5kW微型燃烧室变工况燃烧性能研究
发布时间：2021-02-24 08:40
近年来分布式能源系统迅速兴起,而微型燃气轮机则作为分布式能源系统的核心受到广泛关注,其应用领域覆盖极广,包含发电、船舶、化工、航空、汽车、天然气等诸多工业领域。本文是以微型燃气轮机形式的电动汽车新型热管理系统为背景,针对该系统中的5k W微型燃烧室通过数值模拟手段和试验方法开展课题研究。该燃烧室设计为常压燃烧室,鉴于其使用目的为汽车热管理系统,会在复杂且极端的环境下工作,所以本文的主要通过数值模拟探究在负荷变化、进气温度变化和进气压力变化的复杂工况下,燃烧室内部流场的变化规律,分析该燃烧室的出口温度、排放等参数,研究其变工况条件下的燃烧特性,并通过试验与模拟计算结果相互印证。本文先从方法学角度对数值模拟流程和边界条件进行了详细介绍,搭建了以5k W燃烧室集成件为核心的移动式试验台,对试验所用的仪器和软件进行了简介。完成了各项准备工作后,首先对柴油燃烧模拟的反应机理进行了研究,对比了简化机理和总包反应机理的计算结果,结合本文的研究需要,最终选用总包反应机理完成后续研究工作。在选定燃烧反应机理后,利用商用软件研究了负荷、温度和压力变化对燃烧室内部速度场、温度场以及出口参数的影响。变工况条件...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
能源局域网基本架构[1]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4图1-2燃垃圾填埋气燃烧室实验系统[5]刑畅等人[6]针对微型燃气轮机的变工况运行，提出并设计了一款可调燃料供给的30kW级微型燃烧室，通过在燃烧室配备一个主燃料分配装置实现燃料的周向和径向调节。燃烧室的结构设计为单筒式，空气进气方式设计为逆流进气，燃烧室内设有三个旋流器，分别为一次风、二次风和值班空气旋流器。一次风和二次风旋流器设计为不同旋流方向的径向旋流器，分别采用24根径向直叶片和24个径向斜直孔，值班空气旋流器设计成有12个轴向斜直孔的轴向旋流器。由于采用空气逆流方式，火焰筒上没有设计冷却孔，而是通过布置换热肋片加强火焰筒的冷却。王福珍等人[7]研究了50kW烟气循环富氧燃烧室的设计方法，采用单管燃烧室以及空气逆流形式，燃料分为两部分进入燃烧室，一部分是直接从值班燃气喷嘴进入，外围是旋流的值班空气，火焰设计为扩散燃烧；另一部分燃气输运至旋流喷嘴处，通过喷嘴上设计的众多小孔沿垂直轴线方向射出，与进入喷嘴的空气进行预混形成预混气体射入燃烧室。IbrahimI.Enagi等人[8]利用CFD仿真软件模拟了不同燃烧室几何形状下的物质迁移和非预混燃烧模型，设计出了一款燃用液化石油气的燃烧室，如图1-3所示，其中火焰保持器直径为50mm，燃烧室高度为60cm，具有4个6、8、10mm的孔，并基于车载涡轮增压器进行了实验，结果表明该燃烧器能够稳定燃烧，CO排放低于100ppm，涡轮进口温度低于900℃。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5图1-3燃烧室(a)及试验台(b)示意图[8]PaoloLaranci等人[9]设计并验证了80kW的新型环形RQL燃烧室，克服了因过热导致的低运行小时数（约2500小时）的故障，新的燃烧室对流道进行了优化，在保持相似温度和效率的同时，降低了制造成本和NOx的排放；E.Amani等人[10]为研究燃烧室的空气分配策略，将大量数据用于构建响应面，以分析空气分配对七个燃烧器性能参数的影响。灵敏度分析表明，排放特性是对空气分配设计最敏感的参数，并且测得最佳设计使总排放降低了78％，而燃烧效率，最高排气温度和均匀性也分别提高了6％，7％和5％，得出改善性能的主要原因是燃烧室内火焰长度的减少以及形成多个CRZ(CornerRecirculationZone)涡流。M.M.Torkzadeh等人[11]首先提出了一种模拟真实燃烧器中燃烧流的有效模型，该模型适用于计算量较大的设计优化过程。他们利用此模型研究了燃烧室中的非预混旋流稳定火焰，并对燃烧器执行基于燃烧效率、模式因子、污染物排放等多目标优化，通过响应面和敏感性分析得出漩涡数对目标的影响。MarcoBuffi等[12]在已有燃烧室基础上改造了一款燃用生物质油的20kW级微型燃烧室，该新型燃烧室同样能使用石化柴油和乙醇等作为燃料。由于生物质油燃烧能力较差，因此在头部加设了值班火焰，并且对新型燃烧室的容积进行了适当的扩大以延长燃油在燃烧室内的停留时间。同时将原有的切孔式旋流器换用两排直叶片式旋流器，每排8个叶片，改善了空气与燃料的混合特性。为避免头部高温区造成烧蚀，在喷口与旋流叶片之间开设了10个冷却小孔。使用改造后的燃烧室进行满负荷热态实验测得NOx、CO排放量分别为45mg/m3和800-1000mg/m3。以上介绍的多是微型燃烧室作为微型燃气轮机核心部件在发电领域中?
