燃氣輪機燃燒室結(jié)構(gòu)與性能指標培訓教材

燃氣輪機燃燒室結(jié)構(gòu)與性能指標培訓教材燃燒室的結(jié)構(gòu)燃氣輪機燃燒室是一種通常用高溫合金材料制作的燃燒設(shè)備。在整臺燃氣輪機中，它位于壓氣機與燃氣透平之間，它有三種功能：①使燃料與由壓氣機送來的一部分壓縮空氣在其中進行有效的燃燒；②使由壓氣機送來的另一部分壓縮空氣與燃燒后形成的溫度高達1800-2000°C的燃燒產(chǎn)物均勻地摻混，使其溫度降低到燃氣透平進口的初溫水平，以便送到燃氣透平中去作功；③控制NOx的生成,使透平的排氣符合環(huán)保標準的要求。由于這三個功能的作用，燃燒室可以在近乎等壓的條件下，把燃料中的化學能有效地釋放出來，使之轉(zhuǎn)化成為高溫燃氣的熱能，為其在燃氣透平中的膨脹作功準備好條件。由此可見，燃燒室是燃氣輪機中一個不可缺少的重要部件。為了適應(yīng)燃氣輪機結(jié)構(gòu)輕巧的特點，燃燒室的尺寸都是設(shè)計得很緊湊的。一般來說，在單位時間和單位體積內(nèi)，它能燃燒釋放出比常壓鍋爐大10.300倍的熱能，即：燃燒過程是在高熱強度、高速流動的連續(xù)氣流中進行的。此外，由于進入燃氣透平的燃氣初溫t『受到金屬材料性能的限制，供入燃燒室中去的空氣流量與燃料流量的比值總是要比理論燃燒條件下的配比關(guān)系大得多，而且氣流的溫度、壓力和流速都要隨燃氣輪機負荷的改變而發(fā)生較大幅度的變化；有時還要求同一個燃燒室能夠兼燒多種燃料?？傊?，燃氣輪機燃燒室的工作過程具有：①高溫；②高速；③高燃燒強度；④高余氣系數(shù)；⑤運行參數(shù)變化劇烈；⑥要求燃用多種燃料等一系列特點。這些特點使得燃燒過程甚難組織，為此必須采取特殊措施。否則，燃燒室會被燒壞，火焰容易被吹息；燃料不能完全燃燒，火焰會伸得過長，以致燒毀燃氣透平。從結(jié)構(gòu)上來看，燃燒室通常有圓筒型、分管型、環(huán)管型和環(huán)型之分。圖4-1中給出了一種分管型燃燒室，它應(yīng)用與MS6001系列的燃氣輪機中；圖4-2中則給出了該火眼管的結(jié)構(gòu)圖。這個燃燒室是由外殼、火焰管、燃料噴嘴、點火器和燃氣收集器等部件組成的。在火焰管上一般都裝有旋流器、過渡錐頂，并開設(shè)一些一次射流孔和混合射流孔以及冷卻空氣的射流孔。此外，為了把火焰管安裝在外殼中，還設(shè)置有定位元件。在分管型和環(huán)管型燃燒室中，為了點火傳焰和平衡各個燃燒室之間的壓力，還裝設(shè)有聯(lián)焰管，以使各火焰管的燃燒空間能夠彼此溝通。噴油嘴的作用液體燃料是燃氣輪機中常使用的一種燃料。只有當它蒸發(fā)汽化并與空氣適當混合后才能進行燃燒。為了形成適宜燃燒的可燃混合氣，通常是采用噴油嘴將燃料噴散成由大量小直徑的油滴所組成的油霧，這一過程稱為霧化過程。霧化后的小油滴，由于總的表面積大為增加，所以能很快吸熱汽化并與空氣形成可燃混合氣。有人曾進行過這樣的計算，如果將1kg輕柴油（其密度pf=840kg/m3）作成球狀，其直徑為131mm,表面積則為0.05430?,假定將這1kg輕柴油霧化為直徑30mm的油滴群，油滴數(shù)可達842x108個，其表面積之和達238m2,即比原來單個球體的表面積增大4390倍，如此大幅度的增加，可使蒸發(fā)汽化大大加快。在燃氣輪機燃燒室中，燃料逗留的時間是極短的，在有的燃燒室中，僅千分之幾秒,要在如此短暫的時間內(nèi)使燃料充分燃燒，加快燃料的蒸發(fā)汽化極為重要，其中的關(guān)鍵問題就是使燃料很好地霧化。1-燃料噴嘴2-蓋板3-外殼4-點火器5-遮熱篇6-火焰管7-環(huán)腔8-燃氣收集器9-混合區(qū)10-混合射流孔11-一次射流孔12-燃燒區(qū)13-過度錐頂14-配氣蓋板15-旋流器

