喷嘴射流速度对富氢燃料平行射流燃烧器燃烧特性影响的实验和数值研究

针对燃气轮机燃烧,天然气掺氢是减少碳排放的可行策略。柔和燃烧(Moderate or Intense Low Oxygen Dilution)具备解决高绝热火焰温度下NOx排放过高的潜力。本文通过实验和数值模拟相结合的方式,研究了喷嘴射流速度对富氢燃料平行射流燃烧器燃烧特性的影响。实验燃料由Vol.50%甲烷和Vol.50%氢气构成。喷嘴的射流速度为90~150m/s。基于实验工况,利用化学反应网络模型计算了富氢燃料在不同绝热火焰温度下实现柔和燃烧的临界回流比。当量比小于0.6时,临界回流比随着氢气含量的增加而降低。实验结果表明,喷嘴射流速度的增加,NOx排放略有下降,CO排放和反应区抬升高度增加。喷嘴喷射速度由90m/s增加到150m/s,数值模拟结果显示,平行喷射燃烧器内的烟气回流比例保持不变。Da数(Damkohler number)的分布可作为判定柔和燃烧的因素,其直观显示喷嘴射流速度对柔和燃烧的影响。喷嘴射流速度增加,流场内Da>1的区域呈现降低趋势,这意味着慢速反应区域增加。对于富氢燃料,提高喷嘴射流速度有利于建立柔和燃烧,达到低NOx排放。

轴向双级反旋预混喷嘴燃烧调整边界实验研究

干式低污染燃烧室为保证安全、稳定、高效的运行状态,通常需要进行燃烧调整。本文针对一种干式低污染燃烧室用轴向双级反旋预混喷嘴,在常温常压条件下开展燃烧调整边界实验研究。测量并探究了影响燃烧调整边界的因素,如贫熄火边界、污染物排放边界以及动态压力脉动边界,着重分析了喷嘴内的剪切层稳焰机理以及火焰根部跳动与壁面相干作用导致的热声振荡机理。研究结果表明,由NO_(x)、CO、火焰状态、动态压力脉动和熄火边界共同决定的稳定运行边界在低负荷条件下为当量比0.576~0.714,随着热负荷升高,运行边界有所收窄。对比分析了纯甲烷以及掺50%H2两种燃料的燃烧调整边界,燃料加氢后边界整体向低当量比移动,运行窗口宽度得到拓展。

粗糙度对压气机叶栅损失特性影响的实验研究

为了研究粗糙度对压气机叶栅损失特性的影响,采用实验方法研究了三种雷诺数条件下表面粗糙度量级和位置对压气机平面叶栅不同攻角下总压损失特性的影响。叶片表面粗糙度通过贴砂纸的方式改变。对每种雷诺数,定量考察了由叶片表面贴砂纸引起的叶片厚度变化对叶栅攻角-损失特性的影响;对整体粗糙叶片,分析了四种粗糙度量级的影响;讨论了叶片表面局部粗糙度位置的影响。研究表明,定量比较损失时需考虑贴砂纸引起的叶片厚度变化,以加厚光滑叶片作为比较基准。粗糙度量级和位置对叶栅损失特性的影响与雷诺数密切相关,其影响趋势和程度在不同攻角范围内表现出明显的差异。高Re数条件下,当无量纲粗糙度k^+≤14.6时,叶栅性能尚可接受,当k^+≥20.1时,可认为叶栅已基本失效。总体上,叶片前缘和吸力面粗糙度对损失变化的影响最大。Re=1.0×105,-0.6°攻角情况下整体和吸力面前部加粗糙度80μm时,总压损失值相比加厚光滑叶片分别降低了17.3%和23.1%。

加压下颗粒移动床空隙率实验研究

在移动床排料装置上,研究加压条件下移动床表观颗粒速度、表观气速及入口压力对并流移动床空隙率的影响。结果表明,在表观颗粒速度或表观气速不变的情况下,移动床空隙率随入口压力的升高而减小;在入口压力不变的情况下,移动床空隙率基本不随表观颗粒速度和表观气速变化。对实验结果进行非线性拟合,得到气固并流移动床空隙率的压力拟合公式,利用该拟合公式和Ergun方程可计算移动床压降,在实验数据范围内,计算压降与实验压降的最大偏差小于±10%。

