模型燃烧室燃烧自激振荡与音频特征的实验研究

以甲烷为燃料,在以GE燃机6B喷嘴为基础的1/3模型燃烧室中,研究了燃烧室空气流量和当量比的变化对燃烧自激振荡的压力波动的影响,以及燃烧发出的音频信号的特征。实验结果显示：在3组不同的入口空气流量工况下,随着当量比的增加,燃烧室的稳定——自激振荡——稳定工作的变化趋势保持一致;在不同的流量下,当量比=0.61的工况产生了最强烈的自激振荡,同时振荡的压力波动幅值和频率随燃烧室入口空气流量的增加而增大;通过FFT（快速傅里叶变换）计算发现,在有明显自激振荡的工况中,动态压力与音频信号的幅值均大幅超过稳定燃烧的工况,同时音频信号的一个特征频率与动态压力信号的特征频率重合。     

贫预混预蒸发燃烧室振荡燃烧特性的实验研究

针对燃用航空煤油的贫预混预蒸发模型燃烧室的振荡燃烧特性开展了实验研究。实验表明:在相同的燃烧室入口空气燃料混合物流速下,随着当量比的增加,燃烧室振荡燃烧的振荡主频从132 Hz增加到144 Hz,但燃烧室的均方根脉动压力幅值却从1 464 Pa下降到342 Pa。在当量比不变情况下,入流空气燃料混合物流速较低时,容易引发振荡燃烧现象,而当入流空气燃料混合物流速较高时,则燃烧会变得稳定。分析了整个燃烧实验装置的前4阶轴向声学模态频率,发现实验中所激励出的振荡燃烧主频和第二阶轴向声学模态频率吻合的很好。     

燃气轮机燃烧室预混燃烧不稳定性的数值研究

针对燃气轮机燃烧室内预混燃烧不稳定现象,应用湍流燃烧CFD的方法进行了数值研究,并着重对发生自激振荡时的火焰动态特性和燃烧室内的速度、压力和温度的振荡特性进行了分析.计算表明:非稳态雷诺平均Navier Stokes(URANS)方法和基于重整化群的RNG k-ε湍流模型以及有限速率/涡漩耗散(FR/EDM)燃烧模型对于燃烧不稳定性的研究是适用的.将预测结果与实验结果进行比较可以看出,数值计算精确地捕捉到了自激振荡燃烧过程中火焰的动态行为,还给出了燃烧室内速度、压力和温度值波动的幅值和频率.结果表明:燃烧室内低频压力振动主要是轴向的振动,热释放的波动与压力波动的频率是一致的,燃烧室内火焰的频率与燃烧室内压力和温度的波动频率也是一致的.     

进气参数对LPP燃烧室振荡燃烧特性和火焰结构的影响

为研究贫预混预蒸发(LPP)燃烧室振荡燃烧规律和LPP火焰结构,利用动态压力传感器测量了LPP燃烧室内不同进气参数下时域及频域上的压力脉动;利用激光诱导荧光(PLIF)测量系统研究了不同进气参数下的LPP火焰结构变化规律。结果表明:随着燃烧室入口流速的增加,激励出的振荡燃烧的当量比区域会减小;在一定的入口流速下,所激励的振荡燃烧主频会随着当量比的增加而增加;随着燃烧室入口空气温度的提高,激励出振荡燃烧的区域会减小,激励出的振荡燃烧的强度会下降,但振荡燃烧的主频均会增加;稳定燃烧时,LPP火焰为V型火焰;振荡燃烧则会将LPP火焰转化为平整型火焰。     