圖4-1MS6001系列燃氣輪機上采用的分管型燃燒室的總成圖1-蓋板2-聯(lián)焰管的接口3-—次射流孔4-冷卻孔進氣環(huán)5-火焰管環(huán)套6-混合孔7-膨脹環(huán)8-固定凸肩圖4-2MS601系列燃氣輪機燃燒室上采用的火焰管火焰管的作用燃燒室出口地燃氣溫度受渦輪葉片所能承受的溫度限制，在目前地材料水平下，對霧冷卻渦輪葉片，能承受地渦輪前燃氣溫度為1200K左右；對于采取冷卻措施的渦輪葉片，能承受的渦輪前燃氣溫度可達1600Ko對燃燒室出口燃氣溫度的這種限制給燃燒室設(shè)計帶來特殊的問題，當1kg輕柴油完全燃燒時，理論上需要14.6kg空氣，如燃燒室進口空氣溫度為600K,這時產(chǎn)生的燃氣溫度高達2200K以上，這大大超過渦輪葉片允許的溫度。為了保證燃氣不致?lián)p壞渦輪葉片，最可行的辦法是供給更多的空氣來降低出口燃氣溫度，使之不超過允許值。為了達到這一溫度，根據(jù)計算，1kg輕柴油約需50-60kg空氣?？墒菍嵺`表明，按這一比例形成的輕柴油一空氣混合氣由于過分貧油（混合氣中所含燃料偏低）卻是根本不能著火和穩(wěn)定燃燒的。因此，上述兩種要求是矛盾的。為了解決這個矛盾，采用了火焰管這一結(jié)構(gòu)，它可以使空氣沿火焰管上所開的孔分股進入火焰管。一小部分空氣（一般約占總空氣量的25%-30%,成為一次空氣）經(jīng)旋流器和火焰管前部的兩排小孔及一排射流孔（成為主燃孔）進入火焰管。一次空氣與燃料混合燃燒后，可達到很高的燃燒溫度（1800-1900K）。由于溫度高。燃燒化學反應(yīng)進行得很激烈，使燃燒過程在火焰管頭部附近得燃燒區(qū)內(nèi)基本完成。另外大部分空氣沿火焰管后段得射流孔進入火焰管，并與高溫燃氣摻混，以降低它的溫度，使之適合渦輪所要求的進口溫度，這些射流孔成為摻混孔，在圖4.3中有兩排摻混孔。由摻混孔進入的空氣，通常成為二次空氣。在有些燃氣輪機燃燒室中，在主燃孔和摻混孔之間還有1?2排補燃孔，以引入補充燃燒所需空氣。由于火焰管長期在高溫下工作，因此，如無可靠的冷卻保護措施，火焰管很快就要損壞。目前冷卻保護火焰管的方法主要是沿火焰管壁面開小孔（如圖4-3所示）或作出縫隙，使冷卻空氣沿火焰管內(nèi)壁流過時形成冷卻保護氣膜。例如在圖4.3中，沿火焰管筒身就設(shè)有六道冷卻氣膜。另外，在火焰管外壁流過的空氣也對火焰管起一些冷卻作用。1-外殼2-內(nèi)殼3-火焰管4擴壓器5-旋流器6-噴油嘴7-點火器

圖4-3燃氣輪機環(huán)管型燃燒室簡圖擴壓器的作用為了減少燃氣輪機的尺寸，氣體流過燃氣輪機各個部件的流速就不能過低,

例如一般運輸式燃氣輪機壓氣機出口的氣流速度可達50-100m/s,如果將這樣高速的氣流直接引入火焰管，火焰將被吹熄，而且流動損失很大。因此，要在燃燒室進口設(shè)置降低氣流速度的擴壓器，通常要求擴壓器出口的氣流速度降低到40m/s以下。頭部進氣裝置的作用由于擴壓器的尺寸受到一定的限制，因此，擴壓器出口的氣流速度仍相當高,例如可達40m/s左右。在這樣高的流速下，火焰將被吹熄，即出現(xiàn)所謂火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象。解決這個問題的措施是，在火焰管頭設(shè)置穩(wěn)定火焰的頭部進氣裝置，通常采用葉片式旋流器，如圖4-4所示。由于旋流器葉柵的導(dǎo)向作用，氣流在旋流器出口產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)射流運動。當射流沿火焰管頭部流動時，邊旋轉(zhuǎn)、邊擴張的射流內(nèi)自由表面由于氣體的粘性，把火焰管頭部中心的氣體帶走。