准二维狭缝ODPP/OESC的研究分析

针对准二维狭缝燃烧系统,进行了扩散燃烧、预混燃烧、空气部分预混燃烧以及稀氧部分预混/富氧补燃(ODPP/OESC)等燃烧技术的排放特性对比;并进行了稀氧部分预混/富氧补燃技术中不同预混氧浓度、不同补燃氧浓度、不同预混当量比以及不同补燃位置火焰的燃烧特性以及污染物的生成特性的对比分析。研究结果表明,ODPP/OESC的燃烧工艺,能够有效地实现燃烧过程中高效率和低排放的双优化,随着预混当量比的增大以及后期补燃位置的增大,快速型NO_x生成比重明显增大。     

燃气轮机合成气双旋流非预混燃烧室的设计及实验测试

本文针对上海交通大学25 kW燃气轮机性能试验台的合成气燃烧室开展了设计研究,完成了燃烧室样机的加工与实验测试。研究过程中,首先对合成气燃烧室开展了结构设计;采用双旋流结构的燃烧器进行合成气燃烧火焰组织;采用了燃烧室头部贫燃方式(低当量比)设计以保证燃烧室低排放特性;利用双层壁冷却方式进行火焰筒壁面冷却。在燃烧室结构设计的基础上,利用数值方法系统分析了合成气双旋流非预混燃烧室工作特性,完成了合成气非预混母型燃烧室的设计优化。根据优化方案,完成了燃烧室样机的加工、安装,并进行了实验性能测试。实验结果表明实验工况该燃烧室燃烧稳定,NO_x排放小于25 mg/m~3@15%O_2。     

燃料供给方式对稀态预混燃烧特性的影响

稀态预混燃烧技术已被用于工业燃气轮机,其NO_x排放可低于50 mg/m~3,然而容易发生热声振荡问题。本文通过数值模拟和实验结合的方法研究了燃料供给方式和值班比对燃烧室动态和污染物排放特性的影响。模拟表明:三种燃料供给方式使燃烧室内呈现出三种典型的燃料分布形式。实验表明:当值班比由0%增加到15%时,NO_x排放近似线性增加,而热声振荡的声压级会先升高而后降低。结果表明预混段内的燃料分布对污染物和热声振荡产生具有很大影响。     

贫燃料预混燃烧的回火特性研究

回火问题是贫燃料预混燃烧面临的主要问题之一。本文采用计算和实验相结合的方法研究甲烷与富氢合成气贫预混燃烧的回火现象,得到不同燃料、不同稳定方式之间的回火特性。研究结果表明,回火极限可以关联为丕雷数模型,环形稳定器的回火稳定性最好,其次为杆稳定器,旋流稳定器的稳定性最差;环形稳定的甲烷预混火焰的回火过程为边缘稳定,适当加入边缘空气同轴射流后变为中心回火,且同轴射流速度存在最佳范围可以提高回火稳定性。     

R0110燃烧室预混均匀性与排放的研究

我国首台自主研发的110 MWR0110重型燃气轮机燃烧室按于式低NO_x(Dry Low NO_x,DLN)原理设计。DLN燃烧技术的关键是在控制总的燃料/空气当量比的前提下,实现其均匀预混。本文针对NO_x排放性能,根据文献调研总结出的燃料/空气均匀预混的基本原则和方法,从结构设计、小型模型试验、全尺寸数值模拟等方面进行了研究。结论是R0110燃烧室的燃料/空气预混均匀性较差,并用热态单管试验测得的NO_x排放数据进行了验证。同时分析了问题的原因并提出了改进的方向和措施。     

燃机预混燃烧混合特性实验及理论分析

贫预混燃烧中的混合问题对深入理解污染物排放机制至关重要。本文针对某一特定喷嘴进行混合特性实验测量,通过三维数值模拟与实验测量值进行比较,分析得出湍流施密特数对混合特性的影响,发现施密特数为0.5时数值模拟结果与实验值符合良好;随后依据实验值和三维数值模拟结果,并结合理论分析混合分数方差控制方程中扩散项和生成项所占比例,提出用于衡量燃机预混燃烧混合特性的一维混合模型。结果显示,该特定喷嘴的混合效果很好;混合分数方差控制方程中的扩散项和生成项所占比例不超过25%,一维模型能依据有限实验值较好地预测燃烧室中的混合不均匀度。     

