一种燃氢燃气轮机燃烧室流场特性实验装置

技术领域

本发明涉及一种燃氢燃气轮机实验装置，特别是一种燃氢燃气轮机燃烧室 流场特性实验装置。

背景技术

开发、推广和应用整体煤气化联合循环发电（Integrated Gasification  Combined Cycle，简称IGCC）技术，可以实现近零排放的可持续发展燃煤发电。 目前，美国、德国、英国和日本等发达国家均投入巨资进行研发和示范IGCC 技术，IGCC技术所涉及的工艺系统和关键技术均已成为国际能源领域研究开发 的热点。对燃用富氢合成气及纯氢气体燃气轮机燃烧室结构与性能及其与现代 燃气轮机匹配进行全面和深入细致的研究，为我国电力工业“绿色煤电”做技 术储备和工程示范，对我国的国民经济和社会发展具有重要意义。

目前，IGCC燃气轮机在现代先进燃气轮机设计方案基础上进行改造遇到 的技术难点是：氢气空气混合物的层流火焰速度很高；氢气空气混合物的相对 较高的绝热温度，燃烧产生大量氮氧化物；如果火焰温度和氮氧化物排放量靠 氮气或蒸汽稀释降低，会降低燃烧效率；如果采用贫燃料预混合，快速反应和 高燃烧速度会导致自燃和回火。针对这些技术难点，人们开发研制了燃用富氢 合成气及纯氢气体新概念燃气轮机燃烧室技术，对IGCC的推广应用具有重要意 义。

开发研制燃用富氢合成气及纯氢气体燃气轮机燃烧室，在运行工况下进行 新概念燃烧室实验研究，研究周期长，风险性高，经费消耗巨大。常规的燃气 轮机燃烧室流动特性实验研究，采用五孔探针或七孔探针测量速度场，测点的 空间坐标位置确定不准确，如果燃烧室结构复杂，探针还会严重破坏测点的速 度分布，不但不能准确地反映出燃烧室真实的速度分布，而且实验数据记录和 处理繁琐。虽然目前部分采用粒子成像测速（Particle Image Velocimetry，简称 PIV）测试方法进行燃烧室流动特性实验研究，实验过程中，示踪粒子测试区域 分布不均匀、跟随性差，也会直接影响测量结果。特别是针对不同测试条件， 目前的PIV测试系统调试不仅耗时，而且在有些工况下不能得出理想的测试结 果。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种不破坏测试区域速度 场、示踪粒子测试区域分布均匀、调试灵活方便、能够准确反映出测试区域速 度分布、数据记录和处理便捷PIV可视化测试技术，可以模拟三对钝体布置的 燃氢燃气轮机燃烧室结构形式和流动条件的，并可以针对三对钝体布置的燃氢 燃气轮机燃烧室流场特性进行实验研究的实验装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种燃氢燃气轮机燃烧室流 场特性实验装置，包括三对钝体布置燃烧室实验件、PIV测试台架、PIV测试系 统和压差及环境温度测试系统；

所述的三对钝体布置燃烧室实验件，包括前侧板、后侧板、底板、前钝体、 后钝体及其附属机构、前顶板、哑光玻璃、顶面玻璃板、侧面玻璃板、后顶板、 进气法兰和排气法兰；所述的底板上开有底板玻璃卡槽、后钝体移动槽道、前 钝体嵌槽和气孔，并布置有螺杆支座；所述的前顶板和后顶板均开有顶板玻璃 卡槽；所述的前侧板有两块、其下边缘分别与底板的左右两侧相连、上边缘分 别与前顶板的左右两侧相连；所述的后侧板有两块、其下边缘分别与底板的左 右两侧相连、上边缘分别与后顶板的左右两侧相连；所述的前侧板、后侧板、 底板、底板玻璃卡槽和顶板玻璃卡槽内布置的哑光玻璃板、顶面玻璃板和侧面 玻璃板构成三对钝体布置燃烧室实验件的主流通道；前侧板上开有示踪粒子喷 射管插孔；前顶板开有进口速度探针插孔，后顶板开有出口速度探针插孔；