我国各省能源消费与其省会城市年平均温度的相关性研究

本文以国家统计数据为依据,用能源消费走势图、年平均气温走势图以及能源消费—气温散点图的方法对典型能耗大省进行了研究。计算出我国具有相关统计数据的30个省的能源消费及其省会城市的温度变化的Pearson相关系数并将其列表,对表中的数据进行分析并对别的省份进行能源走势图和温度走势图的对照分析。研究结果表明1978年～2008年间各个省份的能源消费与省会城市的温度变化呈现出普遍的较强相关性(以下简称"能温相关性"),而且这种相关性的强弱受着样本省市能源消费量的影响。

印刷电路板换热器结构及传热关联式研究进展

印刷电路板换热器的流道是由光化学反应在金属换热板上刻蚀形成,采用扩散连接的方式将冷热换热板叠加成换热芯体。与传统换热器相比,印刷电路板换热器具有效率高、结构紧凑、高耐温耐压性等诸多优势,目前在核电站、新型太阳能发电、制氢工业以及燃气轮机中均有广泛应用。为了进一步提高印刷电路板换热器的综合性能,使其得到更广泛的应用,本文对印刷电路板换热器的性能评价指标、结构优化研究现状以及相关的工业应用进行了全面的归纳和分析,同时通过回顾国内外相关研究,对印刷电路板换热器(PCHE)未来的发展方向和应用潜力进行了展望,为印刷电路板换热器的结构设计优化提供参考。

圆块孔式再生器传热特性研究

为设计适合开式系统的圆块孔式石墨降膜再生器,开展了该型再生器传热特性研究。以氯化钙溶液为再生对象,实验研究溶液质量分数和流量等参数对再生器液膜对流换热系数的影响。研究表明:低雷诺数时,液膜对流换热系数在200—1500 W/(m^(2)·K)之间,对流换热系数随溶液流量提高逐渐降低,基于实验结果拟合液膜对流换热系数量纲一关联式,并建立再生器一维半经验模型,与实验结果比对,蒸发量偏差不超过±5%,再生器出口溶液质量分数偏差不超过±0.3%。

跨音速轴流压气机叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机制和扩稳效果研究

本文将叶顶微喷气方法应用于NASA Rotor37跨音速轴流压气机转子,在近失速工况,利用数值模拟方法研究了不同喷气量时叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机理和叶顶微喷气的扩稳效果。结果表明,喷气使得叶顶区域的叶表压力随喷嘴与叶片相对位置的变化沿弦向发生波动,抑制了叶顶泄漏流的自激非定常波动,使叶顶泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游移动,实现了提高压气机性能和稳定性的目的。采用喷射气流的无量纲总动量可关联亚音速和跨音速轴流压气机不同喷气方案的扩稳效果,该无量纲总动量与来流总动量和喷射气流高度成反比,而与叶高和喷射气流总动量成正比。

对旋式轴流风机变转速匹配性能研究

采用全圆周数值模拟方法,研究了双级对旋式轴流风机的变转速匹配特性。在四种转速匹配方案下,对比分析了风机整机和各级转子的压升、效率和功率特性,进一步深入流场内部,揭示了不同转速匹配下的内部流动特征,并与单通道模拟结果做了对比。对单级转子特性而言,单通道模型和全圆模型间最大的区别在第二级转子,就全压升和效率来说,单通道模拟结果高于全圆周模拟结果。不同转速匹配下的结果均显示,第二级转子性能改变对转速变化更为敏感。除各级转子的良好设计,进口集流器和出口扩散器对提高对旋风机性能也很重要。

某重型燃气轮机DLN燃烧室数值模拟-热态分析

数值模拟是开展燃气轮机燃烧室性能分析的重要手段。本文通过外形3D扫描与内型工业CT扫描构建了某重型燃气轮机天然气DLN燃烧室的完整几何模型。通过对该完整三维建模进行高质量网格划分,并综合燃气轮机循环分析给出的工况参数,开展了数值模拟分析。本文热态模拟了燃烧室内流场、温度场及组分场,发现该型燃烧室喷嘴布置方式存在中心区域不能完全燃烧的风险。研究方法与结果可为燃气轮机DLN燃烧室的分析与设计提供参考。

