燃气轮中确定燃烧室中火焰简沿轴向各排小孔进气量分配的实验方法

一、前言 在设计新型燃烧室时,火焰筒是否按预定方案进行气量分配;或在调试过程中,如何改变进气分配规律来改善性能;以及对成批生产的火焰筒延长寿命等情况下,均需确切知道火焰筒沿轴向各排小孔进气量。 国内外已有不少计算方法来预算这种进气分配,但差别很大,而确定火焰筒分配规律的实验方法,有个别文献曾提到测取小孔内外参数的方法,显然,在小孔内外设测量装置,一是极易烧坏,二是干扰气流与燃烧,故此法之实用性值得怀疑。本文提供一种确定各排小孔流量的方法,经实验证实完全可行。     

甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰OH*自由基的数值研究

OH*自由基是火焰中主要的激发态自由基之一,它所产生的化学发光可用于描述火焰的结构、拉伸率、氧燃当量比和热释放速率等特征信息,因此被广泛应用于火焰燃烧状态的在线诊断。以甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰作为研究对象,采用GRI-Mech 3.0机理结合OH*自由基生成和淬灭反应进行数值计算,对OH*自由基的二维分布特性进行研究,分析不同区域内OH*自由基的生成路径,并探讨不同氧燃当量比例和不同喷嘴出口尺寸对OH*自由基强度和分布特性的影响。模拟结果与实验研究基本吻合,表明计算模型能够准确描述火焰中OH*自由基的二维分布。结果表明：在甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰中,OH*自由基存在两种不同形态的分布区域,分别由反应CH+O₂=OH*+CO和H+O+M=OH*+M生成;随着氧燃当量比提高,OH*自由基的分布区域逐渐向火焰下游扩张,根据其分布形态的变化可以对火焰燃烧状况进行判断;如果OH*自由基仅分布于火焰的上游区域且呈断开形态,则说明火焰处于贫氧燃烧状态。如果OH*分布呈环状形态,则说明火焰处于富氧燃烧状态;相同氧气流量条件下,缩小喷嘴出口的环隙尺寸有助于加强燃料和氧气的化学反应程度,从而使火焰中OH*自由基的摩尔分数显著提高,增强OH*化学发光的辐射强度,提高火焰光谱诊断的准确性。     

水套炉内火筒传热数值模拟

本文利用数值方法模拟了新型高效水套炉火筒内天然气燃烧过程,分析了火筒内温度场的分布规律和火筒内外壁温度的变化情况,以及火筒负荷特性随燃料用量的变化规律.分析表明,新型高效水套炉设计过程中可以适当增加火筒段的热负荷强度,以减小金属耗量,但火筒热负荷强度不宜超过96kW/m2;燃烧火焰主要集中在火筒中后部,火筒壳体烟气出口周围温度相对较高,属于压力薄弱环节容易烧穿,应采取加固措施.     

甲烷层流和湍流预混火焰OH^*和CH^*的化学发光特性

化学发光能够对火焰结构和燃烧过程进行良好的表征,但利用化学发光对湍流火焰进行测量的研究相对较少。为了更深入地研究和发展湍流燃烧理论,设计了伴燃射流燃烧器,通过ICCD相机和相应滤波片获取了OH^*和CH^*的化学发光图像,对甲烷/空气层流和湍流预混火焰的化学发光特性进行了研究,并利用分布高度、峰值位置、强反应区占比、峰值等参数对不同速度和当量比时的OH^*和CH^*进行表征。结果表明,层流时OH^*和CH^*的分布明显不同,而湍流的混合作用导致二者的分布范围趋向一致。随着当量比增大,不同速度下OH^*和CH^*的分布高度都呈单调递增趋势,但湍流的增长趋势要相对平缓;峰值位置的变化趋势与分布高度几乎一致,间接表明OH^*和CH^*的主导生成反应不变。强反应区占比在层流和湍流状态下的表现完全相反:从贫燃到富燃,层流中由大于0.1降低到0.05以下,而湍流中则由0.05上升到0.1以上,表明湍流对贫燃时的燃烧反应起抑制作用,在富燃时反而起促进作用。另外, OH^*和CH^*的峰值变化可以对火焰的流动状态进行判断,且CH^*尤为明显:随当量比增加,如果峰值先升后降,则可以认为火焰为层流状态;如果峰值单调递增,则是湍流状态。以速度和当量比为自变量,以OH^*和CH^*的峰值比为因变量,提出了不同速度条件下利用化学发光对当量比进行定量表征的统一关系式,解决了不同速度时需要分别进行拟合的问题,对后续的化学发光燃烧诊断研究具有重要意义。     

