同轴分级低排放燃烧室头部适应性设计研究

本文以一种天然气低排放同轴分级燃烧室头部为对象,在总体结构不变的前提下,将其按照等马赫数准则缩放分别装配到西气东输型燃气轮机、发电用重型燃气轮机及航改型燃气轮机燃烧室上。采用数值模拟的方式探究提高头部适应性的方法,结果表明:在合理的范围内,降低中心两级当量比,可以在一定程度上提高燃烧室的燃烧效率,并且效率达标后,在保证值班级起到稳定火焰作用的前提下,通过降低值班级当量比可以实现降低NO_(x)和CO排放的目的。通过上述方法,达到西气东输型、发电用重型、航改型燃气轮机燃烧室效率≥99%、NO_(x)排放体积浓度≤25×10^(-6)、CO排放体积浓度≤50×10^(-6)的技术指标。

值班级当量比对同轴分级模型燃烧室燃烧特性影响

采用数值模拟方法对同轴分级模型燃烧室进行研究,探究值班级当量比变化对燃烧室内燃料掺混与燃烧特性的影响规律。本文研究了燃烧室内速度、温度与中间产物组分分布的变化情况,重点分析了不同值班级当量比下燃烧室性能及排放参数的变化规律。结果表明随着值班级当量比的增加,燃烧室头部位置燃料与空气的掺混效果恶化,旋流器出口燃料当量比明显增加。值班级当量比增加时,高温区面积与峰值温度增加,NO_(x)排放明显升高。值班级当量比由0增加至1时,燃烧室出口的NO_(x)排放量增加了近6倍,NO_(x)排放量呈现指数增加。值班级当量比的变化对燃烧效率、压力损失与CO排放影响较小,不同值班级当量比下燃烧效率在99.94%以上,压力损失为2%,燃烧室出口CO排放量为8×10^(−6)。

塔式同轴分级旋流器结构参数对燃烧室性能的影响

针对气态燃料-低排放塔式同轴分级燃烧室,采用数值模拟的方法探究该分级旋流器的旋流角度、叶间流道斜径向角度和轮毂展向角度对燃烧流场结构和燃烧室性能的影响规律.与主燃1级旋流角相比,总压损失和两级流量分配比例受到主燃2级旋流角的影响更大.而燃烧效率、混合均匀性指数和排放性能在本文所选范围内受到旋流角度的影响相对有限.叶间流道斜径向和轮毂展向角的改变对燃烧室总压损失和回流区形态的影响比较显著.在轮毂展相角增加至30°以上时,NO_(x)和CO排放量的增幅明显.轮毂展向角的增加会使回流区宽度略有增加,但涡心位置会显著向下游移动.在保证燃烧性能的前提下,选择更低的旋流角度和更大的轮毂展向角能够进一步降低燃烧室的流动损失.

低排放塔式同轴分级旋流配比对燃烧流场的影响

以天然气-低排放塔式同轴分级燃烧室为研究对象,采用Realizable k-ε湍流模型和FGM燃烧模型研究了旋流器旋流数对热态流场的影响.结果表明:随着二级旋流数增加,中心级和一级流量增加,二级流量减少,燃料掺混均匀性提高,均匀指数最大提高0.061;压力损失小幅增加,而CO排放显著减少,燃烧效率提高且超过99%;模拟的各工况温度分布均匀,均形成稳定的回流区,燃烧稳定;对16种不同的旋流器方案进行筛选,选出0.7/0.8旋流器方案为最佳方案.

燃料分配对同轴分级燃烧室燃烧特性的影响

本文以天然气同轴分级燃烧室为研究对象,采用FGM燃烧模型模拟研究了低工况下第一级燃油量对燃烧室燃烧特性的影响规律。研究表明:中心级燃料量不变,增大第一级燃料量可有效增大甲烷燃烧面积,同时燃料量增大到一定值时火焰面前端出现“M”型分布趋势;在中心级燃料退出后,燃烧产生的高温易将中心级结构烧蚀,当燃料量继续增加,中心级燃料退出前后1300 K等值线区域分布位置及形状均无明显差别,在保证燃料当量比不变的情况下,中心级燃料退出与否对燃烧效率影响很小。

低排放塔式同轴分级燃烧室旋流器性能研究

针对一种气态燃料–低排放塔式同轴分级燃烧室(low emission tower-type coaxial-staged combustor for gaseous fuel,LETCC-GF),采用数值模拟耦合实验设计(design of experiment,DOE)的方法分析了2级旋流数和流量分配比例对该燃烧室性能的影响规律,阐明了各参数对燃烧性能影响的耦合关系。研究结果表明:高流量分级比,两级强旋流结构和低流量分级比,主燃1级弱旋流,主燃2级强旋流结构旋流器的燃烧性能最优,在总压损失达标,NO排放较低的同时,燃烧效率达到99.8%。主燃2级旋流数是影响燃烧效率的主要因素,在0.55~1.1范围内,随着旋流数的增加,燃烧效率显著提升。燃烧流场分析表明,火焰张角主要受到主燃2级旋流数的影响,主燃1级旋流数主要影响火焰根部形态及火焰锚定位置。

