工程热物理所燃气轮机低污染燃烧技术取得进展

　　稀预混燃烧是燃气轮机低污染燃烧的主流技术，目前,燃气轮机燃烧室的燃料-空气预混器都采用旋流掺混技术，存在预混器尺寸大、均匀度差、回火挂火不可控限制燃料适应性等缺陷，已成为技术发展的瓶颈。中国科学院工程热物理研究所轻型动力实验室洁净燃烧科研团队基于长期的理论和技术研究于2011年提出了阵列驻涡掺混的模型及设计概念：改旋流掺混为扰流子强制掺混，以特殊形状的扰流子构造流形可控的阵列驻涡流动，在强化气流输运与掺混的同时有效抑制回火挂火。

　　理论分析、数值计算与实验研究表明：在阵列驻涡流动的回流和拉伸机理作用下，其掺混强度明显高于旋流，在现代燃气轮机的工况范围内对于CH4燃料气和H2摩尔浓度≯60%的含氢燃料气与空气的混合过程都是安全的，不会发生回火和挂火；在流动阻力相同的条件下，阵列驻涡预混器比旋流预混器的长度缩短1/3，混合均匀度提高一倍，出口气流的扰动显著降低。

　　为了将理论模型用于低污染燃烧技术开发，科研团队申请了阵列驻涡燃料-空气预混器的中国发明专利（一种阵列驻涡燃料-空气预混器，ZL 2011 1 0380006. 2）和美国发明专利（Air Fuel Premixer Having Arrayed Mixing Vanes For Gas Turbine Combustor, US2013/0133329 A1），分别于2015和2016年获得授权。

　　在科研团队承担的国家863含氢燃料燃气轮机燃烧研究课题中，完成了阵列驻涡燃料-空气预混喷嘴的燃烧室试验，实现了60%H2-40N2燃料气的稀预混燃烧，在燃烧室入口空气410℃、出口温度1450℃的条件下，NOx≯20ppm@15%O2，其他指标与同类燃烧室相当。同时，阵列驻涡燃料-空气预混器也受到了多家燃气轮机制造企业的关注，被用于天然气低污染燃烧室的技术开发与试验，初步结果表明效果符合预期。

　　阵列驻涡预混燃烧技术可广泛应用于各种燃气轮机和燃气锅炉的低污染燃烧，对提高燃气轮机燃烧室的工作稳定性和燃料适应性、设计航改燃气轮机低污染燃烧室、开发燃气锅炉超低污染燃烧技术都有意义，科研团队将积极推动该项技术走向产业化。

　　阵列驻涡预混燃烧技术研发得到了国家自然科学基金重点项目、国家863项目课题、中国科学院仪器设备功能开发技术创新项目以及多个企业委托项目的支持。相关研究已在FUEL、International Journal of hydrogen energy、中国工程热物理学报、中国电机工程学报、燃烧科学与技术等国际国内期刊上发表论文10篇，在ASME TURBO EXPO 2013、The 10th Asia-Pacific Conference on Combustion、2015 International Conference on Computer Science and Environmental Engineering等国际会议上发表论文4篇。

（工程热物理所供稿）