所述的底板含有气孔，用于后钝体的气体喷射实验；

所述的前钝体嵌于底板中的前钝体嵌槽中，以防止前钝体随气流发生移动； 所述的后钝体及其附属机构包括后钝体、螺杆、后钝体支座和后钝体支座轴承， 后钝体支座开有底孔，螺杆与后钝体支座相连，后钝体支座通过底孔穿入螺钉 与后钝体相连，螺杆固定于螺杆支座上，后钝体支座底部布置有后钝体支座轴 承，后钝体支座轴承嵌入到底板后钝体移动槽道内，螺杆可在螺杆支座中转动， 带动后钝体支座连同后钝体沿三对钝体布置燃烧室实验件轴向移动，用以调节 后钝体与前钝体之间的间距；

所述的进气法兰与三对钝体布置燃烧室实验件的前部连接，排气法兰与三 对钝体布置燃烧室实验件的后部连接；

所述的PIV测试台架包括铁桌、主支架和可调支架，所述的可调支架包括 顶部角钢、带孔钢条和PIV镜头挂置钢条；可调支架与主支架通过顶部角钢连 接，主支架通过螺栓与铁桌连接；所述的PIV镜头挂置钢条上通过螺钉与PIV 镜头连接；带孔钢条的孔穿入螺栓与PIV镜头挂置钢条连接；带孔钢条通过穿 过的螺栓与顶部角钢连接，顶部角钢两侧的螺孔通过穿入螺栓固定在主支架的 主支架滑道上；

所述的PIV测试系统包括空气压缩机、储气瓶、气体净化瓶、示踪粒子发 生器、激光发生器、导光臂、激光发射镜头，PIV镜头、同步器和台式电脑a， 所述的空气压缩机与储气瓶通过软管连接，储气瓶与气体净化瓶通过软管连接， 气体净化瓶与示踪粒子发生器通过软管连接；所述的示踪粒子发生器通过示踪 粒子喷射管与三对钝体布置燃烧室实验件连接；所述的激光发生器通过信号线 与同步器相连，所述的PIV镜头通过信号线与同步器相连，所述的同步器通过 信号线与台式电脑a连接；所述的激光发生器与导光臂连接，导光臂与激光发 射镜头连接；

所述的示踪粒子发生器与示踪粒子喷射管用软管相连，示踪粒子喷射管与 前侧板上的示踪粒子喷射管插孔相连，用于向三对钝体布置燃烧室实验件中释 放示踪粒子；

所述的压差及环境温度测试系统，包括直流电源、数据采集仪、压差传感 器a、压差传感器b、压差传感器c、压差传感器d、热电偶、进口速度探针（52）、 出口速度探针和台式电脑b；所述的直流电源通过电线与数据采集仪连接，所述 的进口速度探针（52）通过软胶管分别与压差传感器a和压差传感器c连接；所 述的出口速度探针通过软胶管分别与压差传感器b和压差传感器d连接，同时 也与压差传感器c连接；所述的热电偶置于环境中，所述的压差传感器a、压差 传感器b、压差传感器c、压差传感器d和热电偶均通过信号线与数据采集仪连 接；数据采集仪与台式电脑b通过信号线连接。

本发明的工作过程如下：

气体通过进气法兰流入三对钝体布置燃烧室实验件，示踪粒子喷射管在前 侧板示踪粒子喷射管插孔位置释放示踪粒子。示踪粒子喷射管的形成极好的喷 射效果，气流通过前侧板，均匀地掺混示踪粒子。掺混有示踪粒子的气体，流 经前钝体和后钝体，在燃烧室测试区域形成可观测速度分布区域。然后，气流 通过排气法兰排到大气当中。

