旋流稳定贫燃预混燃烧研究型实验设计

贫燃预混燃烧是先进清洁燃烧技术,为加强科教协同育人,大连理工大学安全工程专业利用Tomographic PIV+OH Chemiluminescence大型仪器平台,开设了旋流稳定贫燃预混燃烧研究型教学实验。实验小组在查阅文献、了解流场与火焰光学诊断原理的基础上,有步骤地合作开展光路标定、流场与火焰捕捉、数据分析、结果讨论全过程。通过实验研究,培养科学志趣,掌握先进仪器开展科研活动的方法,促进毕业要求实践能力的有效达成。

稳焰器结构对贫燃预混燃烧火焰不稳定性的影响

通过实验对切向旋流稳焰器、径向旋流稳焰器和多孔介质稳焰器在贫燃预混火焰中的不稳定现象进行研究,主要分析了这3种结构稳焰器的熄火极限、贫燃预混燃烧时火焰的不稳定性以及火焰结构。结果表明:多孔介质稳焰器的熄火极限最好,其次是径向旋流稳焰器,而切向旋流稳焰器的熄火极限最差;多孔介质稳焰器的火焰稳定性最好,其次是径向旋流稳焰器,切向旋流稳焰器的火焰稳定性最差;多孔介质稳焰器的火焰封闭性最好,其次是径向旋流稳焰器,切向旋流稳焰器的火焰封闭性最差。

贫燃催化燃烧燃气轮机的燃烧与系统性能分析

介绍了贫燃催化燃烧燃气轮机系统的流程及特点。应用改进一维塞流数学模型,进行催化燃烧数值模拟,并用试验进行验证,分析催化燃烧的影响因素。在Aspen Plus软件中建立了系统模型,选择3个独立设计变量,即压气机压比、回热器回热度以及透平入口温度,进行系统性能分析。得到的主要结论有:在回热度及透平入口温度一定的情况下,随着压比的增加,燃烧室入口温度降低。为保证甲烷转化率,增加了甲烷浓度,从而降低了系统热效率。合理优选透平入口温度,对系统优化设计至关重要。透平入口温度及压比一定的工况下,回热度越低,系统热效率越低;在回热度一定且小于临界值时,压比越大,对催化燃烧的影响越大。

贫燃催化燃烧燃气轮机的研究进展

超低热值燃气(ULHVF)种类繁多,总量非常巨大。ULHVF甲烷浓度1%～5%,很难点火燃烧,直接排放到大气中,造成环境污染。催化燃烧是处理ULHVF最有效的燃烧方法。对催化燃烧机理及其燃气轮机催化燃烧的研究现状进行了综述,总结了燃气轮机催化燃烧和燃气轮机贫燃催化燃烧的技术关键点,介绍了燃气轮机贫燃催化燃烧系统、部件工作特性等方面的研究成果,指出了燃气轮机催化燃烧、燃气轮机贫燃催化燃烧的不足以及解决方案,提出了后续工作的发展方向。燃气轮机贫燃催化燃烧的研究进展包括:贫燃催化燃烧特性的数值模拟与试验验证;系统中叶轮机械部件的设计及性能分析;催化燃烧对系统特性影响的分析。

贫燃催化燃烧燃气轮机压气机的设计及其性能分析

分析了贫燃催化燃烧燃气轮机系统中压气机的结构特点,设计了低出口宽径比、高比转速的压气机叶轮,并采用数值计算和试验2种方法预测了其工作性能.结果表明:数值计算与试验结果基本吻合,该压气机在全工况下达到设计要求,且2种结果的高压比区域、高效率区域均远离喘振线;低宽径比、高比转速压气机的设计点在高效区;随着转速的提高,此压气机的压比特性曲线在小流量区增长的趋势明显;采用低宽径比、高比转速设计的负面作用是增大了叶尖相对马赫数.

贫燃催化燃烧燃气轮机部分负荷特性分析

介绍了贫燃催化燃烧燃气轮机系统的流程及可采用的部分负荷调节方式。建立各主要部件的数学模型,进行各调节方式下部分负荷特性的分析。提出了压气机进气加热调节方式,将此调节方式下的部分负荷特性与其他调节方式下的特性进行了对比。得到的主要结论有:催化燃烧室入口温度是影响系统部分负荷运行的关键因素;转速调节的工作范围最大,抽气调节居中,燃料气量调节最小;燃料气量调节方式下,甲烷转化率最低;在正常工作范围内,燃料气量调节工况下的系统热效率高于抽气调节工况下的热效率;压气机进气加热调节能延伸燃料气量调节方式的工作范围,但是降低了热效率。

