轴向分级燃烧系统中氢/甲烷混合燃料的燃烧不稳定性和氮氧化物排放实验研究

研究人员针对燃气轮机轴向分级燃烧系统中氢/甲烷混合燃料的NOx排放与燃烧不稳定性问题，通过实验探究了二级喷射位置(ξinj=400-600mm)和当量比对温度场、压力节点相互作用的影响，首次发现压力节点处的二级喷射可抑制初级火焰驱动的高振幅极限循环，揭示了Rayleigh准则在轴向分级系统中的局限性，为氢能燃气轮机低排放设计提供新见解。

　　

随着全球能源结构向低碳化转型，氢能燃气轮机成为实现碳中和目标的关键技术。然而，氢燃料的高活性在提升燃烧效率的同时，也带来了氮氧化物(NO_x)排放剧增和燃烧不稳定性加剧的双重挑战。轴向分级燃烧技术通过空间分离反应区（贫燃预混初级区+横向射流二级区）虽能有效降低NO_x，但在氢掺混条件下，多级喷射引发的复杂热声相互作用机制尚不明确。特别是在部分负荷运行时，二级燃料喷射的启停控制与燃烧室压力波形的耦合效应，可能引发灾难性的高频振荡。

韩国能源技术评价规划院(Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning, KETEP)的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，构建了50/50甲烷-氢混合燃料的100kW级轴向分级燃烧实验系统。通过同步测量NO_x浓度与压力振荡信号，结合二维快速傅里叶变换(2D FFT)和动态模态分解(DMD)技术，系统分析了单/双二级喷射配置（ξ_inj=400/500/600mm）下燃烧不稳定性与排放特性的内在关联。

实验设计亮点

1. 采用模块化燃烧室结构，集成多孔初级喷嘴与可轴向调节的横向射流二级喷射器
2. 通过OH*化学发光成像捕捉反应区动态特性
3. 采用相位同步分析技术解析压力波-热释放率耦合机制

氮氧化物排放规律
数据表明NO_x生成呈现双重依赖性：与二级喷射位置（停留时间）呈近线性关系，而与二级当量比（温升ΔT）呈指数关系。在ξ_inj=500mm的单喷射工况中，NO_x浓度较基线非分级状态降低42%，证实轴向分级的减排优势。

燃烧不稳定性新机制
研究发现当二级喷射器位于压力节点时，正交布置的射流火焰会破坏预定模态：自燃主导的射流交叉流火焰产生非相干压力扰动，这与压力节点定义相矛盾。在?400,600?mm双喷射配置中，这种效应使初级火焰驱动的极限循环振幅衰减63%。

理论突破
传统Rayleigh准则在评估轴向分级系统时显示局限性。DMD分析揭示二级火焰产生的涡旋脱落频率（~280Hz）与初级区声模态（315Hz）的非线性耦合，是诱发高阶不稳定性的主因。

该研究首次阐明压力节点定位对氢混合燃料分级燃烧稳定性的调控作用，为下一代氢能燃气轮机提供了关键设计准则：通过优化二级喷射器轴向分布，可实现NO_x减排与动态稳定性协同控制。研究提出的"热声解耦"思想（即利用多级火焰的相位差实现破坏性干涉），为高氢比例燃烧室的开发开辟了新路径。