台式电脑通过同步器控制激光发生器和PIV镜头，控制激光发生器激光发 生频率、激光发生强度、PIV镜头拍照频率以及激光发生器激光发生和PIV镜 头拍照同步匹配。激光发生器发射的激光，经由激光导光臂，由激光发射镜头 投射到三对钝体布置燃烧室实验件内的指定区域。空气压缩机将压缩空气输送 至储气瓶，高压空气经储气瓶流经气体净化瓶至示踪粒子发生器，示踪粒子由 示踪粒子发生器释放，通过示踪粒子喷射管进入三对钝体布置燃烧室实验件与 主气流产生示踪粒子分布均匀的流场。PIV镜头拍摄散射激光的速度场示踪粒 子，将拍摄图片传入电脑a后，经软件计算处理显示测试三对钝体布置燃烧室 实验件内区域速度分布状况。

进口速度探针（52）用于测量三对钝体布置燃烧室实验件进口流速，出口 速度探针用于测量三对钝体布置燃烧室实验件出口流速，电脑通过数据采集软 件，对数据采集仪的压差和温度等数据进行采集和记录。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用PIV测试技术，选定燃烧室合理的位置，在示踪粒子发生器 和示踪粒子喷射管作用下，合理地将示踪粒子掺混于主气流中，使得测试区域 示踪粒子分布均匀，在不破坏速度分布的情况下，进行三对钝体布置燃烧室冷 态流动速度矢量分布可视化实验研究。

2、本发明的PIV测试台架中，设有可调支架，可以进行PIV镜头与测试件 间的高度和测试区域的调节，可以有效缩小PIV测试系统的调试时间。PIV测 试系统将测试数据传入电脑内，应用数据处理程序进行记录和处理，可以方便 地记录和处理测试结果，可以准确地反映出测试取速度分布特点。

3、本发明有带孔钢条的孔穿入螺栓与PIV镜头挂置钢条连接，通过螺栓穿 入不同高度的孔调节PIV镜头调节挂置钢条的挂置高度。带孔钢条通过螺栓与 顶部角钢连接。固定带孔钢条通过穿过的螺栓与顶部角钢连接，顶部角钢两侧 的螺孔穿入螺栓固定在主支架的主支架滑道上，顶部角钢沿主支架滑道可以移 动，用于调整PIV镜头位置。使得PIV测试系统调试灵活方便。

4、本发明的后钝体支座通过底孔穿入螺钉与后钝体相连，可以替换不同结 构形式的后钝体。螺杆可在螺杆支座中转动，用以调节后钝体与前钝体之间的 间距。不同几何形状后钝体和前后钝体距离，形成不同钝体布置的燃烧室结构 形式。在不同前后钝体构成的凹腔结构条件下，流通气流会产生不同流动条件。 可以模拟三对钝体布置的燃氢燃气轮机燃烧室结构形式和流动条件。

5、本发明针对IGCC燃气轮机在现代先进燃气轮机设计方案基础上进行改 造遇到的技术难点，形成不同钝体布置的新概念燃烧室模型结构形式，对其进 行实验研究，将得出实验结果和流动规律用于燃机结构设计理论基础，缩短了 燃烧室的研发周期，减小了研究成本。

