三级旋流杯燃烧室流场测量与数值模拟

为满足高温升高热负荷燃烧室头部设计要求,参照旋流器设计准则,设计4种不同三级旋流杯燃烧室,采用数值模拟和PIV试验相结合方法对其冷态流场进行初步研究。研究结果表明:第3级旋流器叶片安装角增加,火焰筒头部旋流特性更显著,回流区直径增大,有利于火焰稳定;同时主燃孔射流深度增加,有利于截断火焰。第3级旋流器叶片数增加,主流速度衰减加快,气动损失增大,使火焰筒头部进气量减少,同时削弱三级旋流杯出口气流旋转强度,火焰筒头部回流区直径减小,不利于燃烧。     

旋流数对燃烧不稳定性及NO_x生成的影响

采用大涡模拟方法分析了旋流数对燃气轮机燃烧室内预混燃烧不稳定性以及NO_x生成特性的影响.结果表明:增大旋流数使得流场的扩张角增大,中心回流区范围扩大,对燃烧产物的卷吸能力增强,预混段内温度升高,高温区范围扩大,有利于燃料气流的着火与稳定燃烧,火焰长度也有所缩短;旋流数为0.7时,流场中仅存在一个进动涡核,旋流数较大时,则出现2个明显的进动涡核;增大旋流数使得涡旋周期性的脱落频率增加,破碎位置向上游移动,同时由于火焰长度缩短,热释放区域相对更为集中,从而导致燃烧室内压力脉动频率及其对应的压力峰值增大;增大旋流数也使得火焰宽度增大,峰值温度有所降低,有利于控制NO_x排放体积分数.     

天然气低排放旋流燃烧室头部结构性能研究

本文设计了一种旋流燃烧室的旋流器及预混段结构。通过冷态数值模拟的方法评估了掺混段出口的总压损失及掺混不均匀度。计算结果显示同向双级旋流器能够在相对较低的总压损失下获得较好的掺混效果。之后通过相同的方法确定影响该型旋流器性能的四个几何参数:内层旋流数、外层旋流数、喷嘴直径和内外层流道面积比。研究结果得出了旋流器设计的具体尺寸。配合该旋流器设计,又通过燃烧数值模拟设计了三种掺混区布局。结果表明,较短的中心钝体结构会引起火焰锋面位置向燃烧室下游偏移,造成平面型火焰面,另外还会在掺混区中产生不稳定的回流区。最后通过改变预混段外径、中心体长度和直径得到了综合性能良好的燃烧室结构。     

某型燃气轮机燃烧室预混燃烧流场数值研究

本文以某型燃气轮机燃烧室为模型,采用数值方法对其内部流场结构以及NO_x排放进行了研究。结果表明,燃烧室回流区由环形射流、中心回流、各旋流喷嘴中心回流、相邻旋流喷嘴之间的低速小回流以及在侧壁面与端壁之间形成的角落回流等5种不同流型共同组成;旋流数增加(0.6269~0.9403),燃烧室内回流区的体积减小,火焰长度减小,火焰根部向喷嘴端移动,燃烧室出口平面温度分布更均匀,燃烧室NO_x排放降低。     

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。     

一体化加力燃烧室燃烧性能数值研究

针对某两级中心分级分区单头部燃烧室结构参数对头部下游流场结构的影响,采用数值模拟结合正交设计的方法研究了头部结构参数（一/二级旋流数、值班级套筒张角、隔离段高度比）的变化对燃烧室流动特性的影响规律和程度。结果表明：中心回流区最大宽度随着二级旋流数、隔离段高度比、一级旋流数、值班级套筒张角4个结构参数的增大而增大,并且影响程度依次降低;中心回流区长度随着一/二级旋流数的增大而增大,套筒张角和隔离段高度比则对中心回流区长度的影响程度较小;值班级和主燃级旋流器的旋流数偏大以及值班级套筒张角偏大都会导致台阶回流区消失     

贫预混低旋流燃烧器吹脱极限和流场的测量

贫预混低旋旋流燃烧是增强火焰稳定性和控制NOx排放的有效手段,旋流器安装角对于火焰稳定性和流场结构具有重要影响。对两个不同安装角的低旋流燃烧器吹脱极限和冷、热态流场进行了测量分析。结果表明,吹脱旋流数与当量比呈线性关系,旋流器安装角较大时燃烧器稳定火焰的能力受当量比的影响较大。发散角、回流区和湍动能均受旋流器安装角变化的影响。     

钝体燃烧器环形后台阶预旋流动的数值研究

采用SST湍流模型对带旋流的三维环形后台阶的流场进行了数值分析,比较了不同孔阶比和来流旋流数对环形后台阶流场的影响.结果表明:在合适的边界条件和计算网格下,SST湍流模型对后台阶流动回流区长度的预测能力最佳;当来流旋流数为1.0时,钝体下游的中心回流区长度可以不受钝体孔阶比的影响,从而保证在多种工况下稳定的火焰;随着来流旋流数的增加,中心回流区长度接近正比例增加,来流预旋改变了钝体下游的流动结构,使轴向速度减小,速度峰值移向燃烧室的外侧壁面.通过对钝体孔阶比和旋流数进行联合优化,可得到合理的中心燃烧位置.     

