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为应对透平进口温度提升带来的NOx排放控制困难,鉴于无焰燃烧低污染排放以及燃烧稳定性佳等特点,将这一概念应用于燃气轮机燃烧室中。本文将分析无焰燃烧在燃烧室中应用的难点以及设计准则,并通过数值模拟方法研究在保证燃烧室性能的前提下实现无焰燃烧的途径。无焰燃烧室原理设计从工业炉的经验出发,但有所不同,稳定燃烧以及高燃烧效率,是无焰燃烧室的前提条件。通过调研国内外的模型燃烧室研究发现,切向进气周向循环以及常规旋流的烟气回流方式能够获得较好的燃烧稳定性。但是后者由于烟气回流量不足导致呈现扩散燃烧特征,在此基础上,本文采用分级燃烧的方式,通过预燃一部分烟气增加参与稀释的烟气量,在旋流产生的中心回流烟气的共同作用下,形成主燃区的高温低氧燃烧气氛。通过化学反应器网络模型的计算,确定了预燃空气比以及预燃当量比。由于和工业炉工作环境的差异,燃烧室不易形成如前者那样的低氧气氛,对于旋流燃烧,本文取15%的氧气浓度为设计准则,结合温升、点火延迟时间以及NOx排放的特点,选择预燃空气比为30%,预燃当量比为0.6。无焰燃烧室的结构设计是参考我国自主研发的重型燃机―R型燃烧室‖,其具有径向分级和中心主旋流稳燃的特点。R型燃烧室NOx排放不佳原因在于主喷嘴预混均匀性差,本文采用数值模拟方法,通过上移旋流器的结构调整改善其预混均匀性。研究发现,旋流的强湍流有利于燃料的预混,且燃料喷孔大小位置设计需与来流空气流量分布向匹配。无焰燃烧的优点在于可以使用扩散燃烧方式,避免预混燃烧的回火、燃烧振荡问题。本文将R型燃烧室的环形区改成预燃区,提前产生烟气以逆流方式稀释空气。但是逆流烟气对中心回流区造成破坏,产生不佳的燃烧效果。而若采用烟气射流方式进行稀释掺混,那么射流位置以进入主燃区之前的旋流流道为佳,且燃料供应应避免先与新鲜空气和高温烟气接触,当燃料快速与烟气稀释后的主旋气流混合,能够产生较均匀的燃烧温度分布和低NOx排放,有较好的无焰燃烧效果。预燃区采用切向进气方式以无焰模式工作,有进一步降低NOx排放和减少压力损失的潜力。