附图说明

本发明共有附图10张，其中：

图1是本发明的组成示意图。

（其中：虚线为高压气管，粗线为数据线；直线为进口静压，粗直线为进 口总压，直虚线为出口静压，粗虚线为出口总压；黑粗直线为数据线）

图2是三对钝体布置燃烧室实验件示意图。

图3是底板俯视图。

图4是底板左视图。

图5是后钝体及其附属机构俯视图。

图6是后钝体及其附属机构仰视图。

图7是PIV测试台架示意图。

图8是PIV测试台架俯视图。

图9是可调支架示意图。

图10是可调支架俯视图。

图中：1、三对钝体布置燃烧室实验件，2、PIV测试台架，3、前侧板，4、 后侧板，5、底板，6、前钝体，7、后钝体及其附属机构，8、前顶板，9、哑光 玻璃板，10、后顶板，11、进口速度探针插孔，12、出口速度探针插孔，13、 顶板玻璃卡槽，14、示踪粒子喷射管插孔，15、底板玻璃卡槽，16、后钝体移 动槽道，17、前钝体嵌槽，18、螺杆支座，19、气孔，20、示踪粒子喷射管， 21、后钝体，22、螺杆，23、后钝体支座，24、底孔，25、后钝体支座轴承， 26、铁桌，27、主支架，28、可调支架，29、主支架滑道，30、顶部角钢，31、 带孔钢条，32、PIV镜头挂置钢条，33、PIV测试系统，34、空气压缩机，35、 储气瓶，36、气体净化瓶，37、示踪粒子发生器，38、激光发生器，39、导光 臂，40、激光发射镜头，41、PIV镜头，42、同步器，43、台式电脑a，44、 压差及环境温度测试系统，45、直流电源，46、数据采集仪，47、压差传感器a， 48、压差传感器b，49、压差传感器c，50、压差传感器d，51、热电偶，52、 进口速度探针，53、出口速度探针，54、台式电脑b，55、进气法兰，56、排气 法兰，57、顶面玻璃板，58、侧面玻璃板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。如图1-10所示，一 种燃氢燃气轮机燃烧室流场特性实验装置，包括三对钝体布置燃烧室实验件1、 PIV测试台架2、PIV测试系统33和压差及环境温度测试系统44；

所述的三对钝体布置燃烧室实验件1，包括前侧板3、后侧板4、底板5、 前钝体6、后钝体及其附属机构7、前顶板8、哑光玻璃、顶面玻璃板57、侧面 玻璃板58、后顶板10、进气法兰55和排气法兰56；所述的底板5上开有底板 玻璃卡槽15、后钝体移动槽道16、前钝体嵌槽17和气孔19，并布置有螺杆支 座18；所述的前顶板8和后顶板10均开有顶板玻璃卡槽13；所述的前侧板3 有两块、其下边缘分别与底板5的左右两侧相连、上边缘分别与前顶板8的左 右两侧相连；所述的后侧板4有两块、其下边缘分别与底板5的左右两侧相连、 上边缘分别与后顶板10的左右两侧相连；所述的前侧板3、后侧板4、底板5、 底板玻璃卡槽15和顶板玻璃卡槽13内布置的哑光玻璃板9、顶面玻璃板57和 侧面玻璃板58构成三对钝体布置燃烧室实验件1的主流通道；前侧板3上开有 示踪粒子喷射管插孔14；前顶板8开有进口速度探针插孔11，后顶板10开有 出口速度探针插孔12；

所述的底板5含有气孔19，用于后钝体21的气体喷射实验；

所述的前钝体6嵌于底板5中的前钝体嵌槽17中，以防止前钝体6随气流 发生移动；所述的后钝体及其附属机构7包括后钝体21、螺杆22、后钝体支座 23和后钝体支座轴承25，后钝体支座23开有底孔24，螺杆22与后钝体支座 23相连，后钝体支座23通过底孔24穿入螺钉与后钝体21相连，螺杆22固定 于螺杆支座18上，后钝体支座23底部布置有后钝体支座轴承25，后钝体支座 轴承25嵌入到底板5后钝体移动槽道16内，螺杆22可在螺杆支座18中转动， 带动后钝体支座23连同后钝体21沿三对钝体布置燃烧室实验件1轴向移动， 用以调节后钝体21与前钝体6之间的间距；

所述的进气法兰55与三对钝体布置燃烧室实验件1的前部连接，排气法兰 56与三对钝体布置燃烧室实验件1的后部连接；

所述的PIV测试台架2包括铁桌26、主支架27和可调支架28，所述的可 调支架28包括顶部角钢30、带孔钢条31和PIV镜头挂置钢条32；可调支架28 与主支架27通过顶部角钢30连接，主支架27通过螺栓与铁桌26连接；所述 的PIV镜头挂置钢条32上通过螺钉与PIV镜头41连接；带孔钢条31的孔穿入 螺栓与PIV镜头挂置钢条32连接；带孔钢条31通过穿过的螺栓与顶部角钢30 连接，顶部角钢30两侧的螺孔通过穿入螺栓固定在主支架27的主支架滑道29 上；

