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。     

燃气轮机低热值合成气燃烧室内三维湍流流动的数值模拟研究

对GE-F101型工业燃气轮机环形燃烧室燃用甲烷和低热值合成气的燃烧性能进行了数值研究,采用标准κ-ε湍流模型和涡耗散湍流燃烧模型对燃烧室在不同燃料条件下的流场特性进行了数值模拟,并对燃烧室内的流场结构、温度分布、火焰结构及NOx分布进行了分析与比较;在此基础上对原燃烧室进行了一些改造.结果表明:随着燃料热值的降低,燃料射流速度增大,燃料和空气的混合程度减弱,燃烧稳定性降低,燃烧室内最高温度降低,NOx排放量减少;通过增大燃料喷嘴口径和增加旋流器的旋流数,可在一定程度上改善燃烧室内流动结构,增强燃料和空气的混合程度,因而提高了燃烧稳定性.     

预混燃烧下环境温度对某型燃气轮机燃烧稳定性和NOx排放影响的 数值研究

环境温度通过改变燃烧室入口空气温度进而影响燃气轮机燃烧稳定性和NO_x排放。为了掌握预混燃烧模式下环境温度对燃气轮机燃烧稳定性和NO_x排放的影响规律,本文以某重型燃气轮机燃烧室为研究对象,采用SAS湍流模型和涡耗散概念燃烧模型,通过改变环境温度,对多旋流喷嘴燃烧室预混燃烧模式下燃烧稳定性和NO_x排放进行了数值计算。研究结果表明:在燃气轮机预混燃烧模式下,提升燃气轮机环境温度,有利于提高燃烧室燃烧稳定性;环境温度从0℃上升到30℃,在不调整燃料和空气流量的情况下,燃烧室出口NO_x排放质量分数增加97.8%。     

燃氢燃气轮机的变工况特性

建立了考虑空气冷却的燃气轮机系统的变工况模型,对掺氮燃烧方式和纯氢燃烧方式下燃气轮机的变工况性能进行了计算和分析.利用Chemkin中基于氢气燃烧机理的燃烧模型,对2种燃烧方式下燃烧室内的燃烧特性进行了计算和分析,比较了燃烧区流体速度、层流火焰速度、点火延迟时间和NOx排放量.结果表明:采用纯氢燃烧方式的燃气轮机在扭矩裕度、喘振裕度和透平出口温度三方面的变工况性能都更优,但燃烧室内面临更高的回火可能性和NOx排放量.     

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。     

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.     

微型燃气轮机低热值燃料燃烧室喷嘴流动实验研究

为适应生物质气低热值、组分变化大的特点,达到燃烧室燃烧稳定、低排放要求,在某60 kW级微型燃气轮机环形燃烧室结构的基础上,新设计了一种具有不同预混孔结构的新喷嘴,并在上海交通大学微型燃气轮机单喷嘴燃烧室实验台上对原喷嘴及新设计喷嘴进行冷态流动实验,对比分析不同稀释孔直径及工质参数条件下原喷嘴及新喷嘴对燃烧室空气流量分配比及过量空气系数的影响。研究表明:燃料流量、空气流量变化会影响燃烧室空气流量分配,空气温度变化对燃烧室空气流量分配无影响;燃料热值降低会导致燃烧室过量空气系数增大,需要匹配直径更大的燃烧室稀释孔;相比于原喷嘴新喷嘴的流量分配比较大,为使其适应低热值燃料,需要匹配的燃烧室稀释孔直径为11.0 mm,该条件下新喷嘴可适应CH_4摩尔分数为50%~90%的燃料。     

进气畸变对回流燃烧室性能的影响研究

针对燃气轮机实际运行过程中不同火焰筒之间的空气流量畸变问题,以回流燃烧室为研究对象,开展三维数值模拟,分析进气流量改变对燃烧室多物理场分布特征和燃烧室性能的影响。结果表明：进气流量偏离理想设计对燃烧室回流区结构、温度场、总压恢复系数和燃烧效率等参数产生不利影响,而对燃烧室空气流量分配比例、主燃孔和掺混孔射流深度等参数的影响不明显;随着进气流量的减小,燃烧火焰拉长,燃烧室出口温度均匀性变差,燃烧效率急剧降低。     

