某型燃气轮机燃烧室改进试验

针对燃气轮机低污染排放要求,对某型常规航空发动机燃烧室进行了增大主燃孔直径及掺混孔提前的改进,试验以0号柴油为燃料,进行了点火、熄火特性、出口温度场、污染物排放、燃烧效率研究。结果表明:主燃孔孔径由Φ9 mm增大到Φ11 mm,进气量由26.2%增大到39.1%,主燃区余气系数由0.95增大到1.10,常温常压贫油点火油气比由0.025 50~0.032 44变为0.024 46~0.036 25,但优于0.05的低污染燃烧室设计标准;出口温度分布系数由0.226 4降为0.207 1,提高了温度场品质;CO及未燃烃UHC排放指数有所提高,但NO_x排放指数由2.26 g/kg减小到1.34 g/kg,降低了40.7%;燃烧效率由0.984 2略有降低为0.982 3;在此基础上将掺混孔提前,但各项指标未见改善。研究结论为低污染燃气轮机的设计及常规燃烧室改型提供了参考。     

微型燃气轮机燃烧室性能试验测试

设计了一种以天然气为燃料的微型燃气轮机燃烧室,并对燃烧室的燃烧性能进行了试验测试。所设计的燃烧室为单级旋流器+主燃孔的折流式单管燃烧室,采用L型燃气导管实现气流在燃烧室内的180°转角;燃料喷嘴为多孔式,2排孔的喷射角度分别为120°和90°;通过掺混孔和燃气导管冷却孔相互配合的方式来满足燃烧室出口温度场的要求。测试结果表明:在设计点燃烧室的冷、热态压力恢复系数分别为0.955、0.940;点火燃空比为0.005～0.007,具有较好的点火特性;对贫油熄火特性影响较大的因素是燃烧室入口温度,当大气温度由-30℃升至30℃时,贫油熄火燃空比由0.0026降低至0.0023;排放及燃烧效率未能达到要求,尤其是CO排放较高,体积分数达到300×10~(–6);燃烧室出口温度分布的热点指标低于0.15,满足要求,但空气流量分配不合理导致火焰筒局部温度过高。     

垃圾填埋气微型燃气轮机低排放燃烧室燃烧性能实验

为研究一种采用中心分级贫燃预混技术的低排放垃圾填埋气微型燃气轮机燃烧室,采用单头部燃烧室,以2种垃圾填埋气LFG1、LFG2和天然气为燃料,进行了燃烧性能实验。考察了3种燃料的点火特性以及在发动机全负荷状态下,不同主燃级喷口位置、值班级与主燃级燃料分配比例(燃料分配比)对燃烧室污染物排放、燃烧效率的影响。结果表明:在所选空气流量0.15～0.50 kg/s范围内,天然气的点火燃空比为0.000 65～0.002 50,2种垃圾填埋气的点火燃空比为0.004 04～0.006 20,均符合低污染燃烧室的设计标准;随着燃料分配比在0.2～0.5变化,3种燃料存在不同的燃料分配比,使得燃烧效率更高,污染物排放水平更低;选用燃料分配比0.3与0.4的工况下,主燃级喷口位置由旋流器前调整为旋流器中间位置后,提高了LFG2与天然气的燃烧效率,但增加了LFG1与天然气的污染物排放。     

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。     

当量比对干式低排放燃烧室燃烧及NO_x生成影响的数值研究

采用数值模拟方法研究了干式低排放(DLE)燃烧室的流场结构及不同当量比对燃烧室内燃烧及污染物生成特性的影响。结果表明:中心回流区的高温回流燃气形成稳定的点火源,保证了燃料的着火和稳定燃烧;随着当量比的增大,燃烧室内流场变化较小,整体轴向速度略有增加,回流区范围基本不变;温度场变化较大,高温区明显扩大,整体温度上升,出口截面温度分布出现不对称的现象,下半侧高温区域面积略大于上半侧;出口NO_x排放摩尔分数明显上升,整体NO_x摩尔分数迅速上升,中心回流区附近增幅最为明显;旋流器的导向作用使燃烧室温度和热力型NO_x分布不均;降解当量比对控制DLE燃烧室NO_x排放有利。     

多孔介质表面火焰最小稳燃空间实验研究

为考察以多孔介质壁面为进气壁面的微燃烧器的最小稳燃空间,该文以多孔介质表面平面火焰为对象,以甲烷/空气预混气为燃料进行点火及熄火实验研究。实验中采用与多孔介质表面平行的可控温铜板来模拟燃烧室壁面,详细考察了不同燃料当量比和预混气流速时,铜板壁面温度对点火距离和熄火距离的影响。实验结果表明：当量比处于0.9～1.0之间最容易点火;在相同的当量比下,随着预混气流速的增大,点火距离先逐步减小后增大。随着平板壁面温度的提高,点火距离和熄火距离同时减小,分析认为,热熄火是其熄火的主要因素。     

