初始条件对燃气轮机DLE燃烧室性能影响研究

以单头部中心分级旋流干式低排放(Dry Low Emission, DLE)燃烧室为研究对象,以天然气为燃料,针对不同的全局当量比、进口温度、进口压力条件开展试验测试和数值模拟,研究燃烧室的燃烧性能以及污染物排放的变化规律。研究发现：随全局当量比增大,中心回流区长度略有增大、宽度变窄、回流速度增大,燃料量的增加使得高温区面积明显扩大,燃烧室出口温升明显增大,出口温度分布系数变化不大,燃烧室出口CO和NO_x排放摩尔分数明显增大;随进口温度的增大,中心回流区长度先明显增大再减小、宽度变窄、回流速度先增大再减小,进口空气温度的升高使得反应速率加快从而导致燃烧室出口温度升高,但温升、出口温度分布系数变化不大,CO和NO_x排放摩尔分数增大;随进口压力的增大,中心回流区长度、宽度略有增大,回流速度增大,燃烧室内部和燃烧室出口温度无明显变化,出口温度分布系数减小,CO和NO_x排放摩尔分数受影响较小。     

当量比对环管型燃烧室内NOx生成特性影响的研究

采用数值模拟方法研究了当量比对环管型燃烧室内燃烧及NO_x生成特性的影响,分析了不同当量比时燃烧室内流场、温度场、热力型NO_x生成速率分布、出口温度分布系数(OTDF)及出口NO_x浓度的变化。模拟过程中,保持空气量不变,通过调整入口甲烷量来改变当量比。研究表明:增大当量比,燃烧室内燃烧反应速率加快,轴向速度升高,高温区域沿径向扩张,其范围明显扩大,热力型NO_x生成速率加快,其高速率范围与高温区域重合,出口NO_x浓度上升,而OTDF始终处于合理范围内。因此,在当量比为0.48~0.54范围内,适当降低当量比有利于控制出口NO_x浓度。     

不同长度泡沫陶瓷内低浓度瓦斯燃烧特性研究

搭建了碳化硅泡沫陶瓷内低浓度瓦斯燃烧实验台,研究了不同长度碳化硅泡沫陶瓷内低浓度瓦斯燃烧温度分布及污染物排放,探究了不同长度碳化硅泡沫陶瓷对低浓度瓦斯燃烧特性的影响。结果表明:在相同的当量比和相同的混合气流速下,燃烧室温度随着碳化硅泡沫陶瓷长度的增加而增加,同时,出口排烟温度降低,而温升梯度随着碳化硅泡沫陶瓷长度的增加而减小;在相同的当量比、相同的混合气流速下,随着碳化硅泡沫陶瓷长度的增加,CO和NO的排放量减少;而相同的当量比、相同长度的泡沫陶瓷和不同混合气流速下,CO排放随流速的增大而减小,NO排放随着流速的增加而增加;在相同的流速、相同长度的泡沫陶瓷内,CO排放随着当量比的增大而减少;NO排放随当量比的增大而升高。     

沼气成分对微型燃气轮机燃烧室影响的数值分析

为了探究沼气成分的变化对微型燃气轮机燃烧室性能产生的影响,对微型燃气轮机环形燃烧室在不同成分沼气条件下的流动及燃烧过程进行了数值分析,得到了燃烧室内部的压力、温度及污染物生成量等参数,并对比了在不同甲烷含量的沼气下,燃烧室燃气侧的来流参数、内部温度和污染物分布以及出口参数的变化。计算结果表明:为保证微型燃气轮机的热负荷,燃气中甲烷含量的降低将增大燃气侧的流量以及压力。而燃气中二氧化碳含量的增加,增大了燃烧室内的高温区域面积以及温度梯度,并影响了燃烧反应的充分进行,增加了NO_x与CO的生成量。     

氢混天然气燃气轮机加湿低氮燃烧性能研究

为了解贫预混燃烧室天然气掺氢加湿燃烧时的性能变化和容许加湿范围,解决氢混燃气轮机NO_x排放超标问题,以某燃气轮机燃烧室为研究对象,数值研究了掺氢比和加湿比对燃烧性能及污染物排放特性的影响。结果表明：燃料无加湿条件下,燃烧室出口CO和CO₂排放值随着掺氢比的增加而减小,较高燃烧温度将导致热力型NO_x排放值增加,掺氢比达到0.2以上时,NO_x排放已超出环保限值;燃料加湿条件下,随着加湿程度增加,燃气出口平均流速及水蒸气组分含量均增加,燃烧筒内全局温度、CO₂和NO_x排放值均降低,CO排放值先降低后增加;掺氢天然气加湿可实现低氮燃烧,考虑到低掺氢工况燃气轮机功率输出效能和高掺氢工况燃烧性能恶化问题,水蒸气加湿量不宜过多,当掺氢比为0.3时,推荐燃料加湿比为0.463。     

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.     

