燃氣輪機燃燒室預(yù)混燃燒器天然氣燃料/空氣摻混均勻性研究

尹向博

哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司 河北秦皇島 066206

在實驗中選取了幾種典型的燃燒器結(jié)構(gòu)，對于預(yù)混火焰在不同當(dāng)量比工況下的氧氣和氮氧化合物的排放進行了相應(yīng)的量比工況。實驗得出的結(jié)論是，火焰結(jié)構(gòu)在預(yù)混燃燒器中，結(jié)構(gòu)是基本相似的，尺寸也沒有發(fā)生很大的變化。通過對火焰峰值信號進行相應(yīng)的均勻度的計算，發(fā)現(xiàn)對于氮氧化合物排放進行影響，運用火焰OH峰值進行論證是非常準確的。特別是在高檔量比的工況下，進行相應(yīng)的燃燒器優(yōu)化設(shè)計，是具有研究價值的。

1 燃氣輪機燃燒室預(yù)混燃燒器天然氣燃料/空氣摻混均勻性研究現(xiàn)狀

當(dāng)前對于污染物進行排放的研究眾多，例如對燃氣輪機燃燒室中的重要驅(qū)動因素進行相應(yīng)的燃氣輪機級別的論證，這是當(dāng)前主要研究的問題，包括燃燒室的出口溫度等等[1]。

由于降低氮氧化合物排放和提高火焰溫度是一種相矛盾的事物，因此在改進燃燒方式上進行了不斷的創(chuàng)新，以達到對排放指標(biāo)降低的要求。目前在工業(yè)領(lǐng)域上進行了大量的燃燒化合物的研究，包括在多種燃氣輪機進行相應(yīng)等級的燃料/空氣摻混分析方式的優(yōu)化，通過對燃料空氣配比和摻混均勻性的優(yōu)化，得到了新型的氮氧化合物的排放標(biāo)準。例如日本在研發(fā)出口溫度達到1700度的時候，就取得了很好的成果。通過對燃燒室噴嘴的燃料/空氣摻混性能的優(yōu)化，結(jié)合實驗，比照發(fā)達國家先進的模擬方法，將燃控摻混均勻性進行優(yōu)化，最終在優(yōu)化中得到了正常狀態(tài)下的瞬態(tài)均勻性，保證了燃燒穩(wěn)定性。同時通過燃氣輪機預(yù)混燃燒式的設(shè)計，得到了相應(yīng)的燃控摻混均勻性，實現(xiàn)了降低氮氧化合物排放的目標(biāo)。

2 國內(nèi)外當(dāng)前通過實驗和模擬數(shù)值的方法

對于燃料空氣摻混過程以及燃料流場結(jié)構(gòu)進行了理論分析和實驗研究，采用預(yù)混噴嘴內(nèi)燃料和空氣摻混的計算方法，得到了預(yù)混不均勻性概念的定義。通過燃/空動量比以及燃料射流角度進行均勻摻混的論證。在燃燒室的工況下，進行了相應(yīng)的研究，包括對氮氧化合物的排放影響，壓力和燃/空不均勻狀態(tài)以及對氮氧化合物排放影響產(chǎn)生的結(jié)果等等。國內(nèi)學(xué)者也采用數(shù)值模擬手段，模擬了眾多燃/空摻混規(guī)律，總結(jié)了燃/空動量比等因素，預(yù)測了數(shù)值模擬的方法和不均勻度的函數(shù)關(guān)系[2]。采用實驗和模擬的手段，對于燃氣輪機燃燒室內(nèi)的燃料空氣差火過程進行性能的分析。

研究對象和實驗手段。采用滑塊式空氣旋流器，形成了多孔式燃料噴嘴，對于預(yù)混通道和擴張段進行組成，在預(yù)混通道出口中進行了預(yù)混通道內(nèi)的快速摻混，起到了穩(wěn)定火焰的作用。錐形擴張段促進了高溫?zé)煔饣亓?，作為衡量空氣燃料摻混性能評估的參考界面，選取了越混通道出口截面，采用永恒不均勻度作為評估參數(shù)。對所選取的截面積核燃料濃度進行了設(shè)置[3]。

建立在數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果基礎(chǔ)上的，預(yù)混燃燒是設(shè)計選取了預(yù)混不均勻度作為摻混性能下限，再進行重量比和燃料射流孔數(shù)的因素的數(shù)值研究中，沒有考慮結(jié)構(gòu)中摻混均勻性的影響。為了考慮壓損并且促進插混，選擇了空氣流動快的相對應(yīng)的燃料噴嘴結(jié)構(gòu)，并且采用數(shù)值模擬方法，對于燃料孔徑參數(shù)進行了研究。下表為預(yù)混，燃燒器工況，見表1。

表1 預(yù)混燃燒器工況

通過對燃燒器出口回流區(qū)進行了不同通道長處長度的設(shè)置，預(yù)留出了燃料噴孔出口到預(yù)混通道出口的距離，靠近回流區(qū)位置的下方，逐漸降低了回流強度和速度，將回流區(qū)又緊湊，變得狹長。

隨著燃/空通道增長，在對預(yù)混燃燒器穩(wěn)定燃燒的范圍內(nèi)，進行了相應(yīng)的燃料空氣的摻混。對于預(yù)混長度進行增加，使得摻混均勻性數(shù)值相對下降，旋流逐步擴散，再運回燃燒室設(shè)計中，綜合考慮了組分場合對流場的影響，結(jié)合尺寸限制了預(yù)混，但長度燃料的孔徑，保持了旋流強度和空氣速度。在預(yù)混通道內(nèi)，通過射流深度的影響，得到了燃料與空氣的摻混。此時導(dǎo)致燃料射流過深，造成燃料和空洞量比較過大，在于有限長度的預(yù)混通道內(nèi)進行摻混，讓燃料集中分布，此時射流深度適中，發(fā)揮了旋流空氣的擾流，增強了摻混的作用[4]。

尋找的最佳射流深度指以確定最佳摻混量。當(dāng)燃氣空洞比量表現(xiàn)在中心位置的時候，相對射流深度從0.26增加到0.78，SMD從6.2%減小到13%。由于燃空洞量較小，因此發(fā)現(xiàn)在發(fā)揮旋流空氣增強擾流的作用前提下，改變?nèi)剂峡讖?，對于燃燒器出口流場的特征影響不是很大?/p>

3 結(jié)語

在進行結(jié)構(gòu)改進的情況下，通過對噴孔面積的設(shè)置，將噴孔的開孔位置進行相應(yīng)的空氣混合均勻性的設(shè)置，比較改進結(jié)構(gòu)的反應(yīng)區(qū)，將最高溫度和污染物CO排放指標(biāo)進行設(shè)置，通過對結(jié)構(gòu)的改進之后，強化了預(yù)混的作用，減少了非均勻度。將最高燃燒溫度加以降低，得到了CO的排放上升的結(jié)果，污染物排放減少的效果[5]。