燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究

尹向博

哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司 河北秦皇岛 066206

在实验中选取了几种典型的燃烧器结构，对于预混火焰在不同当量比工况下的氧气和氮氧化合物的排放进行了相应的量比工况。实验得出的结论是，火焰结构在预混燃烧器中，结构是基本相似的，尺寸也没有发生很大的变化。通过对火焰峰值信号进行相应的均匀度的计算，发现对于氮氧化合物排放进行影响，运用火焰OH峰值进行论证是非常准确的。特别是在高档量比的工况下，进行相应的燃烧器优化设计，是具有研究价值的。

1 燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究现状

当前对于污染物进行排放的研究众多，例如对燃气轮机燃烧室中的重要驱动因素进行相应的燃气轮机级别的论证，这是当前主要研究的问题，包括燃烧室的出口温度等等[1]。

由于降低氮氧化合物排放和提高火焰温度是一种相矛盾的事物，因此在改进燃烧方式上进行了不断的创新，以达到对排放指标降低的要求。目前在工业领域上进行了大量的燃烧化合物的研究，包括在多种燃气轮机进行相应等级的燃料/空气掺混分析方式的优化，通过对燃料空气配比和掺混均匀性的优化，得到了新型的氮氧化合物的排放标准。例如日本在研发出口温度达到1700度的时候，就取得了很好的成果。通过对燃烧室喷嘴的燃料/空气掺混性能的优化，结合实验，比照发达国家先进的模拟方法，将燃控掺混均匀性进行优化，最终在优化中得到了正常状态下的瞬态均匀性，保证了燃烧稳定性。同时通过燃气轮机预混燃烧式的设计，得到了相应的燃控掺混均匀性，实现了降低氮氧化合物排放的目标。

2 国内外当前通过实验和模拟数值的方法

对于燃料空气掺混过程以及燃料流场结构进行了理论分析和实验研究，采用预混喷嘴内燃料和空气掺混的计算方法，得到了预混不均匀性概念的定义。通过燃/空动量比以及燃料射流角度进行均匀掺混的论证。在燃烧室的工况下，进行了相应的研究，包括对氮氧化合物的排放影响，压力和燃/空不均匀状态以及对氮氧化合物排放影响产生的结果等等。国内学者也采用数值模拟手段，模拟了众多燃/空掺混规律，总结了燃/空动量比等因素，预测了数值模拟的方法和不均匀度的函数关系[2]。采用实验和模拟的手段，对于燃气轮机燃烧室内的燃料空气差火过程进行性能的分析。

研究对象和实验手段。采用滑块式空气旋流器，形成了多孔式燃料喷嘴，对于预混通道和扩张段进行组成，在预混通道出口中进行了预混通道内的快速掺混，起到了稳定火焰的作用。锥形扩张段促进了高温烟气回流，作为衡量空气燃料掺混性能评估的参考界面，选取了越混通道出口截面，采用永恒不均匀度作为评估参数。对所选取的截面积核燃料浓度进行了设置[3]。

建立在数数值模拟结果基础上的，预混燃烧是设计选取了预混不均匀度作为掺混性能下限，再进行重量比和燃料射流孔数的因素的数值研究中，没有考虑结构中掺混均匀性的影响。为了考虑压损并且促进插混，选择了空气流动快的相对应的燃料喷嘴结构，并且采用数值模拟方法，对于燃料孔径参数进行了研究。下表为预混，燃烧器工况，见表1。

表1 预混燃烧器工况

通过对燃烧器出口回流区进行了不同通道长处长度的设置，预留出了燃料喷孔出口到预混通道出口的距离，靠近回流区位置的下方，逐渐降低了回流强度和速度，将回流区又紧凑，变得狭长。

随着燃/空通道增长，在对预混燃烧器稳定燃烧的范围内，进行了相应的燃料空气的掺混。对于预混长度进行增加，使得掺混均匀性数值相对下降，旋流逐步扩散，再运回燃烧室设计中，综合考虑了组分场合对流场的影响，结合尺寸限制了预混，但长度燃料的孔径，保持了旋流强度和空气速度。在预混通道内，通过射流深度的影响，得到了燃料与空气的掺混。此时导致燃料射流过深，造成燃料和空洞量比较过大，在于有限长度的预混通道内进行掺混，让燃料集中分布，此时射流深度适中，发挥了旋流空气的扰流，增强了掺混的作用[4]。

寻找的最佳射流深度指以确定最佳掺混量。当燃气空洞比量表现在中心位置的时候，相对射流深度从0.26增加到0.78，SMD从6.2%减小到13%。由于燃空洞量较小，因此发现在发挥旋流空气增强扰流的作用前提下，改变燃料孔径，对于燃烧器出口流场的特征影响不是很大。

3 结语

在进行结构改进的情况下，通过对喷孔面积的设置，将喷孔的开孔位置进行相应的空气混合均匀性的设置，比较改进结构的反应区，将最高温度和污染物CO排放指标进行设置，通过对结构的改进之后，强化了预混的作用，减少了非均匀度。将最高燃烧温度加以降低，得到了CO的排放上升的结果，污染物排放减少的效果[5]。