【参考文献】：
期刊论文
[1]微型燃气轮机技术特点研究及其应用于分布式发电领域的前景展望[J]. 伍赛特. 通信电源技术. 2019(06)
[2]不同环境温度下水平喷雾燃烧火焰形态实验研究[J]. 谢凯,仇性启,崔运静,王建新. 工业加热. 2019(02)
[3]某微型燃气轮机适应高原起动的技术方案[J]. 李皓然,丁天宝,李玮薇,卢志峰,肖军辉,张红霞. 航空动力学报. 2018(05)
[4]不同环境条件下轻油燃烧器火焰结构特性数值分析[J]. 刘建军,仇性启,田孝帅,王轲. 山东科技大学学报(自然科学版). 2018(02)
[5]正庚烷化学反应机理的简化与加速计算[J]. 陈正. 工程热物理学报. 2017(07)
[6]微型燃气涡轮机增程式电动汽车设计[J]. 周雅夫,麻笑艺,胡晓炜,李琳辉,连静. 哈尔滨工业大学学报. 2017(07)
[7]分布式能源系统优化与设计综述[J]. 任洪波,邱留良,吴琼,蔡强. 中国电力. 2017(07)
[8]《能源发展“十三五”规划》解读[J]. 朱明,何勇健. 国家电网. 2017(02)
[9]基于特征值分析的正癸烷骨架和总包简化机理[J]. 钟北京,姚通,文斐. 物理化学学报. 2014(02)
[10]驻车加热器燃烧室结构优化设计与仿真[J]. 邹浙湘,王思卓,李明扬. 机电产品开发与创新. 2012(03)
博士论文
[1]微型燃机可调燃料供给燃烧室变工况特性研究[D]. 邢畅.哈尔滨工业大学 2018
[2]不同环境条件下扩散射流火焰形态特征与推举、吹熄行为研究[D]. 王强.中国科学技术大学 2015
[3]微燃机富氧燃烧室数值模拟与实验研究[D]. 王福珍.华北电力大学 2014
[4]生物柴油和石化柴油碳烟形成的数值模拟及试验研究[D]. 毕小杰.上海交通大学 2014
[5]柴油燃料替代混合物低温燃烧机理数值模拟与试验研究[D]. 雒婧.天津大学 2012
[6]变地域燃油暖风机热力性能及结构优化研究[D]. 王智伟.西安建筑科技大学 2005
硕士论文
[1]15kWth微型燃气轮机加压燃烧室燃烧性能研究[D]. 齐宝恒.哈尔滨工业大学 2019
[2]柴油替代燃料燃烧反应机理及污染物生成数值模拟[D]. 胡俊成.西南交通大学 2019
[3]煤基柴油模型燃料机理简化研究[D]. 朱程.上海交通大学 2018
本文编号：3049112
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
能源局域网基本架构[1]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4图1-2燃垃圾填埋气燃烧室实验系统[5]刑畅等人[6]针对微型燃气轮机的变工况运行，提出并设计了一款可调燃料供给的30kW级微型燃烧室，通过在燃烧室配备一个主燃料分配装置实现燃料的周向和径向调节。燃烧室的结构设计为单筒式，空气进气方式设计为逆流进气，燃烧室内设有三个旋流器，分别为一次风、二次风和值班空气旋流器。一次风和二次风旋流器设计为不同旋流方向的径向旋流器，分别采用24根径向直叶片和24个径向斜直孔，值班空气旋流器设计成有12个轴向斜直孔的轴向旋流器。由于采用空气逆流方式，火焰筒上没有设计冷却孔，而是通过布置换热肋片加强火焰筒的冷却。王福珍等人[7]研究了50kW烟气循环富氧燃烧室的设计方法，采用单管燃烧室以及空气逆流形式，燃料分为两部分进入燃烧室，一部分是直接从值班燃气喷嘴进入，外围是旋流的值班空气，火焰设计为扩散燃烧；另一部分燃气输运至旋流喷嘴处，通过喷嘴上设计的众多小孔沿垂直轴线方向射出，与进入喷嘴的空气进行预混形成预混气体射入燃烧室。IbrahimI.Enagi等人[8]利用CFD仿真软件模拟了不同燃烧室几何形状下的物质迁移和非预混燃烧模型，设计出了一款燃用液化石油气的燃烧室，如图1-3所示，其中火焰保持器直径为50mm，燃烧室高度为60cm，具有4个6、8、10mm的孔，并基于车载涡轮增压器进行了实验，结果表明该燃烧器能够稳定燃烧，CO排放低于100ppm，涡轮进口温度低于900℃。