微型燃气轮机燃烧室流场数值分析与试验研究

采用CFD方法对微型燃气轮机蒸发管燃烧室进行结构设计和流场分析,采用试验方法进行验证,主要考查设计点状态下的燃烧效率、压力损失、燃烧室出口温度场分布不均匀系数F_(OTD)与出口温度场径向不均匀度F_(RTD)。对比分析燃烧室出口温度的CFD与试验结果,二者吻合较好。试验表明:该燃烧室燃烧效率为99.6%,压力损失为4.3%,出口温度平均后的F_(OTD)为0.102,F_(RTD)为0.067。     

国产重型燃气轮机单管燃烧室性能试验研究

以某国产重型燃气轮机单管燃烧室为研究对象,通过全压试验进行燃烧室出口温度场分布品质、火焰筒壁面温度、燃烧效率和压力脉动等性能参数的录取,将试验结果与中压模拟试验进行对比分析,验证燃气轮机燃烧室性能设计的合理性。试验表明,全压试验燃烧室出口温度场分布指标满足设计要求、出口温度场分布云图和火焰筒壁面温度与中压模拟试验具有相似趋势,中压模拟试验的火焰筒局部壁面温度高于全压试验结果,全压试验所测燃烧室燃烧效率高于中压模拟试验。研究获得的数据为燃气轮机在示范电站的整机运行考核提供参考,同时对国产其余型号燃气轮机燃烧室的全压试验具有一定的指导意义。     

改烧焦炉煤气后燃气轮机燃烧室的改进

为改烧焦炉煤气,对原来燃用天然气的QD128燃气轮机燃烧室进行了改进,重新设计了能使用焦炉煤气和液体燃料的双燃料喷嘴,修改了火焰筒的头部结构,同时减少了火焰筒内壁掺混孔的进气比例.采用计算流体动力学软件Fluent对燃烧室进行了数值模拟计算,并与燃用天然气的原型燃烧室流场、温度场计算结果进行了对比分析.结果表明:燃烧室头部燃烧区存在明显的空气回流能满足稳定火焰的要求.温度场与原型燃烧室基本一致,出口截面温度场品质(OTDF、RTDF)优于原型燃烧室.     

斯特林发动机天然气扩散燃烧的数值分析和试验

应用数值模拟,对斯特林发动机中天然气的燃烧进行了全尺寸三维模拟。分析和优化对斯特林发动机燃烧室速度场、温度场分布以及排放有着重要影响的参数,如空气预热温度、旋流数和过量空气系数等。预测了优化后燃烧室的速度场、温度场分布,以及NO_x和CO的浓度场分布,得到了吸热部件周围的流动形式。模拟结果为抑制NOx和CO的排放和提高换热效率以及发动机的效率提供了指导,设计结果得到了试验验证。     

燃烧室内三维温度场的辐射反问题

本文提出了一种在介质辐射特性已知的条件下,由壁面入射辐射热流的测量值反演燃烧室内三维温度场的方法。该方法是在辐射传递方程离散坐标近似的基础上,用求目标函数极小值的共轭梯度法进行反演计算。通过对吸收系数、散射不对称因子、反照率、壁面黑度和燃烧室大小尺寸等参数对反演精度影响的分析,结果表明,即使存在随机测量误差,这些参数对温度场反演精度的影响也不大,本文所提出的方法可较精确地反演燃烧室内三维温度场。     

主燃孔位置对燃烧室性能影响研究

针对燃烧室的结构设计与性能优化,基于三维数值模拟方法研究了不同主燃孔位置下的燃烧室空气 分配特性、多物理场分布以及性能参数的变化规律。结果表明,主燃孔位置改变对空气分配比例、燃烧效率 以及总压损失的影响较小,而对回流区结枸、高温区以及出口温度场分布的影响较大;随着内侧主燃孔向上 游移动,燃烧室的回流区和出口温度场分布得到有效改善;当内侧主燃孔与喷嘴之间的距离由65. 3 mm减小 到63.3 mm 时,燃烧室出口温度分布系数（outlet temperature distribution factor,OTDF)可降低 0.043。     

航改型燃气轮机双燃料燃烧室喷水降排放试验研究

在某航改型燃气轮机燃烧室的基础上,通过重新设计双燃料喷嘴和燃料系统,实现燃用天然气和柴油两种燃料,同时采用向燃烧室内喷水的方式降低污染物排放。在燃烧试验台上完成了燃用柴油时的喷水降排放试验研究,试验结果表明:0.7~1.0状态下,向燃烧室内喷水时,燃烧效率、污染物排放、出口温度场品质能够满足设计指标要求。低状态下喷水对燃烧效率与稳定性影响较大,需严格限制喷水量。     

天然气组分变化对双燃料燃烧室性能影响试验研究

为提高燃气轮机的燃料适用性,考察天然气组分变化对燃烧室性能的影响,采用两种不同组分的天然气燃料,对某型双燃料燃烧室进行了对比试验研究。研究结果表明:天然气N_2组分比例升高时,火焰筒燃烧室出口温度分布(OTDF)有所下降,径向温度分布(RTDF)基本相当;火焰筒壁面温度升高;NO_x排放量与CO排放量数值基本不变;燃烧室燃烧效率基本保持一致;燃烧室平均动态压力值升高。     

