论文部分内容阅读
随着经济的快速发展，对能源的需求量日益增加。分布式能源系统因其对能源清洁、高效的利用受到越来越多的关注。微型燃气轮机作为分布式能源系统重要的原动机之一，其发展受到了高度的重视。燃烧室是微燃机的核心部件之一，直接关系到微燃机的污染物排放和透平入口温度均匀性，是其先进性的体现。本文进行了微燃机燃烧室的相关设计和研究。将实验验证的数值模拟方法应用在微燃机燃烧室的优化设计研究中。主要研究内容及成果如下：
对贫燃直喷燃烧室进行了数值模拟和实验研究。分析了燃烧室内的流量分配、速度场、温度场和NOx排放情况。得出值班比通过影响空间上局部平均当量比，使燃烧室的燃烧情况和NOx排放情况发生变化。值班比的增加可以促使高温区的扩大，有利于提高燃烧过程的稳定性，但同时也会导致NOx排放的提高。模拟得出与实验结果变化趋势基本一致的结果，验证了数值模拟方法在燃烧室优化设计研究中对其性能预估的准确性，具有非常重要的参考意义。
采用数值模拟的方法对所设计的100kW贫预混低排放燃烧室进行了研究分析。该贫预混燃烧室中主燃级局部平均当量比约为0.6，在此设计基础上探究主燃级燃料喷嘴的结构参数、旋流器叶片安装角和值班燃料比例等变量对燃烧室性能和排放的影响。研究发现，主燃料喷嘴位于外旋流器上侧更有利于燃烧室的低氮排放特性；喷孔的数量由30个减少至16个，燃料分布均匀性明显提升，其混合不均匀度由0.1降为0.01，喷孔数量的减少可有效改善燃料空间分布的均匀性。而在同样的燃料喷孔面积下减小孔径大小使周向孔的数量增加，虽然有利于燃料在周向的均布，但燃料的空间分布的均匀性恶化，得出限制燃料预混均匀性的是燃料在径向的分布。燃烧室出口NOx排放浓度随燃料-空气混合的空间不均匀度的增加而升高，且两者呈线性关系。通过对旋流器叶片安装角的研究，可以发现当安装角为40°时燃烧室有较好的流动、燃烧特性和NOx排放特性。而不同值班比工况的模拟结果发现，设计的100kW贫燃预混燃烧室中，随值班比增加燃烧区温度升高，NOx排放升高，但同时高温区的增加有利于燃烧的稳定性的加强。数值模拟结果可知，所设计的100kW低氮排放燃烧室有较高的燃烧效率，最低的NOx排放为1.1ppmv(折算为15%的含氧量下)，总压恢复系数为96.55%，燃烧室性能表现良好。
对贫燃直喷燃烧室进行了数值模拟和实验研究。分析了燃烧室内的流量分配、速度场、温度场和NOx排放情况。得出值班比通过影响空间上局部平均当量比，使燃烧室的燃烧情况和NOx排放情况发生变化。值班比的增加可以促使高温区的扩大，有利于提高燃烧过程的稳定性，但同时也会导致NOx排放的提高。模拟得出与实验结果变化趋势基本一致的结果，验证了数值模拟方法在燃烧室优化设计研究中对其性能预估的准确性，具有非常重要的参考意义。
采用数值模拟的方法对所设计的100kW贫预混低排放燃烧室进行了研究分析。该贫预混燃烧室中主燃级局部平均当量比约为0.6，在此设计基础上探究主燃级燃料喷嘴的结构参数、旋流器叶片安装角和值班燃料比例等变量对燃烧室性能和排放的影响。研究发现，主燃料喷嘴位于外旋流器上侧更有利于燃烧室的低氮排放特性；喷孔的数量由30个减少至16个，燃料分布均匀性明显提升，其混合不均匀度由0.1降为0.01，喷孔数量的减少可有效改善燃料空间分布的均匀性。而在同样的燃料喷孔面积下减小孔径大小使周向孔的数量增加，虽然有利于燃料在周向的均布，但燃料的空间分布的均匀性恶化，得出限制燃料预混均匀性的是燃料在径向的分布。燃烧室出口NOx排放浓度随燃料-空气混合的空间不均匀度的增加而升高，且两者呈线性关系。通过对旋流器叶片安装角的研究，可以发现当安装角为40°时燃烧室有较好的流动、燃烧特性和NOx排放特性。而不同值班比工况的模拟结果发现，设计的100kW贫燃预混燃烧室中，随值班比增加燃烧区温度升高，NOx排放升高，但同时高温区的增加有利于燃烧的稳定性的加强。数值模拟结果可知，所设计的100kW低氮排放燃烧室有较高的燃烧效率，最低的NOx排放为1.1ppmv(折算为15%的含氧量下)，总压恢复系数为96.55%，燃烧室性能表现良好。