模型旋流燃烧室气体燃料火焰不稳定特性分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21093

摘要/Abstract

摘要：

燃机在贫燃工况下易出现燃烧不稳定，分析和预测不稳定燃烧特性对保证燃烧室正常工作具有重要意义。通过数值仿真得到燃烧室的火焰描述函数(flame describing function，FDF)，并结合低阶热声网络模型预测了燃烧室的热声不稳定特性。首先，通过模型旋流燃烧室自激振荡实验，得到振荡燃烧发生时的工况和主频；其次，利用大涡模拟(large eddy simulation，LES)，得到火焰燃烧热释放率对不同入口扰动的响应特征，通过拟合得到FDF；最后，建立了燃烧室低阶热声网络模型，并分析了燃烧室不稳定特性。结果表明：模型预测的振荡特性与实验数据相符，说明该模型能够从机理上预测燃烧不稳定特性。

关键词: 燃机燃烧室, 不稳定燃烧, 热声网络模型, 大涡模拟(LES), 火焰描述函数(FDF)

Abstract:

Combustion instability is easy to occur under lean combustion of gas turbine. Analyzing and predicting the characteristics of unstable combustion is of great significance to ensure the normal operation of combustion chamber. The flame describing function (FDF) of combustion chamber was obtained by numerical simulation, and the thermoacoustic instability characteristics of combustion chamber were predicted by combining the low-order thermoacoustic network model. Firstly, the operating conditions and main frequency of oscillating combustion were obtained through the self-excited oscillation experiment of model swirler combustor.Secondly, by using large eddy simulation (LES), the response characteristics of heat release rate of flame combustion under different inlet disturbances were obtained, and the FDF was fitted. Finally, the low-order thermoacoustic network model of the combustion chamber was established, and the instability characteristics of the combustion chamber were analyzed. The results show that the oscillation characteristics predicted by the model are consistent with the experimental data, indicating that the model can predict the combustion instability characteristics from the mechanism.

Key words: gas turbine combustor, combustion instability, thermoacoustic network model, large eddy simulation (LES), flame describing function (FDF)

中图分类号:

TK 16

郝建刚, 贡文明, 丁阳, 郑丹伟, 刘勇. 模型旋流燃烧室气体燃料火焰不稳定特性分析[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 927-934.

Jiangang HAO, Wenming GONG, Yang DING, Danwei ZHENG, Yong LIU. Analysis on Combustion Instability Characteristics of Model Swirl Combustor With Gas Fuel[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(6): 927-934.

图/表 10

图1 燃烧室系统测量布局示意图

Fig. 1 Layout diagram of combustion chamber system measurement

图2 燃烧室旋流器和文氏管的结构示意图

Fig. 2 Structures of combustor swirler and venturi

表1 实验工况

Tab. 1 Experimental conditions

工况	当量比
S1	0.79
S2	0.71
S3	0.59
S4	0.55
S5	0.47
S6	0.39
S7	0.35

图3 工况S1和S7的傅里叶谱

Fig. 3 Fourier spectrum under operating conditions of S1 and S7

图4 变截面纵向声学元件示意图

Fig. 4 Schematic diagram of variable section longitudinal acoustic elements

图5 不同频率下LES计算得到的释热率扰动随速度扰动的变化情况

Fig. 5 Variation of heat release rate disturbance with velocity disturbance calculated by LES under different frequencies

图6 预测的FDF结果以及通过16阶拟合后的结果

Fig. 6 Predicted FDF results and fitting lines obtained by the 16th order fitting

图7 系统模型示意图

Fig. 7 Schematic diagram of system model

图8 不同振幅速度扰动下特征值位置(增长率和频率)的等值线图

Fig. 8 Contour map of eigenvalue location (growth rate and frequency) under different amplitude velocity disturbances