LPP燃烧室振荡燃烧特性、火焰结构和NOx排放的实验研究

利用动态压力传感器、平面激光诱导荧光（Planer Laser Induced Fluorescence,PLIF）测量系统和气体分析仪针对不同入口气流旋流数和空气含湿量条件下,贫预混预蒸发（Lean Premixed Prevaporized,LPP）燃烧室中振荡燃烧特性、火焰结构变化规律和NOx排放特性开展了实验研究。研究表明：在一定条件下,随着燃烧室入口气流旋流数增加,激励出振荡燃烧的当量比区域扩大,所激励的振荡燃烧强度不断增加,但振荡燃烧的主频则不断下降,火焰变得更加紧凑且不断向燃烧室中心和上游壁面发展;随着燃烧室入口空气含湿量的增加,振荡燃烧强度会下降甚至消失,振荡燃烧的主频增加,火焰结构由振荡燃烧时的平整型火焰向稳定燃烧时的V型火焰转变,火焰的位置也向燃烧室侧壁面和下游方向移动;LPP燃烧室中NOx排放会随着燃烧室入口空气含湿量和入口气流旋流数的增加而下降。     

轴向分级燃烧室受迫振荡特性的实验研究

为了研究轴向分级燃烧室主燃空气入口扰动对轴向分级燃烧的影响,开展了轴向分级燃烧室受迫振荡实验,获取受迫振荡情况下燃烧室内压力响应以及再燃火焰特性。实验结果表明：在受迫振荡燃烧过程中,轴向分级燃烧室内振荡主频与空气入口扰动频率基本相同,空气入口扰动频率为270 Hz时,燃烧室内压力响应更加明显;与稳定燃烧状态相比,空气入口扰动的加入会使再燃火焰抬升,再燃火焰向火焰中心收缩,再燃火焰质心位置向上方移动,火焰质心波动的带状区域由上下分布转化为左右分布,燃烧振荡会缩小再燃火焰在径向的波动范围,但是会扩大再燃火焰在轴向的波动范围;在无燃烧振荡的情况下,再燃火焰沿轴向和径向均出现了201 Hz的质心波动主频,且轴向振荡主频幅值更高,在振荡情况下,质心沿轴向和径向均产生270 Hz的波动主频,再燃火焰在轴向的波动的幅值增大,在径向无明显变化。     

燃烧室内自激励振荡燃烧的数值研究

采用数值方法研究了Langhorne型燃烧室内自激励燃烧驱动振荡的不稳定现象．应用非稳态雷诺平均法、雷诺应力紊流模型和涡团耗散燃烧模型,捕获了该类型燃烧室内两种当量比条件下的不稳定燃烧特性．数值模拟结果给出振荡燃烧发生时燃烧室内的压力振荡频率和幅值,并同实验结果进行了比较．证明了在两种当量比下分别存在着“强振荡”和“弱振荡”,并给出了两种当量比条件下不稳定燃烧时火焰的周期影像,详细分析了振荡发生时燃烧室内的火焰发展情况．     

贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性

在低污染模型燃烧室上,从实验角度研究了常温常压下贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性.主要着眼于当量比、旋流数和掺混段结构对于燃烧不稳定性的影响.结果表明,当量比对燃烧的稳定性具有重要影响,随着当量比的提高,燃烧经历了稳定-不稳定-极限环,振荡的频率变化不大,而脉动压力幅值显著增大,最终达到极限环状态.旋流强度增大会导致压力脉动增大,进入不稳定的最小当量比降低.实验所采用的开孔掺混方式与开放式的自由混合方式相比,对燃烧不稳定压力脉动有减小的效果.     

不同长高比RQL燃烧室燃烧和排放特性研究

针对3种长高比富油/焠熄/贫油(RQL)燃烧室,保持头部旋流器入口空气和燃料体积流量不变,通过改变焠熄空气体积流量,研究了不同长高比燃烧室冷态流场、掺混不均匀度、轴向温度分布及排气温度分布均匀性和污染物排放变化。结果表明:相同工况下长高比越小,射流深度越大,上下射流相互干涉作用越强;长高比为3.75的燃烧室掺混不均匀度最小,掺混效果最好;随着长高比的增加,焠熄区最低温度降低;长高比为3.75时,排气温度不均匀度较好,长高比大于3.75时,排气温度不均匀度迅速增加;随着长高比增加,燃烧室NO_x排放质量浓度升高,随着焠熄空气体积流量减小,不同长高比燃烧室NO_x排放质量浓度均先升高后降低,且在高焠熄空气体积流量工况下,低长高比燃烧室的燃烧效率下降。     