燃气轮机旋流器安装角对燃烧室出口温度品质的影响

为深入了解燃气轮机燃烧室的燃烧特性,优化燃气轮机设计,利用PRO-E软件重建燃烧室结构,采用Gambit软件生成网格,数值计算采用Fluent软件。计算基于Realizable k-ε湍流模型,采用PDF(概率密度函数),得到了在设计工况下的燃烧器内的流动、传热和燃烧的速度、温度分布情况。为了分析旋流器安装角度值对烟气出口温度品质的影响,采用了3种安装角度值,分别为78.5°、73.5°和83.5°(设计工况)。计算结果显示:适当降低旋流器安装角度可以改善燃烧室出口温度品质。     

湿度对HAT循环燃烧室旋流扩散燃烧特性的影响

为研究湿度对燃烧特性的影响,采用湍流雷诺应力模型和层流小火焰模型,对湿空气透平(HAT)循环燃气轮机带有旋流器的燃烧室内甲烷扩散燃烧过程进行了数值模拟对比了在4种不同空气含湿量(0、100、200、300g／kg(DA))情况下的燃烧室内部温度场、速度场以及NO组分分布的情况,分析了湿度对HAT循环燃烧室扩散燃烧特性的影响结果表明,加湿降低了整个燃烧室的温度,并使其内部温度分布更加均匀;加湿使燃烧室的NO浓度大大降低;加湿减小了回流区长度。     

某重型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟

完成了环形燃烧室从扩压器、旋流器到火焰简完整真实几何结构的建模,并进行三维数值模拟.数值计算采用有限速率/涡团耗散湍流燃烧模型、Realizable k-ε湍流模型、SIMPLE压力速度耦合算法以及二阶精度迎风差值格式.分析了不同负荷对流星分配、出口温度、燃烧效率、压力损失以及污染物排放的影响.在对比现场实测结果后发现...     

燃气轮机燃烧室内NOx生成影响因素的数值研究

低NOx燃气轮机燃烧室的燃烧特性受到旋流的强烈影响，旋流特性的分析对燃烧室的设计和优化具有非常重要的作用。本文对燃气轮机燃烧室的旋流燃烧流动，应用商用程序FLUENT进行了数值模拟，并分析了旋流数、压强、湍流度对燃烧室内燃烧特性和NOx生成特性的影响。模拟结果表明，随着压强的增加，NOx排放逐渐增加，随着燃料入口湍流度的增加，NOx排放将减少，而随着旋流数的增加，NOx排放先是增加而后减小，同时，NOx随压强变化呈指数规律变化，但不同的燃烧组织形式对指数值有较大的影响。     

空气分级比对同轴分级燃烧室性能参数的影响

为掌握同轴分级燃烧室性能参数随空气分级比(主燃级空气流量的比值)的变化规律,以某同轴分级燃烧室为研究对象,数值分析了空气分级比对燃烧室的燃烧效率、总压损失、出口温度分布、污染物排放和绝热壁面最高温度的影响。结果表明：空气分级比主要会改变角涡位置的燃烧温度和高温烟气的停留时间;随着空气分级比的升高,燃烧室总压损失、出口温度分布系数、NO_x排放、绝热壁面最高温度逐渐升高,但燃烧效率、CO污染物排放、径向温度分布系数对空气分级比不敏感;在同轴分级燃烧室设计中,在保证燃烧稳定的前提下可采用较小的空气分级比以实现燃烧室高效、低阻、低污染燃烧。     

燃气轮机环形燃烧室内燃烧流动的数值模拟

对一个复杂的GE—F101型工业燃气轮机环形燃烧室，采用Reynolds应力湍流模型(RSM)、EBU—Arrhenius湍流燃烧模型和六通量热辐射模型描述其燃烧流动，应用FLUENT软件进行了三维化学反应流场的数值模拟研究。研究结果表明：旋流和燃料进口射流对燃烧室流内温度和流场分布有着重要的影响；利用数值手段得到燃烧室出口的温度分布以判断其能否满足透平叶片进口温度的要求是可行的；燃烧室工作压强对出口的NO分布有着重要影响。在燃用气体燃料时，燃气轮机的NO排放主要来自于热NO，瞬时NO只占很小一部分。图11参6     

Experimental Investigations on NOx Emission and Combustion Dynamics in an Axial Fuel Staging Combustor

