燃气轮机合成气低旋流贫预混多喷嘴燃烧室火焰间的耦合、干涉机理研究

Syngas low swirl lean premixed combustion technology in multi-nozzle combustor is proposed in this project with a view to the development of multi-adaptive, high efficient and clean gas turbine combustor. Systematical study on on the interaction and compouling mechanism of flames in syngas low swirl lean premixed multi-nozzle combustor are presented in the project. Planar laser-induced fluorescence (PLIF) of OH and particle image velocimetry (PIV) will be used to investigate the syngas low swirl lean premixed combuston flow field in single combustor and multi-nozzle combustor. The influences of syngas composition, swirl number, swirl direction and the nozzles arrangement on the flame structure and combustion stability in multi-nozzle combustor will be studied. Combination of numerical simulation results, the interaction and compouling mechanism of flames in syngas low swirl lean premixed multi-nozzle combustor will be provided. This project will be useful to grasp the nozzles optimized arrangement methods and the design guidelines in syngas low swirl lean premixed multi-nozzle combustor.

基于多适应性高效清洁燃气轮机燃烧技术的考虑，本项目提出了适用于中、低热值合成气燃烧室的低旋流贫预混多喷嘴燃烧技术，并针对合成气低旋流贫预混燃烧室多喷嘴间的干涉、耦合作用过程开展系统化研究。利用燃烧激光可视化技术（激光粒子图像速度仪PIV与激光诱导荧光检测器PLIF）分别对合成气低旋流贫预混燃烧室单喷嘴燃烧流场与多喷嘴燃烧流场进行实验研究，考察合成气预混气组分、旋流强度、旋转方向、及喷嘴布置方案对合成气低旋流贫预混燃烧流场火焰结构与燃烧稳定性的影响。结合数值计算结果，分析、总结合成气低旋流贫预混燃烧室多喷嘴火焰间的耦合、干涉机理，掌握喷嘴间优化布置的方法及应遵循的准则，为IGCC燃气轮机低旋流贫预混多喷嘴燃烧室的设计提供理论基础与实验参考依据，为多适应性的高效清洁燃气轮机燃烧技术发展进行一次有益的尝试。

现代燃气轮机燃烧室通常采用多喷嘴预混燃烧器的结构方案。多喷嘴预混燃烧器可以在较大的负荷调节比范围内保证低污染排放，除此之外在抑制燃烧不稳定性方面具有优越的性能。本课题在此基础上提出了适用于中、低热值合成气燃烧室的低旋流贫预混多喷嘴燃烧技术，采用实验和数值模拟相结合的手段从流动、火焰结构、燃烧器性能和不稳定燃烧等方面对低旋流预混多喷嘴燃烧特性开展了研究。. 课题研究过程中，设计、搭建了燃气轮机多组分燃料燃烧试验平台，利用平面激光诱导荧光（PLIF）系统、激光粒子图像速度分析仪（PIV）对合成气低旋流贫预混单喷嘴燃烧器和低旋流预混多喷嘴燃烧器的下游流场进行了实验研究，考察了燃料组分、当量比、入口雷诺数及喷嘴结构布置变化对燃烧流场火焰结构与燃烧稳定性的影响。研究表明：相邻气流相互掺混形成了高度湍流脉动的相互作用区，强化了燃烧化学反应；多喷嘴燃烧器中心旋流由于受到外侧旋流气流的推挤作用，主回流区会小于外侧主回流区，随着当量比的增加，外侧主回流区的长度和宽度都逐渐减小，中心主回流区尺寸先增加后减小；多喷嘴流场中PVC的旋转方向与气流旋流方向相反，随着当量比的增加，PVC的结构略有受到抑制。在此基础上，分析了多喷嘴燃烧器喷嘴旋向布置变化对燃烧稳定性影响，得到了多喷嘴燃烧器燃烧稳定工作区域图以及火焰中的瑞利因子分布，实验结果表明相邻喷嘴火焰间的相互作用是引起多喷嘴火焰燃烧振荡的主要因素之一，中心喷嘴同向布置相比反向布置更容易出现燃烧振荡问题。. 通过本课题的研究，揭示了多喷嘴预混火焰之间的相互作用和湍流脉动对多喷嘴火焰面的影响规律，总结了相邻旋流气流的掺混规律和多喷嘴旋流流场特点，掌握了不同旋向组合多喷嘴燃烧器性能特点以及对燃烧振荡的影响规律，为现代燃气轮机低污染燃烧室多喷嘴燃烧器的优化设计提供了技术支持。