旋流器结构对中心分级燃烧室贫油熄火影响数值模拟

为了优化中心分级燃烧室最佳匹配旋流器结构,借助燃油稳态逐次逼近法,通过改变旋流器旋向组合和安装角得到13种旋流器结构,借助数值模拟分析了不同旋流器结构对中心分级燃烧室贫油熄火影响。结果表明:贫油熄火过程中,主燃区温度场形状凹陷,贫油熄火后高温区并未消失,中心回流区整体尺寸变大;随着第1、2级叶片安装角增大,熄火油气比降低,且第2级降幅略大于第1级;随着主燃级叶片安装角增大,熄火油气比逐渐增加;第1、2级旋流器方向不同,主燃级与第2级旋向相同时,贫油熄火性能更好;最佳结构为第1、2级方向相反,第2级与主燃级相同,第1、2级和主燃级安装角分别为70°、45°和60°;贫油熄火试验结果与计算结果吻合较好。     

值班燃料比对环形燃烧室内NO_x生成影响的数值研究

采用数值方法分析了值班燃料比对某重型燃气轮机环形燃烧室内热力型NO_x生成的影响规律,分析表明:在一定范围内调整值班燃料比,控制燃烧室内温度及高温区分布,是降低NO_x排放的有效手段。增大值班燃料比使得值班扩散火焰温度升高,有利于燃料气流的着火与稳定燃烧,但也导致中轴线附近区域热力型NO_x生成速率升高。增大值班燃料比使得预混燃料化学当量比减小,壁面附近区域火焰温度降低、高温区范围减小,热力型NO_x生成速率降低。因此,存在最佳值班燃料比使得该重型燃机NO_x排放最低。值班火焰采用扩散燃烧方式,继续增大值班燃料比则将导致NO_x排放浓度迅速升高。     

重型燃气轮机燃烧室压力变化对NO_x排放的影响

为了研究重型燃气轮机燃烧室压力变化对NO_x排放的影响规律,基于某重型燃气轮机单管燃烧室,建立了预混燃烧模式下燃烧室三维数值仿真模型。模型采用可实现k-ε湍流模型和有限速率-涡耗散湍流燃烧模型对燃烧室预混燃烧流场特性进行求解,通过热力型和快速型NO_x生成模型对燃烧室NO_x排放进行计算。结果表明:从燃烧室头部至燃烧室尾部,NO_x生成平均质量分数逐步增加;在燃气轮机燃烧室工作压力范围内,随着燃烧室压力的增加,燃烧室出口NO_x生成平均质量分数以及燃烧室内NO_x生成质量分数峰值均逐渐增加。研究结果可为燃气轮机燃烧调整及低NO_x排放提供依据。     

燃气轮机富氢燃料预混燃烧实验研究

实现带有CO_2捕集的IGCC,需要研发燃气轮机富氢燃料燃烧室技术。基于阵列驻涡燃料-空气预混的概念,设计了燃气轮机富氢燃料燃烧室的阵列驻涡预混喷嘴,利用模型燃烧室实验研究了该喷嘴在燃烧多种富氢燃料工况下的性能。结果表明,阵列驻涡预混喷嘴在F级燃气轮机工况下燃烧富氢燃料,能够实现安全稳定低噪声工作,多数工况下NO_x排放降低到50 mg/m~3(@15%O_2)以下,展现出在燃气轮机富氢燃料燃烧室中的应用潜力,值得进一步研究。     

环管型燃烧室横截面积变化对燃烧及NO_x生成的影响

采用数值模拟方法研究了环管型燃烧室横截面积变化对燃烧室燃烧、流动及燃烧室NO_x生成及排放的影响规律。分析表明:在环管型燃烧室主喷嘴出口形成主回流区,凸台区域形成外部回流区,外部回流区范围较小;随着横截面积增大,主回流区范围增大,温度峰值和高温区范围均有所减小;增大横截面积使得比面积热强度随之减小,燃烧室内温度水平逐渐下降,热力型NO_x生成速率降低,燃烧室出口NO_x排放量下降。     

当量比对超声速燃烧室等离子体点火流场及燃烧特性影响

为了解等离子体射流点火情况下超声速燃烧室燃烧组织和燃烧性能,开展了超声速燃烧室等离子体射流点火数值模拟,调节乙烯燃料喷射压力从而改变混气当量比,分别计算了混气当量比对燃烧室燃烧效率、流场特征、壁面压力分布、燃烧产物组分分布以及总压损失的影响。研究结果表明:增大混气当量比导致燃烧效率下降;凹腔前壁面与等离子体射流之间属于燃烧反应最剧烈区域,温度最高,混气当量比从0.138增加到0.311时燃烧反应放热区增大,但凹腔内温度降低,混气当量比为0.485和0.624时燃烧反应放热区减小,凹腔下游燃烧反应主要发生在下壁面;增加混气当量比导致燃烧室上壁面压力跃升点前移且压力值变大;燃烧室总压损失主要包括燃料射流与主流形成的斜激波造成的总压损失和燃烧放热导致的总压损失,增加混气当量比气流经过燃料射流时导致的总压损失增大,但燃烧室总压损失主要由燃烧反应程度控制,燃烧反应越剧烈总压损失越大。     