图9 在359 Hz附近系统增长率随速度扰动的变化

Fig. 9 Variation of system growth rate with velocity disturbance near 359 Hz

参考文献 26

1	黄亮．LPP低污染燃烧室振荡燃烧机理研究[D]．南京：南京航空航天大学，2017．
	HUANG L ．Study on mechanism of oscillating combustion in LPP low pollution combustor[D]．Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2017．
2	TIMOTHY C， LIEUWEN V Y ．Combustion instabilities in gas turbine engines[M]．Reston，USA：American Institute of Aeronautics and Astronautics，2005：3-26．
3	RAYLEIGH J W S ．The theory of sound (volume II) [M]．New York，USA：Dover Publications，1945．
4	杨瑶，王高峰，胡科琪，等．预混旋流火焰热声不稳定性的成像诊断研究[J]．工程热物理学报，2020，41(9)：2305-2313．
	YANG Y， WANG G F， HU K Q，et al ．Imaging diagnosis of thermoacoustic instability in premixed swirl flames[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2020，41(9)：2305-2313．
5	何祖强，王平， Murugesan M，等．新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究[J]．实验流体力学，2021，35(1)：44-52． doi:10.11729/syltlx20200021
	HE Z Q， WANG P， Murugesan M，et al ．Experimental study on thermoacoustic oscillation of a new dual-stage swirl combustion chamber[J]．Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2021，35(1)：44-52． doi:10.11729/syltlx20200021
6	柳伟杰，葛冰，田寅申，等．预混多喷嘴火焰自激振荡燃烧的实验研究[J]．工程热物理学报，2017，38(3)：672-677．
	LIU W J， GE B， TIAN Y S，et al ．Experimental study on self-excited oscillating combustion of premixed multi-nozzle flame[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2017，38(3)：672-677．
7	程豫洲．燃烧不稳定机理及其影响因素的全可压缩数值模拟研究[D]．杭州：浙江大学，2021．
	CHENG Y Z ．Fully compressible numerical simulation study of mechanisms and influencing factors of combustion instability[D]．Hangzhou：Zhejiang University，2021．
8	王玮，肖俊峰，高松，等．空燃比对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定性影响的数值研究[J]．燃烧科学与技术，2019，25(5)：439-444．
	WANG W， XIAO J F， GAO S，et al ．Numerical study on influences of air-fuel ratio on combustion Instability in gas turbine combustor[J]．Journal of Combustion Science and Technology，2019，25(5)：439-444．
9	CROCCO L ．Aspects of combustion stability in liquid propellant rocket motors part I：low frequency instability with monopropellants[J]．Journal of the American Rocket Society，2012，21(6)：163-178． doi:10.2514/8.4393
10	DOWLING A P ．Nonlinear self-excited oscillations of a ducted flame[J]．Journal of Fluid Mechanics，1997，346(3)：271-290．
11	FLEIFIL M， ANNASWAMY A M， GHONEIM Z A，et al ．Response of a laminar premixed flame to flow oscillations：a kinematic model and thermoacoustic instability results[J]．Combustion & Flame，1996，106(4)：487-510． doi:10.1016/S0140-6701(97)83780-0
12	BELLOWS B D， BOBBA M K， SEITZMAN J M，et al ．Nonlinear flame transfer function characteristics in a swirl-stabilized combustor[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines & Power，2007，129(4)：823-833．
13	BELLOWS B D， BOBBA M K， FORTE A，et al ．Flame transfer function saturation mechanisms in a swirl-stabilized combustor[J]．Proceedings of the Combustion Institute，2007，31(2)：3181-3188．
14	BELLOWS B D， NEUMEIER Y， LIEUWEN T ．Forced response of a swirling，premixed flame to flow disturbances[J]．Journal of Propulsion and Power，2006，22(5)：1075-1084．
15	LIEUWEN T， NEUMEIER Y ．Nonlinear pressure-heat release transfer function measurements in a premixed combustor[J]．Proceedings of the Combustion Institute，2002，29：99-105．
16	SCHIMEK S， MOECK J P， PASCHEREIT C O ．An experimental investigation of the nonlinear response of an atmospheric swirl-stabilized premixed flame[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2011，133(10)：101502． doi:10.1115/GT2010-22827
17	SCHUERMANS B， GUETHE R， PENNELL D，et al ．Thermoacoustic modeling of a gas turbine using transfer functions measured under full engine pressure[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132(11)：111503．
18	BALACHANDRAN R， AYOOLA B O， KAMINSKI C F，et al ．Experimental investigation of the nonlinear response of turbulent premixed flames to imposed inlet velocity oscillations[J]．Combustion and Flame，2005，143(1/2)：37-55．
19	THUMULURU S K， BOBBA M K， LIEUWEN T ．Mechanisms of the nonlinear response of a swirl flame to harmonic excitation[C]//ASME：Combustion and Fuels．Montreal，Canada：ASME，2007：2721-2731．
20	NOIRAY N， DUROX D， SCHULLER T，et al ．A unified framework for nonlinear combustion instability analysis based on the describing function[J]．Journal of Fluid Mechanics，2008，615：139-167．
21	于丹，郭志辉，杨甫江．贫燃预混燃烧室中的分布式火焰传递函数分析[J]．推进技术，2016，37(12)：2210-2218．
	YANG D， GUO Z H， YANG F J ．Experimentally study on distribution of flame transfer function in a lean premixed combustor[J]．Journal of Propulsion Technology，2016，37(12)：2210-2218．
22	翁方龙，周少伟，朱民．基于描述函数的燃烧振荡建模与仿真[J]．推进技术，2021，42(10)：2306-2314．
	WENG F L， ZHOU S W， ZHU M ．Modeling and simulation of combustion oscillation based on description function[J]．Journal of Propulsion Technology，2021，42(10)：2306-2314．
23	HAN X， LI J， MORGANS A S ．Prediction of combustion instability limit cycle oscillations by combining flame describing function simulations with a thermoacoustic network model[J]．Combustion & Flame，2015，162(10)：3632-3647．
24	付虓，杨甫江，郭志辉．值班稳定器燃烧室值班火焰的火焰传递函数研究[J]．推进技术，2019，40(1)：84-94．
	FU X， YANG F J， GUO Z H ．Flame transfer function of pilot flame in a pilot bluff body stabilized combustor[J]．Journal of Propulsion Technology，2019，40(1)：84-94．
25	POINSOT T， VEYNANTE D ．Theoretical and numerical combustion[M]．2nd Edition．Elkhorn：Edwards，2005．
26	KARIMI N， BREAR M J， JIN S H，et al ．Linear and non-linear forced response of a conical，ducted，laminar premixed flame[J]．Combustion & Flame，2009，156(11)：2201-2212．