Axial Fuel Staging(AFS)technology is an advanced low-emission combustion method in modem gas turbine,which divides the combustor into two axially arranged combustion zones.For revealing the characteristics of axial staged combustion,an industrial-grade combustor was designed and built.The distribution of temperature and velocity field in the combustor was presented with numerical simulation.And an Atmospheric Combustor Test Rig for axial staged combustion was built.The flow resistance characteristics of the combustor were measured at first.Then the effects of the equivalent ratio and the preheating temperature on the pollutant emission and combustion instability were investigated.The results show that the total pressure recovery coefficient in cold state is always above 98%;starting the secondary combustion at low load can reduce NO emissions by 50%,and can suppress the combustion oscillation amplitude of the combustor.At the design point with φ=0.62 and preheating temperature=400°C,NO emission and CO emission are 15.68 and 4.22 mg/m³(@15%O₂).     

掺混孔调整对燃气轮机DLN燃烧室性能影响研究

掺混孔是影响燃气轮机燃烧室出口温度分布的重要设计参数.针对多喷嘴DLN燃烧室开展整体数值计算,探讨了掺混孔尺寸调整对燃烧室性能的影响规律.研究表明,减小掺混孔一方面可使进入燃烧室头部的空气量增多,燃烧峰值温度和平均温度显著下降,有利于改善燃烧特性,另一方面削弱了掺混孔射流卷吸效应,使火焰筒金属壁面的高温区范围大幅缩小....     

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。     

Counter-rotating dual-stage swirling combustion characteristics of hydrogen and carbon monoxide at constant fuel flow rate

In this paper, experimental and numerical methods were used to study the combustion characteristics of a counter-rotating double-stage swirling syngas combustor at constant fuel flow rate, and the effect on it of hydrogen content of syngas. In the experiment, the speed and temperature in the combustor were respectively obtained with PIV and temperature rake, while Reynolds stress equation model and the detailed chemical reaction mechanism of syngas were adopted in the numerical method. The calculation results were in good agreement with the experimental data. Research results indicated that in the working conditions of different hydrogen contents, the flow field structures in the combustor are almost the same, and the maximum temperatures at the outlet remain almost the same. However, as hydrogen content in the fuel increases, the axial velocity in the central area of flow field is increasing, and the outlet temperature distribution coefficient decreases first and then increases. In addition, it was also found in the study that the distribution structure of temperature on the central section of the combustor is almost impervious to the changes in hydrogen content, but with numerical differences, i.e. the higher hydrogen content in the fuel, the farther the stabilization position of flames in the central area is away from the head. It was also indicated in the study that the conventional combustor is no longer applicable to the combustion of syngas, especially the hydrogen-rich fuel. And the work provided the improvement scheme of hydrogen-containing fuel for gas turbine combustor.     

天然气柔和燃烧锅炉结构参数影响模拟研究

在天然气锅炉中引入柔和燃烧技术将大大降低NOx排放,高速未燃气卷吸高温烟气回流并与之快速掺混再燃烧是柔和燃烧的重要特征,因此,开展天然气锅炉关键结构参数优化设计以组织流场形成柔和燃烧所需的高温低氧反应气氛非常必要。基于天然气锅炉的工况特征,设计了热负荷15kW的模型燃烧室,采用数值模拟手段详细研究了燃烧室高度、喷嘴孔径、喷嘴相对位置及烟气出口尺寸对燃烧室流场、组分场及关键参数——烟气回流比的影响规律,并最终确定了燃烧室结构优选方案,对天然气锅炉柔和燃烧机设计提供理论基础数据。     

Numerical investigation of spray combustion in jet mixing type combustor for low NOx emission

The present paper describes a numerical investigation of spray combustion in a jet mixing type combustor. In this combustor, kerosene spray was injected with a pressure atomizer, and high speed combustion air was introduced towards the spray flow through some inlet air nozzles to improve mixing of the spray and the air. In the numerical simulation, the conservative equations of mass, momentum and energy in the turbulent flow field were solved in conjunction with the k–ε two equation turbulence model. The effects of the diameter and the number of air inlet nozzles on the combustion behavior and NO emission were numerically investigated. When the diameter of the inlet air nozzle decreased from 8 to 4 mm, the calculated NO mole fraction in the exhaust gas was drastically decreased by about 80%. An increase in the inlet velocity resulted in improvement of the mixing of the spray and the air, and hence, the high temperature region where thermal NO was formed became narrow. As a result, the exhaust NO mole fraction decreased. Furthermore, a decrease in exhaust NO mole fraction was explained by a decrease in the residence time in the high temperature region above 1800 K.