“双碳”背景下“燃气轮机燃烧室”教学模式改革探索

“双碳”背景下,能源与动力工程专业需结合国家需求进行教学模式改革,“燃气轮机燃烧室”作为能源动力相关专业重要课程,目前的教育方式已难以满足国家低碳发展战略需求。通过研究“双碳”及“低排放”背景下的国内外行业现状、现有基础配置、国家政策方向及课程改革效益,发现“燃气轮机燃烧室”课程教学模式改革可行性强,对低碳社会的发展有着重要意义。但从以往教学过程来看,先修课程掌握不足、教学内容缺少动态调整机制及实践教学薄弱是阻碍本门课程对接“双碳”战略的主要因素。文章结合相关领域前沿研究调研、以往教学经验及现有基础设施,提出了“燃气轮机燃烧室”教学模式改革的重要方法,“燃气轮机燃烧室”课程的改革将助力我国实现“双碳”目标。

湍流燃烧模型在燃气轮机燃烧室模拟中的运用与对比

利用Fluent商业软件,对燃气轮机燃烧室C16H29非预混燃烧流场进行数值模拟。针对燃烧室的额定工况,分别采用简单概率密度函数模型、涡耗散模型、涡耗散概念模型的2步反应和5步反应过程,对湍流燃烧流场进行对比数值分析,同时,考察燃烧室Thermal和Prompt NOx排放性能。通过比较发现,有吸热反应过程的EDC-5步模型所得流域内燃烧区温度较低;出口温度均匀性最好,最大不均匀度28%;NOx排放量最少。结果表明,该模型能够更合理地预测燃烧室的流场分布。

合成气燃气轮机燃烧室的试验研究

对某分管型燃气轮机燃烧室及其两个用于燃烧中热值合成气的改造方案在中压全尺寸试验台上进行了考核和实验研究。试验采用的等容积流率模化准则,即采用与真实燃烧室相同的尺寸、燃料、过量空气系数以及燃料和空气进口温度,而空气的总压和流量以及燃料的流量取为真实参数的1/6。试验结果表明2个改造方案的性能参数,包括燃烧效率、总压损失、出口温度分布、火焰筒壁面温度分布和火焰的稳定性(贫燃料熄火极限)都能够满足设计要求。此外,与原型燃烧室燃烧轻柴油的工况相比,2个改造方案在燃烧合成气时燃烧室主燃区的火焰筒壁面温度升高,而燃烧室的NOx排放大大降低,火焰的稳定性得到明显改善。因此保持火焰筒开孔规律不变,增大气体燃料喷射孔面积并增强旋流对燃烧室进行改造,使其能够高效洁净地燃烧中热值合成气,该方法是可行的。

模型燃气轮机燃烧室三维反应流数值模拟

对一种模型燃气轮机燃烧室中的三维反应流进行了数值模拟.模型燃烧室的燃料是CH4,燃烧类型是预混燃烧.在数值模拟过程中,湍流场的计算采用了k-ε双方程湍流模型;燃烧模型采用EBU漩涡破碎模型;在计算化学反应时采用了简单化学反应系统假设.另外在数值模拟过程中考虑了辐射问题,具体采用六通量辐射模型.通过数值模拟给出了速度、压力、温度、焓值、燃料分布、含氧量、燃烧产物、燃料空气混合比、湍流粘性系数、湍流耗散动能、以及空间3个方向的辐射热通量等变量的分布情况.对计算结果进行了分析,由分析可以验证数值模拟结果的准确性.并对模型燃烧室进行三维反应流数值模拟的工作为今后对实际燃烧室反应流的数值模拟打下了一定的基础.

数值模拟在合成气燃气轮机燃烧室设计中的应用

采用数值模拟方法对设计燃料为天然气和柴油的某型号燃气轮机燃烧室进行了改造,使其能够高效洁净地燃烧中热值的合成气。数值计算采用了涡团耗散湍流燃烧模型、可实现k-ε湍流模型和离散坐标系辐射模型,SIMPLE压力速度耦合算法以及二阶精度迎风插值格式。对原型燃烧室进行了数值模拟研究,分析了合成气燃料的性质,对比了燃烧天然气和合成气2种燃料时燃烧室入口参数,由此确定了燃烧室改造原则。依照改造原则对原型燃烧室进行了改造,并根据数值模拟的结果对改造方案进行了多次改进,最终得到了合适的改造方案。改造过程说明:对原先燃烧天然气的燃烧室改烧中热值合成气,基本可以不改变火焰筒的结构;燃料喷射孔的面积可以按照与原型喷嘴的燃料喷射速度相同的原则确定,但需要增加旋流器的旋流数。

