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锥形旋流器模型燃烧室头部结构研究

申小明  
【摘要】:实现低排放是燃气轮机的主要发展方向之一。目前低排放燃气轮机燃烧室广泛采用干式低污染燃烧技术,其采用的贫预混燃烧容易带来燃烧不稳定问题,特别是低工况下,甚至会出现突然熄火,严重时会导致设备故障。本文以基于贫预混燃烧技术设计的锥形旋流器及其模型燃烧室为研究对象,开展相关的实验及数值模拟研究,探索该旋流器模型燃烧室的流场特性、燃烧特性及相关的规律。根据实验研究中发现的问题,对锥形旋流器头部结构进行了改进优化,并通过实验验证了改进后的效果;同时,实验研究了关键参数对燃烧稳定性的影响规律。此方面的研究结果可为低污染燃气轮机燃烧室的相关设计和洁净稳燃技术的研发提供一定的参考或依据。实验范围内主要研究内容与结果如下:(1)本文首先设计加工了锥形旋流器模型燃烧室,随后开展了一系列工况下的燃烧实验,获得了该型旋流器燃烧室燃烧特性的第一手实验数据,并对典型工况进行了数值模拟,获得了典型流场、回流区和温度场等特征;同时,结合实验和数值模拟研究了锥形旋流器中布置中心燃气的作用,结果表明,中心燃气对燃烧稳定性及回流区构造具有重要作用,适当比例的中心燃气分配比能显著提升燃烧室的贫熄性能,并将强旋流造成的回流区适当外推,优化回流区结构,避免火焰过于深入锥内;最后,详细研究了燃气分配比对燃烧室贫熄性能和脉动压力特性的影响。这些工作为其后续的进一步研究提供了参考数据和支撑。(2)为进一步改善燃烧室低工况下的燃烧稳定性,本文提出了在锥形旋流器头部布置特定几何形状中心体的方法,通过数值模拟和实验,对比分析了多种中心体结构,获得了贫熄性能和脉动压力特性较好的中心体几何参数组合:中心体轴向长度采用轴向参考尺寸的50%,直径采用径向参考尺寸的37%,燃气喷射角采用30°,燃气喷孔采用8个直径为0.8 mm的小孔。(3)为了降低燃烧室内的压力波动,本文提出在锥形旋流器模型燃烧室头部布置横向射流来调控燃烧室内的脉动压力强度,通过实验对比分析了喷入可燃气体和不可燃气体两种方案的效果,发现横向喷入不可燃气体更为有效,为锥形旋流器燃烧室的主动控制技术研究提供了参考。(4)对结构优化后带有中心体的锥形旋流器模型燃烧室开展了实验研究,对典型实验点的污染物排放、燃烧区温度分布和燃烧效率等进行了测量分析,揭示了锥形旋流器燃烧室的燃烧特性;同时,开展了当量比、燃气分配比和进气温度等参数对燃烧室脉动压力特性影响的实验工作,总结了这些参数对燃烧室燃烧稳定性的影响规律,为锥形旋流器燃烧室燃烧稳定性的改进提供了更详细的参考或依据。


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