天然气塔式同轴分级燃烧室掺氢燃烧特性 数值模拟研究

为了解天然气掺氢对贫预混燃气轮机性能的影响,采用Chemkm-pro研究了燃料的化学反应动力学 特性,对比了不同当量比、掺氢比下的绝热火焰温度、层流火焰传播速度及点火延迟时间,结果表明掺氢能缩 短燃料点火延迟时间,增加绝热火焰温度及提高火焰传播速度。进一步以天然气塔式同轴分级燃烧室为研 究对象,研究了掺氢比对燃烧室燃烧场分布及燃烧效率、总压损失系数、温度分布不均匀度、一氧化碳及氮氧 化物排放量等性能参数的影响。结果表明,随着掺氢比的增加,燃烧效率上升,总压损失系数增加,温度分布 不均匀度下降,一氧化碳排放量下降,氮氧化物排放量增加。掺氢比在35%时燃烧室发生回火。在30% ~ 35%掺氢比范围内,燃烧室性能参数变化较大。其中,总压损失系数增幅为24. 74%,温度分布不均匀度降幅 为31.11%,氮氧化物排放量增幅为416.12%。     

双燃料燃气轮机火焰筒壁温计算与分析

以某型双燃料燃气轮机燃烧室为研究对象,采用天然气及-10号柴油为燃料在额定工况下利用热平衡迭代法计算了火焰筒一维壁温.计算表明:使用不同燃料时,火焰筒壁温分布趋势基本一致;由于燃料组分中碳氢比不同,使用柴油燃料时火焰筒壁温更高;沿燃气流动方向,两种燃料条件下的火焰筒壁温差异程度越来越大.     

9E燃气轮机LEC-Ⅲ燃烧室预混模式的数值计算

采用数值模拟方法对LEC-III燃烧室的燃烧流场进行数值模拟,分析了预混模式下火焰筒内速度分布、温度分布和组分分布.结果表明:在预混模式下,火焰筒通过二级燃料喷嘴旋流器和中心体旋流器形成回流来稳定火焰;中心体旋流器控制了火焰范围,这对组织二级燃烧区的火焰燃烧非常重要;随着吹扫空气质量流量的增加,NO体积分数逐渐减小;模拟计算得出的NO体积分数与试验值接近,且两者的变化趋势一致.     

配风比对微型燃气轮机燃烧室燃烧性能影响的数值模拟

以采用燃料和空气预混燃烧方式的微型燃气轮机燃烧室为研究对象,根据设计参数对燃烧室进行建模和模拟计算,模拟不同工况下预混燃料在燃烧室内经过湍流流动并发生燃烧化学反应的过程,进而得到燃烧室内的热态流场、温度分布以及出口烟气中污染物的排放量.结果 表明:在总过量空气系数为3.01的情况下,随着旋流器进口当量比的增大以及助燃风质量流量比例的升高,预混火焰的锋面温度有所升高,出口NOx质量浓度与出口温度分布因子呈正相关.     

某航空发动机燃烧室天然气湿燃烧数值模拟研究

针对某型航空发动机燃烧室,探究将其改造为天然气湿燃烧低污染燃烧室的可行性。采用计算流体力学方法,研究了压力(1～2.33 MPa)、空气预热温度(510～790 K)及加湿比例(0～2.0)对温度分布、污染物排放的影响。通过Chemkin软件进行参数化计算,对全局当量比进行补偿,以确保燃烧室出口温度均达到设计值。计算结果表明:高压工况下,火焰向燃烧室出口方向延伸,导致出口径向温度分布恶化,其中,压力2.33 MPa时NO_x排放量是常压下的10倍;较高的空气预热温度将导致NO_x排放量增加,但同时可能有利于消除局部高温区;NO_x排放量随加湿比例的提高单调下降,但CO质量浓度表现出先降后增的趋势;无当量比补偿时NO_x质量浓度偏差最高达到90.7%;综合考虑NO_x和CO的排放特性,改造后燃烧室最佳燃料加湿比为1.5。     