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。     

模化试验中空气温度对贫燃预混燃烧室性能影响的试验与分析

为了分析某燃气轮机燃烧室入口空气温度对燃烧室性能的影响,利用低压模化试验台,对某型低排放贫燃预混燃烧室进行了不同入口空气温度下的低压模化试验。结果表明:燃烧室入口空气温度变化不会改变火焰筒壁温分布规律;对于燃烧室出口温度场,入口空气温度变化对出口温度分布系数有一定影响,温度分布系数(Overall Temperature Distribution Factor,OTDF)呈现先降低后升高趋势,入口空气温度420℃时,试验测得OTDF为最小值,但温度分布云图大致类似;对于污染物排放,入口空气温度升高会增多NO_x的形成。     

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。     

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。     

某重型燃气轮机燃烧室的性能试验与调试

在中国一航涡轮院高压试验台上,对中国第一台具有自主知识产权的某重型燃气轮机(E级)燃烧室进行了燃用天然气的性能试验与调试,着重于燃烧室出口温度场试验与调试以及污染物排放含量试验.结果表明:设计工况下燃烧室出口周向温度分布系数为0.30,径向温度分布系数为0.13,排放污染物含量(NOx)为 204 mg/m3,这些指标均超出设计要求.通过调整火焰筒掺混孔尺寸,增加预混燃烧比例,使周向温度分布系数降为0.20,达到设计要求,并使径向温度分布系数降为0.10,接近设计要求.此外,还从理论上分析了燃烧室排放超标的原因及改进方向.     

附加温度场对高拱坝地质力学模型综合法试验的影响

降强法与超载法相结合的地质力学模型综合法试验是研究高拱坝坝肩及坝基整体稳定性的有效途径,但降强法中的升温降强阶段所产生的附加温度场会对综合法试验的结果产生一定影响。以锦屏一级高拱坝地质力学模型为研究对象,采用数值模拟法研究附加温度场对综合法试验的影响,即运用ANSYS数值计算软件模拟了是否计入附加温度场两种方案。结果表明,附加温度场对综合法试验的坝体、坝肩位移影响的变化率分别为10.13%~16.54%、10.20%~10.99%、对应力影响变化率为0.57%~8.70%,对综合稳定安全度的影响很小,说明附加温度场对综合法模型试验结果的影响较小。     

旋流燃烧室内等温流场特性的研究

采用三维轴对称RNG k ε湍流模型模拟了微型燃气轮机旋流燃烧室内的等温流场,用粒子测速仪(PIV)测量了旋流燃烧室内不同截面位置的速度矢量分布。对数值模拟结果与实验数据进行了比较分析,研究结果表明:旋流空气在燃烧室头部形成回流区,PIV实验测量的中心回流区范围小于计算结果,燃烧室中心轴的速度小于周围区域的速度,旋流燃烧室内的环向速度衰减较慢,燃烧室内充满旋流。在实验过程中,发现垂直于轴向的横截面PIV测量结果优于轴向截面的PIV测量结果;适当地增加光面厚度,有利于捕捉到更多的粒子,提高测量精度。图6参7。     

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。     

燃烧室形状对天然气发动机燃烧过程影响的研究

在对天然气发动机燃烧室进行优化的过程中,在一定压缩比下,开发设计了3种不同形状的燃烧室.应用CFD对不同形状燃烧室的缸内气体流动及燃烧过程进行了数值模拟,并在台架上进行了试验验证.模拟得出了缸内气体湍动能分布、温度场分布及燃烧持续期.针对不同形状燃烧室的缸内气体湍动能与温度场进行了详细分析后得出:增大挤气面积,则挤流强度增大,提高了缸内气体的流动速率,有利于提高火焰传播速度,改善天然气燃烧速度慢的特点;但挤气面积过大时,缸内燃烧速度过快,温度峰值增大,使NOx排放增加.最终将模拟结果与试验结果进行对比,综合考虑动力性经济性与排放性能,选取了最优形状燃烧室.     

环形燃烧室出口热点和冷点的研究

本文根据实测4种不同的环形燃烧室出口的热点和冷点温度,分析余气系数、进气温度、喷嘴类型、喷嘴数目、涡流器和火焰筒等对燃烧室出口热点和冷点温度的影响,并提出某一已知温度场为依据,应用Rosin-Rammler方程求出当出口平均温度T_3(?)max改变时的热点温T_3(?)max,试验表明,计算结果与实测比较,其绝对误差仅十几摄氏度,相对误差约2%.     

双燃料燃气轮机喷嘴结构设计与数值模拟

针对化学回热循环燃气轮机燃烧室,设计了几种双燃料喷嘴的气体燃料流道结构,应用RNG(重整化群)k-ε双方程湍流模型、PDF燃烧模型以及SIMPLE算法,借助CFD技术对采用这几种不同喷嘴结构的燃烧室燃烧流场进行了数值模拟与对比分析。通过对这几种喷嘴结构模型的火焰长度、高温区的位置、壁面温度、出口温度场的均匀性等关键影响因素的对比分析表明:采用斜气孔气体燃料旋流双燃料喷嘴,可以在气体流道中产生预旋气流,使裂解气与空气能更好地进行掺混燃烧,同时避免了火焰烧到喷嘴和火焰筒壁面,出口温度场也更均匀。     

汽油机滚动涡流模拟试验台和滚流进气道的试验研究

阐述了用于汽油机气缸内横轴涡流测量的稳流试验台的设计研制。经实验证明实验台测试结果合理，具有良好的可比性。以稳流模拟试验台的测试结果为依据，建立了滚流的计算模型，预测精度可满足工程需要。采用７种不同形式的滚流进气道，经平顶燃烧室及屋顶形燃烧室的双重试验，找出了影响滚流强度及流量系数的因素，可为汽油机进气道和燃烧室的设计提供参考。