限制域对中心分级燃烧室出口温度分布的影响

为了研究中心分级燃烧室的气动热力特性以及火焰筒限制域对出口温度分布的影响,在三头部燃烧室中进行了流场、油雾场、组分场测试,并在高温高压下测量了不同火焰筒限制域的出口温度.实验结果显示,限制域的缩短会增加出口热斑面积和OTDF.借助数值模拟得出限制域减小使已燃回流产物的稀释作用减弱,预燃级附近产生更高的局部高温.同时其更...     

燃气轮机合成气燃烧室燃料气加湿实验研究

本文针对一种燃用合成气的40MW级燃气轮机燃烧室,进行了该型燃烧室的全压燃料气蒸汽加湿试验研究,得到了燃烧室在基本负荷下随加湿量变化污染物排放、燃烧室内动态压力、火焰筒壁面温度等重要参数的变化规律,分析了燃料气加湿对燃气轮机总体性能、污染物排放、火焰筒壁温及燃烧稳定性方面的影响,探讨了燃料气加湿对合成气燃烧中Nox生成的机理性作用. 研究表明燃料气加湿是降低燃用合成气的燃气轮机氮氧化物排放的有效方式.     

添加剂对铝/冰基燃料燃烧特性的影响

运用多种实验技术研究了空气条件下不同添加剂(Mg、AP和NaF)对铝/冰基燃料燃烧特性的影响。研究结果表明,添加Mg或AP有利于凝聚相反应区厚度的降低,燃速的提高和气相火焰温度以及燃面温度的升高。比较这三种添加剂可以发现,添加AP的铝/冰基燃料的燃烧效率最高,铝粉氧化程度最为充分,而添加Mg未能提高铝粉的氧化程度。添加NaF完全抑制了铝/冰基燃料能量的释放,燃速大幅度降低且气相火焰变得较温和,同时大大降低了燃料的氧化程度。     

燃气轮机中热值合成气燃烧室改造技术——现场调试与考核

将某型烧天然气的燃气轮机改为烧中热值合成气,需要改造燃烧室、燃机控制系统、燃料供给系统和相关配套系统,并校核燃机关键部件的通流匹配情况.在完成合成气燃烧室设计、试验和制造之后,需要进行燃气轮机组的安装调试、现场测试和考核.本研究所建立了燃气轮机现场测试平台;进行了合成气燃气轮机的安装调试、168小时连续运行考核和第三方的燃机性能考核;初步掌握了燃机控制系统和配套系统的改造技术.现场测试平台用贴片式热电偶对火焰筒壁温进行了监测,用示温漆测量了满负荷工况火焰筒壁温分布,用燃气分析仪测量了燃烧室效率和污染物排放.考核结果表明燃机功率、燃机热耗、燃烧效率、污染物排放基本达标.     

基于激光光解诱导荧光技术实现燃烧反应区及中间产物CH_3瞬态可视化

实现火焰反应区和不同中间组分的在线二维瞬态成像,在湍流燃烧的基础研究中具有十分重要的意义。用Nd∶YAG激光器的5倍频输出(212.8nm)作为光源,通过激光光解诱导荧光技术在甲烷/空气预混火焰中,成功实现了火焰反应区的瞬态成像,并首次采用该技术实现了CH_3的在线瞬态成像测量。分析了该方法同其他荧光标示物在反应区二维瞬态成像方法的优势,并研究了火焰燃烧过程中其他燃烧中间产物和不同燃空比对CH_3单脉冲成像的影响,讨论了现有条件下该技术的应用范围。根据实验结果,在燃空比Φ=1.2的条件下,在反应区我们获得了信噪比约为8的单脉冲成像,分析火焰中CH_3的单脉冲成像结果可知火焰燃空比在1.0~1.4之间时,或者火焰中CH_3的浓度大于9.3×1015 molecules·cm-3信噪比较好。该项技术在动力机械及其他研究领域的应用有十分重要的参考价值。     

