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低旋流喷嘴预混燃烧特性研究进展
发稿时间:2017-08-07         作者:段冬霞          来源:工业燃气轮机实验室     【字号:

  近二十年来,环境保护与燃料灵活性需求的不断增长给燃气轮机燃烧室技术提出了新要求。极低的污染物排放(NOX5ppm)与多燃料适应性(合成气、纯氢气、低热值气等,以下统称富氢燃料)的兼顾已成为现代燃气轮机燃烧室设计的新目标。低旋流(Low Swirl)燃烧是一种兴起于上世纪90年代、新颖的贫预混燃烧技术,具有燃烧稳定、NOx排放极低、不易吹熄和回火的特点。 

  目前,低旋流燃烧技术已经成功应用于小型商业燃烧设备和工业加热炉,表现出良好的燃烧特性:1.贫吹熄极限拓宽,使燃烧室能够工作在更贫的范围;2.从接近熄火状态到高当量比状态,都能维持火焰的稳定性;3.由于喷口近场不产生回流区,NOX排放<5ppm(15% O2)。然而,该技术在应用于燃气轮机燃烧室时存在燃烧振荡、回火等问题,在以富氢气为燃料时甚至出现火焰稳定性变差和NOX排放增大的问题,这些问题阻碍了低旋流燃烧在燃气轮机上的应用。因此,有必要对燃气轮机条件下低旋流燃烧的湍流火焰传播特性和火焰稳定机制展开系统的研究,深入分析燃料组分、结构参数和燃烧室运行参数对火焰传播和火焰稳定性的影响,这不仅具有较好的学术价值,还具有明确的应用前景。 

  针对上述问题,工业燃气轮机实验室的研究人员对低旋流喷嘴的预混燃烧特性进行了数值计算和实验研究。数值研究包括强旋流喷嘴与低旋流喷嘴的对比、运行参数和结构参数对低旋流稳态燃烧的影响。强旋流喷嘴的中心回流区与钝体相连,而低旋流喷嘴的中心多孔板直流使喷嘴出口近场中心区域为发散区,之后为较弱的回流区,从而使火焰稳定在内外剪切层和中心发散区,火焰中心为抬升火焰。不同入口参数下,低旋流喷嘴出口近场中心区域的无量纲轴向速度分布具有发散自相似的特性,火焰锋面稳定在湍流火焰速度等于气流速度的位置,由于气流速度远远大于层流火焰速度,火焰抬升高度基本不变。中心通道半径和多孔板小孔直径是低旋流喷嘴的关键结构参数,对喷口轴向速度分布的影响最大,决定了回流区的位置、大小、强弱以及形状,进而决定了火焰的位置、张角、长短以及形态。火焰筒的入口扩张角是最重要的火焰筒结构参数,减小该角度会压缩角回流区的空间,抑制旋流的外剪切层,改变轴向速度沿径向和轴向的分布,使原本稳定在外剪切层的火焰逐渐熄灭,火焰呈U型,火焰中心的抬升高度降低,而对角回流区的抑制可以减小NO排放。采用图1所示的实验装置进行了开放空间的实验研究,低旋流喷嘴的火焰形态与强旋流喷嘴的不同(图2),实验结果与数值模拟具有一致性。 

               

  1 实验件 

  2 低旋流喷嘴火焰(左)和强旋流喷嘴(右)火焰的形态对比 

 

 
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