掺氢比对低排放燃烧室性能影响研究

为了探究传统天然气燃气轮机对氢气燃料的适应性,基于现役某型工业低排放燃气轮机结构和性能,用数值模拟方法分析了燃料中氢气比例对低排放燃烧室性能的影响,确定了燃烧室燃用甲烷和氢气燃料的换用性能。研究表明：在1.0额定工况,掺氢比小于等于30%时,燃烧室不发生回火,喷嘴内部和火焰筒肩部回流区的温度以及燃烧室的总压损失随掺氢比的升高而升高,NOx排放体积分数小幅升高,CO排放体积分数减少;当掺氢比大于30%时,燃烧室发生回火,喷嘴和火焰筒肩部回流区温度、总压损失、NOx排放体积分数大幅升高,CO排放基本为零。在其他工况下,负荷变化对燃烧室边界条件影响较为复杂,对喷嘴回火边界影响无单调性变化规律。     

燃气轮机低热值合成气燃烧室内三维湍流流动的数值模拟研究

对GE-F101型工业燃气轮机环形燃烧室燃用甲烷和低热值合成气的燃烧性能进行了数值研究,采用标准κ-ε湍流模型和涡耗散湍流燃烧模型对燃烧室在不同燃料条件下的流场特性进行了数值模拟,并对燃烧室内的流场结构、温度分布、火焰结构及NOx分布进行了分析与比较;在此基础上对原燃烧室进行了一些改造.结果表明:随着燃料热值的降低,燃料射流速度增大,燃料和空气的混合程度减弱,燃烧稳定性降低,燃烧室内最高温度降低,NOx排放量减少;通过增大燃料喷嘴口径和增加旋流器的旋流数,可在一定程度上改善燃烧室内流动结构,增强燃料和空气的混合程度,因而提高了燃烧稳定性.     

某重型燃气轮机燃烧室燃烧性能的数值模拟

对某重型燃气轮机的燃烧室分成火焰筒头部、全尺寸火焰筒、过渡段三部分进行了热态的数值模拟研究。对火焰筒头部采用轴向旋流器、不等间距喷燃孔等结构的燃烧室进行计算,得到了燃烧室的三维流场分布及温度分布。研究了旋流器安装角变化对燃烧性能的影响。计算结果很好地反映该重型燃气轮机燃烧室燃烧流动特点,为重型燃气轮机燃烧室的设计开发提供了重要参考。     

二次燃料喷射对燃气轮机中低热值燃烧室性能的影响

针对燃气轮机天然气燃烧室改烧中低热值气所导致的头部流速过快、回流区减小、壁面温度过高等问题,提出从火焰筒横侧实施二次燃料喷射的方案。建立了简化的模型燃烧室,利用计算流体动力学(CFD)软件和Chemkin软件进行了计算和分析。结果表明,实施二次燃料喷射,能够增大回流区,有效加强空燃掺混。二次燃料喷射对燃烧室总压损失和燃烧效率影响不大,合理分配两级燃料喷射比例,能够有效降低燃烧室壁面温度,同时也能达到较低污染排放。     

9E燃气轮机低氮改造后火焰筒燃烧特性的数值计算

针对改造后的LEC-Ⅲ低NOx燃烧室,运用FLUENT软件对该火焰筒的燃烧流场进行数值模拟。在模拟过程中采用了标准k-ε湍流模型,用SIMPLE算法进行求解,分析了一次模式下火焰筒内速度分布、温度分布、组分分布。结果表明:在一次模式时,火焰筒通过旋流和第一排射流孔形成的回流稳定火焰;文丘里喉道高速气流可以防止预混模式时二级燃烧区的火焰回火,避免一级燃烧区气体再点火燃烧;在一次模式时,火焰筒头部的圆柱形腔室的工作特性相当于六个小型的火焰筒;NOx排放的数值模拟结果与运行值接近。     