入口温度对微型凹腔燃烧器中H_2/air燃烧效率的影响

通过数值模拟研究了入口温度对贫燃H_2/air混合气燃烧效率的影响。结果表明:当量比为0.5时,即使入口温度为300 K也能获得很高的燃烧效率,而当量比为0.3和0.4时,由于火焰尖端发生分裂,导致燃料泄漏和燃烧效率下降。入口温度上升50~100 K时,火焰尖端分裂得到显著改善。分析表明:一方面,依据Arrhenius定律,提高混合气温度可以直接增加燃烧反应速率;另一方面,提高入口温度在一定程度上可以增加混合气的有效Lewis数;此外,提高入口温度可使火焰高度变小,削弱火焰拉伸效应的影响。总之,对于贫燃H_2/air火焰来说,小幅提高混合气的初始温度就能明显增加火焰尖端的燃烧强度,抑制火焰尖端分裂现象的发生,提高燃烧效率。     

HCCI燃烧过程化学发光光谱研究

在一台经改装单缸光学发动机机上,进行不同喷油策略和进气温度条件下均质压燃(HCCI)燃烧化学发光光谱实验研究。实验保证循环供油量一定,燃用正庚烷作为燃料,转速600 r.min-1,进气压力0.1MPa,控制2个不同的进气温度:95和125℃。化学发光光谱研究结果表明,低温反应阶段化学发光很弱,主要源于甲醛光谱;低温反应后期-负温度系数区-高温反应初始阶段主要发光来源还是甲醛光谱;高温反应阶段发光主要来源于CO—O*连续谱,同时在CO—O*连续谱上出现OH,HCO,CH,HCHO谱峰;高温反应后期化学发光明显减弱。与-30°ATDC喷油相比,-300°ATDC喷油时CO—O*连续谱发光强度更大,HCO和OH生成量更多,燃烧反应进行程度更深。较高进气温度下CO—O*连续谱发光强度更大,HCO和OH生成量更多。     

非预混旋流火焰中部熄火及重新稳燃机理研究

本文利用5 kHz同步PIV/OH-PLIF实验装置,结合大涡模拟(LES)耦合PDF燃烧模型,系统研究燃料中心喷射下非预混旋流火焰中部熄火及再次稳燃机理,对比了两种旋流器出口结构的影响.结果 表明,LES-PDF模型可以准确地捕捉到旋流流场分布及火焰形态,包括中部熄火及火焰重新稳定.相比于直燃道的结构,扩张燃道的存在引导了更宽的回流区,改善了中部熄火现象,两种结构对其下游的主火焰再次稳燃高度影响不大.中央燃气射流带来的高标量耗散率使得热损失变大,从而引起中部熄火.同时进一步促进了CH4与空气的预先混合及部分反应前置物(CH2O),为非预混旋流火焰在下游重新稳燃提供了有利条件.通过对火焰再次稳燃处OH反应项及扩散项的分析,发现反应项占据主导地位,部分预混火焰传播为再次稳燃的主要机理.     

基于阻尼LSQR-LMBC的火焰三维温度场重建

光场相机可以解决辐射测温多相机系统光路复杂、同步触发难等问题,在辐射成像三维温度重建时有其独特优势. LSQR是求解基于大型稀疏矩阵最小二乘问题的经典算法,该算法用于重建三维温度场时对温度初值依赖较大,在信噪比较低的情况下重建精度不理想.本文提出阻尼LSQR-LMBC重建算法,通过在LSQR方法中添加阻尼正则化项,提高火焰三维温度场重建的抗噪性能,并结合LMBC算法,实现吸收系数和三维温度场同时求解.在数值模拟部分,随着信噪比逐渐降低,阻尼LSQR的重建效果比LSQR更加稳定,在信噪比达到13.86 d B时,重建精度大约提高30%.阻尼LSQR-LMBC的平均重建误差为6.63%.用丁烷火焰进行了实验,重建的丁烷火焰三维温度场分布符合辐射火焰燃烧的特征,和热电偶的测温数据结果进行对比,相对误差在6.8%左右.     

弱旋湍流火焰合成纳米二氧化钛的机理研究

湍流效应在火焰合成纳米TiO2颗粒工业化规模放大中具有重要影响.本文基于一种内加环形旋流片的弱旋火焰开展了合成TiO2纳米颗粒的实验研究.对于内径12 mm管式燃烧器,加入旋片后火焰贫燃极限大幅度降低16%～33%,火焰高度也从9.0 cm减少到3.0 cm,焰区温度约减少20%～30%.研究表明,弱旋湍流火焰具有流速大、可燃当最比低和温度低的特点,使其相对无旋火焰可以合成粒径较小、烧结程度较低的TiO2纳米颗粒.     

