燃气轮机燃烧室多喷嘴预混燃烧特性研究.docx

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1、燃气轮机燃烧室多喷嘴预混燃烧特性研究现代重型燃气轮机燃烧室通常采用环形、管形或环管形布置的多喷嘴结构。多喷嘴燃烧器既可以增加燃烧室的热负荷及负荷调节比,又可以确保一个喷嘴熄火时邻近喷嘴能够将它重新点燃。除此之外,多喷嘴燃烧器在抑制燃烧噪声方面具有优越的性能。本文以燃气轮机多喷嘴燃烧器为研究对象,采用实验和数值模拟相结合的手段从多喷嘴流动、火焰结构、燃烧器性能和振荡燃烧等方面对多喷嘴预混燃烧特性开展了研究。首先,从流动和火焰结构的角度对多喷嘴预混燃烧进行了实验和大涡模拟研究。利用平面激光诱导荧光技术对多喷嘴预混火焰结构进行了测量,采用基于火焰面模型的

2、大涡模拟方法对多喷嘴预混燃烧开展了数值模拟研究。当量比的变化范围为0.51到0.8,喷嘴出口速度为6.2m/s。研究结果表明:（1）相邻气流相互掺混形成高度湍流脉动的相互作用区,强化了燃烧化学反应。随着当量比的降低,多喷嘴火焰推举高度逐渐增加,相邻火焰相互作用逐渐减弱。当量比小于0.53时,相邻火焰相互作用消失;当量比为0.51时,中心喷嘴熄火。（2）相邻气流掺混点基本不受当量比的影响,气流合并点随当量比的增加向下游移动,气流合并速度随当量比的增加明显增加。（3）中心气流主回流区比外侧主回流区小,中心火焰推举高度大于外侧火焰。随着当量比的增加,外侧

3、主回流区尺寸逐渐减小,中心主回流区尺寸先增加后减小。（4）多喷嘴旋进涡核旋转方向与气流旋流方向相反。随着当量比的增加,旋进涡核受到抑制。当量比大于0.7时,中心喷嘴旋进涡核消失。（5）大涡模拟结果与实验数据吻合得较好,验证了基于火焰面模型的大涡模拟预测多喷嘴预混燃烧的准确性。其次,对同向和反向旋流多喷嘴燃烧器开展了系统的性能研究,讨论了当量比和喷嘴出口速度对多喷嘴燃烧器性能的影响。当量比的变化范围为0.5到0.85,喷嘴出口速度的变化范围为4m/s到15.5m/s。实验结果表明:（1）多喷嘴燃烧器的工作区域可以划分为稳定燃烧区、不稳定燃烧区、回火区

4、和熄火区。在贫燃低速下多喷嘴燃烧器容易发生燃烧振荡,提高喷嘴出口速度或增加当量比有助于抑制振荡燃烧。（2）随着当量比的增加,多喷嘴燃烧器压差有减小的趋势,喷嘴压差在U₀=9.3m/s时最小。（3）多喷嘴燃烧器NOx排放随绝热火焰温度的增加对数线性增加,变化梯度小于单喷嘴燃烧器;燃烧振荡导致多喷嘴燃烧器NOx排放升高。最后,开展了多喷嘴火焰自激振荡燃烧实验和大涡模拟研究。第一,采用有限元方法对多喷嘴燃烧系统进行了声模态分析;第二,对多喷嘴火焰自激振荡燃烧进行了相同步激光可视化测量,分析了同向和反向旋流多喷嘴火焰脉动规律,并通过火

5、焰瑞利因子分布揭示了多喷嘴火焰燃烧振荡的触发机理;第三,对单喷嘴部分预混火焰和多喷嘴预混火焰自激振荡燃烧开展了大涡模拟研究,讨论了振荡燃烧脉动规律和旋涡-火焰相互作用。研究结果表明:（1）反向旋流多喷嘴火焰处于第二阶纵向振荡模态,频率为41Hz;同向旋流多喷嘴火焰有三个振荡主频,分别为42Hz、98Hz和196Hz,对应于第二阶、第三阶和第四阶纵向振荡模态,且在第三阶模态下压力脉动幅值最大。（2）多喷嘴火焰振荡燃烧是由多种不同的驱动机理相互叠加引起的。对于反向旋流多喷嘴火焰,相邻火焰相互作用区、火焰根部和尾部的热释放波动与压力脉动的耦合以及剪切区内

6、旋涡脱落导致的Kelvin–Helmholtz不稳定是引起振荡燃烧的主要原因;对于同向旋流多喷嘴火焰,相邻火焰相互作用区、次回流区和中心火焰尾部的热声耦合是触发振荡燃烧的主要原因。除此之外,本文针对同向和反向旋流多喷嘴燃烧器燃烧特性开展了对比研究。结果显示（:1）两者流场具有显著差异:同向旋流组合时,气流呈整体顺时针旋转,流场最终发展为与单喷嘴类似的旋流结构;反向旋流组合时,喷嘴气流保持着各自的旋流流动结构。（2）在相同工况下,反向旋流多喷嘴燃烧器压力脉动幅值低于同向旋流多喷嘴燃烧器,稳定工作范围比同向旋流组合宽。（3）反向旋流多喷嘴燃烧器喷嘴压差

7、、排气温度和NOx排放均低于同向旋流组合。综合压力脉动、排温、排放和稳定运行范围等性能指标考虑,采用反向旋流组合的多喷嘴燃烧器要优于同向旋流组合。