直流式HiTAC燃烧室的燃烧特性研究

【摘要】：燃烧污染物的排放对人类健康和环境造成越来越严重的危害而受到广泛关注。高温空气燃烧HiTAC(High Temperature Air Combustion)具有NO_x等污染物超低污染排放的技术优势,因此如何将该新燃烧技术应用于航空燃气轮机燃烧室设计是新概念航空燃气轮机的技术关键之一。近年来,该燃烧技术已经在地面燃气轮机上得到了推广和应用,并取得了较好的经济和环境效益。 降低污染排放的核心是控制燃烧温度场的均匀度和实现低氧浓度。目前的低污染燃烧室主要有燃油分级燃烧室、贫油预混预蒸发燃烧室、贫油直接喷射燃烧室和富油燃烧—急冷—贫油燃烧室。它们都有各自的优缺点,但均难以实现使污染物NO_x低于10ppm的超低排放。所以难以成为未来高性能航空燃气轮机的主流技术,其发展前景和推广应用将受到限制。各国研究者已经将研究重点转移到利用高温空气燃烧技术(或称高温空气无焰燃烧)实现高效燃烧和解决超低污染物排放问题。 本文分析了当前HiTAC燃烧技术现状,在本课题组早期HiTAC航空燃气轮机燃烧室设计与分析应用基础研究基础上,对航空煤油的无焰燃烧技术分别进行了理论分析,对无焰燃烧室进行了模型设计和数值模拟。首先,我们将喷管引射混合原理引入了燃气轮机新型燃烧室设计,提出了基于入射空气温度的无焰燃烧技术AITFC(Air Injection Temperature Flameless Combustion)。在多种条件下,对射流引射混合效率、空气流量分配和无焰燃烧所必须的油-气两相流的流场结构等气体动力学特性进行CFD数值研究,为新型AITFC模型燃烧室的燃烧设计与分析奠定基础。其次,我们对AITFC燃烧室进行了燃烧性能的数值分析。研究结果表明掺混孔直径、来流的空气速度以及燃油的喷射角度都会对无焰燃烧特性有着重要的影响。AITFC燃烧室能实现高效稳定燃烧;燃烧场内温度分布均匀;实现了污染物NO_x浓度接近10ppm的超低排放。