轮毂波瓣对同轴分级燃烧室燃烧不稳定性的影响

针对同轴分级燃烧室,研究了分别向塔式旋流器的主燃1级和主燃2级轮毂添加波瓣结构时的燃烧不稳定性。通过冷态实验对比了不同燃烧室结构下冷态流场之间的差异,再应用大涡模拟方法获得了燃烧室全局释热率脉动频谱以及一个脉动周期内的涡量和释热率等参数云图的变化,借助动力学模态分解分析了不同燃烧室结构下的速度和释热率等模态。向主燃1级轮毂添加波瓣能够降低强漩涡出现的频率,释热率脉动幅值为全局平均释热率的4%,相比原型燃烧室下降了约45%,其释热率模态表现为高频小振幅。而向主燃2级添加波瓣则导致最大涡强度升高,主频为471 Hz的释热率脉动幅值达到了全局平均释热率的30%以上,还出现了周期性回火,不利于燃烧室稳定运行。

空气分级比对同轴分级燃烧室性能参数的影响

为掌握同轴分级燃烧室性能参数随空气分级比(主燃级空气流量的比值)的变化规律,以某同轴分级燃烧室为研究对象,数值分析了空气分级比对燃烧室的燃烧效率、总压损失、出口温度分布、污染物排放和绝热壁面最高温度的影响。结果表明:空气分级比主要会改变角涡位置的燃烧温度和高温烟气的停留时间;随着空气分级比的升高,燃烧室总压损失、出口温度分布系数、NOx排放、绝热壁面最高温度逐渐升高,但燃烧效率、CO污染物排放、径向温度分布系数对空气分级比不敏感;在同轴分级燃烧室设计中,在保证燃烧稳定的前提下可采用较小的空气分级比以实现燃烧室高效、低阻、低污染燃烧。

天然气低排放塔式同轴燃料分级燃烧特性

为了对燃烧室燃料分级特性进行研究,采用天然气-低排放塔式同轴分级燃烧室开展在理想工况下的数值模拟研究,在总燃料量一定的情况下,模拟主燃级燃料分级比和值班级当量比对燃料场、温度场及特征组分分布的影响.结果表明:在相同的分级比处,且分级比小于1.00时,增加值班级当量比,燃烧效率逐渐增大,当燃料分级比大于1.00时,不同方案的燃烧效率基本相同;燃烧效率在分级比为1.00附近取得最大值.

同轴分级环形燃烧室低工况燃料分配特性

针对天然气燃气轮机在低工况下的燃料分配策略问题,采用数值模拟研究了7种不同燃料分配模式下的同轴分级环形燃烧室燃烧特性,重点分析了燃料分配模式对速度场、燃料空间分布、温度场以及综合性能的影响。研究结果表明:燃料分配模式是影响燃烧室性能的关键因素,适量控制值班级燃料喷射量可以改善燃烧室内的燃料贯穿深度和温度场分布;预混级虽然可以提高燃料分布均匀性和降低污染物排放,但是会引发回火现象;当燃料通过第一、二级预混级喷入燃烧室时,燃烧室的效率较高、压力损失较小、污染物排放较低。

天然气燃气轮机燃烧室点火特性研究

为解决天然气同轴分级燃烧室高效点火问题,本文通过改变值班级燃料口尺寸、值班级结构类型以及旋流器各级燃料供给流量,探究其对燃烧室点火特性、燃料掺混以及燃烧性能的影响。数值模拟表明:值班级燃料管路特征尺寸越大,燃烧室内燃料与空气掺混水平越好,更利于点火;在锥形中心钝体斜面上设置燃料喷射孔的B型燃烧室燃烧性能较好;在燃料供给策略方面,在值班级燃料供给流量为5.1 g/s时,燃料的轴向贯穿深度有明显提升,当值班级喷嘴选用B结构且孔直径为3 mm时,最有利于点火工况下的点火过程。

值班级当量比变化对分级燃烧室动态燃烧特性影响研究

本文以天然气同轴分级燃烧室为研究对象,使用FGM燃烧模型结合WMLES的数值计算方法,通过改变值班级燃料流量,研究当量比变化引起的动态特性变化规律,为同轴分级燃烧室动态变工况的计算做铺垫。研究表明,值班级当量比从1.475降低至1时,值班级火焰长度从3.5d降低为2.5d,值班级火焰张角从30°降低为20°,当值班级当量比动态变化过程中,平均温度从最高的1350 K逐渐下降到1275 K,之后上升并最终稳定在1310 K左右,当量比上升过程中会出现持续0.005 s的大范围高强度释热区。由此得到了同轴分级燃烧室值班级当量比变化下动态燃烧特性,为同轴分级燃烧室实际运行控制提供参考。