油气比变化对燃烧室流场影响试验研究

为解决油气比变化时航空发动机燃烧稳定性问题,针对某型航空发动机短环形燃烧室在不同油气比下进行试验研究,利用PIV测速仪对不同油气比下燃烧室内液雾燃烧流场进行测量;利用温度传感器对燃烧室出口温度分布进行测量,分析了油气比对燃烧室内燃烧流场和出口温度分布影响规律。研究结果表明：随着油气比的增加,燃烧室回流区长度缩短,回流区涡心分别向火焰筒上下壁面靠拢,涡心距离增大;燃烧室内气流紊流度增大,速度轴向分量U rms增大;燃烧室出口各点的温度T相应升高。油气比靠近熄火边界时,燃烧流场稳定性减弱。     

中心值班火焰对燃烧室性能影响的试验研究

为提高贫燃料燃烧预混低排放燃烧室燃烧稳定性,研究值班火焰对燃烧室工作特性的影响,对国产某型燃烧室进行了模化燃烧试验。试验测试了值班火焰熄灭、贫燃料预混燃烧、富燃料半扩散燃烧状态下,燃烧室各性能参数。分析试验结果发现值班路燃料增加,燃烧稳定性提升,NO_x排放升高,出口均匀性变差,壁面温度降低。并据此绘制1.0工况燃烧室特性线,得到合理工作区间,可以在满足燃烧室设计要求同时达到NO_x和CO排放均低于30 mg/m~3(15%O_2),已达到国际领先水平。试验测定,在0.5工况时,值班火焰可以拓宽贫燃料燃烧熄火边界50%以上。     

国产重型燃气轮机单管燃烧室性能试验研究

以某国产重型燃气轮机单管燃烧室为研究对象,通过全压试验进行燃烧室出口温度场分布品质、火焰筒壁面温度、燃烧效率和压力脉动等性能参数的录取,将试验结果与中压模拟试验进行对比分析,验证燃气轮机燃烧室性能设计的合理性。试验表明,全压试验燃烧室出口温度场分布指标满足设计要求、出口温度场分布云图和火焰筒壁面温度与中压模拟试验具有相似趋势,中压模拟试验的火焰筒局部壁面温度高于全压试验结果,全压试验所测燃烧室燃烧效率高于中压模拟试验。研究获得的数据为燃气轮机在示范电站的整机运行考核提供参考,同时对国产其余型号燃气轮机燃烧室的全压试验具有一定的指导意义。     

燃气轮机燃烧室故障分析及试验研究

按等容积流率的燃烧室模化试验相似准则,对某型燃气轮机燃烧室火焰筒联焰管附近主燃孔出现裂纹的故障原因进行了试验研究,验证了火焰筒局部温度过高导致的热应力是故障发生的根本原因。在此基础上,对燃烧室火焰筒和喷嘴进行了结构改型设计,并进行了原型与改型喷嘴和改型火焰筒的燃烧室模化试验。试验结果表明,火焰筒和喷嘴的改型设计可减小火焰筒壁面温升系数及其温度梯度,改善燃烧室出口温度分布及其熄火特性,其中火焰筒最高壁温温升系数可减小5.3%,出口温度分布系数由0.178降至0.154,熄火油气比由0.003降至0.001,而燃烧室出口径向温度分布特性和设计启动状态下的点火特性基本不变。     

大气温度对某型燃气轮机燃烧稳定性和 NOx排放影响的数值研究

为了对比扩散和预混两种不同燃烧模式下大气温度对燃气轮机燃烧稳定性和NO_x排放的影响规律,针对某重型燃气轮机燃烧室,对多旋流喷嘴燃烧室的燃烧稳定性和NO_x排放进行了数值研究。结果表明:对于扩散燃烧,大气温度升高,燃烧室内高频脉动增强,燃烧稳定性变差;对于预混燃烧,大气温度升高,有利于提高燃烧的稳定性;在扩散燃烧模式下燃烧室燃料喷嘴下游回流区的温度最高,NO_x生成量最大;预混燃烧下燃烧室头部温度分布较均匀,燃烧室NO_x生成主要集中在驻涡回流区和燃烧室中下游位置,燃料喷嘴下游回流区NO_x生成量很小;随着大气温度的升高,扩散燃烧和预混燃烧下燃烧室内NO_x的生成量均增加。研究结果可为指导燃气轮机运行提供参考。     

