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双燃料喷嘴设计与燃烧流场数值模拟

杨洪磊

   化学回热循环燃气轮机可以充分利用排气余热来提高循环热效率和输出功率,减少NOx排放。化学回热循环燃气轮机(CRGT)的工作方式决定其燃烧室采用双燃料系统,因此,要求化学回热燃气轮机燃烧室不但具有单独燃用燃油或裂解气燃料的功能,还具有两种燃料混烧的功能。喷嘴作为燃烧室的重要组件,其性能的优劣将直接影响点火、燃烧效率、燃烧稳定性、温度分布和排气污染等方面的性能,同时也会影响火焰筒和涡轮叶片的寿命。因此,在使用双燃料燃烧系统的燃烧室中,设计出与之配套的双燃料喷嘴,使火焰长度短、火焰筒壁面无过热区、出口温度场均匀,是进行燃油燃烧室改造、实现燃气轮机化学回热循环的关键。 本文针对化学回热循环燃油燃气轮机燃烧室,在保证喷嘴接口尺寸不变、火焰筒结构不变和燃烧室出口焓值不变的前提下,设计出一种新型双燃料喷嘴,使其既可以单独燃用燃油或裂解气,又可燃用油气混合燃料。借助CFD技术,对燃烧室的燃气流场进行了数值模拟,采用了RNG k-ε和Realizable k-ε两种湍流模型,快速反应简化PDF燃烧模型;对控制方程采用迎风格式的差分格式进行离散,壁面处理采用标准壁面函数法;采用SIMPLE算法来求解离散方程。 本文在双燃料喷嘴结构的设计过程中,试用了燃料气路旋流叶片、喷嘴头部气孔以及裂解气导流罩等结构,为验证和优化给出的设计方案,文中采用了CFD技术对多种喷嘴结构和安装位置的燃烧室燃烧流场进行了数值模拟研究和对比分析。通过对这几种喷嘴结构模型的火焰长度、高温区的位置、壁面温度、出口温度场的均匀性等关键影响因素的对比分析表明:采用斜气孔气体燃料旋流双燃料喷嘴,可以在气体流道中产生预旋气流,使裂解气与空气能更好地进行掺混燃烧,同时避免了火焰烧到喷嘴和火焰筒壁面,出口温度场也更均匀。 在本文的最后,系统的比较了采用RNG k-ε和Realizable k-ε两种湍流模型得到的燃烧室性能参数可知:采用不同的湍流模型,会对燃烧室燃烧流场的数值模拟结果产生较为显著的影响。……   
[关键词]:化学回热循环燃气轮机;燃烧室;双燃料喷嘴;数值模拟;湍流模型
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:哈尔滨工程大学2010年