄火油气比最低为0.00478,满足低于0.005的一般要求;不同旋流组合点火性能和熄火性能具有较好的一致性。

民用飞机低污染燃烧室的技术成熟度划分

本文针对民用飞机低污染燃烧室的特点,讨论了其技术成熟度(Technology Readiness Level Seale,TRL)划分和研发的技术路线。对低污染燃烧室的研发,技术成熟程度是基本的规划工作,可以作为一个客观的方法,来评定所研发的低污染燃烧室技术是适合于远期目标(TRL3),还是适合于中期目标(TRL6);也可以用于确定哪一个研发的技术方案可以尽快地应用于实际型号(TRL9)。此外,低污染燃烧室技术成熟程度的划分,实际上是系统地阐明低污染燃烧室技术研发的技术道路,说明要通过哪些试验来验证达到各种技术成熟的水平。

低污染燃烧室技术的发展

本文分析了航空发动机排入大气的燃烧产物中的污染物种类、影响因素及其对燃烧室设计的影响；介绍了已经试验或采用了的减少排放污染的技术，下一代低污染燃烧室的设计方案及其应用前景，指出了低污染燃烧室技术的着眼点将集中于减少Nox的排放量，这一目标的实现将成为下一代超音速客机投入使用的关键问题之一。

低污染燃烧室预混喷嘴结构性能的数值研究

以某燃气轮机SAC(单环腔)燃烧室为原型,设计、研究了一种适用于甲烷燃料的低污染燃烧室,对燃烧室单喷嘴模型进行了数值模拟研究。就燃料喷孔位置、旋流器旋流数、叶片数目对流场和温度场进行了定性的分析。结果表明:(1)设计的喷嘴结构能形成明显的中心回流区和角回流区;(2)在有限预混长度情况下,燃料孔的位置对燃料空气预混效果有较大影响;(3)旋流器旋流数及叶片数目对燃烧室冷态流场有较大影响,且旋流数设计过大会导致回火现象,旋流数过低也会对燃料空气预混的均匀性产生一定影响;(4)结构优化后的喷嘴经计算得到NO_x排放量为7.01×10^(-6)(15%O_2浓度),CO为4.687×10^(-6)(15%O_2浓度),相比传统燃烧室降低了约80%,为形成与环境友好的燃烧室设计技术做了理论探索前期的研究工作。

R0110重型燃气轮机燃烧室污染排放性能研究

我国研发的R0110重型燃气轮机采用干式低污染燃烧室设计。燃烧室具有2种工作模式,为检验其排放性能,在低压模拟条件下针对模式I进行了单管试验。结果表明,在整个负荷范围内,NOx排放均远远超标;CO在负荷≥0.7后均满足设计要求;当参照GE公司DLN燃烧室的设计特点降低值班燃料比例后,NOx反而增加。分析认为,NOx超标的原因主要是预混燃料比例偏低,预混均匀性相对不足,燃烧区过量空气系数的设计不合理,致使燃烧温度偏高。值班燃料的负面影响是由于原始设计使局部形成了富燃料燃烧的状态。针对以上问题,提出了进一步改善燃烧室的污染排放特性的措施建议。

过量空气系数对DLN燃烧室性能影响的基本规律

进行了某重型燃气轮机（E级）燃烧室燃用天然气的试验,给出了在设计功率下过量空气系数在2.7～5.0时,燃烧室出口温度场、燃烧效率、污染物排放以及火焰筒壁温的变化趋势,以及过量空气系数对燃烧室性能影响的基本规律。随着过剩空气系数的增加,燃烧室出口温度场更均匀,NOx排放量下降,但过大的过量空气系数会导致燃烧效率下降。

重型燃气轮机DLN燃烧室环形区的优化

为了研究一种引进的燃气轮机干式低污染燃烧室性能并探索其设计方法,采用数值方法计算了该燃烧室环形区的流场和温度场,发现环形区存在燃烧效率低、污染物生成高等不足之处．对可能的设计思路进行了分析,并进一步提出两种结构改进方案,数值计算表明,改进方案可显著提高燃烧效率并降低污染物生成．

