顺序分级柔和燃烧器的实验和数值研究

顺序分级柔和燃烧器的实验和数值研究

论文摘要

柔和燃烧具有温度场均匀、燃烧噪音低以及低污染排放的优势,这使得其在燃气轮机中有很好的应用前景。针对燃机应用的柔和燃烧主要通过新鲜燃料空气和烟气掺混实现,所以理解新鲜燃气和烟气之间的相互作用对促进柔和燃烧的应用很有意义。另外在柔和燃烧的实现形式中,分级燃烧方式可以方便地提供高温烟气而不需要依靠复杂的结构来回流大量烟气,故以分级方式实现柔和燃烧也有较好的发展前景。而本文设计的串行分级式柔和燃烧器可以同时兼顾这两方面的研究,即一方面研究新鲜预混气和烟气的相互作用对柔和燃烧的影响,另外一方面对柔和燃烧和分级燃烧技术相结合进行初步探索。本燃烧器利用首段产生轴流高温烟气,并在掺混段采用交叉射流的方式进行新鲜预混气和高温烟气的掺混,然后混合物在柔和燃烧段实现燃烧。根据实验目的不同,实验采用了两种结构形式的燃烧器。其中渐扩型燃烧器主要用于研究不同工况下柔和燃烧的火焰形态以及不同条件下的着火延迟现象。而直筒型燃烧器主要用其研究分段式燃烧器的污染排放性能。实验研究中主要考察四个变量对柔和燃烧的影响,其分别是第一段的质量流量、第一段当量比、第二段质量流量和第二段当量比。对于渐扩实验器,实验测得了其OH-PLIF图像并结合CFD模拟分析了内部流场、组分场以及温度场,从而研究各个量对火焰特性以及着火延迟的影响。结果显示掺混段掺混性能和燃烧初温对火焰形态和着火延迟影响较大。在其他条件不变的情况下,较好的掺混以及较高的初温都会减小着火延迟距离,并使燃烧区域减小。实验测得了直筒式燃烧器的CO和NO排放,并结合化学反应网络模型对结果进行分析,其中柔和燃烧段采用柱塞流模型进行简化处理。结果显示NO排放主要受燃烧温度以及在燃烧器内的停留时间影响,在燃烧温度越高、停留时间越长的情况下NO排放越高。由于不考虑散热影响,模拟燃烧温度要高于实际值,而高温下CO2分解造成CO排放值在模拟结果中比实验结果较高。通过本文研究,对串行分级燃烧器中的柔和燃烧状态、着火延迟距离以及污染排放性能有了较为全面的认识。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 图目录
  • 表目录
  • 1 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 国内外研究现状
  • 1.2.1 柔和燃烧定义以及界定
  • 1.2.2 国外研究
  • 1.2.3 国内研究
  • 1.2.4 小结
  • 1.3 分级式燃气轮机燃烧室及低污染排放技术
  • 1.3.1 RQL(Rich-burn,Quick-mix,Lean-burn)技术
  • 1.3.2 DLN1(Dry Low NOx,干低NOx)技术
  • 1.3.3 Alstom公司的GT24/GT26燃烧室
  • 1.3.4 表面稳定燃烧技术(Surface stabilized Combustion)
  • 1.3.5 小结
  • 1.4 本文研究内容
  • 2 实验装置与数值模型
  • 2.1 概述
  • 2.2 实验装置
  • 2.2.1 实验台
  • 2.2.2 实验器
  • 2.2.3 测量方法
  • 2.3 数值模型
  • 2.3.1 CFD模拟
  • 2.3.2 CRN(Chemical Reaction Nec)模型
  • 2.4 本章小结
  • 3 渐扩燃烧器燃烧特性的实验和数值研究
  • 3.1 概述
  • 3.2 实验及数值计算设计
  • 3.2.1 实验工况设计
  • 3.2.2 模拟设计
  • 3.2.3 数据处理
  • 3.3 实验与数值结果分析
  • 3.3.1 第一段质量流量对燃烧的影响
  • 3.3.2 第二段当量比对燃烧的影响
  • 3.3.3 第一段当量比对燃烧的影响
  • 3.4 小结
  • 4 直筒型燃烧器污染排放特性分析
  • 4.1 概述
  • 4.1.1 NOx和CO生成机理
  • 4.1.2 CRN模型构建
  • 4.1.3 模拟目的
  • 4.1.4 实验设计
  • 4.2 实验与数值模拟结果分析
  • 4.2.1 第一段烟气量对污染排放影响
  • 4.2.2 第一段当量比影响
  • 4.2.3 第二段当量比的影响
  • 4.2.4 掺混预混气量对污染排放的影响
  • 4.3 小结
  • 5 结论与展望
  • 5.1 结论
  • 5.2 展望
  • 符号表
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文
  • 致谢
  • 相关论文文献

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