燃气轮机燃烧室化学反应器网络模型研究

本文针对CFD燃烧室设计方法在计算时间以及计算的准确度上的不足,发展了一种计算量较小的、能够快速准确地预测燃气轮机燃烧室污染物排放的化学反应器网络模型方法(CRN)。该方法首先根据CFD的计算结果对燃烧室进行分区,不同的区域采用不同的化学反应器模型进行模拟,反应器之间的连接关系以及入口参数都根据CFD的结果确定。本文采用这种方法对某个燃烧富氢合成气的重型燃气轮机燃烧室的NO_x排放随燃料加湿量的变化进行了预测,并与现场测量的结果进行了比较。计算结果与现场试验数据吻合得很好,证明这是一种很好的预测燃烧室NO_x排放的方法,与CFD方法相比预测精度有了很大提高,而且在计算时间上小了几个数量级。

合成气燃气轮机燃烧室CFD模拟的模型选择及优化

采用雷诺平均的计算流体力学方法,通过模拟与燃烧室模态相似的标准旋流扩散燃烧实验以及合成气模型旋流燃烧室实验,分析了4种湍流模型对旋流燃烧及合成气燃烧室的数值模拟结果的影响。对比标准实验的速度、温度以及混合分数等实验数据,讨论不同模型以及参数取值的模拟效果,选取最合适燃烧室内复杂流型预测的realizableκ-ε湍流模型,并对位于湍流动能耗散率(ε)方程源项中的模型常数C2做出修正。耦合相应较为准确的燃烧模型以及反应机理,形成针对合成气燃烧室性能预测的较为理想的模拟方法。开展合成气模型旋流燃烧室燃烧实验,利用形成的数值模拟方法,对燃烧室壁温及NOx排放进行了预测,结果与实验较吻合,验证模拟方法可靠。

空燃比对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定性影响的数值研究

针对某型燃气轮机旋流燃烧室,建立了全尺寸三维燃烧室数值模型,数值研究了空燃比对其扩散和预混燃烧稳定性的影响.结果表明,扩散燃烧模式下,保持燃烧室入口燃气总流量不变,空燃比变化对燃烧室压力脉动主频及燃烧稳定性影响较小.预混燃烧模式下,保持燃烧室入口燃气总流量不变,调整空燃比,燃烧室压力脉动振幅相对稳定;但空燃比增大,燃烧室压力脉动主频减小,燃烧不稳定增长时间缩短,燃烧稳定性相对变差;而空燃比降低,燃烧室压力脉动主频增加,燃烧不稳定增长时间增加,燃烧稳定性相对增强.

燃气轮机合成气燃烧室动态特性的实验研究

本文针对一种燃用合成气的燃气轮机燃烧室,在以VXI总线为基础的测试平台上,进行了该型燃烧室的中压全尺寸动态特性实验研究,获得了燃烧室在点火及变负荷情况下的温度、压力、振动等重要参数的变化规律,对燃烧室动态压力信号进行了动态频谱及功率谱分析,初步探讨了影响合成气燃烧室稳定、高效、安全运行的相关因素及作用机理。

燃气轮机燃烧室进气孔流量系数的数值模拟

采用数值模拟方法研究了简单平圆孔、某型燃气轮机的气膜冷却孔的流量系数与几何参数和流动参数的关系,并得到了简单的流量系数的计算公式;将得到的简单平圆孔的计算公式与实验资料和理论分析结果进行了比较,吻合的很好。还研究了当用缝隙代替冷却孔来简化燃烧室几何时如何确定缝隙的面积。计算结果表明用数值模拟来确定燃烧室进气孔的流量系数是一种可行的并且简单、有效、准确的方法。

微型燃气轮机富氧燃烧室数值及试验研究

研究了一种采用烟气循环富氧燃烧的微型燃气轮机燃烧室.由燃烧稳定、总压恢复系数、出口温度场等几个方面确定燃烧室基本的几何尺寸,在空气以及氧气体积分数30%的O2/CO2工况下,利用CFD软件和试验对设计燃烧室的热态流场、燃烧效率、压力损失等性能进行了对比研究.结果表明,在富氧燃烧条件下,设计的燃烧室流场合理,燃烧稳定、效率高,压力损失小,基本上达到了设计要求;在空气工况下,会出现燃烧效率低、出口温度过高、不均匀系数过高等问题.