生物质湍动流化床气化特性分析

针对生物质气化燃气焦油、飞灰含量偏高的问题,设计开发了"变截面"式湍动流化床气化炉,研究了不同空气当量比(RE)、粒径对燃气成分、燃气热值、冷煤气效率、碳转化率、飞灰含量和焦油含量的影响.结果表明:RE在0.23～0.33区间内,随着RE值的增加,炉膛温度呈升高趋势;CO、CH4、CnHm的含量呈降低趋势,H2的含量呈...     

贫预混预蒸发燃烧室的火焰结构及污染物排放

为研究航空煤油贫预混预蒸发(LPP)燃烧室火焰结构及污染物排放特性,设计了贫预混预蒸发燃烧实验平台,通过平面激光诱导荧光(PLIF)测量火焰结构,利用气体分析仪完成了排放特性测量研究.实验结果表明,LPP火焰呈现V型分布,随着当量比的增加,火焰长度变长,燃烧反应区域不断加大.当入口轴向流速恒定,随着当量比从0.43增加到0.60,NO_x排放缓慢增加,而当量比大于0.60后,NO_x排放迅速增加,而CO排放受当量比影响较小.在此基础上,研究了入口预热空气温度对污染物排放的影响.发现随着预热空气温度的升高,NO_x排放会不断升高,但预热空气温度的升高对CO的排放影响较小.     

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%。     

当量比变化对合成气双旋流喷嘴燃烧火焰特征的影响

采用平面激光诱导荧光（PLIF）、高温热电偶及红外气体分析仪,对不同当量比下的合成气在双旋流模型燃烧室内的火焰特征进行了试验研究.结果表明：当量比为0.2时,合成气火焰的反应区呈月牙形,随着当量比的增大,合成气火焰根部逐渐出现M型分布特征,火焰锋面的内、外侧张角均单调减小,火焰推举高度与穿透深度增大,同时,燃烧室中下游出现大量的反应区,火焰根部受到压缩,燃烧室排气温度升高,CO排放量迅速降低.     

空气当量比对稻壳旋风气化的影响

稻壳旋风空气气化就是以稻壳为物料,以空气为载体,通过组织旋风气固流场来完成生物质气化的过程.通过对旋风气化反应过程的温度监测和气化产品气的成分分析可知:在稻壳旋风气化过程中,随着空气当量比ER的增大,物料入口温度降低、氧化区温度提高、产品气出口温度提高,气化燃气中的主要可燃成分中CO和CH4而降低、H2则在一定范围内增加、燃气热值降低,燃气中焦油的含量减少.经过比较和优化,本文认为稻壳旋风空气气化最佳空气当量比为0.25～0.26.     

玉米秸秆循环流化床热解气化试验

采用循环流化床气化中试装置对玉米秸秆进行了气化试验,分别在常温空气与250℃预热空气条件下,研究了空气当量比（ER）和原料含水率对气化特性的影响规律。结果表明：随着ER的增大,循环流化床气化炉内的反应温度升高,气化燃气中的CO₂含量增加,焦油与CO含量及燃气热值降低,气化效率随ER的增大呈先增大后减小的趋势;随着气化原料含水率的增加,循环流化床气化炉内的平均温度下降,燃气中的CO₂与H₂及焦油含量逐渐升高,CO含量下降,CH₄与C_nH_m含量均为先增加后减少。与常温空气工况相比,预热空气工况下的燃气热值与气化效率均有一定程度的提高。采用预热空气为气化介质,提高气化剂温度,可显著促进玉米秸秆的气化反应,提升气化效率。     

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。     

生物质气微型燃气轮机运行性能分析

为研究生物质气微型燃气轮机的运行性能,构建了微型燃气轮机模型。基于C60微型燃气轮机的设计数据,首先以天然气为燃料,验证了模型的合理性。然后以沼气、松木气和干牛粪气等生物质气为燃料,在机组输出功率为60 kW及燃烧室出口温度为1 145 K两个工况分别得到燃气轮机的主要输出参数。结果表明：维持燃气轮机输出功率为60 kW时,所需生物质气流量增大,燃烧室出口温度降低,压比增大,压气机耗功减少,机组效率提高;维持燃烧室出口温度为1 145 K,燃料流量增加,引起燃气流量增大,透平的输出功增多,机组输出功率和机组效率增大;燃料初温从300 K升高到700 K,当保持额定输出功率时随着燃料初温上升机组热效率增大;当保持额定燃烧室出口温度时,随着燃料初温上升燃料流量减少,机组输出功率和机组热效率降低。     