燃料热值对燃气轮机燃烧特性的仿真分析

针对燃气轮机运行过程中出现的燃烧不稳定和NO_x排放高的问题,开展了不同负荷下燃料热值对燃气轮机燃烧特性(燃烧稳定性和NO_x排放影响规律)的仿真研究。以某燃气轮机分管型燃烧室为研究对象,在不同负荷下,保持燃料流量、空气流量、大气温度等参数不变,仅改变燃料热值,采用数值仿真方法对燃气轮机设计压力监测点的压力、燃烧室出口温度及NO_x排放数据进行分析。结果表明：负荷区间相同,热值增加,高频段所对应的压力脉动幅值减小,热释放率脉动的高频频率增加,NO_x排放增加;热值相同,负荷增加,高频段所对应的压力脉动频率增加,高频段压力脉动幅值减小,热释放率脉动频率增加,NO_x排放增加。     

空燃比对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定性影响的数值研究

针对某型燃气轮机旋流燃烧室,建立了全尺寸三维燃烧室数值模型,数值研究了空燃比对其扩散和预混燃烧稳定性的影响.结果表明,扩散燃烧模式下,保持燃烧室入口燃气总流量不变,空燃比变化对燃烧室压力脉动主频及燃烧稳定性影响较小.预混燃烧模式下,保持燃烧室入口燃气总流量不变,调整空燃比,燃烧室压力脉动振幅相对稳定;但空燃比增大,燃烧室压力脉动主频减小,燃烧不稳定增长时间缩短,燃烧稳定性相对变差;而空燃比降低,燃烧室压力脉动主频增加,燃烧不稳定增长时间增加,燃烧稳定性相对增强.     

混合过程对旋流预混火焰燃烧不稳定性影响的实验研究

针对预混火焰燃烧振荡问题,通过改变旋流预混燃烧器的长度和气流速度,研究了混合长度、气体流速和当量比对燃烧不稳定性的影响,检验了时间延迟模型在宽时间尺度范围内的有效性,并揭示燃烧室压力脉动与燃烧器内燃料空气混合的相互作用机制,及其对燃烧模态的影响.结果表明,燃烧室内压力脉动会向上游传播,引起预混管内当量比脉动.当混合时间尺度小于临界尺度时,时间延迟模型具有一定的可行性.预混管内当量比脉动会随气体流动传至燃烧室中,进而影响燃烧过程,导致燃烧模态随混合时间增加而出现稳定-振荡的循环变化.当混合时间尺度大于临界尺度时,压力脉动向上游的扩散和当量比脉动向下游的流动传递衰减严重,燃烧处于稳定模态.该临界尺度约为τfc=1.5.     

部分预混旋流火焰不稳定燃烧的大涡模拟

针对燃气轮机燃烧室内甲烷/空气预混旋流火焰的燃烧不稳定问题进行了大涡模拟。采用两步化学反应机理和有限速率反应模型模拟湍流燃烧,选取WALE(壁面自适应局部)涡粘模型作为亚网格湍流模型。大涡模拟结果表明:燃烧室内的压力、速度、组份和热释放率均发生了明显的周期性波动,且波动的频率一致。燃烧室内燃烧的振荡主频率为517 Hz,压力波动相对幅值为2.9%。在不稳定燃烧过程中喷嘴发生周期性回火。外剪切层附近旋涡产生、脱落引起的非稳定热释放以及热释放对流场的反馈作用是引起不稳定燃烧的主要原因。     

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。     

当量比对微型燃气轮机H2/Air燃烧特性的影响

为了探究氢气微型燃气轮机的燃烧特性,用数值模拟方法分析了6种不同当量比工况下的燃烧室内流场特性、压力损失、燃烧效率、NO_x排放和速度分布等参数。结果表明：当量比对回流区的范围影响不大,压力损失和出口速度随当量比增加逐渐增大,出口温度分布系数（OTDF）、排气温度和NO_x排放随当量比的增加先增大后减小;径向速度的分布关于燃烧室中心轴线对称;当量比小于1时,燃烧效率在99.9%以上;当量比大于1时,燃烧效率随当量比增加而降低;当量比为1时,排气温度达到2 500 K,NO_x排放达到最大值,偏离化学当量比燃烧有利于抑制NO_x的生成。     