燃气轮机回流式燃烧室内两相流动数值模拟及分析

利用流体分析软件STAR-CD对某回流式燃气轮机燃烧室的内部流场进行了三维冷态数值模拟及两相流反应数值模拟。建立了燃烧室的三维计算几何模型及计算网格,计算了燃烧室的单相流场及喷雾两相流场。在计算中气相采用N-S方程求解,采用高雷诺数κ-ε湍流模型及SIMPISO算法;液相采用Lagrange法处理,采用颗粒群轨道模型。根据计算结果进行流动分析,为进一步进行燃烧室内部燃烧过程的数值计算分析及改善燃烧室的结构设计、降低排放奠定了基础。

某型燃气轮机燃烧室预混燃烧流场数值研究

本文以某型燃气轮机燃烧室为模型,采用数值方法对其内部流场结构以及NO_x排放进行了研究。结果表明,燃烧室回流区由环形射流、中心回流、各旋流喷嘴中心回流、相邻旋流喷嘴之间的低速小回流以及在侧壁面与端壁之间形成的角落回流等5种不同流型共同组成;旋流数增加(0.6269~0.9403),燃烧室内回流区的体积减小,火焰长度减小,火焰根部向喷嘴端移动,燃烧室出口平面温度分布更均匀,燃烧室NO_x排放降低。

燃气轮机燃烧室三维冷态流场数值模拟

本文针对某燃气轮机环管型燃烧室三维冷态流场的数值模拟问题进行了研究。根据该型燃气轮机燃烧室的设计图纸建立真实的三维计算几何模型;在计算中采用SIMPLE算法,k-ε双方程湍流模型,对其进行了冷态空气流场的数值模拟;通过对各处流场分布的分析,特别是对主要区域各关键截面的流动分析,可以判断出燃烧室设计的合理性,为进一步优化燃烧室的结构设计、改善流场结构,并为开展燃烧室热态流场的数值模拟奠定了基础。

燃气轮机燃烧室火焰筒先进冷却技术综述

本文主要讨论3种燃烧室火焰筒先进冷却方式-多层多孔发汗冷却、简单（倾斜）多孔发散冷却及多基火焰筒冷却，研究了其结构、传热特点，实验和计算结果及生产加工等问题，指出了每种冷却的优缺点及其发展趋势，同时还对G·E公司和P&W公司的火焰筒冷却专利设计进行了介绍，并结合我国的实际情况提出了作者的看法。

燃气轮机燃烧室参数化CFD设计方法研究

本文在传统CFD方法的基础上梳理了燃烧室参数化CFD设计方法的思路,该方法将变量参数化,使功能模块间无缝关联,对燃烧室进行初步设计,通过调整算法改进燃烧室结构,并对改进后的结构自动进行CFD计算,因此能大大缩短燃烧室的CFD设计周期,而且通过不断积累经验关系式、调整算法和结构数据,其功能将更加强大。然后在成熟软件的基础上,通过UG/Open API、ANSYS Workbench脚本以及C语言编程实现了这种参数化的CFD设计方法,之后通过算例验证了该设计方法的可行性和高效性。最后简述了该方法在实际的燃烧室设计过程中的三种应用,充分证明了参数化CFD方法在燃烧室设计中的优势。

燃气轮机燃烧室燃烧流场的数值计算

对某型燃气轮机燃烧室的燃烧流场运用FLUENT软件进行了数值模拟。在模拟过程中采用了标准k-ε湍流模型、"简单化学反应系统"模型和"快速化学反应"假设,用SIMPLE算法进行压力-速度耦合求解,分析了不同负荷情况对燃烧效率、出口平均温度、过量空气系数及火焰长度的影响。计算结果能够很好地反映燃烧室燃烧流动的特点,对预测燃烧室内的燃烧流动及燃烧室的优化有一定参考价值。

燃气轮机燃烧室流场数值计算研究及分析

对燃气轮机逆流式环形燃烧室,热态三维流场的数值模拟问题进行了研究,建立了三维计算模型,生成了数值计算网格。数值模拟研究表明,改变燃烧室的几个结构参数,可以得到更加合理的流场。通过对关键截面的流动分析,可以判断燃烧室设计的合理性,为进一步优化燃烧室结构设计、改善流场奠定了基础。

有气膜孔燃气轮机燃烧室燃烧流场的数值模拟

对有气膜孔的某型燃气轮机燃烧室燃烧状况用Fluent软件进行了数值模拟。在模拟中采用了标准k-ε湍流模型、"简单化学反应系统"模型和"快速化学反应"假设,用SIMPLE算法进行压力-速度耦合求解。通过对模拟结果的分析,得到了过量空气系数、火焰长度及火焰筒壁面平均温度等参数随负荷的变化趋势,并与无气膜冷却的相应情况进行了比较,主要在燃烧掺混和火焰筒壁面温度方面有了较大改善,所得结论对燃烧室的结构改进及优化有一定参考价值。

船用燃气轮机燃烧室三维冷态湍流数值模拟

对某种船用工业燃气轮机燃烧室中的三维冷态流场进行了数值模拟 .此燃烧室具有突台结构 ,并且燃烧室的入口切向速度分布沿着半径方向是线性的 .在计算中采用了改进的k -ε双方程湍流模型 .数值模拟的结果和实验数据进行了比较 ,结果符合较好 .另外 ,分析了燃烧室内的旋流、回流等流动特性 ,对于燃烧室的设计与优化工作起到了辅助作用 .