燃料空气供给条件对热声不稳定燃烧影响的研究

对Solar低排放预混燃烧系统的燃烧稳定性进行了数值研究.应用非定常N-S方程、雷诺应力紊流模型及涡团耗散燃烧模型,数值模拟了该类型燃烧器在不同的燃料空气供给条件下的气流流动特性和压力振荡特性,并给出了不稳定发生时压力和速度振荡的幅值和频率.根据供给条件的不同,燃烧可以是稳定的或是不稳定的,取决于燃料到火焰前沿的迟滞时间.采用CFD方法,可精确地获得燃料到火焰前沿的迟滞时间,证实了所采用的模型能够精确预测不稳定燃烧的出现及振荡特性.通过调整燃料与空气的供给条件,可使振荡激励或阻尼.     

混氢改善汽油机稀燃性能的试验研究

针对汽油机稀燃条件下循环变动大,燃料燃烧不充分的问题,本文在一台加装了电控氢气喷射系统的四缸汽油机上就混氢对改善汽油机稀燃条件下燃烧与排放性能的作用进行了试验研究。在发动机1400r/min,进气道绝对压力为61.5 kPa的条件下,就1%与3%两种进气混氢体积分数对稀燃汽油机燃烧与排放特性的影响进行了研究。试验结果表明,稀燃时发动机制动热效率随混氢分数增加而提高;滞燃期与速燃期随混氢分数增加而缩短;发动机稀燃极限所对应的过量空气系数由原机的1.45提高至混氢1%与3%时的1.55和1.96。混氢后发动机HC与CO排放降低,但NO_x排放有所升高。     

燃气轮机合成气燃烧室中燃烧噪声的现场测试与分析

燃气轮机的燃烧噪声是反映燃烧室燃烧稳定性的主要参数.本文对国内某座煤基IGCC示范电站的40 MW级燃气轮机在诸多运行条件下的燃烧噪声进行了现场测试,分析了气液双燃料喷嘴在燃烧轻柴油、燃烧合成气以及油气切换过程中燃烧室的燃烧噪声,另外分析了合成气掺烧驰放气与合成气加湿对燃烧稳定性的影响.结果表明:合成气燃烧室在油气切换过程中燃烧噪声会增加,但距离振荡燃烧的阈值仍有很大的裕度;烧合成气时随着燃气轮机功率增加燃烧噪声降低;合成气加湿时随着蒸汽流量增加污染物NOx排放显著降低,并且燃烧噪声也有降低的趋势.     

DLN燃烧室的燃料-空气预混均匀性研究

参照国产燃机DLN燃烧室的燃料-空气预混机构,模化设计了相应的试验装置,并在冷态条件下,测量了燃料-空气的预混预均匀性,发现无论在径向还是周向的燃料分空间布都极不均匀,这对控制燃烧时的NOx排放显然是十分不利的。为此,本文进一步分析了影响预混均匀性的各种因素,指出该燃烧室的预混不均的主要原因是燃料-空气射流动量比偏小,预混长度短和燃料径向喷射不匀,并通过实验验证了上述分析,提出了改进的措施和方向。     

应用预蒸发技术燃烧液体燃料

本文介绍了一种燃烧液体燃料的新技术－预蒸发燃烧技术：通过分离液体燃料的蒸发过程和燃烧过程,实现液体燃料的“气体化”燃烧;重点介绍利用液体燃料着火前存在的冷焰燃烧现象实现燃料预蒸发的技术原理。与传统的燃烧技术相比,液体燃料的预蒸发燃烧具有高效率、低噪音、低有害污染物特别是ＮＯｘ排放、和易调节等优点。     

Dynamic properties of combustion instability in a lean premixed gas-turbine combustor

We experimentally investigate the dynamic behavior of the combustion instability in a lean premixed gas-turbine combustor from the viewpoint of nonlinear dynamics. A nonlinear time series analysis in combination with a surrogate data method clearly reveals that as the equivalence ratio increases, the dynamic behavior of the combustion instability undergoes a significant transition from stochastic fluctuation to periodic oscillation through low-dimensional chaotic oscillation. We also show that a nonlinear forecasting method is useful for predicting the short-term dynamic behavior of the combustion instability in a lean premixed gas-turbine combustor, which has not been addressed in the fields of combustion science and physics.     

