当前各国正加速推进“碳中和”目标，燃气轮机作为电力系统和工业驱动等领域的核心动力装备，面临着从传统化石燃料向清洁氢能转型的关键挑战，其中，燃烧室设计是核心技术与难点之一。热声振荡--由燃烧释热波动与燃烧室声学特性相互耦合产生，已成为制约富氢乃至纯氢燃气轮机安全稳定运行的难题。甲烷掺氢燃烧技术作为向纯氢燃气轮机平稳过渡的最优路径之一，既能大幅降低二氧化碳排放，又能最大限度利用现有天然气输配管网和发电设施，但其燃烧不稳定性问题亟待解决。
能源动力研究中心长期致力于含氢燃料低排放燃烧技术的研发，团队基于高速射流诱导烟气回流的MILD燃烧稳焰机制，通过对单元喷嘴的创新组合，发展了多喷嘴阵列燃烧技术，其兼具燃料/空气混合强化、NOx生成抑制及抗回火能力优异等多重优势。目前，国际主流燃机制造商在其富氢燃气轮机燃烧室设计中，普遍采用射流燃烧技术来应对氢燃料燃烧速度快、易回火的特性。然而，多喷嘴阵列燃烧器其内部复杂的三维流场结构与多股射流火焰间的强相互作用，使得热声耦合的内在物理机制需要进一步揭示。火焰动态响应特性是决定富氢燃烧过程中热声振荡起振与演化规律的核心因素。为实现对多喷嘴阵列燃烧热声行为的精准预测，课题组采用实验测量与低阶网络建模相结合的研究方法，系统表征了不同甲烷掺氢比工况下的火焰传递函数 (FTF) 与火焰描述函数 (FDF)。
实验结果表明：(1) 随着氢气比例增加，FTF的增益峰值频率向更高频率移动。这是因为氢气提高了火焰传播速度，缩短了从燃料喷注到火焰稳定区的对流延迟时间。FTF增益峰值随氢比例增加显著上升，意味着火焰对声学扰动更加敏感，系统更倾向于失稳；(2) 多喷嘴阵列燃烧系统中，引发热声振荡的主导机制是当量比波动。即声学压力波动调制了燃料与空气的混合过程，造成到达火焰面的燃料浓度周期性变化，从而驱动热释放波动。基于OSCILOS开源计算框架构建了融合实测火焰传递函数的低阶热声网络模型，模型成功预测了不同氢比例和燃烧室长度下的主导振荡频率，误差普遍低于8%，并成功捕捉到了高低频热声模态的转换行为，验证了预测方法的可靠性与准确性。
目前，该技术已成功应用于国家重大科技基础设施 “高效低碳燃气轮机试验装置” 1700℃等级燃烧室，并发展出具有自主知识产权的 M3A (Micro-mixed Multi-jet MILD Axial-fuel-staging Combustion) 燃烧技术。相关研究成果已发表于International Journal of Hydrogen Energy、Journal of Engineering for Gas Turbines and Power、Journal of Thermal Science、中国电机工程学报等国内外学术期刊。
图1 多喷嘴阵列燃烧器热声振荡测量与预测