先进旋涡燃烧室富氢贫燃料预混合燃烧特性研究

先进旋涡燃烧室内布置前、后两个钝体，流通气流在两个钝体之间形成驻涡值班火焰区域，而主气流不产生回流流动，与值班火焰区域溢出的燃烧产物掺混并形成稳定的贫燃料预混合燃烧，不仅可以避免含氢气体燃烧火焰传播速度快引起的回火，还可以有效地抑制NOx的生成，是IGCC燃气轮机最理想的燃烧技术之一。积极开展先进旋涡燃烧室技术及其在IGCC燃气轮机中应用的研究，为我国电力工业"绿色煤电"做技术储备，对国民经济和社会发展具有重要意义。本项目将对置于圆柱面上弯曲变形的线性先进旋涡燃烧室及由其构成的环形旋涡燃烧室，富氢合成气和空气混合气体在其内实现稳定贫燃料预混合燃烧的机理，以及各种几何参数和状态参数对燃烧室内涡系结构、流阻、燃烧效率、燃烧稳定性和污染物排放等的影响进行全面和深入细致的研究，并总结出相应的规律。在此基础上，建立环形旋涡燃烧室与燃气轮机压气机几何与气动参数的匹配原则和优化设计方案。

先进旋涡燃烧室可以避免含氢气体燃烧火焰传播速度快引起的回火，有效地抑制NOx的生成，是IGCC燃气轮机最理想的燃烧技术之一。. 本课题首先采用氢燃烧19步基元反应化学反应机理模型，对氢气和空气贫燃料预混合燃烧火焰结构进行了分析。在此基础上，应用此化学反应机理对以氢气为燃料的线性先进旋涡燃烧室(AVC)贫燃料预混合燃烧特性进行了数值模拟研究。结果显示：19步基元反应氢燃烧化学反应机里能够准确计算氢的燃烧火焰传播特性；氢气和空气预混和气体主气流当量比为0.65时，燃氢线性AVC能够形成稳定燃烧，燃烧效率可以达到99.54%；主流当量比增大时，线性AVC燃烧效率起初增大，而后略微减小，总压损失系数增大。主气流进口总压增加时，燃烧效率起初增大，随后减小；总压损失系数呈增长趋势；随着AVC中静压的增加，燃烧效率和总压损失系数减小。 . 然后，应用实验和数值模拟相结合的方法，对无后钝体布置、无凹腔喷射、具有0度角凹腔喷射和具有15度角凹腔喷射四种三对钝体布置AVC，冷态流动特性进行了研究，研究结果用于模拟环形燃烧室具有周期边界条件的线性AVC流动特性，确定环形AVC合理的结构形式。结果显示： 三对钝体布置AVC，随着三对钝体前后钝体间距变大，流通气流总压损失系数先减小，然后又增大；对应某一合理的前后钝体间距，总压损失系数存在最小值。气流流通的三对钝体布置AVC，前后钝体形成的气流流动，可以有效地避免单钝体绕流分离流涡结结构，减少了AVC流通气流流动损失。在后钝体前壁面布置凹腔喷射孔，增强了旋涡涡核处低压槽低压条件，旋涡结构更加趋于对称，而且两侧两对钝体凹腔内两对主旋涡受AVC侧壁边界层影响减小。流通无凹腔喷射和有凹腔喷射的三对钝体布置AVC气流流动，均受三对钝体前后钝体间距变化的影响。. 最后，对线性AVC弯曲变形构成的环形AVC流动、燃烧和污染物生成特性进行了研究。结果显示：在环形AVC每对前后钝体凹腔间均能形成稳定的旋涡，当量比为0.5的氢气和空气预混合气体能够维持稳定燃烧，而且NOx排放维持在很低水平。. 积极开展燃氢AVC技术应用的研究，开发和研制应用于IGCC燃气轮机中环形AVC，为我国电力工业"绿色煤电"做技术储备，对国民经济和社会发展具有重要意义。