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燃气轮机燃烧室性能的压力影响研究取得进展
发稿时间:2015-06-15         作者:王翰林 邵卫卫          来源:能源动力研究中心     【字号:

  目前,国际上商用广泛的重型燃气轮机,其总压比已近25,并向着更高的方向发展。在如此高压条件下,燃烧室的火焰筒/过渡段壁温、污染物排放等关键性能指标与低压工况条件可能存在显著差异,开展燃烧室高压甚至全压试验研究是必要手段,但是设计过程中完全依靠高压试验研究因其成本高、周期长受到限制。因此,除了研究燃烧室高压试验和测量方法,如何结合试验开展数值模拟方法研究验证,形成快速有效的燃烧室性能预估手段,总结分析火焰筒/过渡段壁温、污染物排放等燃烧室关键性能指标随压力变化的影响规律及机制,并获得燃气轮机燃烧室的压力模化方法和准则对于燃烧室设计非常必要。 

  近期,中国科学院能源动力中心在燃气轮机燃烧室性能的压力影响研究方面取得进展。在加压燃烧实验台上,针对某10 MJ/Nm3合成气模型燃烧室开展了0.1~0.4MPa压力范围内的实验研究,获得加压条件下火焰筒壁温、污染物排放等燃烧室性能的测量数据。在CFD模拟方面,根据燃烧室内的流动及反应特征,结合加压模型燃烧室实验数据和国际上公开的标准湍流燃烧实验数据,优选了湍流模型和详细化学反应机理,优化了部分模型参数,验证了CFD模型的有效性。总结分析了燃烧室数值模拟方法包含湍流模型选择、物性计算和化学反应机理等在高压条件下的适用性,利用上述模型开展0.1~2.0 MPa压力范围的燃烧室数值模拟。结果表明,压力升高后,燃烧室头部的壁面温度略有下降;燃烧室尾部的壁面温度明显升高,在0.1~0.35 MPa范围内,变化较大,而随着压力的升高变化趋于缓和,而壁面最高温度的计算结果同样符合这一规律,温度变化的拐点大致位于1.0 MPa左右。压力较低时,火焰温度分布相对“较短、较宽”,压力升高温度分布拉长,局部温度升高,且变化趋势随压力的升高趋缓。因此解释了低压条件下,对流较弱的燃烧室头部壁温相对较高,对流较强且缺少冷却的燃烧室后部温度明显升高,且变化趋于平缓的现象。壁面总体净热通量随压力的升高而趋于平缓,相对对流与辐射换热强度随压力的升高趋于缓和,其拐点与温度的拐点一致。上述规律从本质上解释了压力对壁温的影响机制,对于燃烧室的设计以及后续的全压模化实验开展具有指导意义。 

  压力对燃烧室壁温的影响 

  相关研究结果已发表于2015年的EI期刊《中国电机工程学报》和SCI期刊Applied Thermal Engineering上,目前研究人员正在开展压力对燃烧室CONOx排放的影响研究。 

 

 
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