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5图1-3燃烧室(a)及试验台(b)示意图[8]PaoloLaranci等人[9]设计并验证了80kW的新型环形RQL燃烧室，克服了因过热导致的低运行小时数（约2500小时）的故障，新的燃烧室对流道进行了优化，在保持相似温度和效率的同时，降低了制造成本和NOx的排放；E.Amani等人[10]为研究燃烧室的空气分配策略，将大量数据用于构建响应面，以分析空气分配对七个燃烧器性能参数的影响。灵敏度分析表明，排放特性是对空气分配设计最敏感的参数，并且测得最佳设计使总排放降低了78％，而燃烧效率，最高排气温度和均匀性也分别提高了6％，7％和5％，得出改善性能的主要原因是燃烧室内火焰长度的减少以及形成多个CRZ(CornerRecirculationZone)涡流。M.M.Torkzadeh等人[11]首先提出了一种模拟真实燃烧器中燃烧流的有效模型，该模型适用于计算量较大的设计优化过程。他们利用此模型研究了燃烧室中的非预混旋流稳定火焰，并对燃烧器执行基于燃烧效率、模式因子、污染物排放等多目标优化，通过响应面和敏感性分析得出漩涡数对目标的影响。MarcoBuffi等[12]在已有燃烧室基础上改造了一款燃用生物质油的20kW级微型燃烧室，该新型燃烧室同样能使用石化柴油和乙醇等作为燃料。由于生物质油燃烧能力较差，因此在头部加设了值班火焰，并且对新型燃烧室的容积进行了适当的扩大以延长燃油在燃烧室内的停留时间。同时将原有的切孔式旋流器换用两排直叶片式旋流器，每排8个叶片，改善了空气与燃料的混合特性。为避免头部高温区造成烧蚀，在喷口与旋流叶片之间开设了10个冷却小孔。使用改造后的燃烧室进行满负荷热态实验测得NOx、CO排放量分别为45mg/m3和800-1000mg/m3。以上介绍的多是微型燃烧室作为微型燃气轮机核心部件在发电领域中?
【参考文献】：
期刊论文
[1]微型燃气轮机技术特点研究及其应用于分布式发电领域的前景展望[J]. 伍赛特. 通信电源技术. 2019(06)
[2]不同环境温度下水平喷雾燃烧火焰形态实验研究[J]. 谢凯,仇性启,崔运静,王建新. 工业加热. 2019(02)
[3]某微型燃气轮机适应高原起动的技术方案[J]. 李皓然,丁天宝,李玮薇,卢志峰,肖军辉,张红霞. 航空动力学报. 2018(05)
[4]不同环境条件下轻油燃烧器火焰结构特性数值分析[J]. 刘建军,仇性启,田孝帅,王轲. 山东科技大学学报(自然科学版). 2018(02)
[5]正庚烷化学反应机理的简化与加速计算[J]. 陈正. 工程热物理学报. 2017(07)
[6]微型燃气涡轮机增程式电动汽车设计[J]. 周雅夫,麻笑艺,胡晓炜,李琳辉,连静. 哈尔滨工业大学学报. 2017(07)
[7]分布式能源系统优化与设计综述[J]. 任洪波,邱留良,吴琼,蔡强. 中国电力. 2017(07)
[8]《能源发展“十三五”规划》解读[J]. 朱明,何勇健. 国家电网. 2017(02)
[9]基于特征值分析的正癸烷骨架和总包简化机理[J]. 钟北京,姚通,文斐. 物理化学学报. 2014(02)
[10]驻车加热器燃烧室结构优化设计与仿真[J]. 邹浙湘,王思卓,李明扬. 机电产品开发与创新. 2012(03)
博士论文
[1]微型燃机可调燃料供给燃烧室变工况特性研究[D]. 邢畅.哈尔滨工业大学 2018
[2]不同环境条件下扩散射流火焰形态特征与推举、吹熄行为研究[D]. 王强.中国科学技术大学 2015
[3]微燃机富氧燃烧室数值模拟与实验研究[D]. 王福珍.华北电力大学 2014
[4]生物柴油和石化柴油碳烟形成的数值模拟及试验研究[D]. 毕小杰.上海交通大学 2014
[5]柴油燃料替代混合物低温燃烧机理数值模拟与试验研究[D]. 雒婧.天津大学 2012
[6]变地域燃油暖风机热力性能及结构优化研究[D]. 王智伟.西安建筑科技大学 2005
硕士论文
[1]15kWth微型燃气轮机加压燃烧室燃烧性能研究[D]. 齐宝恒.哈尔滨工业大学 2019
[2]柴油替代燃料燃烧反应机理及污染物生成数值模拟[D]. 胡俊成.西南交通大学 2019
[3]煤基柴油模型燃料机理简化研究[D]. 朱程.上海交通大学 2018
本文编号：3049112
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