民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势

针对民用发动机污染排放的现状,介绍了低污染燃烧技术发展概况及趋势,国际民航组织(ICAO)颁布的《航空发动机的排放》标准,以及中国民用航空局(CAAC)对排气污染物的规定,分析了排气污染物的生成机理和主要影响因素以及改善措施.对6种先进低污染燃烧室(分级、变几何、催化、贫油预混预蒸发燃烧室(LPP)、富油燃烧/淬熄/贫油燃烧技术(RQL)以及双环预混旋流(TAPS)等燃烧室)的工作原理与特点、以及应用状况作了简要分析.其中分级燃烧技术构成了先进低污染燃烧室设计的技术基础,而LPP,RQL与TAPS燃烧室为三种很有发展前途的低污染燃烧室.此外,还介绍了贫油直接喷射、燃料电池以及主动燃烧控制等三种新型的低污染燃烧技术,虽然实现这些技术难度较大,但有广阔的应用前景.

R0110重型燃气轮机DLN燃烧室NOx排放特性研究

R0110重型燃气轮机燃烧室按干式低污染(DLN)原理设计,采用径向燃料分级燃烧技术,具有两种燃烧模式。为检验燃烧室的NOx排放特性,在低压模拟条件下,对模式Ⅰ和模式Ⅱ分别进行了燃烧室单管试验。结果表明,模式Ⅱ的NOx排放比模式Ⅰ显著降低,但还未能完全满足设计要求。为此,对燃烧室结构、燃料分配特性及模式Ⅱ的工作过程进行了详细分析,提出了进一步改善燃烧室NOx排放特性的措施和建议。

火焰稳定器对直喷式燃烧室污染物生成影响的研究

本文通过实验研究了不同火焰稳定器对直接喷射式低污染燃烧室燃烧和污染物排放的影响。实验中所用的火焰稳定器分别为45°,60°旋流角的旋流器和三种开孔率不同的多孔板。采用test360烟气测试仪测量在分别改变燃气和空气的流量的条件下。相应的燃烧室出口温度,N())【和C0生成量。通过对采用不同火焰稳定器燃烧室所得到的不同燃烧与排放性能的分析比较,研究了火焰稳定器对燃烧和污染物排放的影响。

基于化学反应器网络方法的燃气轮机燃烧室NOx排放研究

为准确预测某重型燃气轮机燃烧室NO_(x)排放浓度并确定其内部各燃烧区的“贡献”,探明此类低排放燃烧室的设计准则,该文基于化学反应器网络(chemical reactor network,CRN)方法,首先通过敏感性分析研究各反应器体积、初始温度、燃料/空气掺混不均匀度等参数对计算准确性的影响,并分析CRN的负荷适用范围。通过CRN方法研究燃烧室负荷、燃烧模式和掺混孔径对NO_(x)排放的影响。结果表明,该低排放燃烧室中心区是NO_(x)的主要贡献者,其设计准则为:将环形区喷嘴和中心喷嘴按照“等功率”设计;通过计算可得满负荷下的NO_(x)排放低于限值20ppm(@15%O_(2))的掺混孔径为44.45mm。结果可为改进CRN方法的应用、优化低污染燃烧室的设计提供一定依据。

PG9351FA燃气轮机DLN-2.0+燃烧室

本文分析了GE公司DLN-2.0+型低氮氧化物排放燃烧系统的技术特点和运行机理。

燃气轮机DLN燃烧室NOx减排改造

燃气轮机是以空气及燃气(天然气)为工质的旋转式热力发动机,其具有效率高、功率大、体积小、投资回报率高、运行成本低和寿命周期长等优点。天然气作为清洁能源被世界广泛公认,集众长于一身的燃气轮机组近年来发展迅猛,我国政府也积极鼓励发展燃气轮机。NOx是燃气轮机发电机组排放的主要污染物之一,不断降低排放量的相应改造也应运而生。