燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究

采用数值模拟与实验研究相结合的方法开展了应用于燃气轮机燃烧室的预混燃烧器中燃料/空气掺混均匀性问题研究。在CHEMKIN软件中建立化学反应网络模型,通过零维模拟研究了燃/空预混不均匀度对NO_x排放的影响规律。针对某预混燃烧器,从影响燃料/空气掺混均匀性角度,采用三维数值模拟手段对预混段长度和燃料孔径结构开展了参数化研究,评估了预混段长度对流场和组分场的综合影响,着重关注燃/空动量比对燃料射流深度的影响,进而分析其对燃料/空气掺混性能的影响。最后,选取2种典型预混燃烧器结构,实验测量了预混火焰在不同当量比工况下的OH分布和NO_x排放。结果表明,相同当量比工况下,2种预混燃烧器火焰结构相似,尺寸变化不大,但燃/空掺混性能更优的火焰OH峰值信号强度低,脉动小;燃/空预混不均匀度直接影响NO_x排放,尤其在高当量比工况下影响更加显著。研究结果将对预混燃烧器优化设计提供参考。

多点喷射贫预混喷嘴燃料/空气混合特性研究

基于燃料喷射孔与叶片相耦合的发展趋势,提出了一种新型的带纯收敛出口段的贫预混喷嘴,其燃料喷射孔位于旋流器中空叶片上。验证了采用CO_(2)代替CH4研究混合特性的可行性,采用试验和数值计算相结合的方式研究了喷嘴关键结构参数(叶片角度、喷孔孔径和预混段长度)及气动参数(主流空气温度和压力)对喷嘴混合特性的影响。结果表明:旋流器叶片角度增大会增加旋流湍流度进而提高混合均匀度,而喷孔孔径通过控制穿透深度来影响燃料/空气混合特性,加长预混段尽管有利于混合更均匀,但同时会削弱旋流强度而影响燃烧室火焰稳定性。由于燃烧室流动处于“自模化区”,主流空气压力对混合均匀度无显著影响,而温度升高会缩短预混时间使混合均匀度降低。另外不同结构参数的喷嘴在回流区起始点所在截面的SMV (Spatial Mixing Variance)均低于5×10^(-4),验证了喷射孔与旋流器叶片相耦合的喷嘴能满足贫预混燃烧室混合均匀度要求。

多点喷射贫预混喷嘴流场及排放特性研究

基于燃料喷射孔与旋流器中空叶片相耦合的发展趋势和避免贫预混喷嘴发生回火和自燃,本文提出了一种新型的带收敛出口、壁面开冷却孔且中空叶片叶背开喷射孔的多点喷射贫预混喷嘴,试验研究了其流场和污染排放特性,并采用数值计算方法对流场和燃料/空气混合特性进行了补充研究。结果表明:主回流区脱离喷嘴出口一段距离,有利于产生脱体火焰而防止发生自燃和回火,且本文喷嘴出口温度监测结果也证实了在喷嘴内未发生自燃和回火;不同压力状态下喷嘴出口截面混合不均匀度SMV(Spatial Mixing Variance)均在4.7%左右,满足低污染燃烧室SMV低于5%的要求;并且污染物排放试验结果表明,贫预混喷嘴能同时满足NO_(x)和CO排放要求(@15%O_(2))的Φ_(dome)范围较宽,为0.65~0.82,能减少其应用在全环燃烧室的分级数,另外当Φ_(dome)低于0.70时,贫预混喷嘴的NO_(x)排放低于1×10^(-5)(@15%O_(2))。本文提出的新型贫预混喷嘴能满足燃气轮机低污染排放要求。

基于文丘里的预混气体多孔介质燃烧特性

多孔介质燃烧技术是一种新型的清洁燃烧技术,被广泛应用于预混燃烧领域。燃烧过程中,燃料与空气的预混非均匀性是影响预混气体燃烧特性的重要因素。结合工业预混领域应用广泛的文丘里混合器,采用预混不均匀度(spatial mixing deficiency,SMD)对经文丘里混合的CH_(4)/air预混气体的非均匀性进行评估。在入口速度为0.8 m/s,过量空气系数1.4条件下,研究了预混不均匀度SMD对多孔介质燃烧稳定性的影响。结果表明:SMD小于2.5%对多孔介质燃烧火焰的稳定性影响较小;随着SMD的增大,燃烧高温区域面积进一步变大,最高温度随着SMD的增加呈线性增加;稳燃范围随着SMD的增大逐渐减小。