某重型燃气轮机一级动叶气热耦合数值模拟

数值模拟是开展燃气轮机部件性能分析的重要手段,但是透平动叶工况与结构高度复杂,要开展完整全三维结构的气热耦合分析存在较大挑战。本文通过外形3D扫描与内型工业CT扫描获得了某重型燃气轮机透平一级动叶的关键几何数据,综合燃气轮机整体工况参数分析等相关信息,对一级动叶实现了完整的三维建模并进行了高质量网格划分,然后开展了单排动叶气热耦合数值模拟。计算获得透平气动效率较高,表面平均温度值比较合理,主要高温点也与透平实际烧蚀点比较吻合。相关结果可为透平动叶故障分析与设计改进提供参考。

甲烷预混多喷嘴阵列燃烧器热声振荡模态实验研究

以多喷嘴阵列燃烧器为对象,研究了甲烷预混模式下不同当量比燃烧的自激热声振荡特性,实验过程中同步测量了热释放率和压力脉动信号并获取了OH*时序图像。利用相空间重构和本征正交分解分别解析了压力脉动、反应区相干结构和各阶模态能量占比。研究结果表明,在当量比0.62~0.85范围内,随着当量比增加,燃烧室内依次出现低频振荡、稳定燃烧、间歇振荡和极限环振荡4种典型燃烧状态;当发生极限环振荡时,压力重构曲线为极限环,其轴线附近没有数据点分布,前3阶能量占比达到70%以上,反应区沿轴向发生明显的交替变化,沿径向具有较好的对称性和均匀性;稳定燃烧时,重构曲线凝成一团,前20阶能量占比不足25%,不存在明显的主频,瞬态火焰形态具有较好的一致性;甲烷预混多喷嘴阵列燃烧器的自激振荡模态为单一轴向振荡模态,和传统旋流燃烧有很大的不同,这可为后续进一步开展多喷嘴阵列燃烧器热声产生机理和抑制方案的研究提供参考。

氢含量对氢气/甲烷混合气扩散燃烧特性的影响研究

用实验与数值模拟手段研究了含氢量对氢气/甲烷混合燃料的扩散燃烧特性的影响,结果表明,在保持燃料总发热量不变的前提下,含氢量的增加并未使火焰长度发生显著变化,这是由于含氢量增加引起火焰缩短的趋势与燃料流量增加引起火焰加长的趋势共同作用的结果。所有燃料火焰的最高温度都发生在回流区内,随着含氢量的增加,火焰高温区域的轴向高度越来越大。火焰稳定性随着含氢量的提高而显著加强。OH基浓度分布的PLIF测量结果表明,随着含氢量的增加,火焰根部的边界越来越清晰,这说明根部的燃烧强度越来越剧烈。NOx排放浓度随着燃料中含氢量的增加而呈指数上升趋势,并与火焰温度的变化趋势相符合。燃料含氢量从0%增加到80%时,NOx浓度相对增加了46%,而从80%增加到100%时,NOx浓度相对增加了48%。从这个角度上说,含氢量80%的燃料也许比纯氢燃料更具有优势。

合成气-甲醇掺烧火焰研究

对合成气-甲醇掺烧火焰进行了实验研究及数值分析。实验观测了火焰形态,测量了火焰温度及烟气中NOx污染物的浓度。实验表明:相同功率条件下,相比于合成气火焰,合成气-甲醇掺烧火焰尺寸略显细长、高温区温度略低、烟气中NOx排放较少。通过数值计算分析指出,合成气-甲醇掺烧火焰尺寸变长缘于火焰中甲醇未能及时消耗完,火焰温度降低缘于甲醇火焰温度较低,烟气中NOx排放减少缘于火焰中加入甲醇有利于抑制热力型NO及中间型NO的生成。

水平管降膜吸收局部传热传质特性的数值模拟

为分析滴状和柱状流型下纯水蒸气水平管外降膜吸收过程的局部传热传质特性,建立非稳态数值模型考虑吸收过程中降膜区和管间区内液相的实际流动特征及气液两相的传质,同时对多管排区域采用实际边界条件,且考虑气液两相的传热过程。溶液的液膜Reynolds数范围为11~38。结果表明,与文献实验对比,相同流量下溶液出口浓度和温度的平均相对误差在2%以内;滴状和柱状流型下,降膜区溶液的平均浓度和温度均迅速下降,管间区先上升后下降,降膜区溶液的局部吸收速率分别约为管间区的10倍和7倍;柱状流型下降膜区的吸收速率明显小于滴状流型,管间区相差很小;吸收达到稳定后,滴状流型下溶液的平均浓度和温度变化均大于柱状流型,四排管降膜区溶液的浓度变化量依次增大,温度变化量依次减小。

