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U.D.C:
ADissertationfortheDegreeofD.Eng
StudyonFlowandCombustionCharacteristicsof
Internally-stagedNaturalGasLowEmission
Combustor
Candidate:ZhaoTiezheng
Supervisor:Prof.ZhengHongtao
AcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineering
Specialty:PowerEngineeringandEngineering
Thermophysics
DateofSubmission:Feb,2023
DateofOralExamination:Mar,2023
University:HarbinEngineeringUniversity
同轴分级天然气低排放燃烧室流动与燃烧特性研究
摘要
随着世界范围内环境问题的日益突出、燃气轮机污染物限排标准的日趋严格，低排
放燃烧技术成为限制产业发展的关键技术之一。轻型燃机燃烧室中存在尺寸小、流速高、
容积热负荷大等问题，需要进行短距离、低压力损失、快速、效果良好的掺混与燃烧组
织。贫燃预混同轴分级燃烧技术有着结构紧凑、燃烧稳定性好等优点，是拥有良好发展
前景的低排放燃烧技术之一。但是，同轴分级燃烧技术受制于头部几何结构与燃料分配
方案的强耦合关系，影响机制复杂，导致多级配气、燃料掺混、燃烧组织难度大等问题，
因此有必要对同轴分级燃烧室的流动与燃烧特性开展系统的研究。
本文针对同轴分级低排放燃烧室头部结构方案，采用数值模拟方法开展不同可控几
何参数与燃料喷射方案下，流动、燃料掺混与燃烧特性的定量分析，建立冷、热态流场
特性参数的联系，得到燃烧室内流动与性能参数的变化规律及预测方法。在此基础上，
系统分析可控参数对燃烧室性能及排放的影响规律，得到合理的窗口参数范围，在轻型
燃机燃烧室中验证典型工况下的性能及排放指标。
本文的主要研究内容如下：
1
（）以设计参数、尺寸要求和性能指标为基础，针对同轴分级燃烧室内存在速度
梯度较大的强剪切层与涡尺度跨度较大的强湍流，造成流线分布不合理、流动阻力大等
问题，本文建立基准配气与掺混的头部结构方案。该方案采用中心值班级与两级主燃级
同轴布置的旋流掺混一体化结构，在降低流动阻力的同时，可以保证出口位置有足够速
度以抑制回火的发生。基准结构下的模型燃烧室内流场结构合理，燃料与空气掺混效果
良好。
2
（）针对多级旋流掺混头部几何参数之间存在相互作用、影响机制复杂、可控几
何参数对性能影响分析研究较少等问题，本文采用数值模拟方法针对简化壁面冷却结构
的模型燃烧室，开展可控几何参数对模型燃烧室流动与燃烧特性影响的研究，分析不同
主燃一、二级旋流数、旋向组合、展向角度、主燃级轴向间距、模型燃烧室截面尺寸与
分级面积比下燃烧室的流场结构与燃烧特性的变化规律。通过改变可控几何参数，模型
燃烧室在设计工况点可以达到燃烧效率大于99.9%、压力损失小于2.5%、NOx排放量
低于4ppm。经过多轮冷、热态流场迭代，给出流动与性能参数随几何结构参数的定量
影响规律与典型调控方法，建立冷态流场参数对热态流场的预测方法，为分级分区燃烧
组织奠定基础。
哈尔滨工程大学博士学位论文
3
（）针对单头部同轴分级模型燃烧室中不同燃料喷射方案下的流动与燃烧特性，
采用数值模拟方法对简化壁面冷却结构的模型燃烧室内的掺混与燃烧过程进行研究，获
得不同值班级当量比、主燃级分层比、燃料孔孔径、燃料孔孔数、