改善低NO_x燃烧室预混均匀性的结构优化策略

为解决我国自主研发的某重型燃气轮机DLN燃烧室NO_x排放超标问题,基于"小幅改动",在有限预混空间的前提下,采用一系列结构改进方案与策略,改进中心燃烧区燃料/空气预混均匀性。结果表明,将中心区旋流器移至预混通道上游,可将预混非均匀度从原有的51.8%降至16.7%,而通过调整燃料喷射方向以及喷孔分布规律,可进一步减少非均匀度至10.9%。由此归纳稀相预混燃烧室预混机构的设计策略与要点:一是旋流延长实际预混距离;二是利用旋流产生的强湍流促进燃料的对流扩散;三是调整燃料射流方向或增加导流板,避免管后涡流区对燃料扩散的削弱影响;四是燃料开孔位置大小规律需与来流空气速度分布相匹配。     

重型燃机干低NO_x燃烧室设计中的关键问题

干低NOx燃烧技术(DLN)是当今国际上重型燃机普遍采用的控制污染物排放的成熟技术,为跟上国际发展,尽快实现低污染燃烧室的自主设计,迫切需要从应用的角度探索燃烧室设计中的关键问题。为此,本文从DLN技术的特点出发,结合国际上现有DLN燃烧室的结构特点,详细分析了燃/空比及其实现方式、燃料/空气混合均匀性、冷却方式、回火及自点火、燃烧稳定、出口温度场和燃料可替换性等对设计的影响,可作为燃烧室设计参考。     

含氮低热值气体燃烧NO_x排放特性研究

对燃用生物质等含氮固体原料低热值气化燃气时NO_x的排放特性进行实验研究。利用NH_3作为燃气中的含氮组分模化物,与多种组分气按比例掺配组成人工燃气,考察含氮燃气在预混燃烧和强制对流扩散燃烧条件下,NH_3质量浓度、燃烧温度、过量空气系数对NO_x排放的影响。结果表明:含氮燃气燃烧产生的NO_x主要是NO,生成的少量NO_2主要由NO氧化形成;随NH_3质量浓度增加,NO排放质量浓度增加,但是NH_3转化为NO的比例降低,预混燃烧比强制对流扩散燃烧条件下NH_3向NO的转化率高;预混燃烧条件下,温度越高NO排放质量浓度越高,而强制对流扩散燃烧时,NO排放质量浓度在低温区随温度升高而升高,但是在高温区有降低趋势;过量空气系数对强制对流扩散燃烧条件下NO排放的影响大于预混燃烧,过量空气系数对2种燃烧条件下NO_2的排放都有促进作用;在一定的燃烧温度和NH_3质量浓度下,分级燃烧组织中存在一个合适的预混比40%,使得NO的排放质量浓度最低。     

干式低NOx燃气轮机燃烧室的燃料/空气预混均匀性问题分析

干式低NOx(dry low NOx,DLN)燃烧技术的关键是在控制燃烧室主燃区总燃料/空气当量比的前提下,实现燃料/空气的均匀预混.国际上先进DLN燃烧室的研发都在预混均匀性问题上花费了很大精力,而我国对此问题的重视程度还不够.因此该文通过总结典型DLN燃烧室燃料/空气的预混方式,归纳出了在燃烧室中实现均匀预混的基本原则和方法.如气体燃料供应要采用将燃料导管伸入空气流道中,并通过小孔提供较多燃料喷射点的方式.燃料导管的位置一般视空气旋流器的位置而定,并应留有足够长的预混段.燃料应按与空气流动垂直的方向喷射,并要有较高的射流动量和适当的穿透深度.进而以此为依据分析了我国首台自主研发的重型燃气轮机R0110的DLN燃烧室在燃料/空气预混均匀性方面存在的问题并指出了改进的方向.     

值班燃料比对环管型燃烧室内NO_x生成特性影响

采用数值模拟对环管型燃烧室内NO_x生成规律进行了研究。通过改变值班燃料比获得燃烧室内流场、温度场以及热力型NO_x生成速率的分布。结果表明:随着值班燃料比的增大,中心轴线附近轴向速度有所上升,其他区域速度变化不大;值班火焰温度上升,中心轴线附近高温区范围扩大,高温明显促进了热力型NO_x的生成,其高速率范围基本与高温区重合。因此,在值班燃料比为4.0%~5.5%时,减小值班燃料比有利于降低出口NO_x排放质量浓度。     

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。     

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。     

空气含湿量对燃气轮机燃烧性能影响

参考某型燃气轮机燃烧室,建立了全尺寸燃烧室数值模型,并结合电厂实际运行数据,研究了空气含湿量对燃气轮机扩散燃烧和预混燃烧性能的影响。结果表明,湿空气会增加燃烧室火焰高度,降低燃烧室出口平面平均温度,且含湿量越大,火焰高度越高,燃烧室出口平面温度越低,燃烧室NOx排放越低。燃烧室出口平面温度分布系数?T随含湿量的变化规律与燃烧方式相关:在扩散燃烧模式下,其随空气含湿量增加而减小;在预混燃烧模式下,?T随含湿量增加而增加;相比干空气,采用湿空气燃烧,燃烧室内压力脉动主频振幅增加,燃烧室燃烧稳定性变差。