贫燃预混旋流燃烧器回熄火边界数值模拟

为了预测回熄火边界,采用部分预混燃烧模型对天然气旋流预混燃烧器开展计算流体力学模拟。燃烧室直径60 mm、长160 mm,模拟工况包括空气和体积分数为25%的O2+体积分数为75%的N22种氧化剂,旋流器出口轴向速度为0.6~1.5 m/s范围的回火边界,以及1.5~4.5 m/s范围内的吹熄边界。通过回火和吹熄实验数据对模型进行验证,并分析结构参数对回熄火边界的影响。对比了Realizable k-ε模型和雷诺应力湍流模型,结果表明雷诺应力模型对回熄火边界的模拟结果更好。分析了回火和吹熄前后旋流器出口截面Da的变化情况,结果表明不同气流速度条件下回火临界点的1/Da以及吹熄临界点的Da和混合分数具有一定的关系。保持几何旋流数不变,对比分析了3种旋流器进口结构回熄火发生前后的流场变化及回熄火边界的变化,结果表明结构参数对回火和吹熄区间的影响作用相反,存在最优的进口长度和宽度组合使得由回火到吹熄的稳定燃烧区间最大。

基于火焰OH自发光技术的贫燃旋流预混燃烧吹熄机理

利用火焰OH自发光技术研究了湍流状态下贫燃旋流预混燃烧的吹熄过程,获取了不同当量比下的平均火焰图像、瞬时火焰图像、二维火焰表面密度和OH平均强度.将当量比从0.90降低至0.46,即由火焰的稳定燃烧状态转变至临界吹熄状态,火焰由中间凹陷的紧缩形变为柱状.当量比位于0.90～0.55时,火焰表面密度下降约10%,可以认为此时火焰处于稳定燃烧状态.当量比位于0.55～0.50时,进度变量最大值从1.0变为0.5,说明火焰锋面处于强烈脉动中,且OH强度骤降约为67%.通过观察OH强度突变区域内的瞬时火焰图像,发现火焰锋面经历了脱离钝体、向燃烧室下游移动,再燃的往复过程.最后比较了不同旋流数(0.45、0.61和0.90)对于OH强度突变区间的影响,结果表明旋流数对于该区间的影响并不明显.

Cu交换度对贫燃条件下Cu-Al-MCM-41上NO选择性催化还原的影响

利用程序升温反应技术考察了Cu交换度对Cu Al MCM 41上NO选择性还原反应性能的影响 ,同时结合XRD ,N2 吸附等温线 ,NMR ,ICP AES ,TPD和TPR等技术对催化剂的结构特征和化学吸附性能进行了表征 .结果表明 ,经Cu离子交换的Al MCM 41并未改变载体的结构特征 ,仍保持长程有序的中孔结构 .影响Cu Al MCM 41催化剂选择性还原活性的主要因素是Cu交换度 ,而不是Cu含量 ,前者决定了活性中心 (主要是Cu2 + )的浓度 .当Cu交换度低于 10 0 %时 ,随着Cu交换度的增加 ,NO最大转化率增加 .当交换度超过 10 0 %后 ,催化剂的还原活性下降 ,此时出现的CuO起完全氧化的催化作用而非选择性还原的催化作用 .在n(Si) /n(Al) =10 ,Cu交换度接近 10 0 %的Cu Al MCM 41上 3 60℃时可获得

基于波瓣旋流燃烧器的甲烷燃烧污染物排放特性

贫燃预混燃烧方式是抑制燃烧过程中NO_x生成的方法之一,但易出现燃烧不稳定现象.针对这一问题,试验采用波瓣旋流燃烧器,研究了当量比、预混气分级比、预混气分级形式对NO_x和CO排放规律、燃烧室声压峰值及火焰形态的影响.结果表明,随着当量比的减小,烟气中NO_x浓度减小,而CO浓度上升.旋流侧流量/波瓣内侧流量减小时,烟气中NO_x浓度降低,CO浓度增大.通过调节旋流器和波瓣外侧预混气分级比,NO_x和CO的排放浓度都有所下降,并在旋流侧流量、波瓣内侧流量、波瓣外侧流量分级比为6∶0∶4时浓度较低.燃烧室内声压峰值随当量比的减小而增大.当量比为0.60,预混气分级比为5∶0∶5时,燃烧室声压峰值最低,燃烧较为稳定.

预混湍流燃烧的level-set小火焰库方法研究

针对燃气涡轮发动机中贫燃预混预蒸发燃烧室,考虑详细化学反应机理,结合Level-set方法与小火焰模型模拟预混火焰,计算了甲烷/空气贫燃预混燃烧的火焰面的位置,并比较了在贫燃条件下各当量比的NO排放值,计算与实验结果吻合较好。

