同轴分级模型燃烧室排放特性与燃烧稳定性研究
摘要
随着环保法规的日益严苛，先进低排放燃烧技术已经成为燃气轮机燃烧室进一步
发展的关键技术之一。贫预混低排放燃烧技术的应用能够降低燃烧室内的最高燃烧温
度，从而有效降低NOx排放。在众多贫预混分级燃烧技术中，同轴分级是一种前景
广阔、应用广泛的低排放燃烧组织方式。同轴分级燃烧室具有结构紧凑、工况过渡平
稳的优点。但目前贫燃预混同轴分级燃烧室在设计和应用阶段仍有一些问题亟待解决。
由于结构参数众多，各参数对燃烧多物理场及排放性能的影响机制复杂，使得同轴分
级旋流器参数窗口选择困难。在考虑几何参数和燃料分配对燃烧效率、排放、总压损
失系数影响的同时，还需要兼顾燃烧稳定性，但数值判定方法的空缺，使得燃烧稳定
性能优化方面的工作进展困难。
为了获得高效、低阻、低排放且稳定性良好的同轴分级模型燃烧室头部方案，本
文首先通过数值模拟方法探究多种参数对燃烧多物理场的影响规律，并逐渐缩小几何
参数窗口范围。在确定旋流器结构参数后，通过调节燃料分级策略获得燃烧室排放性
能边界。在此基础上，结合火焰动力学分析、动力学模态分解以及火焰传递函数，给
出燃烧稳定性数值判定方法，并采用在旋流器中添加波瓣的方式拓宽燃烧室的高稳定
低排放运行区间。具体工作内容如下：
（1）针对同轴分级旋流器结构参数多，且对燃烧多物理场影响机制复杂的问题，
本文采用DOE正交实验方法，初步缩小旋流器参数窗口范围。在窗口范围内，探究
旋流数、斜径向角、轮毂展向角对燃烧性能的影响规律，并通过变工况阶段燃料逐级
介入过程的理论分析，确定主燃1、2级的流量分配比例。在确定旋流器结构参数后，
通过调节燃料分级策略，给出模型燃烧室在额定工况下的低排放运行区间。为后续的
燃烧稳定性研究提供结构和工况范围基础。
（2）在燃烧室静态性能（效率、排放、总压损失）优良的基础上，本文通过大
涡模拟数值方法探究燃料分级策略对燃烧稳定性的影响规律，获取燃烧室的高稳定低
排放运行区间。研究结果表明，燃烧室中的非定常周向涡会诱发不稳定燃烧产生，周
向涡尺度为5mm左右。本文结合火焰动力学分析、动力学模态分解和火焰传递函数，
给出燃烧稳定性数值判定方法，并根据此判定方法，获取燃烧不稳定边界。对于未添
加波瓣的原型燃烧室而言，在分层比为1时，值班级当量比需要控制在0.8以上才能
实现稳定燃烧。在稳定燃烧区间范围内，NOx和CO排放分别能控制在15ppm和
哈尔滨工程大学博士学位论文
10ppm左右。
（3）为了在燃烧室静态性能不受影响的前提下优化燃烧室的燃烧稳定性，本文
在旋流器的不同位置添加了波瓣结构。本文先后开展PIV实验和冷态大涡模拟研究，
将流动、传质与燃烧过程进行解耦，并分析不同位置的波瓣结构对瞬时涡量场和组分
输运场特征的影响规律，探究波瓣结构的添加对燃烧稳定性的影响机理。研究结果表
明，在主燃1级的轮毂和叶片上添加波瓣能分别改善瞬时涡量场和组分输运场的稳定
性，进而优化燃烧稳定性。与原型燃烧室相比，在主燃1级叶片上添加波瓣的燃烧室
释热率脉动幅值下降了80%左右。在分层比为1时，值班级当量比控制在0.6就能够
实现稳定燃烧。在稳定燃烧区间范围内，NOx和CO排放能分别控制在5ppm和
10ppm左右。
关键词：燃气轮机；同轴分级；模型燃烧室；低排放；燃烧不稳定性
同轴分级模型燃烧室排放特性与燃烧稳定性研究
Abstract
Astheenvironmentalregulationsbecomemoreandmorestringent,advancedlow-
emissioncombustiontechnologyhasbecomeoneofthekeytechnologyforthefurther
developmentofgasturbinecombustor.Theapplicationofleanpremixedl