某型低排放燃烧室喷嘴结构优化研究

为提高干低排放燃烧室火焰稳定性,对某燃气轮机干低排放燃烧室喷嘴进行了结构优化,增加了中心预混值班喷嘴,同时对燃料分配进行调整,分析了值班火焰对燃烧室的火焰稳定性和污染物排放的影响。计算结果表明：值班路过量空气系数为1.5,两级旋流过量空气系数相同时,可有效拓宽燃烧室贫燃熄火边界,同时保持较低的污染物排放。最后通过试验测试了燃烧室的贫燃熄火特性和压力脉动特性,初步验证了值班喷嘴结构对稳定燃烧的作用。     

某型低排放燃烧室喷嘴结构优化研究

为提高干低排放燃烧室火焰稳定性,对某燃气轮机干低排放燃烧室喷嘴进行了结构优化,增加了中心预混值班喷嘴,同时对燃料分配进行调整,分析了值班火焰对燃烧室的火焰稳定性和污染物排放的影响。计算结果表明:值班路过量空气系数为1.5,两级旋流过量空气系数相同时,可有效拓宽燃烧室贫燃熄火边界,同时保持较低的污染物排放。最后通过试验测试了燃烧室的贫燃熄火特性和压力脉动特性,初步验证了值班喷嘴结构对稳定燃烧的作用。     

三级燃料径向分级燃烧对燃烧室性能的影响

为了适应新的能源和环保形势,同时保障燃烧室在宽工况范围内各项参数满足燃气轮机整体性能需求,试验研究三级燃料径向分级燃烧对燃烧室在50%～100%工况范围工作特性的影响,并根据变化规律得到合理的燃料分级方案。结果表明:该燃烧室在50%～100%工况均可达到OTDF低于20%、RTDF低于5%,总压损失约5%和燃烧效率约99.9%的技术指标;同时满足80%～100%工况NO_x和CO可低至30 mg/m~3(15%O_2),60%～80%工况下,NO_x和CO排放低于50 mg/m~3(15%O_2)。分析试验数据发现:相较于1路,值班路燃料比例对NO_x排放、贫燃熄火边界和出口温度均匀性的影响更大。燃料在燃烧室径向中心集中,火焰稳定性提升,NO_x排放升高,出口温度均匀性变差,壁面温度降低;低工况下,CO排放降低;总压损失和燃烧效率不受影响。据此得到三级径向分级燃烧室在50%～100%工况下特性图谱,为燃烧室在燃气轮机实际运行提供重要参考。     

低排放燃烧室值班喷嘴改进设计研究

贫燃预混燃烧是目前实现干式低排放的主要技术措施之一,然而该燃烧技术在机组运行中,总会出现低工况下燃烧室贫燃熄火和回火等问题,为了改善低排放燃烧室的贫燃熄火特性,需要对低排放喷嘴进行结构设计改进。本文针对某型低排放燃烧室,以提高燃烧室贫燃熄火过量空气系数为目标,对低排放喷嘴的值班路进行设计改进。结果表明:(1)旋流缩放组合式值班喷嘴可以形成稳定的值班火焰;(2)旋流缩放组合式值班喷嘴可以引燃主喷嘴;(3)采用旋流缩放式值班喷嘴后,燃烧室的贫燃熄火过量空气系数提高了23%。     

9E燃气轮机贫-贫模式燃烧及NOx排放特性研究

采用数值模拟方法对9E燃气轮机LEC-III低氮燃烧室在贫贫模式下的燃烧特性进行计算,分析了流场、温度场和污染物NOx的生成规律,比较不同燃料分配比对NOx排放的影响。结果表明：在贫贫模式下,一级燃烧区、二级燃烧区均有高温火焰,呈现部分预混部分扩散的燃烧特性,NOx排放浓度达到78.9ppm,与运行试验值吻合较好;燃烧室内形成3个流场回流区,有助于增强高温烟气掺混和火焰稳定性,文丘里组合件处的流速最高,可以防止回火;燃料分配比对二级燃烧区的NOx生成影响显著,其最佳值在70%～75%范围时,达到NOx排放最低且燃烧火焰分布合理。     

大气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

为了对比扩散和预混两种不同燃烧模式下大气温度对燃气轮机燃烧稳定性和NO_x排放的影响规律,针对某重型燃气轮机燃烧室,对多旋流喷嘴燃烧室的燃烧稳定性和NO_x排放进行了数值研究。结果表明:对于扩散燃烧,大气温度升高,燃烧室内高频脉动增强,燃烧稳定性变差;对于预混燃烧,大气温度升高,有利于提高燃烧的稳定性;在扩散燃烧模式下燃烧室燃料喷嘴下游回流区的温度最高,NO_x生成量最大;预混燃烧下燃烧室头部温度分布较均匀,燃烧室NO_x生成主要集中在驻涡回流区和燃烧室中下游位置,燃料喷嘴下游回流区NO_x生成量很小;随着大气温度的升高,扩散燃烧和预混燃烧下燃烧室内NO_x的生成量均增加。研究结果可为指导燃气轮机运行提供参考。     