混合气初始状态对微型燃烧室内HCCI燃烧的影响

基于微型燃烧室内自由活塞单次压缩实现均质充量压燃(homogeneous charge compress ignition,HCCI)燃烧的可视化试验,结合甲烷的详细化学反应动力学机理及动网格技术,建立了三维动网格模型,将自由活塞运动与燃烧过程相耦合,对不同初始状态下微型燃烧室内HCCI燃烧特性进行了数值模拟,得到了不同初始温度、初始压力、当量比及混合气泄漏下的燃烧特性及动力特性的变化规律。研究结果表明:初始温度、初始压力及当量比对微型燃烧室内HCCI燃烧影响较大,随着初始温度的升高,微型燃烧室内HCCI压缩着火范围扩大,但随着初始压力的增大,压缩比降低,压缩着火范围减小,当量比的变化显著影响微型燃烧室内HCCI压缩燃烧的最高温度和最高压力,混合气泄漏主要影响膨胀过程,对动力性能影响非常显著。     

低热值C2H4-AIR-N2预混气体在多孔介质内的燃烧特性研究

利用自行设计的多孔介质实验台,对C_2H_4-AIR-N_2预混气体在多孔介质燃烧器内的燃烧特性进行了实验研究,分析燃料当量比、预混气体流速以及N_2稀释比对预混气体的可燃极限、火焰传播方向、火焰温度分布以及污染物排放的影响。研究表明:随着稀释比的上升,预混气体的可燃极限范围缩小,火焰向上游传播的工况逐渐减少;燃烧器内最高火焰温度与当量比以及气体流速正相关,与稀释比负相关;CO的排放量随着稀释比的上升而增加,与当量比以及气体流速负相关;实验中的NO排放量小于20 mg/m~3。     

当量比对涡轮叶间燃烧性能影响的数值模拟

为探究涡轮叶间燃烧性能,设计了4种不同当量比的工况,利用 FLUENT 软件的 Realizable k-ε湍流模型、PDF 燃烧模型、DO 辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟.结果表明:燃烧室能在广泛的当量比(2.59~0.81)下保持性能稳定,燃烧效率保持在96%以上、总压损失低于2.4%,气体温度提高650,K 左右;降低当量比,能够提高燃烧效率,降低 CO、UHC、NOx 等污染物排放,改善温度分布,但会造成更大的总压损失;最优当量比等于1.00,此时燃烧效率在99.95%以上,总压损失相对低(1.5%),出口径向温度呈抛物线型分布,最适合燃烧室设计.与文献对比发现,选取的工况合理,其结果对涡轮叶间燃烧室设计具有参考价值     

生物质整体气化联合循环中燃烧室的分析

基于联合循环和能量梯级利用的概念,用分析和燃气变比热热力计算法研究生物质整体气化联合循环(BIGCC)中燃烧室的能量利用与损失情况。计算结果表明:燃用生物质燃料气,随燃气轮机初温提高,燃气轮机热效率提高,燃烧室的效率提高,但随燃烧室出口燃气温度的升高,燃烧室的效率提高幅度变缓;燃烧室的效率不仅与燃烧室燃气出口温度、空气入口温度和压力密切有关,还与燃料的组分的相对含量和发热量有关;对生物质燃料气、两种不同热值煤气在燃烧室出口燃气温度为1147℃时的燃烧室的效率进行了比较,两种不同热值煤气的效率较低,生物质燃料气效率最大。图2表2参11     

混合叶片吸力面径向槽对燃烧室性能影响的数值研究

为了分析混合叶片吸力面上的径向槽对超紧凑燃烧室性能的影响,基于Wilson混合叶片的试验,设计了6种不同二次气流量的工况,利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、混合分数/概率密度函数(PDF)燃烧模型、离散坐标(DO)辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟。结果表明:随着二次气流量的增加,燃烧环内压力和离心力逐渐增大;二次气流量的变化对燃烧效率影响较小,对出口燃气温度分布系数、压力损失和出口污染物排放量影响较大;叶片径向槽起到了迁移环内燃烧产物和进一步掺混燃油和空气的重要作用,改善了出口燃气径向平均温度分布,提高了出口燃气温度场品质。     

火焰筒扩张角与旋流匹配对燃烧特性的影响

为研究旋流器流量分配对干式低排放(Dry Low Emission,DLE)燃烧室燃烧特性的影响规律,针对单头部中心分级旋流燃烧室,以天然气作为燃料,在保持旋流数不变的前提下开展两级旋流器不同空气分配比例下的试验测试和数值模拟,获得不同结构参数条件下燃烧室的综合燃烧性能以及污染物排放等变化规律。研究表明：随主燃级/预燃级旋流器流量比增大,燃烧室中心回流区变小、回流区长度变短;预燃级局部当量比的增大造成燃烧室出口CO排放增加,主燃区燃烧加剧,热力型NOx排放也增加;同时,燃烧室中心高温区域向燃烧室出口方向扩张,出口温度分布均匀性变差。