微型燃气轮机改烧氨气/氢气混合燃料的数值模拟研究

通过数值模拟对某80 kW微型燃气轮机环形低氮燃烧室进行适当的改造并对其燃烧及NO_x生成特性进行研究。研究结果表明：将烧天然气燃料的燃烧室改烧氨/氢混合燃料,在输出功率相同时燃料体积流量增大,通过增加燃料进气喷嘴的直径来降低燃料的进气速度;当掺氢比为0.3时,该结构的燃烧室燃烧不充分,燃烧效率达不到要求;当掺氢比在0.35～0.5、燃料华白数在19.9～21.7范围内变化时,该燃烧室可以实现高效稳定的燃烧,性能接近燃烧天然气燃料;氨/氢混合燃料中掺氢比增大,则NO_x排放量也快速增大;由于燃料型NO_x排放量占主导地位,该微型燃气轮机燃烧室不能实现低NO_x燃烧,NO_x排放远超国家标准,需要加装脱硝装置才能实际应用。     

航空发动机燃烧室环境中非预混旋流火焰的标量特征

参考航空发动机燃烧室典型工况设计了微型模型非预混旋流燃烧室并进行了直接数值模拟,基于火焰因子对火焰标量特征进行了分析．研究发现,在非预混燃烧中,预混燃烧模态广泛存在且是放热的主要贡献者．不同工况中火焰面的分布位置和预混火焰的产生机制均存在显著差异．在贫燃工况中,火焰分布在内剪切层中,氧气优先向燃料侧输运从而在富燃料侧产生预混火焰;而在富燃工况中,火焰主要分布在外剪切层中,由于燃料中间产物优先向空气侧输运,预混火焰主要产生于富氧气侧．对标量通量的研究发现：非守恒标量(如YCO2)通量在各燃烧模态中均基本符合梯度假设;守恒标量(如混合分数Z)通量仅在预混燃烧模态中符合假设,在扩散火焰面附近不遵循这一假设．     

微型燃气轮机燃油燃烧室燃烧特性的模化试验研究

基于模化试验方法,对设计的100kW级微型燃气轮机燃油燃烧室在额定工况下的性能以及在保持微型燃气轮机燃烧室出口排气温度不变的情况下,改变进口空气温度对燃烧室燃烧特性的影响进行了研究。结果表明,燃烧室燃烧效率达到99%以上,总压恢复系数达到94.5%,出口温度最大不均匀度低于20%,NOx排放指标低于9g/kg,火焰筒壁面温度分布均匀。此外,随着燃烧室进口温度的升高,燃烧效率增大,出口温度最大不均匀度减少,CO和UHC的排放指标明显降低,但总压恢复系数有所降低,NOx排放指标有所升高。     

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1 300 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。     

某型航空发动机燃烧室等离子体助燃的数值研究

为开展等离子体助燃技术在航空发动机燃烧室中的应用研究,利用Fluent软件对某型航空发动机环形燃烧室进行了等离子体助燃的数值计算,设计了等离子体助燃的数值计算方案,对比分析了正常燃烧状态条件和等离子体助燃条件下的数值计算结果.结果表明:从主燃孔实施助燃后火焰筒内的高温区向主燃区移动,煤油在主燃区燃烧得更充分,燃烧室出口截面的平均温升增高约57.97 K,燃烧效率提高约2.42%;出口处温度分布均匀性有所改善,燃烧室出口处截面温度的分布不均匀系数下降达21.82%;提高了燃料燃烧完全程度,燃烧尾气中CO的体积分数下降约13.58%,极大改善了燃烧室的性能.