低污染燃烧室预混喷嘴结构性能的数值研究

以某燃气轮机SAC(单环腔)燃烧室为原型,设计、研究了一种适用于甲烷燃料的低污染燃烧室,对燃烧室单喷嘴模型进行了数值模拟研究。就燃料喷孔位置、旋流器旋流数、叶片数目对流场和温度场进行了定性的分析。结果表明:(1)设计的喷嘴结构能形成明显的中心回流区和角回流区;(2)在有限预混长度情况下,燃料孔的位置对燃料空气预混效果有较大影响;(3)旋流器旋流数及叶片数目对燃烧室冷态流场有较大影响,且旋流数设计过大会导致回火现象,旋流数过低也会对燃料空气预混的均匀性产生一定影响;(4)结构优化后的喷嘴经计算得到NO_x排放量为7.01×10~(-6)(15%O_2浓度),CO为4.687×10~(-6)(15%O_2浓度),相比传统燃烧室降低了约80%,为形成与环境友好的燃烧室设计技术做了理论探索前期的研究工作。     

双径向反向旋流器燃烧室冷态流场数值研究

文章采用数值模拟的方法对一种新设计的双径向旋流器燃烧室的冷态流场进行了研究,并对旋流器的重要设计参数进行了计算和验证.研究表明:双径向反向旋流器能在燃烧区形成有效的回流区,同时反向旋转加强了燃料空气混合,有利于污染控制.从旋流数来看,燃烧区旋流数均大于0.6,旋流强度足以形成有效的回流区用于稳燃.最后文章研究了此结构下两级旋流器的流量系数并与初始设计用值进行了比较.     

中心分级燃烧室旋流角变化对燃烧特性的影响

实验研究了一种中心分级燃烧室值班级旋流角变化对燃烧性能的影响。采用了单头部单管式燃烧室,值班级一级旋流器旋流数分别为0. 63、0. 72和0. 93,实验研究了采用不同旋流数时燃烧室的点火、慢车贫油熄火、污染物排放和燃烧效率等燃烧特性。实验结果表明:旋流数变化对燃烧室的点火、慢车贫油熄火、污染物排放及燃烧效率等有很大影响;旋流数及一级旋流器和二级旋流器的旋流数差值增加后燃烧室的点火和慢车贫油熄火特性得到改善。一级旋流器旋流数的增加会导致污染物排放的增加及燃烧效率的下降。     

油雾旋流燃烧的实验和计算分析

为提高油雾旋流燃烧时燃烧效率,结合搭建实验台进行实验测量和建立数学模型模拟计算,研究了油雾旋流燃烧时旋流体对流场结构液滴蒸发和燃烧特性的影响。结果表明:旋流流场的结构主要可以分为中心回流区和两层螺旋涡结构,随着旋流数的增加,内层涡旋的强度增加,外层涡旋的强度降低。旋流数的增加还能促进液滴的扩散、蒸发以及液滴和空气掺混,使得燃烧室上游燃料浓度增加,燃烧效率提高。随着雷诺数的增加,中心回流区增加,火焰长度变短。     

F级燃气轮机喷嘴长度对燃烧特性影响研究

对典型F级重型燃气轮机燃烧器进行建模,采用数值模拟的方法,基于对燃烧器出口不同喷嘴长度,分析了喷嘴长度对燃烧室压损、速度场、温度场、燃料浓度分布、火焰长度以及燃烧效率的影响。计算结果表明,喷嘴长度增加会导致燃烧室热态压损略有增加,会使燃烧室中心回流区长度缩短,甲烷燃料高浓度区域会随之拉长,导致燃烧火焰拉长。同时,喷嘴长度增加会使燃烧效率略微下降。     

预燃级内级旋流对燃烧室点/熄火性能的影响

常温常压条件下,在单头部矩形光学可视燃烧室试验件上,开展了预燃级内级旋流对点/熄火性能的影响研究,在此基础上,采用PIV和燃油PLIF光学诊断技术研究了火焰筒相对压降、预燃级燃油流量对流场结构及燃油空间分布的影响,结合流场和燃油分布试验结果,分析了预燃级内级旋流对点/熄火性能的影响,结果表明:预燃级内级有旋方案的点/熄火性能优于无旋方案,预燃级内级无旋将导致旋流器中心区域轴向产生高速正向射流,这不仅会破坏回流区结构,而且会影响燃油核心区的分布,这不利于点火器附近核心火团的生成和回流区火焰的稳定,最终导致点/熄火性能的恶化.     