在氣流旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力作用下，造成這一區(qū)域壓力的下降，這樣就促使火焰管后段的一部分高溫燃氣回流到這一區(qū)域，而形成一回流區(qū)，由于回流區(qū)的存在，在火焰管頭部附近由一氣流低速區(qū)（見圖4-5所示的火焰管內(nèi)氣流軸向速度分布）；高溫燃氣回流還有利于噴入火焰管內(nèi)的燃料迅速蒸發(fā)汽化，并起點火的作用，這些就為穩(wěn)定火焰創(chuàng)造了必要的條件。圖4-4葉片旋流器圖4-4葉片旋流器圖4-5帶葉片式旋流器的火焰管內(nèi)氣流軸向速度分布圖4-6圖4-6蝌蚪形熱膨脹槽示意圖1.1.5 起動點火器的作用在燃氣輪機起動時，必須依靠外來點火源點燃燃燒室內(nèi)的可燃混合氣。為此,在燃燒室中設(shè)有起動點火器。當燃燒室內(nèi)可燃混合氣被點燃后就可依靠火焰管內(nèi)回流的高溫燃氣作為點火源，不再需要外來點火源。1.1.6燃燒室在結(jié)構(gòu)上的其它特點在火焰管前端進行著激烈的燃燒過程，在其后段則進行燃氣的摻混降溫過程，加上火焰管上又開有各種射流孔，因此，整個火焰管的壁溫很不均勻?；鹧婀苁怯扇舾杀★垱_壓件焊接而成，這些焊接件之間由于溫度不同，故熱膨脹不同，為此必須考慮熱膨脹補償問題，最常見的就是采用蝌蚪形熱膨脹槽，如圖4-6所示。燃燒室外殼與火焰管不僅溫度不同，而且材料也不一樣，因此熱膨脹不相同。為保證火焰管能在外殼內(nèi)自由膨脹，必須采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。在圖4-3所示的燃燒室中，在火焰管頭部裝有定位銷，并以此作為火焰管相對于外殼膨脹時的死點（軸向定位點），火焰管的徑向和周向的定位則依靠噴油嘴。在噴油嘴和旋流器內(nèi)環(huán)之間有一定的間隙，以保證火焰管熱膨脹的需要?；鹧婀艿奈膊坑枚ㄎ画h(huán)支承于外殼與內(nèi)殼，并保持一定的間隙，以保證火焰管能沿軸向向后膨脹。通過以上典型燃燒室實例的介紹，可以看出燃氣輪機燃燒室具有以下幾個特占?，、、、?1） 由于燃燒室進口氣流速度較高，在如此高速下組織燃燒，無論從穩(wěn)定火焰或降低壓力損失方面考慮，都要采取專門措施，如設(shè)置擴壓器、火焰管頭部進氣裝置等。2） 利用火焰管開孔規(guī)律來控制氣流分配，其中一部分空氣（一次空氣）主要是參加燃料的燃燒，另一部分空氣（二次空氣）主要是與高溫燃燒產(chǎn)物摻混，以降低燃燒室出口的燃氣溫度，這樣才能滿足燃燒與渦輪要求的進口溫度。3） 必須組織一部分空氣冷卻火焰管壁面。4） 對液體燃料，必須用噴油嘴將它霧化，以加速其蒸發(fā)汽化，從而迅速形成與空氣混合的可燃混合氣。5） 在燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要仔細考慮熱膨脹問題。從以上介紹可知：從結(jié)構(gòu)上看，燃燒室并不太復(fù)雜，但從其工作過程來看，卻又遠比燃氣輪機其它部件復(fù)雜。它涉及氣體流動、傳熱、傳質(zhì)以及化學反應(yīng)等一系列復(fù)雜過程。即使從氣體流動過程來講，也是很復(fù)雜的，它是一個帶有旋流與回流的三元湍流流動，在流動中還進行著激烈的化學反應(yīng)，而化學反應(yīng)與湍流之間又存在著至今尚未完全弄清楚的相互影響問題。從傳熱過程來講，它包括熱傳導(dǎo)、對流換熱以及輻射換熱，也極為復(fù)雜。在化學反應(yīng)方面，對碳氫燃料的燃燒機理至今尚未被化學家完全弄清楚。由于燃燒過程的復(fù)雜性，人們對燃燒理論的掌握遠遠落后于燃燒技術(shù)的需要，在目前，它基本上還是一門以實驗為主體的學科。燃燒室主要是通過大量實驗調(diào)整而最后定型的，它還不能較多的依靠理論計算方法設(shè)計。近年來，燃燒理論和計算流體力學有很大發(fā)展，加上廣泛應(yīng)用了電子計算機，使燃燒室性能的計算預(yù)估方法取得可喜的進展，主要依靠計算而不需要大量調(diào)試就能解決燃燒室設(shè)計問題的前景己經(jīng)出現(xiàn)，這是我們應(yīng)該密切注意的。