氣路蒸汽回注雙燃料噴嘴設(shè)計及其性能研究.pdf

1、化學回熱循環(huán)作為一種先進循環(huán)，具有能源利用率高、污染物排放低的優(yōu)點?；瘜W回熱循環(huán)的工作特點決定其燃燒室需要具備氣液雙燃料燃燒以及注蒸汽燃燒的功能，這就要求燃燒室噴嘴能夠進行燃油噴射、蒸汽回注、雙燃料噴射和重整氣噴射。因此，深入開展燃氣輪機雙燃料噴嘴方面的技術(shù)研究，對化學回熱循環(huán)燃氣輪機燃燒室的設(shè)計和運行具有重要的實用價值。
　　蒸汽由噴嘴氣路回注到燃燒室，在燃油和空氣間形成屏蔽層，阻隔燃油與空氣間的摻混燃燒，易導致燃燒室熄火現(xiàn)象的

2、發(fā)生；高水碳比條件下，重整氣屬于低熱值氣體，流量大，流速快，流場難以組織，易出現(xiàn)燃料與空氣間摻混效果惡化、火焰拉長、燃燒效率低、出口溫度場均勻性惡化、噴嘴頭部過熱等問題。以上的現(xiàn)象和問題均亟需研究和解決。為此，在滿足噴嘴原位換裝的要求下，本文開展了以下幾個方面的研究工作：
　　（1）采用數(shù)值計算的方法得到了原型燃油燃燒室設(shè)計工況下燃燒流場的相關(guān)特性參數(shù)，分析了流場的組織方法?；诨瘜W回熱循環(huán)燃燒室對燃油流量和霧化性能的要求，雙燃料

3、噴嘴的油路選用了雙路雙噴口離心式噴嘴，并采用經(jīng)驗系數(shù)法對該油路的結(jié)構(gòu)尺寸進行了計算。噴嘴性能滿足燃燒室設(shè)計要求。
　?。?）研究了重整氣噴射方案對燃燒室燃燒流場的影響。首先，針對用于實驗臺工況的原型軸向旋流孔式雙燃料噴嘴，在原型燃油燃燒室設(shè)計工況下，數(shù)值研究了重整氣燃燒室的性能及其流場特性，發(fā)現(xiàn)重整氣的流動會影響燃燒室頭部回流區(qū)結(jié)構(gòu)。其次，針對氣體燃料的軸向和徑向噴射方案，分析了軸向噴射方案中重整氣旋流數(shù)、出口方式、噴嘴安裝位置和

4、徑向噴射方案中重整氣噴射角度、噴射速度、噴嘴安裝位置對燃燒流場主要參數(shù)的影響，為雙燃料噴嘴的設(shè)計提供基本方法。
　?。?）提出了重整氣燃燒流場多級流線控制方案。依照此方案，在油路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用上述基本方法對噴嘴氣路進行了設(shè)計。采用氣路三級噴射方案實現(xiàn)了對重整氣燃燒流場的多級流線控制，解決了燃燒效率低、出口溫度場均勻性惡化的問題，降低了噴嘴頭部溫度。
　?。?）通過正交數(shù)值試驗方法對多級雙燃料噴嘴結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，得到了原型燃

5、油燃燒室設(shè)計工況下噴嘴的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。同時基于對重整氣流量影響的研究結(jié)果，設(shè)計了一種新型的多級雙燃料噴嘴結(jié)構(gòu)，克服了噴嘴原位換裝的難題。
　?。?）采用數(shù)值計算方法研究了蒸汽回注量對于燃燒室燃燒流場的影響，深入分析了蒸汽回注導致燃燒室熄火的原因，給出了不同工況下燃燒室蒸汽回注熄火極限邊界。結(jié)果表明，相對于改型軸向旋流孔式雙燃料噴嘴，在原型燃油燃燒室設(shè)計工況下，采用多級雙燃料噴嘴可將燃燒室的蒸汽回注熄火極限邊界拓寬38.3％；蒸