四气门发动机可变涡流稀薄燃烧特性研究

本文研究了可变涡流对四气门发动机稀薄燃烧特性的影响情况。在稀薄燃烧情况下,发动机负荷大小对CO和HC排放的影响不大,对NOx排放的影响主要表现在对13～17空燃比范围内NOx排放的影响,负荷越大,NOx排放越大;对空燃比小于13或大于17以后的NOx排放影响较小。阀片位置对发动机排放特性的影响较小,对发动机的燃油经济性存在一定影响,这是因为不同阀片位置的进气涡流比不同所致,同时也表明较强的涡流运动对燃油经济性更有利。涡流运动在不同转速条件下对发动机燃油经济性的影响情况不同,它更有利于改善低速条件下的燃油经济性。     

新一代航空发动机燃烧室

针对新一代高油气比(0.051及以上)航空发动机燃烧室,本文提出头部采用化学恰当比直接混合燃烧设计方案。对于新一代高压比(70及以上)低排放民用航空发动机燃烧室,由于其自着火延迟时间极短,因此采用贫油直接混合燃烧,而不能采用预混合预蒸发燃烧。本文提出了一种贫油直接混合低排放燃烧室方案,其燃油空气模由简单的压力雾化喷嘴和轴向旋流器组成,结合燃油分级技术降低污染物排放,该燃烧室具有较好的燃烧稳定性。这两类燃烧室的燃烧空气分数非常大,因此存在慢车贫油熄火问题。文中针对两类燃烧室分别提出了相应的解决方案,同时介绍了火焰筒外壁面及内壁面的冷却设计方案。本文研究成果可为下一代航空发动机燃烧室的发展提供指导作用。     

稀甲烷/氢气预混湍流传播火焰实验研究

本文采用定容湍流燃烧弹获取了稀甲烷/氢气/空气在强湍流条件下的火焰发展历程,研究了湍流火焰在负马克斯坦数条件下的传播特性.结果表明,湍流火焰呈现自相似传播特性,即使在强湍流条件下,湍流传播火焰仍然会受到不稳定性的影响.并且随着马克斯坦数的减小,不稳定性对湍流传播火焰的影响增强。同时,本文获得一种新的湍流燃烧速度拟合公式,包含了负马克斯坦数条件下不稳定性对湍流燃烧速度的影响。     

Control of oscillating combustion and noise based on local flame structure

To control combustion oscillations, the characteristics of an oscillating swirl injection premixed flame have been investigated, and control of oscillating combustion and noise based on local flame structure has been conducted. The r.m.s. value of pressure fluctuations and noise level show significantly large values between = 0.8 and 1.1. The beating of pressure fluctuations is observed for the large oscillating flame conditions in this combustor. Relationship between beating of pressure fluctuations and local flame structure was observed by the simultaneous measurement of CH/OH planar laser induced fluorescence and pressure fluctuations. The local flame structure and beating of pressure fluctuations are related and the most complicated flame is formed in the middle pressure fluctuating region of beating. The beating of pressure fluctuations, which plays important roles in noise generation and nitric oxide emission in this combustor, could be controlled by injecting secondary fuel into the recirculating region of oscillating flames. Injecting secondary fuel prevented lean blowout, and low NO_x combustion was also achieved even for the case of pure methane injection as a secondary fuel. By injecting secondary fuel into the recirculating region near the swirl injector, the flame lifted from the swirl injector and its reaction region became uniform and widespread, hence resulting in low nitric oxide emission. Secondary mixture injection, fuel diluted with air, is not effective for control of combustion oscillations suppression and lean blowout prevention.