燃气轮机柔和燃烧室研究

发布时间：2017-09-09 13:53

  本文关键词：燃气轮机柔和燃烧室研究

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【摘要】：柔和燃烧具有超低排放、燃烧温度均匀、燃烧稳定效率高、噪声低等特点,具有成为新一代燃气轮机超低NOx燃烧技术的潜力。为研究适用于燃气轮机的柔和燃烧设计方案,本文采用高速射流卷吸掺混的思想,采用数值模拟的手段初步确定了柔和燃烧模型燃烧室方案,搭建了模型燃烧室柔和燃烧实验台,开展了柔和燃烧验证实验,观测到了柔和燃烧内部反应场光线通透,无明显火焰锋面,燃烧室出口烟气排放较低；通过与扩散燃烧/非柔和燃烧模式的实验和计算对比,分析得到了柔和燃烧工况下温度分布均匀,排放低的特性,验证了柔和燃烧器的有效性。通过实验和CFD模拟研究了柔和燃烧器的稳定工作范围与热强度的关系,结果表明贫燃熄火工况当量比随热强度增加而升高,当接近熄火工况时CO排放明显增加,且燃烧易发生热声震荡现象；燃烧反应区向燃烧室上游回撤,下游反应不充分导致温度较低而CO浓度高,燃烧效率下降。通过对不同工况下的排放数据进行对比分析,得到了在不同热强度下稳定的柔和燃烧工况范围,并从稳定柔和燃烧工况中优选出最低NOx排放工况点以及CO和NOx排放同时小于10ppm@15%O2的工况区间,获得热强度和主燃喷嘴射流速度匹配的最优区间的关系。CFD计算结果表明,随着当量比降低燃烧强度降低且反应更加均一；随着热强度上升,燃烧室内反应强度和温度有所增加；所有稳定燃烧的柔和燃烧工况的燃烧室内温度分布不均匀度都小于13%。通过实验研究了在不同主燃当量比和热强度下值班空气对柔和燃烧排放和燃烧稳定性的影响,得到了不同主燃当量比和热强度下的合理值班空气流量配比区间和最佳值班空气流量配比工况点及其分布规律,并通过CFD研究分析了燃烧室内部温度流场及组分分布变化特征。通过实验优选出了值班空气流量配比为0.2时,NOx排放相对最低的工况范围,并研究了在固定值班空气流量配比下,改变值班燃料流量配比对柔和燃烧排放性能影响,得出值班燃料流量配比F-P／M在(0,0.25)的区间内对柔和燃烧整体性能有利,而F-P／M超过0.25燃烧效率下降,峰值火焰温度过高且NOx排放增高。以实验所用燃烧器为基础,通过计算模拟改变其喷嘴布置和尺寸结构以及进气压力和温度,研究不同结构方案和进气参数在固定热强度和当量比下对柔和燃烧器燃烧特性的影响。研究得出保证射流速度不变下,进气温度的增加提高了燃烧室整体温度,温度分布更均匀,压损显著降低；进气压力增加提高了燃烧室整体温度,温度不均匀度小幅增加。保证射流速度不变下,燃烧室结构尺寸放大后对燃烧特性改变幅度较小,说明在以射流速度为参照指标下模型燃烧室可有效反映实际燃烧室的燃烧特性,可为全尺寸燃气轮机柔和燃烧室的运行、设计提供参考。
【关键词】：燃气轮机燃烧室 柔和燃烧 实验 数值模拟 污染物排放
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK473
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-18
• 第1章 绪论18-30
• 1.1 研究背景18-19
• 1.2 柔和燃烧发展与特性19-21
• 1.3 燃气轮机柔和燃烧技术研究进展21-29
• 1.4 本章小结29
• 1.5 本文研究内容29-30
• 第2章 实验与数值模拟方法30-44
• 2.1 引言30
• 2.2 柔和燃烧实验模型30-37
• 2.2.1 燃烧实验台介绍30-32
• 2.2.2 实验器结构32-33
• 2.2.3 实验测量方法33-37
• 2.3 柔和燃烧数值模型37-43
• 2.3.1 控制方程37-38
• 2.3.2 计算模型38-41
• 2.3.3 计算模型选取41-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第3章 柔和燃烧器验证研究44-55
• 3.1 引言44
• 3.2 柔和燃烧实验验证44-47
• 3.2.1 实验工况44
• 3.2.2 实验结果与分析44-45
• 3.2.3 与扩散燃烧实验对比45-47
• 3.3 柔和燃烧特征计算研究47-54
• 3.3.1 计算模型有效性验证47-52
• 3.3.2 柔和燃烧与扩散燃烧对比计算分析52-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第4章 柔和燃烧特性研究55-67
• 4.1 引言55
• 4.2 当量比和热强度对柔和燃烧的影响55-66
• 4.2.1 柔和燃烧贫燃极限55-57
• 4.2.2 柔和燃烧排放特性分析57-62
• 4.2.3 柔和燃烧燃烧特征分析62-66
• 4.3 本章小结66-67
• 第5章 值班喷嘴对柔和燃烧影响研究67-88
• 5.1 引言67
• 5.2 值班空气对柔和燃烧的影响67-79
• 5.2.1 值班空气流量对柔和燃烧排放影响分析68-73
• 5.2.2 值班空气对柔和燃烧特性影响分析73-76
• 5.2.3 总当量比对固定A-P/M的柔和燃烧的影响76-78
• 5.2.4 小结78-79
• 5.3 值班燃料对柔和燃烧的影响79-87
• 5.3.1 值班燃料流量对柔和燃烧排放影响分析79-81
• 5.3.2 值班燃料对柔和燃烧特性影响分析81-86
• 5.3.3 小结86-87
• 5.4 本章小结87-88
• 第6章 结构、进气参数对柔和燃烧器燃烧特性影响研究88-103
• 6.1 引言88
• 6.2 中心锥碗结构的影响88-90
• 6.3 主燃喷嘴布置位置的影响90-92
• 6.4 主燃喷嘴直径的影响92-94
• 6.5 进气温度和压力的影响94-100
• 6.5.1 进气温度的影响94-98
• 6.5.2 进气压力的影响98-100
• 6.6 燃烧室尺寸大小的影响100-102
• 6.7 本章小结102-103
• 第7章 结论与展望103-105
• 7.1 结论103-104
• 7.2 展望104-105
• 参考文献105-109
• 附录109-111
• 攻读学位期间发表论文111-112
• 致谢112

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本文编号：820823