燃气轮机双燃料燃烧室低排放燃烧技术模拟研究

发布时间：2020-05-26 10:41

【摘要】：当前我国环境危机凸显,能源利用效率低下、不合理的弊端日益严重,燃气轮机作为国之重器,成为我国现阶段大力开发研究的重点。其中低排放燃烧技术作为燃烧室的核心技术,是权衡燃气轮机性能的重要指标,已成为燃气轮机产品市场竞争的焦点。目前,燃气轮机双燃料燃烧室燃烧技术是改进燃烧室低排放燃烧技术的前沿方向,本文在现有船用液体燃料燃气轮机的基础上,通过理论分析、结构设计和数值模拟,全面深入开展燃气轮机双燃料燃烧室性能研究,以满足燃气轮机燃烧室低排放的要求。根据双燃料燃烧室3种NOx生成机理,对影响NOx生成的关键因素进行了分析,得出NOx生成主要取决于燃烧室主燃区当量比,以及燃料与空气的混合均匀性。由此为双燃料燃烧室的改造提供了理论依据。此外,建立了基于不同主要影响因素的NOx排放预估方法,以及不同工作原理的NOx排放控制方法,确定了适用于本文研究的贫燃预混与注蒸汽燃烧方式结合的NOx排放控制方法。研究了低排放双燃料燃烧室的设计方法。建立了燃烧室空气流量分配原则,以及双燃料喷嘴的进气分配原则。并基于以上原则,给出了燃烧室的空气和燃料分配结果,以及燃烧室的火焰筒和旋流器喷嘴的结构设计结果,对改造后的双燃料燃烧室性能进行了预估。结果表明,双燃料燃烧室的各项性能满足设计要求。建立了双燃料燃烧室三维数值模拟几何模型,分析了不同旋流器旋向、不同喷嘴矩、不同裂解气工况和不同注蒸汽量下对双燃料燃烧室的性能影响。结果表明,在左旋45°的旋流器旋向下,相比较于左旋30°旋向,燃烧室火焰结构更加合理,出口温度场品质满足设计要求;在4种不同喷嘴距下,本文设计的双燃料燃烧室最佳喷嘴距为38.764mm,在此喷嘴矩下的燃烧室燃料能够充分预混燃烧,有利于进一步探究提高燃烧室性能;随燃料裂解工况的增加,燃烧室火焰组织情况从最初主要分布于主燃区后移到燃烧室出口处,出口温度场均匀性变差,60%和80%裂解工况下壁面温度分布相似且相差不大,而100%裂解工况下壁面温度由于火焰后移,主燃区壁面温度下降明显;随注蒸汽量的增大,注蒸汽对燃烧室火焰的影响逐渐增大,从10%至50%工况可以看出燃烧区高温区集中于火焰筒头部区域,随回注蒸汽量的增加,蒸汽量对燃烧影响增强,火焰出现较大的后移,当达到250%注蒸汽量工况时,反应主要集中在掺混孔附近及靠近出口处的区域,使出口温度不均匀度显著增大。本文提出了燃气轮机双燃料燃烧室低排放燃烧技术的模拟研究方法,并利用CFD软件对所设计的双燃料燃烧室进行了数值模拟,对燃气轮机燃烧室的改造以及CFD在燃气轮机双燃料燃烧室的应用都有重要意义。
【图文】：

火焰筒,结构示意图

火焰筒结构示意图

示意图,火焰筒,壁面,示意图

图 3-2 火焰筒壁面冷却孔示意图Fig.3-2 Schematic diagram of the cooling hole on the wall of the flame tube
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK471

【参考文献】