燃氣輪機燃燒室預混燃燒自激不穩(wěn)定性的研究.pdf

1、隨著能源可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的實施和環(huán)境保護意識的增強，發(fā)展高效清潔的燃氣輪機技術引起了全世界的廣泛重視，尤其是降低燃氣輪機燃燒有害物質的排放已成為當前研究的中心和發(fā)展的重點，其主要目的是要求顯著降低有害氮氧化物(NO<,x>)的排放。均質化預混低溫燃燒技術可以降低燃燒的峰值溫度，從而使得NOx的排放從本質上降低。但是預混燃燒技術的發(fā)展受到了燃燒不穩(wěn)定性的限制，其表現(xiàn)為燃燒室出現(xiàn)自激振蕩。燃燒室自激振蕩是一種低頻、高振幅的壓力振動，它除了產

2、生噪音外還對燃氣輪機設備的安全運行具有很強的危害。此外這種壓力振動還常常干擾燃燒過程，使有害物質的排放升高。因此，燃燒自激不穩(wěn)定性問題是燃氣輪機發(fā)展中最關鍵和最急需解決的問題。 本文首先對預混燃燒的自激不穩(wěn)定性進行了實驗研究。建立了矩陣結構預混燃燒器實驗臺，利用多麥克風測量方法對燃燒器自激振蕩的聲場進行測量，利用陰影成像技術記錄了自激振蕩過程的火焰運動狀態(tài)，對實驗燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定特性和燃燒自激振蕩過程中火焰運動的動態(tài)特性進行了研究

3、。研究結果表明，聲波在火焰簡內的反射和傳播是燃燒系統(tǒng)產生自激振蕩的條件，矩陣式平面通道預混燃燒器在較寬的工作范圍內具有強烈的產生自激振蕩的趨勢而且具有明顯的非線性現(xiàn)象。所測得的燃燒室振動噪聲的頻率和幅度隨過量空氣系數(shù)的變化分階段地變化。燃料的選擇對燃燒器的穩(wěn)定特性沒有很太的影響。對此燃燒器裝配不同長度的火焰筒，燃燒系統(tǒng)的基本穩(wěn)定特性沒有發(fā)生本質性的變化。對火焰的運動特性進行分析發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生自激振蕩燃燒時，火焰有規(guī)律地脈動并且開始周期性地

4、變形分離。火焰振蕩的周期與聲波壓力的振蕩周期很好地吻合。 針對預混燃燒室內燃燒不穩(wěn)定性問題建立了能夠反映燃燒不穩(wěn)定性過程的非穩(wěn)態(tài)可壓縮三維湍流反應流的數(shù)學物理模型并提出了適用于燃燒不穩(wěn)定性問題研究的有效算法。特別是，對于修正的RNG k-ε湍流模型，適宜于反應流動的模擬，有限速率/渦耗散(FR/EDM)燃燒模型適用于湍流預混燃燒的計算；對于燃燒室三維反應流計算區(qū)域的離散化采用曲線坐標系下的貼體網格；物理量的差分格式采用既能保證數(shù)

5、值解具有物理意義又能在一定的計算工作量下具有高準確度的QUICK差分格式；采用適用于可壓縮流動的SIMPLE算法；對燃燒室流場的非線性和強源項問題，采用了欠松弛方法。應用所建立的數(shù)值模型和計算方法對實驗燃燒器典型工況的預混燃燒過程進行三維數(shù)值模擬計算，將計算得到的結果與實驗結果進行細致而深入的對比。結果表明，數(shù)值計算精確地捕捉到了不穩(wěn)定燃燒過程中的自激振蕩和火焰的動態(tài)行為，并且計算結果與實驗結果很好地吻合。本文應用CFD方法所建立的數(shù)值

6、計算模型和計算方法可以進行燃燒不穩(wěn)定性的數(shù)值研究。 在對實驗燃燒器的不同過量空氣系數(shù)工況進行數(shù)值模擬的基礎上，結合非線性混沌理論詳細討論了不同工況下自激振蕩燃燒過程中火焰的動態(tài)特性和燃燒室內壓力、溫度、速度、熱釋放率等參數(shù)的變化規(guī)律與相互關系。結果表明，過量空氣系數(shù)對燃燒不穩(wěn)定性的影響很大，而且燃燒不穩(wěn)定過程具有混沌特性。 對燃燒不穩(wěn)定過程的熱聲學特性進行了理論和數(shù)值上的分析。研究發(fā)現(xiàn)不同過量空氣系數(shù)工況下的燃燒室內整體

7、熱釋放的波動與壓力振蕩的波動相似，而且它們之間很好地符合瑞利準則所表述的相位關系，周期性的加熱過程驅動壓力的振蕩。但不同過量空氣系數(shù)條件下，整體熱釋放波動和壓力振蕩之間的相位角的大小相差不是很大。這表明雖然可以通過整體熱釋放和壓力之間的相位關系判斷是否能夠產生自激燃燒振蕩，但是卻不能通過它們之間的相位關系判斷不同工況下自激振蕩幅值大小的變化趨勢。通過對不同工況條件下的燃燒過程進行的數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，燃料化學反應速率等值線分布的變化過程與整體

8、燃燒熱釋放的變化過程很好地吻合，這表明燃料的化學反應速率可以很好地表征燃燒的熱釋放率。這就提供了一種在數(shù)值模擬中計算局部燃燒熱釋放率分布狀況的方法。 本文通過對渦聲理論和不同工況下燃燒反應流數(shù)值計算結果的分析，對預混燃燒自激不穩(wěn)定性的驅動機制進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，燃料和空氣預混后的氣流進入突擴的燃燒室容積時，在燃燒室內將形成剪切層并在剪切層內生成渦。化學反應將在剪切層的漩渦內發(fā)生，導致渦內的變化。而渦的變形又導致火焰前鋒的分離變

9、形，使得渦內的熱釋放周期性變化，熱釋放的周期性變化又致使漩渦作周期性變形運動。渦的周期變形運動動能在燃燒器里驅動起聲學壓力的脈動，為聲波脈動提供能量。反過來，聲學壓力的脈動又與剪切層內的渦和燃燒化學反應互相作用，使其更加不穩(wěn)定。當聲學壓力脈動和燃燒熱釋放的脈動之間的相位滿足瑞利準則時便更加強了燃燒的不穩(wěn)定，這樣就形成了一個控制機理的閉環(huán)反饋環(huán)。研究還表明，燃燒室自激振蕩幅度的大小與渦的變化幅度和渦內化學反應速率的大小有關，而化學反應速率

10、的大小取決于預混氣的過量空氣系數(shù)的大小。同時自激振蕩的非線性跟壁面上的復雜的渦運動變化的出現(xiàn)有關。所以本文提出化學動力和渦聲的耦合作用是激勵預混燃燒自激振蕩的重要機制。 在對預混燃燒不穩(wěn)定性激勵機理研究的基礎上討論了燃燒不穩(wěn)定的控制問題。分析表明，目前燃燒不穩(wěn)定的被動控制和主動控制方法的實質都是通過影響和改變流場中渦的運動狀態(tài)而達到對燃燒不穩(wěn)定的控制。所以根據本文研究的結論，燃燒不穩(wěn)定的驅動機理是化學動力與渦聲耦合作用的，那么就