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%。     

燃料掺混方式对天然气柔和燃烧器燃烧性能的影响研究

燃气轮机在更高参数下的低污染排放限制和宽工况范围稳定运行的需求,对燃烧室燃烧提出了新的要求。柔和燃烧作为一种新型燃烧技术,具有燃烧稳定和污染物排放低的优势。高速射流引射掺混是实现柔和燃烧所需条件的一种可行方式。本文主要研究不同燃料掺混方式对柔和燃烧器污染物排放和稳定工作范围的影响。在前期工作基础上设计了可实现燃料不同掺混方式的天然气柔和燃烧器。在常压条件下,通过实验研究了不同当量比、不同燃料/空气掺混方式下天然气柔和燃烧器的污染物排放,并研究了不同掺混方式对燃烧贫燃极限的影响,通过OH~*自发荧光、OH平面激光诱导荧光测量和数值模拟对反应区和流场结构进行了观察和分析。实验结果表明,在相同当量比下,全预混模式下的NO_x排放最低,全预混模式下稳定燃烧的贫熄火当量比为0.57;扩散模式下NO_x排放相对高,但贫熄火当量比可低至0.15,燃烧稳定范围更宽;混合模式下污染物排放水平介于预混和扩散模式之间;非预混模式下较好的贫燃火焰稳定性得益于燃烧室头部扩散燃料周围形成的低速稳定反应区。     

航空发动机燃烧室环境中非预混旋流火焰的标量特征

参考航空发动机燃烧室典型工况设计了微型模型非预混旋流燃烧室并进行了直接数值模拟,基于火焰因子对火焰标量特征进行了分析.研究发现,在非预混燃烧中,预混燃烧模态广泛存在且是放热的主要贡献者.不同工况中火焰面的分布位置和预混火焰的产生机制均存在显著差异.在贫燃工况中,火焰分布在内剪切层中,氧气优先向燃料侧输运从而在富燃料侧产...     

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.     

同轴分级环形燃烧室低工况燃料分配特性

针对天然气燃气轮机在低工况下的燃料分配策略问题,采用数值模拟研究了7种不同燃料分配模式下的同轴分级环形燃烧室燃烧特性,重点分析了燃料分配模式对速度场、燃料空间分布、温度场以及综合性能的影响。研究结果表明:燃料分配模式是影响燃烧室性能的关键因素,适量控制值班级燃料喷射量可以改善燃烧室内的燃料贯穿深度和温度场分布;预混级虽然可以提高燃料分布均匀性和降低污染物排放,但是会引发回火现象;当燃料通过第一、二级预混级喷入燃烧室时,燃烧室的效率较高、压力损失较小、污染物排放较低。     

燃料分配对燃烧室内压力脉动及NOx 生成的影响

采用大涡模拟的方法研究了燃料分配对燃气轮机燃烧室内压力脉动及NO_x生成的影响规律。分析表明:增大值班燃料比使得压力脉动幅值明显降低,脉动频率也有所下降,其降幅则随值班燃料比的增加而减小。这说明,较高值班燃料比条件下,继续增大值班燃料比对燃烧不稳定性的进一步抑制作用减弱。增大值班燃料比使得预混段内温度升高,燃烧反应速率加快,高温区向上游移动,燃烧室内NO_x摩尔分数增大,其增幅随值班燃料比的增加而增大。这说明,较高值班燃料比条件下,继续增大值班燃料比导致NO_x生成速率进一步增大,不利于控制NO_x排放。     

天然气燃料轴向分级预混燃烧特性研究

低NOx排放是燃气轮机燃烧室的重要性能指标,面对燃烧室出口温度不断增加的趋势,新型燃烧技术探索应用成为必然。燃料轴向分级(Axial Fuel Staging,AFS)燃烧作为一项可行技术方案已在各燃机厂商的最先进燃气轮机燃烧室上获得应用,其主要通过降低高温烟气有效停留时间和低氧浓度燃烧来实现低NOx排放。基于Chemkin平台建立轴向分级预混燃烧室化学网络模型,针对1 973 K燃烧室,研究二级负荷比例、当量比和停留时间对NOx/CO排放的影响规律,对比分析主燃区高温烟气与二级未燃预混气掺混特征的影响,获得AFS燃烧的污染物排放特性和关键影响因素。同时,在贫预混燃烧器上,设计二级喷射段,实验研究二级火焰结构、污染物排放等燃烧特性。结果表明,相比于常规贫预混燃烧,AFS燃烧在高温区体现出很好的低NOx优势,且能拓宽低NOx工况范围,其中主燃区温度、二级当量比和停留时间匹配特征、主燃区高温烟气与二级预混气掺混性能等是关键。     