[1]	陈思勤, 朱伊囡, 李晓辰, 王学海. 基于双层规划的碳减排配煤优化方法研究[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 155-162.
[2]	朱京冀, 徐义书, 徐静颖, 王华坤, 刘小伟, 于敦喜, 马晶晶, 徐明厚. 掺烧氨燃料对煤挥发分火焰特性及颗粒物生成的影响[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 908-917.
[3]	王洪健, 王海洋, 孔皓, 周托, 张缦, 杨海瑞. 135 MW循环流化床锅炉纯燃准东煤改造策略与运行技术研究[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 918-926.
[4]	李振山, 陈虎, 李维成, 刘磊, 蔡宁生. 化学链燃烧中试系统的研究进展与展望[J]. 发电技术, 2022, 43(4): 544-561.
[5]	苗桢武, 沈来宏, 赵海波. 复合赤铁矿和铜矿石载氧体在化学链燃烧中的循环反应性能研究[J]. 发电技术, 2022, 43(4): 574-583.
[6]	高虎, 刘凡, 李海. 碳中和目标下氨燃料的机遇、挑战及应用前景[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 462-467.
[7]	李源, 郭志成, 孟晓超, 陈科峰, 任利明, 毛睿, 岑可法. 基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的炉内燃烧场参数在线监测系统设计[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 353-361.
[8]	刘福国, 刘科, 王守恩. 基于机会约束的电厂混煤煤质和成本的Pareto前沿[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 160-167.