低排放塔式同轴分级旋流配比对燃烧流场的影响

以天然气-低排放塔式同轴分级燃烧室为研究对象，采用Realizablek-ε湍流模型和FGM燃烧模型研究了旋流器旋流数对热态流场的影响．结果表明：随着二级旋流数增加，中心级和一级流量增加，二级流量减少，燃料掺混均匀性提高，均匀指数最大提高0.061；压力损失小幅增加，而CO排放显著减少，燃烧效率提高且超过99%；模拟的各工况温度分布均匀，均形成稳定的回流区，燃烧稳定；对16种不同的旋流器方案进行筛选，选出0.7/0.8旋流器方案为最佳方案．     

旋流数对某环管型燃烧室内燃烧及NOx生成特性的影响

采用数值模拟的方法对主喷嘴不同旋流数下某重型燃气轮机环管型燃烧室内流场、温度场和热力型NOx生成规律进行分析。结果表明：燃烧室内主喷嘴出口形成主回流区,根部贴近壁面处形成外部回流区;值班喷嘴出口处形成中心回流区;值班喷嘴出口扩散火焰区域与外部回流区温度较高,热力型NOx生成速率明显加快;旋流数增大,主回流区范围增大,外部回流区范围减小,中心回流区消失;燃烧峰值温度略有降低,高温区范围明显减小,热力型NOx生成速率降低;适当增大主喷嘴旋流数有利于控制NOx排放。     

旋流杯矩阵下游冷态流场特征分析

基于分级贫油直射燃烧概念的多点喷雾燃烧室在降低航空发动机氮氧化物排放方面显示出极大的潜力,在传统航空发动机燃烧室模型的基础上构建了相邻旋流杯旋转方向相同(顺转)和相反(逆转)两种3×3旋流杯矩阵,数值计算采用可实现k-ε湍流模型,对比分析了旋流杯矩阵下游流场特性。结果表明,对于逆转旋流杯矩阵,部分旋流杯下游回流区相互靠近,而且回流区的长度与回流速度均大于顺转旋流杯矩阵情况。有利于维持火焰稳定,但燃烧情况下气流在高温环境中滞留时间增加,不利于降低氮氧化物排量。对于顺转和逆转两种旋流杯矩阵,下游回流区边缘处湍流动能最大值与湍流动能分布相似。     

空气旋流数对甲烷燃烧NOx生成影响数值模拟研究

为研究甲烷-空气非预混燃烧下空气旋流数对流动特性、温度分布及其对污染物NOx生成的影响,利用CFD软件,采用标准的k-ε湍流模型、P-1辐射模型和涡流耗散模型进行数值模拟。结果表明：空气旋流数从0提高到0.8的过程中,形成的中心内回流区会强化燃料和空气混合,中心火焰向燃烧室两侧逐渐扩散,火焰长度变短,且高温区移动到燃烧室的前端,局部高温的产生得到了抑制,燃烧室内的温度场更加均匀,进而导致NOx生成量的下降。同时研究燃烧器几何尺寸对气体停留时间及NOx排放浓度的影响,发现缩小空气入口孔隙半径r和燃空径向隔板间距L会导致气流速度增大,促进反应更快地弥散到整个空间,能够进一步抑制NOx的产生。     

文氏管对旋流流动影响的数值模拟

为了研究文氏管结构对燃烧室流场特性的影响,对单级轴向旋流器/文氏管结构进行了三维数值模拟.结果表明:随着文氏管扩张角度的增大,回流区径向扩张强度增强,回流区直径增大;文氏管扩张角度和收缩比的变化会使火焰筒回流区内出现双涡、三涡和四涡结构,前后排列的涡旋分别相当于主涡和次涡,这种三涡和四涡结构在燃烧室的点火燃烧方面具有较大发展潜力;中央回流区长度和回流速度会随着文氏管收缩比的增大而逐渐增大;三涡和四涡结构相比双涡结构更稳定,使燃烧室负荷调节范围更大,有助于燃烧室性能的提高.     

RQL燃烧室流场特性研究

针对环形富油燃烧-焠熄-贫油燃烧(Rich burnQuench-Lean burn)燃烧室内的焠熄掺混,利用激光PIV(粒子图像速度仪)对几种冷态工况下的流场进行激光可视化分析研究,考察了射流主流通量比和主流雷诺数变化对燃烧室头部流场及下游旋流的影响规律。实验中喷嘴出口主流和焠熄射流均使用25℃空气,同时维持燃烧室内压力恒定。研究表明:当维持主流雷诺数不变时,增加焠熄射流动量通量比,回流区尺寸发生变化,长度减小宽度增加,同时回流区形状逐渐从锥形向柱形发展;焠熄射流会影响下游流场的旋流,维持主流雷诺数不变的情况下,随着动量通量比的增加,焠熄射流孔下游的旋流逐渐被破坏;而维持动量通量比的情况下,主流雷诺数对回流区形状尺寸和焠熄孔下游旋流无明显影响。