燃气轮机燃烧室柔和燃烧的掺混机理研究

针对柔和燃烧应用于燃气轮机燃烧室面临的关键问题- - 高温烟气与新鲜未燃气的掺混，本项目拟采用实验结合数值模拟的研究方案，研究高温烟气与未燃气掺混度对柔和燃烧性能的影响；采用PIV、PLIF、PDPA和瑞利测温等激光测试手段获得流场、燃烧场特征层面下掺混度的表征方法；建立交叉射流、对冲射流等不同结构的掺混形式模型，采用实验结合数值模拟的方法研究不同掺混形式对模型燃烧室流场、燃烧场的影响，以此探寻柔和燃烧掺混方式的设计思路及方法。最后在天然气燃料模型燃烧室上开展柔和燃烧特性的实验研究，既对掺混方式的设计方法进行验证，亦可获得模型燃烧室的柔和燃烧特性。本项目的研究成果将为柔和燃烧应用于燃机燃烧室提供理论依据和基础实验数据。

柔和燃烧具有燃烧稳定、出口温度场均匀、NOx和CO排放低、燃料适应性强的特点，是应用于下一代燃气轮机燃烧室的潜力技术。因此，开展柔和燃烧技术应用于燃气轮机燃烧室的探索研究非常必要，而高速未燃气卷吸足够高温烟气并与之高效掺混形成“高温低氧”的反应气氛再同时燃烧是实现柔和燃烧的关键，对此本项目从高温烟气与未燃气的掺混角度开展了专题研究，首先，改造升级了实验台和测试装置，建立了轴向分级模型燃烧器，设计了交叉射流、切向旋流和同轴射流等不同形式的掺混结构，采用数值模拟方法研究射流/主流动量通量比、喷孔数目等对掺混性能的影响规律，并尝试对不同掺混方式、工况下的掺混特性及机理进行分析总结，获得了掺混结构设计思路和经验数据，重点研究了交叉射流掺混结构，认为交叉射流掺混主要存在冲击回流涡阵列卷吸、主流马蹄涡卷吸、射流绕流尾涡卷吸、射流肾形涡卷吸和组分扩散等共五种掺混机制。采用米氏散射方法在某旋流扩散模型燃烧器上开展了燃空掺混性能的可视化研究，并验证了前述获得的切向旋流掺混规律。其次，设计了轴向分级模型燃烧器的掺混段，以甲烷为燃料，基于交叉射流和切向旋流掺混结构，通过数值模拟结合实验的方法，从流动、热力学角度研究分析了回流比例、当量比对OH﹡分布、火焰稳定性、NO/CO排放等燃烧性能的影响规律和机制。实验结果显示，在回流比例1.0、当量比0.6工况下获得最佳的污染物排放性能：NO为4ppm@15%O2， CO为4ppm@15%O2。基于富氢合成气燃料，设计同轴射流掺混结构开展了模拟和实验研究，获得了模型燃烧器的燃烧性能。研究结果将为柔和燃烧在燃气轮机燃烧室上的应用提供理论依据和基础数据，而且，对掺混机理的了解深入将对贫燃料预混燃烧、RQL燃烧和驻涡柔和燃烧等燃烧技术中的均匀混合问题研究提供参考。