基于波瓣旋流燃烧器的甲烷燃烧污染物排放特性

贫燃预混燃烧方式是抑制燃烧过程中NO_x生成的方法之一,但易出现燃烧不稳定现象.针对这一问题,试验采用波瓣旋流燃烧器,研究了当量比、预混气分级比、预混气分级形式对NO_x和CO排放规律、燃烧室声压峰值及火焰形态的影响.结果表明,随着当量比的减小,烟气中NO_x浓度减小,而CO浓度上升.旋流侧流量/波瓣内侧流量减小时,烟气中NO_x浓度降低,CO浓度增大.通过调节旋流器和波瓣外侧预混气分级比,NO_x和CO的排放浓度都有所下降,并在旋流侧流量、波瓣内侧流量、波瓣外侧流量分级比为6∶0∶4时浓度较低.燃烧室内声压峰值随当量比的减小而增大.当量比为0.60,预混气分级比为5∶0∶5时,燃烧室声压峰值最低,燃烧较为稳定.     

GT13E2燃气轮机干式低NO_x燃烧技术特点及应用介绍

介绍了GT13E2燃气轮机EV燃烧器的结构和工作原理,重点阐述了EV燃烧器的火焰特性,并结合GT13E2燃气轮机的燃烧运行方式,对燃气轮机在各负荷工况下氮氧化物的排放进行了分析。分析表明:GT13E2燃气轮机在启动初期应用扩散燃烧解决了燃烧室火焰不稳定的问题,在低负荷工况组合应用扩散燃烧和预混燃烧解决了扩散燃烧在燃烧空气压力过高时燃烧不稳定的问题,在高负荷工况采用预混燃烧解决了氮氧化物排放高的问题。     

生物质气微型燃气轮机燃烧室污染物生成特性的实验研究

在为中低热值气体燃料设计的低排放微型燃气轮机燃烧室单头部实验件上进行了燃烧污染物生成特性实验,对比分析不同热值气体燃料、不同喷射孔位置和射流深度以及不同值班级与主燃级燃料分配比例时的污染物排放特性。结果表明:燃烧室在50%～100%负荷范围内表现出较好的燃料适应性,NO_x排放质量浓度最高达到76.9 mg/m~3,满足环保要求;喷嘴位置、混合距离、主燃级燃料压力会影响燃料与空气的混合均匀性,进而影响污染物的生成;燃料分配比例会影响燃烧室温度分布的均匀性,随着值班级燃烧区燃料占比的降低,污染物排放量降低。     

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.     

ODPP/OESC旋流火焰的试验与模拟研究

利用三维旋流燃烧系统,对稀氧部分预混/富氧补燃(ODPP/OESC)火焰结构和污染物生成特性进行了试验研究,降低稀氧体积分数、提高富氧体积分数,动力火焰呈现轴向拉伸趋势,而扩散火焰长度则逐渐缩短;同时,动力燃烧区和扩散燃烧区温度逐渐降低,NO_x排放量显著下降,CO排放量则有所提高。相同工况下数值模拟结果显示,ODPP/OESC改变了动力燃烧区的NO_x生成机理,是NO_x排放量降低的根本原因。ODPP/OESC基于燃料/氧化剂空间体积分数分布的物理过程控制,有效均衡了动力燃烧区与扩散燃烧区的反应速率,可实现CO与NO_x排放的平衡控制。     

燃气轮机振荡燃烧主动控制方法

振荡燃烧是贫燃预混燃烧室普遍面临的不稳定燃烧现象,该现象会导致发动机振动,污染物排放加剧,喷嘴烧蚀等,因此需要对这种现象进行控制,以减小压力脉动。本文针对某型低排放燃烧室,以对值班燃料供给控制为核心,设计了一套振荡燃烧主动控制系统,并进行了试验研究。分析了燃烧室内压力脉动控制的影响因素和变化规律,试验研究表明：（1）该系统有效地抑制了燃烧室的压力脉动。（2）控制系统投入工作的相位不同时,抑制效果明显变化。（3）该系统对由贫燃燃烧不稳定引起的压力脉动有明显抑制效果,对其他原因引起的脉动无明显抑制效果。     

重型燃气轮机燃烧室设计与试验研究

完成了用于110MW级重型燃气轮机的干低排放燃烧室的设计和第一阶段试验验证。燃烧室采用轴向分级的贫油预混燃烧技术降低NOx排放,将火焰筒头部分为环形区、预混区和扩散区三个燃烧区。单管燃烧室全尺寸中压试验结果表明：在第一种工作模式下,燃烧室的总压损失、起动点火、燃烧效率、出口温度分布、压力脉动和火焰简壁温均满足设计要求,但NOx排放超过设计要求。受周期和试验条件限制,第二种工作模式下的NOx排放试验尚未完成。