声音信号在贫油预混预蒸发振荡燃烧分析中的应用

为研究声音信号在贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室热声耦合振荡分析中的应用,设计并搭建了LPP燃烧室振荡燃烧试验台,完成了燃烧室振荡燃烧下的声-热参数对比试验,并对燃烧装置进行声学模态分析.结果表明:在主频附近,燃烧室与预混室内的声场具有相互耦合作用;在相同入口空气流速下,燃烧室的主频与燃油质量流量成正比,在相同燃油质量流量下,燃烧室的振荡主频不变;在过渡状态下,声音信号可反映出在点火、稳定到振荡燃烧、振荡到稳定燃烧和熄火工况下,燃烧室内燃烧状态的变化;试验中测得的声音信号主频为2阶轴向振荡模态.     

旋流预混燃烧室燃烧特性及排放特性的数值模拟研究

为了综合考察燃气轮机燃烧室在高稳定性、低排放以及燃料适应性等方面的新要求,基于旋流预混燃烧技术,通过三维数值模拟方法开展了甲烷/空气、丙烷/空气预混燃烧特性及排放特性研究。结果表明：在一定的预混气进气质量流量条件下,当量比增大易引发回火,燃烧温度更高,同时NO_x排放指数增大,增加预混气质量流量,可在一定程度上提高回/熄火极限;当量比固定,增加预混气进气质量流量可避免潜在的回火现象,且NO_x排放指数线性降低;旋流器的旋流数增大能形成强旋流,稳定火焰,降低NO_x排放指数,但过大的旋流强度会引发回火现象;相比于甲烷/空气预混燃烧,丙烷/空气预混燃烧温度偏高,NO_x排放指数较大,但回熄火边界更宽,对应更广阔的稳定燃烧区间。     

燃料热值对不同燃烧方式下燃气轮机燃烧特性的影响

针对燃气轮机运行过程中出现的燃烧不稳定和污染物排放高的问题,开展了燃料热值对不同燃烧方式下燃气轮机燃烧特性（燃烧稳定性和污染物排放影响规律）影响的研究。以某重型燃气轮机分管燃烧室为研究对象,在扩散燃烧和预混燃烧方式下,保持燃料流量、空气流量及大气温度等参数不变,仅改变燃料热值,采用数值仿真方法对燃烧室设计监测点处压力、燃烧室出口温度及污染物排放等数据进行分析。研究表明：在扩散燃烧方式下,热值较低时,燃烧室高频压力脉动较大,热值增加,燃烧室低频压力脉动先减小后增加;在预混燃烧方式下,热值增加,燃烧室高频压力脉动减小;在两种燃烧方式下,热值增加,燃烧室出口NO_x排放均增加,而热值变化对燃烧室出口CO的排放影响较小。     

当量比对甲烷预混低旋流燃烧的影响

通过实验和数值模拟的方法研究了甲烷/空气预混低旋流燃烧的流场结构及当量比对甲烷低旋流燃烧的影响.结果表明,甲烷/空气预混低旋流气流在喷嘴出口处扩张,形成有利于燃烧稳定的低速区;预混火焰"悬浮"于喷嘴上方,在剪切区的内侧,火焰呈W型;富燃时,随着当量比的增加,火焰的推举高度略有增加;甲烷/空气预混低旋流流场具有自相似性,无量纲轴向速度的径向分布几乎不受当量比的影响.同时,燃烧室出口的温度随着当量比的增加而增加,并且在当量比为0.8~1.4时变化较为明显,当量比超过1.4后,增加趋势变缓.     

某型燃气轮机燃烧室常压模化试验研究

开发一款燃烧天然气的中小型地面燃气轮机燃烧室,并对该燃烧室采用单筒燃烧室压力模化试验进行燃烧特性分析.结果表明:在设计工况点,总压损失系数为3.5％,NOx排放浓度为14.5 mg/m3,CO排放浓度为2.2 mg/m3;改变热负荷时,压力振动平稳,幅值很小;燃烧室熄火边界当量比为设计值的75％左右;该燃烧室燃烧特性满...