微小型燃气轮机径向旋流预混燃烧特性研究

1、微小型燃气轮机径向旋流预混燃烧特性研究微小型燃气轮机作为分布式供能的核心单元得到了越来越广泛的应用。 为了 降低燃气轮机的NOXi*放,近几十年来各国大力开展低NOX燃烧技术研究，主要包 括稀态预混燃烧技术、富燃 - 焠熄- 稀态燃烧技术、催化燃烧技术和无焰燃烧等 , 其中稀态预混燃烧技术已在工业燃气轮机上得到成功应用 , 然而稀态预混燃烧过 程中非常容易出现热声耦合振荡问题。热声耦合振荡中的低频高幅的压力振荡会干扰燃烧过程 , 增大污染物的*放 严重时会对整个燃烧系统造成结构性的破坏。 本文通过数值计算和实验相结合的 手段, 研究了径向旋流预混型燃烧室的污染物生成与热声耦合振荡特性。本文中的

2、径向旋流器采用切向方形进气通道产生旋流 , 在每条进气通道上游 布置有一根开有多个喷孔的预混燃料喷杆 , 由喷孔流出后的预混燃料与来流空气 经过旋流器进气通道进入预混通道内预混 , 并在预混通道和燃烧室内燃烧 , 径向 旋流器中心处安装有值班喷嘴 , 用于稳定预混火焰。研究了三种旋流强度（S1=0.81、S2=0.93和S3=1.03）、两种预混燃料喷射方向（离心喷射和向心喷 射）、两种喷孔布置方式（ A 型：喷孔距旋流器端壁较远。B型：喷孔紧临旋流器端壁。）、两种喷杆周向位置（0:喷杆位于进气通 道正上方。10。：喷杆向进气通道压力面方向周向偏离 10。）和值班比 （值班燃料量占总燃料量百分

3、比） 对燃烧室内流动特性和燃烧特 性的影响。首先 ,本文通过三维数值计算的方法研究了旋流强度、预混燃料喷射 方向、喷孔布置方式、 喷杆周向位置和值班比等参数对燃烧室内流动特性和燃烧 特性的影响。研究发现, 预混燃料采用向心喷射时的预混效果较好 , 采用离心喷射时则容易造成预混通道中心区燃料过富；预混喷孔采用B型布置时预混效果非常好，而采用A型布置时则造成预混通道中心处燃料浓度偏低，不利于火焰的稳定；喷杆 位置对预混通道内的燃料分布影响明显 , 采用正对旋流器进气斜槽中心的 0。布 置时预混效果最好 , 而采用偏离 10布置时则造成预混通道内燃料分布呈现出 中心和靠近壁面略高的形式；增大值班比有

4、利于火焰的稳定 , 但会增加高温区范 围,造成NOX排放的增加。然后, 在设计建造的燃烧实验台上测试了结构参数（预混燃料喷射方向、喷 孔布置方式和喷杆周向位置）和进气参数（进气温度、当量比、理论火焰温度、 速度、值班比和压力）对污染物排放和热声耦合振荡的影响。研究发现：1）由结构参数造成的燃料在预混通道内的不均匀分布将增加NOX和CO勺排放水平,并导致热声耦合振荡加强。预混燃料采用向心喷射、喷孔 B型布置和喷杆0布置时的NOX排放最低, 且燃烧平稳 , 未出现强烈的热声耦合振荡问题； 2）随着进气温度和当量比的提 高,CO迅速降低,NOX逐渐提高,热声耦合振荡的声压级先增加后降低,并伴随有 典

5、型的分叉现象和迟滞现象； 3） 将进气温度和当量比统一用理论火焰温度 Tad 表示,对于预混良好的C3结构燃烧室,在进气速度为34-46m/s,理论 火焰温度为1600-1700K时，可使NOx和CC排放均小于10ppm15%O且具有很好 的稳定性,NOx正比于exp （0.0仃ad）; 4）随着进气速度的提高,CO近似线性增 加,NOx近似线性降低，热声耦合振荡的声压级随着进气速度的增加先增加而后 降低；5）提高值班比造成CO和 NOx排放的同时提高,火焰稳定性提高,但在某一值班比附近热声耦合振荡的声压级会加强 , 随着值班比的增加声压级先增加而后 突然降低；6）测试了进气压力分别为0.11

6、和0.22MPa的工况,随着值班比的增加 进气压力对NOx排放的影响越来越显著，当值班比为0时NOx排放几乎不受进口 压力的影响,而在值班比为15%寸NOx排放则从17ppm15%提高到了 25ppm15%。最后，将上述最优的组合方案应用于国家 863项目的某型燃机，对 该燃机不同负荷下燃烧室的工作状态在常压下进行了模化性能试验。分别测试了值班点火和复合点火 （值班喷嘴和预混喷嘴同时喷入燃料） 两种 点火方式下点火曲线 , 证明采用复合点火方式更加可靠。 测试了熄火曲线 , 随着进 气空气量的增大 , 吹熄当量比逐渐降低 , 当进气空气量为额定空气量的 4.56%时, 可在当量比高于 0.03

7、8 时成功点火和稳定燃烧 , 而当空气量增加到 10%时, 该当量 比降到了 0.019。设计状态下：燃烧室总压损失为 0.063 略大于 0.05 的设计目标；出口温度 场分布 OTDF为 0.0327,RTDF 为 0.0214,满足 OTDF小于 0.2、RTDF小于 0.08 的 设计要求；壁面温度最高不超过 650r,远小于材料允许的工作温度；纯预混工 作方式下NOx排放不大于9.5ppm15%O满足小于25ppm15%O2设计要求，而 CO排放接近于零。本文系统的研究了预混燃料供给方式和旋流强度等结构参数 和进气温度、当量比、理论火焰温度、速度、压力、值班比等进气参数对径向旋 流预混型燃烧室的污染物生成和热声耦合振荡特性的影响 , 为开发微小型燃气轮 机低污染燃烧室提供了技术支持