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。     

燃气轮机振荡燃烧主动控制方法

振荡燃烧是贫燃预混燃烧室普遍面临的不稳定燃烧现象,该现象会导致发动机振动,污染物排放加剧,喷嘴烧蚀等,因此需要对这种现象进行控制,以减小压力脉动。本文针对某型低排放燃烧室,以对值班燃料供给控制为核心,设计了一套振荡燃烧主动控制系统,并进行了试验研究。分析了燃烧室内压力脉动控制的影响因素和变化规律,试验研究表明：（1）该系统有效地抑制了燃烧室的压力脉动。（2）控制系统投入工作的相位不同时,抑制效果明显变化。（3）该系统对由贫燃燃烧不稳定引起的压力脉动有明显抑制效果,对其他原因引起的脉动无明显抑制效果。     

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.     

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。     

富氢燃料贫预混旋流燃烧热声振荡特性的实验研究

贫预混燃烧是实现富氢燃料燃气轮机低NO_x燃烧的有效途径之一,但是贫预混燃烧极易产生热声振荡,热声振荡会干扰燃烧过程,对燃烧室的结构造成破坏。本文通过实验分析了当量比、燃料组分以及空气质量流量对热声振荡特性的影响。结果表明:在动态压力功率谱上有两个明显的峰值,其频率均随当量比的增加而增加,同时当量比也会影响振荡强度;氢含量越高,越容易发生热声振荡,提高氢含量会影响热声振荡的特性,当氢含量达到一定值之后再提高氢含量对热声振荡特性的影响变得不明显;空气质量流量越大,振荡强度增大,稳定燃烧的范围变小。     

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.     

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。     

某型低排放燃烧室喷嘴结构优化研究

为提高干低排放燃烧室火焰稳定性,对某燃气轮机干低排放燃烧室喷嘴进行了结构优化,增加了中心预混值班喷嘴,同时对燃料分配进行调整,分析了值班火焰对燃烧室的火焰稳定性和污染物排放的影响。计算结果表明:值班路过量空气系数为1.5,两级旋流过量空气系数相同时,可有效拓宽燃烧室贫燃熄火边界,同时保持较低的污染物排放。最后通过试验测试了燃烧室的贫燃熄火特性和压力脉动特性,初步验证了值班喷嘴结构对稳定燃烧的作用。     

某型低排放燃烧室喷嘴结构优化研究

为提高干低排放燃烧室火焰稳定性,对某燃气轮机干低排放燃烧室喷嘴进行了结构优化,增加了中心预混值班喷嘴,同时对燃料分配进行调整,分析了值班火焰对燃烧室的火焰稳定性和污染物排放的影响。计算结果表明：值班路过量空气系数为1.5,两级旋流过量空气系数相同时,可有效拓宽燃烧室贫燃熄火边界,同时保持较低的污染物排放。最后通过试验测试了燃烧室的贫燃熄火特性和压力脉动特性,初步验证了值班喷嘴结构对稳定燃烧的作用。     

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。     

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.     

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。     

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。     

天然气燃料轴向分级预混燃烧特性研究

低NOx排放是燃气轮机燃烧室的重要性能指标,面对燃烧室出口温度不断增加的趋势,新型燃烧技术探索应用成为必然。燃料轴向分级(Axial Fuel Staging,AFS)燃烧作为一项可行技术方案已在各燃机厂商的最先进燃气轮机燃烧室上获得应用,其主要通过降低高温烟气有效停留时间和低氧浓度燃烧来实现低NOx排放。基于Chemkin平台建立轴向分级预混燃烧室化学网络模型,针对1 973 K燃烧室,研究二级负荷比例、当量比和停留时间对NOx/CO排放的影响规律,对比分析主燃区高温烟气与二级未燃预混气掺混特征的影响,获得AFS燃烧的污染物排放特性和关键影响因素。同时,在贫预混燃烧器上,设计二级喷射段,实验研究二级火焰结构、污染物排放等燃烧特性。结果表明,相比于常规贫预混燃烧,AFS燃烧在高温区体现出很好的低NOx优势,且能拓宽低NOx工况范围,其中主燃区温度、二级当量比和停留时间匹配特征、主燃区高温烟气与二级预混气掺混性能等是关键。     

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。     

预混火焰不稳定性的大涡模拟

在湍流燃烧大涡模拟的基础上,利用气动声学FW-H方程对甲烷,空气预混火焰的不稳定性进行了数值分析.局部化学当量比的周期性波动,造成燃烧室内出现周期性的压力振荡,随着化学当量比的增大或减小,压力振荡幅值均有所提高;贫氧工况下,压力振荡的频率较低,贫燃工况下,压力振荡频率较高.燃烧室内同时存在周期性的温度振荡和速度脉动;压力振荡与速度脉动趋于同频、同相,而温度振荡在相位上稍有提前.流向涡涡量分布呈现周期性变化趋势,相对而言,贫氧工况下,流向涡涡量较小、涡团尺度较大;贫燃工况下,流向涡涡量较大、涡团尺度较小.     

折流燃烧室几何结构简化和流量统计对比

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。     

燃料掺混方式对天然气柔和燃烧器燃烧性能的影响研究

燃气轮机在更高参数下的低污染排放限制和宽工况范围稳定运行的需求,对燃烧室燃烧提出了新的要求。柔和燃烧作为一种新型燃烧技术,具有燃烧稳定和污染物排放低的优势。高速射流引射掺混是实现柔和燃烧所需条件的一种可行方式。本文主要研究不同燃料掺混方式对柔和燃烧器污染物排放和稳定工作范围的影响。在前期工作基础上设计了可实现燃料不同掺混方式的天然气柔和燃烧器。在常压条件下,通过实验研究了不同当量比、不同燃料/空气掺混方式下天然气柔和燃烧器的污染物排放,并研究了不同掺混方式对燃烧贫燃极限的影响,通过OH~*自发荧光、OH平面激光诱导荧光测量和数值模拟对反应区和流场结构进行了观察和分析。实验结果表明,在相同当量比下,全预混模式下的NO_x排放最低,全预混模式下稳定燃烧的贫熄火当量比为0.57;扩散模式下NO_x排放相对高,但贫熄火当量比可低至0.15,燃烧稳定范围更宽;混合模式下污染物排放水平介于预混和扩散模式之间;非预混模式下较好的贫燃火焰稳定性得益于燃烧室头部扩散燃料周围形成的低速稳定反应区。     

低排放燃烧室值班喷嘴改进设计研究

贫燃预混燃烧是目前实现干式低排放的主要技术措施之一,然而该燃烧技术在机组运行中,总会出现低工况下燃烧室贫燃熄火和回火等问题,为了改善低排放燃烧室的贫燃熄火特性,需要对低排放喷嘴进行结构设计改进。本文针对某型低排放燃烧室,以提高燃烧室贫燃熄火过量空气系数为目标,对低排放喷嘴的值班路进行设计改进。结果表明:(1)旋流缩放组合式值班喷嘴可以形成稳定的值班火焰;(2)旋流缩放组合式值班喷嘴可以引燃主喷嘴;(3)采用旋流缩放式值班喷嘴后,燃烧室的贫燃熄火过量空气系数提高了23%。     

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．