天然气贫预混燃烧室值班喷嘴排放特性模拟研究

以某天然气贫预混燃烧室为研究对象,采用FGM燃烧模型耦合详细化学反应机理,研究了不同值班负荷比例下的燃烧室内流场、组分场、温度场和出口污染物排放特性。模拟分析了蒸汽稀释值班燃料对燃烧室NOx排放的影响。针对纯值班喷嘴燃烧工况,从温度场和OH基浓度场分布等角度分析蒸汽稀释值班燃料对CO、NOx生成的影响。采用FR-ED燃烧模型耦合简化化学反应机理研究了设计工况下蒸汽稀释值班燃料对燃烧室出口CO、NOx排放的影响。结果表明:随值班负荷比例增大,燃烧室出口NOx排放逐步增加;采用蒸汽稀释值班燃料,值班火焰峰值温度降低约10%,出口NOx降低达88.5%,而CO变化不大。本文研究可为后续实际机组应用提供基础数据支撑。

新型切向发散孔气膜冷却特性数值研究

为了探究火焰筒不同孔结构下的冷却特性,针对一种切向进气的发散孔火焰筒进行了不同工况下的数值研究,并基于场协同理论与常规倾角发散孔的火焰筒进行比较分析。结果表明,相比常规倾角的发散冷却,切向发散冷却结构具有更高的冷却效率,局部最高冷却效率在吹风比为10.4时可达0.98,火焰筒平均冷却效率高达0.93;同时,切向发散结构的气膜展向和流向均匀性也更好。随着吹风比的增大,切向发散冷却孔下游气膜的展向均匀性得到显著提高。常规倾角的发散结构在出流气膜附近的协同角较小,即主/次流掺混作用明显;切向结构在下游存在的较小协同角区域,但随着吹风比的增大而逐渐消失,主/次流之间掺混和换热作用的减弱是其极高冷却效率的关键。

燃气轮机联合循环启动过程排烟NO-NO2转化研究

本文针对部分燃气轮机联合循环机组在启动和低负荷运行时冒黄烟的现象,通过实验和理论计算方法研究温度、烟气成分等因素对燃机排烟中NO向NO_2转化的影响。研究表明,在燃气轮机透平排气的典型温度(500~650℃)和组分条件下,排气中的CO含量高会导致NO在2 s内快速的转化为NO_2,即在启动或低负荷条件下燃烧不完全是燃机排气产生黄烟的重要原因之一。

PEvGT循环参数优化及热力性能分析

PEvGT循环是湿空气透平(HAT)循环和注蒸汽燃气轮机(STIG)循环的结合,既具有较高的发电效率,又可对外提供蒸汽并实现灵活的热电比调节,具有在热电联供领域应用的潜力。对配置不同的两种PEvGT循环进行了参数优化,分析了其热力性能和热电联供特性。研究表明:纯发电时,两种PEvGT循环的效率最高点对应的分流比在0～20%之间。未加湿空气、加湿空气及蒸汽在回热器前混合(PEvGT-2),循环最佳压比与HAT循环最佳压比为10左右;最高效率为51.4%比HAT循环及STIG循环分别高出0.8和3个百分点。未加湿空气和蒸汽在回热器后与湿空气混合(PEvGT-1),循环最佳压比较高且最高效率与STIG循环相当。热电联供时,两种PEvGT循环具有与STIG循环相似的热电负荷灵活性,且在蒸汽输出比例相同时,PEvGT-1与PEvGT-2循环的发电效率分别比STIG循环高0.7～1.5和3.4～12个百分点。

天然气低排放旋流燃烧室头部结构性能研究

本文设计了一种旋流燃烧室的旋流器及预混段结构。通过冷态数值模拟的方法评估了掺混段出口的总压损失及掺混不均匀度。计算结果显示同向双级旋流器能够在相对较低的总压损失下获得较好的掺混效果。之后通过相同的方法确定影响该型旋流器性能的四个几何参数:内层旋流数、外层旋流数、喷嘴直径和内外层流道面积比。研究结果得出了旋流器设计的具体尺寸。配合该旋流器设计,又通过燃烧数值模拟设计了三种掺混区布局。结果表明,较短的中心钝体结构会引起火焰锋面位置向燃烧室下游偏移,造成平面型火焰面,另外还会在掺混区中产生不稳定的回流区。最后通过改变预混段外径、中心体长度和直径得到了综合性能良好的燃烧室结构。