关于煤粉火焰稳定性和煤粉预燃室及火焰稳定船的作用

沿用预混可燃气体的火焰稳定理论常不能正确地分析煤粉火焰的稳定问题,不宜于用来指导煤粉燃烧设备的设计和运行。本文着重分析了在中国电站煤粉锅炉中已广泛采用的煤粉预燃室和新型火焰稳定船式煤粉燃烧器中煤粉颗粒的运动和燃烧过程,认为在燃烧设备中组织好含煤粉的气流的运动,使能在燃烧室中形成局部的高煤粉浓度、高温和合适氧浓度的区域,成为稳定的煤粉着火有利区,是保持煤粉火焰稳定的原则。此煤粉火焰稳定原则可以阐明各种保持煤粉火焰稳定的技术措施,也有利于分析和开发新的煤粉燃烧技术。     

蒸发型双环腔燃烧室的实验研究

本文研制了一种新型的双环腔油膜蒸发式燃烧室,计划用于高温热风洞,以提供稳定均匀的热气流。本文叙述了:头部装置形状和主要尺寸的确定;主燃区气流流型和燃烧现象的观测结果;以及燃烧室的性能,包括点火、燃烧效率、火焰稳定和出口温度场。本实验研究为上述目的提供了实际可用的燃烧室设计,此外,实验所获得的经验对于研制类似型式的燃气轮机燃烧系统看来也是有用的。     

甲烷/氧气层流反扩散火焰形态及滞后特性研究

对空气气氛中甲烷/氧气反扩散火焰的形态和推举滞后特性进行了实验研究. 实验中通过改变气体流量考察了气速变化对火焰形态演变及滞后特性的影响, 并利用紫外相机系统研究了气速对不同形态火焰中OH^*分布的影响. 研究结果表明: 甲烷气速、氧气气速和火焰的历史状态是决定火焰形态的三个重要参数, 并以此对实验范围内的火焰形态进行了分区; 氧气气速对不同形态反扩散火焰轴线上的OH^*分布有相似的影响, 当氧气缺乏时, 反扩散反应区较短, 当氧气富余时, 反扩散反应区在轴向分布较广; 同轴甲烷的气速对反扩散火焰的滞后特性影响显著, 随着甲烷气速的增加, 反扩散火焰的推举速度和再附着速度呈线性减小, 部分预混火焰向反扩散火焰转变的速度呈线性增加.     

层流火焰下氨/甲醇裂解气燃烧与NOx生成分析

为提高氨燃料火焰传播速度,本文研究了氨中掺混甲醇裂解气混合燃料的燃烧与排放特性。结果表明：加入甲醇裂解气后层流燃烧速度明显提高,裂解气添加的化学效应对火焰传播的贡献最大,热效应较弱。NO生成量随着裂解率的提高上升,随着甲醇比例的增加先上升后下降。同位素标记法表明热力型NO占比较少,甲醇比例与裂解率越高,热力型NO越多。综合分析表明贫燃工况下氨与高比例甲醇部分裂解混合燃料提高燃烧速度的同时也可以降低NO的排放。     

不对称射流——另一种新的煤粉火焰稳定燃烧的空气动力学原理

本文提出了利用不对称射流稳定和强化燃烧低质煤粉和水煤浆的空气动力学原理。根据这个原理,研制了一种一次风偏置并且稍有倾斜的新型预燃室。在预燃室的上半部不对称射流产生一个大的回流区。煤粉颗粒和水煤浆能够被直接送入该回流区中。特定的三维空气动力场和煤粉浓度的分布对点火、稳燃和消除灰渣是十分有利的。这类偏置射流预燃室已被证明能够燃烧挥发分10％,灰分30％的低质煤粉和挥发分10％,水分30％的难燃水煤浆。在燃烧过程中预燃室内不积灰不结渣。目前它已被成功地用于工业锅炉和电站锅炉的点火启动和低负荷(50％)稳燃、并且收到了大幅度节油的效果。     

自旋3/2粉末样品四极核中心跃迁的NMR回波序列

本文提出脉冲序列45_X~°—t_1—90_(±Y)~°—t_2,从理论和实验上证实了它能够有效地会聚粉末样品中I=3/2四极核中心跃迁的磁化矢量,并对该回波序列的激发谱宽作了数值计算。