位移钝体稳燃的旋流预混燃烧污染物生成特性

石化炉、加热炉等设备中燃烧过程的污染物控制具有重要意义。旋流预混燃烧过程具有低NO_(x)排放的潜力,引发了学术界和工业界的广泛关注。结合钝体燃烧和旋流燃烧各自的优势,本文设计了带有位移钝体的旋流预混燃烧器。首先研究了不同钝体结构下的污染物的生成情况,确定了最优的钝体结构,在此基础上进一步研究了在不同旋流数下污染物生成、火焰形态和温度场分布情况。研究发现,钝体角度为30°、体积较小的倒锥形钝体具有较低的NO_(x)和CO生成量。NO_(x)生成量随着旋流数从0增加到0.83呈先减小后增加的趋势,并且当旋流数为0.25时,NO_(x)生成量最低。在同一热功率下,火焰高度随着旋流数的增加而减小。在同一旋流数下,火焰宽度随热功率增大呈增大趋势。NO_(x)生成量变化规律与其火焰温度分布规律一致,即NO_(x)生成量最低的工况下火焰温度也比较低。由此推测旋流引发的温度变化是NO_(x)生成量变化的主要影响因素之一。本文的研究结论对旋流预混燃烧器的设计提供了理论基础。

新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究

对一新型双旋流燃烧室开展了实验测量,研究了燃烧状态参数2种变化过程对火焰热声振荡特性的影响(过程1:保持甲烷体积流量不变,当量比从0.900逐步减小至0.725再逐步增大至0.925;过程2:保持当量比为0.850不变,逐步增大预混气的体积流量)。结果表明:在该燃烧室中存在M型和V型2种火焰结构;在过程1中,随着当量比减小,火焰由不稳定的M型转变为稳定的V型,其后,随着当量比增大,又逐渐转变为M型,存在明显的滞环现象;在过程2中,仅在初始流量下存在明显的热声振荡现象,随着流量增大,火焰变得稳定;基于压力脉动信号的功率谱特性分析和相空间重构分析,发现该双旋流燃烧室内热声振荡主频率分布于400.0和256.0 Hz左右。

钝体稳燃的旋流预混火焰污染物生成和流场分析

π型锅炉“煤改气”后的低氮燃烧器易发生火炬“刷墙”和积碳问题,而旋流预混燃烧方法因火炬短、燃尽快等优势备受关注。将贫预混旋流燃烧与钝体相结合,设计带有位移钝体的贫预混旋流燃烧器,通过移动钝体位置,可改变燃烧器出口流速。使用此燃烧器研究了不同旋流数、热功率、钝体位置工况下,旋流预混火焰污染物生成特性,并利用激光颗粒成像测速技术测量燃烧器喷嘴出口处流场。研究发现,NO_(x)生成量随旋流数增加呈先减小后增加的趋势,旋流数为0.25时,NO_(x)生成量最低;钝体位置固定时,由于此时流速随热功率的增加而增大,导致NO_(x)生成量随热功率的增加而降低,CO生成量随热功率的增加而增加;改变钝体位置保证出口流速不变时,NO_(x)和CO生成量均保持较低水平,NO_(x)生成量<12 mg/m^(3),CO生成量<7 mg/m^(3),且仅在最低热功率下有少量CO生成。通过分析流场和火焰可知,旋流数由0增至0.25时,火焰宽度增加,对周围烟气卷吸作用增强,NO_(x)生成量降低;旋流数由0.25增至0.83时,火焰宽度基本维持不变,但轴向回流增强,热烟气停留时间增加,NO_(x)生成量升高。因此,优化位移钝体位置和旋流数,可以使燃烧器出口流场和火焰结构更加合理,使污染物维持在较低水平。

燃气轮机振荡燃烧特性试验研究

振荡燃烧是燃气轮机贫燃预混燃烧室不稳定运行的重要原因之一,因此需要掌握燃烧室压力脉动特性,以探究抑制振荡燃烧的方法。本文应用低压模化燃烧试验台,完成某型燃气轮机全尺寸振荡燃烧特性试验研究。分析了贫燃状态中,不同当量比、不同燃烧区域条件下,该型燃烧室运行的动态过程,并总结了燃烧室内压力脉动的影响因素和变化规律。试验表明:(1)减少燃料量、降低热释放量,可以减弱燃烧室内由燃烧区流动引起的压力脉动,尤其是对50 Hz以下的主频振荡;(2)燃烧区当量比过低,燃烧不稳定会引发50 Hz以上极强的主频振荡;(3)增加值班路,向燃烧区中心投放燃料可以有效抑制由燃烧不稳定引起的高频主振。

基于单扇区燃烧室试验的热声模拟方法研究及验证

利用自主开发的热声网络模型研究了不同试验工况、出口边界条件、入口测量段长度对单扇区燃烧室试验台燃烧不稳定性的影响,并与试验结果进行了对比分析。结果表明:声学网络模型准确预测了不同试验工况的失稳频率。预测失稳频率与试验失稳频率相差±10 Hz以内,误差在2%以内。前期单扇区燃烧室试验表明,当入口测量段为0.4 m时,发生燃烧振荡,当入口测量段为0.25 m时,未发生燃烧振荡。数值模拟表明只有当入口测量段长度在0.35~0.44 m之间时,才会激发自激燃烧振荡,这很好地解释了上述试验结果。