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燃燒室放大中的噴嘴間距設計研究取得進展
发稿时间:2020-01-06         作者:胡宏斌、姜磊          来源:先進燃氣輪機實驗室     【字号:

  噴嘴間距是燃燒室結構設計中的一個關鍵參數,在燃燒室設計初期就需要確定下來,因爲它不僅會影響燃燒室的尺寸和制造成本,也會對燃燒室的運行性能造成重要影響。由于燃氣輪機燃燒系統較大的複雜性,在燃燒系統研發初期,仍然經常把問題簡化爲一個單獨的噴嘴進行研究。然而,現代燃氣輪機大多使用典型的環形燃燒室結構,獨立的噴嘴在環腔中布置一周,噴嘴除了在徑向上受到火焰筒壁面作用外,在周向上還受到旋流火焰的相互影響和作用。由于每一個旋流噴嘴都産生自己的回流區和火焰,並且湍流流動和燃燒化學反應相互耦合、彼此作用,進而決定噴嘴的燃燒性能,因此相較于單個噴嘴,噴嘴間的相互作用會影響它們流動和燃燒特性。值得注意的是,噴嘴間距是影響噴嘴間相互作用程度的關鍵參數,可以推斷,改變噴嘴間距會顯著影響環形燃燒室的許多性能,比如點火聯焰特性、貧油熄火邊界、流場結構以及汙染物排放特性等。 

  工程热物理研究所先進燃氣輪機實驗室的工业燃气轮机团队致力于某型30MW燃氣輪機的研制,同時進行燃機功率放大的技術先期預研。研究團隊在前期對30MW燃氣輪機燃燒室單噴嘴(包括旋流杯和燃氣噴嘴)結構優化的基礎上,設計並加工了噴嘴間距連續變化可調的多頭部模型燃燒室試驗件。通過實驗測量了不同點火燃料當量比條件下保證燃燒室傳焰成功的最大噴嘴距離,分析了火焰傳播的動態過程;此外還研究了噴嘴間距對熄火當量比、燃燒流場和均方根速度場的影響。 

  研究人員發現,確保傳焰成功的最大噴嘴距離隨著初始點火燃料當量比的提高而變大,同時噴嘴間的火焰傳播過程大概分爲四個階段:相鄰側核心小火團的出現、跨越噴嘴向另一側傳播、火焰根部的建立與強化以及向下遊傳播並充分發展。傳焰動態過程如圖1所示。另外,還有一個重要發現:傳焰成功所允許的最大噴嘴距離要小于單噴嘴的平均火焰直徑,表明聯焰時著火噴嘴的火焰前緣不僅接觸到相鄰未燃噴嘴的可燃混合物邊界,而且已經插入到其內部,形成了一個具有足夠能量的點火源,由此表明旋流射流間的相互作用造成燃料混合、對流傳熱和自由基摻混等效果,這對火焰傳播起促進作用。隨後進行了不同噴嘴間距下燃燒室熄火邊界的測量,發現隨著噴嘴間距變小,熄火當量比先變小後變大,如圖2所示。這可能是因爲噴嘴間距變小將導致噴嘴間燃料濃度和火焰溫度的升高,這種效果會促進火焰穩定,但隨著兩個噴嘴進一步靠近,射流融合、流速增大和火焰面局部拉伸的效果變得明顯,這將對火焰穩定造成不利影響,兩種效果相互競爭的結果又會使熄火當量比稍微變大。最後使用示蹤粒子圖像測速儀(PIV)研究了噴嘴間的流動耦合和速度脈動情況。最小噴嘴間距下的流場和脈動速度場如圖3所示。發現相鄰的兩股射流合並,軸向峰值速度遠高于自由射流速度,同時噴嘴間相互作用的區域中存在很大的速度脈動,這進一步驗證了之前的分析。 

    以上相关工作已发表一篇国际会议论文,两篇EI論文,申請2項發明專利,授權4項實用新型專利。基于以上工作,研究團隊還將開展進一步的實驗和數值研究,進行噴嘴間距變化對氮氧化物排放水平和出口溫度分布系數等關鍵燃燒室性能參數影響的研究工作,這些工作將爲燃燒室改型和功率放大中的噴嘴間距選擇提供支撐。
   
   
 
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