1.2燃氣輪機對燃燒室的要求燃燒室的工作情況，直接影響燃氣輪機的工作性能。例如燃燒組織不良，就會增大燃氣輪機的單位耗油率和造成排氣對大氣的污染，甚至損傷渦輪葉片。為此，對燃氣輪機燃燒室需提出以下要求。燃燒完全要求送入燃燒室的燃料盡可能在燃燒室內(nèi)燃盡，盡可能把燃料中的化學能釋放出來轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芤约訜峁べ|(zhì)，但是百分之百的完全燃燒（特別是在非設(shè)計工況下）是難以達到的，因此，只能要求在主要工況達到高的燃燒完全程度。常用燃燒系數(shù)易（又稱釋熱系數(shù)）來衡量燃燒完全程度，即燃料在燃燒室中燃燒時的實際釋放熱量0與燃料完全燃燒時的釋放量Qo之比，即片 的）式中Q。可根據(jù)燃料消耗量0時（單位為kg/s）及燃料低位熱值成,即每公斤燃料完全燃燒時所釋放的熱量（單位位kJ/kg燃料）求出，即Q。=q，M （4-2）由于燃燒不完全，。/<?！?，0?可以由燃氣成分算出。實際上常采用燃燒效率伸作為衡量燃燒完全程度的指標，它的定義是：燃料實際用于加熱工質(zhì)的熱量（即用于增加燃燒室進、出口氣體總培的熱量）0'與Qo之比。由于存在散熱損失，Qj'<Qf,故啊低于店，但差別很小，在實用上毋需嚴格區(qū)分。由于伸直接影響燃氣輪機的耗油率，所以總是力求提高它，目前燃氣輪機的伸可達0.95~0.99。起動點火性能好要求點火可靠，這是把燃燒室點燃，使燃氣輪機迅速起動的必要條件。燃燒穩(wěn)定點火以后的穩(wěn)定燃燒是保證燃氣輪機可靠工作的關(guān)鍵，故要求燃燒室在燃氣輪機一切工況下均能穩(wěn)定燃燒，不發(fā)生熄火及火焰脈動現(xiàn)象。壓力損失小氣流在燃燒室內(nèi)流動與燃燒升溫過程都會產(chǎn)生壓力損失，壓力損失使渦輪進口總壓降低，因而降低了燃氣輪機發(fā)出的功率和增加燃料消耗量。因此，應(yīng)力求降低燃燒室的壓力損失。通常采用燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)如來表示總壓損失，其定義為：

瀝=牛 （4-3）Pc式中P；與P；分別表示燃燒室進口和出口的總壓。顯然。B越高說明燃燒室壓力損失越小，目前的燃燒室如一般可達0.92-0.97O燃燒室出口溫度場應(yīng)符合要求這一要求對于保證渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片的安全工作和壽命極為重要，具體要求為：1） 火焰不得伸出燃燒室（但在起動點火過程中，短時間伸出是允許的）。2） 對燃燒室出口溫度場的不均勻程度應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)，通常采用以下指標表示溫度場的不均勻程度：不均勻系數(shù)A=-‘7、max—hhifTm( 4 -4）最大不均勻度e,=‘7’max—‘Tinhm~^Cm( 4 -5）徑向不均勻度 g'sxf(4-6)h'm~^C>n式中:膈心姉——分別為燃燒室出口處燃氣的最高及平均溫度，［伽心］、卩刀“］均為°C；希心——燃燒室出口處沿半徑方向的燃氣最高平均，［伽測為"Cue”——燃燒室進口處空氣的平均溫度，卩6］為°C。通常要求：心.10；傷4）.30?0.35；ft<0.10o3）為了充分利用渦輪葉片材料的潛力，沿葉高（即徑向）的燃起溫度分布應(yīng)符合一定要求?渦輪工作葉片葉根承受應(yīng)力最大，因此希望燃起溫度低些；葉尖處散熱條件差，而且作得較薄，強度與剛度都較差，所以也希望燃氣溫度低些；在葉片中部（約2/3~3/4葉高處）燃起溫度允許稍高些，這樣的燃起溫度分布可以充分發(fā)揮葉片材料的潛力。根據(jù)上述原則，可預(yù)先給出一燃燒室出口處沿徑向的燃氣平均總溫理想分布圖（圖4-7）o顯然，要完全地得到所希望地理1。