燃氣輪機燃燒室預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構，對于預混火焰在不同當量比工況下的氧氣和氮氧化合物的排放進行了相應的量比工況。實驗得出的結論是，火焰結構在預混燃燒器中，結構是基本相似的，尺寸也沒有發生很大的變化。通過對火焰峰值信號進行相應的均勻度的計算，發現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，進行相應的燃燒器優化設計，是具有研究價值的。

1 燃氣輪機燃燒室預混燃燒器天然氣燃料/空氣摻混均勻性研究現狀

當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動因素進行相應的燃氣輪機級別的論證，這是當前主要研究的問題，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新，以達到對排放指標降低的要求。目前在工業領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等級的燃料/空氣摻混分析方式的優化，通過對燃料空氣配比和摻混均勻性的優化，得到了新型的氮氧化合物的排放標準。例如日本在研發出口溫度達到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/空氣摻混性能的優化，結合實驗，比照發達國家先進的模擬方法，將燃控摻混均勻性進行優化，最終在優化中得到了正常狀態下的瞬態均勻性，保證了燃燒穩定性。同時通過燃氣輪機預混燃燒式的設計，得到了相應的燃控摻混均勻性，實現了降低氮氧化合物排放的目標。

2 國內外當前通過實驗和模擬數值的方法

對于燃料空氣摻混過程以及燃料流場結構進行了理論分析和實驗研究，采用預混噴嘴內燃料和空氣摻混的計算方法，得到了預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/空不均勻狀態以及對氮氧化合物排放影響產生的結果等等。國內學者也采用數值模擬手段，模擬了眾多燃/空摻混規律，總結了燃/空動量比等因素，預測了數值模擬的方法和不均勻度的函數關系[2]。采用實驗和模擬的手段，對于燃氣輪機燃燒室內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，對于預混通道和擴張段進行組成，在預混通道出口中進行了預混通道內的快速摻混，起到了穩定火焰的作用。錐形擴張段促進了高溫煙氣回流，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。對所選取的截面積核燃料濃度進行了設置[3]。

建立在數數值模擬結果基礎上的，預混燃燒是設計選取了預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的因素的數值研究中，沒有考慮結構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的燃料噴嘴結構，并且采用數值模擬方法，對于燃料孔徑參數進行了研究。下表為預混，燃燒器工況，見表1。

表1 預混燃燒器工況

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

隨著燃/空通道增長，在對預混燃燒器穩定燃燒的范圍內，進行了相應的燃料空氣的摻混。對于預混長度進行增加，使得摻混均勻性數值相對下降，旋流逐步擴散，再運回燃燒室設計中，綜合考慮了組分場合對流場的影響，結合尺寸限制了預混，但長度燃料的孔徑，保持了旋流強度和空氣速度。在預混通道內，通過射流深度的影響，得到了燃料與空氣的摻混。此時導致燃料射流過深，造成燃料和空洞量比較過大，在于有限長度的預混通道內進行摻混，讓燃料集中分布，此時射流深度適中，發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。當燃氣空洞比量表現在中心位置的時候，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，因此發現在發揮旋流空氣增強擾流的作用前提下，改變燃料孔徑，對于燃燒器出口流場的特征影響不是很大。

3 結語

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