所述的PIV测试系统33包括空气压缩机34、储气瓶35、气体净化瓶36、 示踪粒子发生器37、激光发生器38、导光臂39、激光发射镜头40，PIV镜头 41、同步器42和台式电脑a43，所述的空气压缩机34与储气瓶35通过软管连 接，储气瓶35与气体净化瓶36通过软管连接，气体净化瓶36与示踪粒子发生 器37通过软管连接；所述的示踪粒子发生器37通过示踪粒子喷射管20与三对 钝体布置燃烧室实验件1连接；所述的激光发生器38通过信号线与同步器42 相连，所述的PIV镜头41通过信号线与同步器42相连，所述的同步器42通过 信号线与台式电脑a43连接；所述的激光发生器38与导光臂39连接，导光臂 39与激光发射镜头40连接；

所述的示踪粒子发生器37与示踪粒子喷射管20用软管相连，示踪粒子喷 射管20与前侧板3上的示踪粒子喷射管插孔14相连，用于向三对钝体布置燃 烧室实验件1中释放示踪粒子；

所述的压差及环境温度测试系统44，包括直流电源45、数据采集仪46、压 差传感器a47、压差传感器b48、压差传感器c49、压差传感器d50、热电偶51、 进口速度探针52、出口速度探针53和台式电脑b54；所述的直流电源45通过 电线与数据采集仪46连接，所述的进口速度探针52通过软胶管分别与压差传 感器a47和压差传感器c49连接；所述的出口速度探针53通过软胶管分别与压 差传感器b48和压差传感器d50连接，同时也与压差传感器c49连接；所述的 热电偶51置于环境中，所述的压差传感器a47、压差传感器b48、压差传感器 c49、压差传感器d50和热电偶51均通过信号线与数据采集仪46连接；数据采 集仪46与台式电脑b54通过信号线连接。

本发明的工作过程如下：

气体通过进气法兰55流入三对钝体布置燃烧室实验件1，示踪粒子喷射管 20在前侧板3示踪粒子喷射管插孔14位置释放示踪粒子。示踪粒子喷射管20 的形成极好的喷射效果，气流通过前侧板3，均匀地掺混示踪粒子。掺混有示踪 粒子的气体，流经前钝体6和后钝体21，在燃烧室测试区域形成可观测速度分 布区域。然后，气流通过排气法兰56排到大气当中。

台式电脑通过同步器42控制激光发生器38和PIV镜头41，控制激光发生 器38激光发生频率、激光发生强度、PIV镜头41拍照频率以及激光发生器38 激光发生和PIV镜头41拍照同步匹配。激光发生器38发射的激光，经由激光 导光臂39，由激光发射镜头40投射到三对钝体布置燃烧室实验件1内的指定区 域。空气压缩机34将压缩空气输送至储气瓶35，高压空气经储气瓶35流经气 体净化瓶36至示踪粒子发生器37，示踪粒子由示踪粒子发生器37释放，通过 示踪粒子喷射管20进入三对钝体布置燃烧室实验件1与主气流产生示踪粒子分 布均匀的流场。PIV镜头41拍摄散射激光的速度场示踪粒子，将拍摄图片传入 电脑a后，经软件计算处理显示测试三对钝体布置燃烧室实验件1内区域速度 分布状况。

进口速度探针52用于测量三对钝体布置燃烧室实验件1进口流速，出口速 度探针53用于测量三对钝体布置燃烧室实验件1出口流速，电脑通过数据采集 软件，对数据采集仪46的压差和温度等数据进行采集和记录。