路 1149 1204 3）為了充分利用渦輪葉片材料的潛力，沿葉高（即徑向）的燃起溫度分布應(yīng)符合一定要求?渦輪工作葉片葉根承受應(yīng)力最大，因此希望燃起溫度低些；葉尖處散熱條件差，而且作得較薄，強度與剛度都較差，所以也希望燃氣溫度低些；在葉片中部（約2/3~3/4葉高處）燃起溫度允許稍高些，這樣的燃起溫度分布可以充分發(fā)揮葉片材料的潛力。根據(jù)上述原則，可預(yù)先給出一燃燒室出口處沿徑向的燃氣平均總溫理想分布圖（圖4-7）o顯然，要完全地得到所希望地理1。路 1149 1204 U6? 1316沮度fr/CsIXJe權(quán)員姿至*酔口<年8S1-理想的分布曲線2.實際的分布曲線

圖4-7燃燒室出口處按周向平均的燃氣

溫度沿葉高分布想值是辦不到地，因此，通常是在設(shè)計任務(wù)書上規(guī)定處允許地偏差，并用最大溫度偏差系數(shù)Dmax來表示，Omax的定義為：瞄=孺 （4-7）式中：打一在某一半徑上實際的按周向平均的燃起溫度，［n］為°C；tTr'一在該半徑上的理想燃氣溫度，卩7/］為。C。通常要求DmaxVlO%。4）對裝有多個燃燒室的燃氣輪機，還應(yīng)力爭各燃燒室出口的燃氣平均溫度偏差小于15~20°C。尺寸緊湊為了減輕燃氣輪機的重量和減小其尺寸，這就要求減小燃燒室的尺寸。對運輸式燃氣輪機，減小燃燒室外徑將有利于燃氣輪機在機艙里的布置?？s短燃燒室的長度有利于縮短壓氣機與渦輪之間的距離，從而可減輕機匣和轉(zhuǎn)子的重量，為了燃氣輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得重大好處。但過分減小燃燒室直徑和長度將與燃燒效率和燃燒室出口的燃氣溫度場要求發(fā)生矛盾，故須結(jié)合燃氣輪機總體設(shè)計要求作綜合考慮。所謂燃燒室尺寸緊湊，就意味著要在一定的燃燒空間里或一定的橫截面積下，在單位時間內(nèi)能燒掉較多的燃料。為此常用比容積熱強度衣及比面積熱強度qA來衡量燃燒室空間的利用稱度。它們的定義分別為：PcVf(4-8)〃血5“Pc^f(4-9)式中 q,nf—燃料消耗量，［例］為kg/s；Vf一火焰管容積，［明為n?；A/—火焰管橫截面積（通常取最大橫截面面積），［為］為n?。由于燃燒室中能燃燒的燃料大致與燃燒室工作壓力P；成正比，為了能比較不同工作壓力的燃燒室設(shè)計緊湊程度，故在卽和qA中都除上了Pco燃燒室的卽和0A主要與燃燒室的結(jié)構(gòu)型式、壽命要求、燃料等因素有關(guān)。目前還難于從理論上來計算燃燒室可能達到的卽和qAo各種類型燃燒室的卽和如統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：固定式燃氣輪機gv=30~200w/(m?N),0a=35~13OW/N,其中下限對應(yīng)于燒重油及低熱值氣體燃料的圓筒型燃燒室；運輸式燃氣輪機gv=100~300w/(m?N),釦=110~240W/N。排氣污染少為了保護環(huán)境，必須嚴格控制燃燒室排氣中的污染物數(shù)量。這些污染物主要是由NO、CO、尚未燃燒的碳氫化合物、SO2以及冒煙質(zhì)點(微小碳粒)組成。它們會妨礙動植物正常生長,破壞生態(tài)平衡。人類長期接觸含有這些污染物的空氣,會使呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)受到損害，它們也是致癌原因之一。由于排氣污染對環(huán)境有很大影響，各國對排氣污染正在進行廣泛和深入的研究，許多國家對排氣污染還作了法律上的規(guī)定和限制。我國也正在擬訂燃氣輪機排氣污染物限制量的技術(shù)規(guī)定，頒布后將付諸實施。壽命長在燃氣輪機各主要部件中，燃燒室由于工作條件十分惡劣，就常會出現(xiàn)