燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散燃燒型燃燒室的工作過程與結(jié)構(gòu)培訓(xùn)教材

燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散燃燒型燃燒室的工作過程與結(jié)構(gòu)培訓(xùn)教材擴(kuò)散燃燒型燃燒室的工作過程圖4-1所示的就是一種擴(kuò)散燃燒型的燃燒室。圖4-3中則給出了與之相配的噴油嘴的結(jié)構(gòu)圖。從圖4-1中可以看出：由壓氣機(jī)送來的壓縮空氣，在逆流進(jìn)入遮熱筒與火焰管之間的環(huán)腔7時(shí)，因受火焰管結(jié)構(gòu)形狀的制約，將分流成為幾個(gè)部分，逐漸流入火焰管，以適應(yīng)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)系大很多的特點(diǎn)。其中的一部分空氣稱為“一次空氣”，它分別由旋流器15、端部配器蓋板14、過渡椎頂13上的切向孔，以及開在火焰管前段的三排一次射流孔11，進(jìn)到火焰管前端的燃燒區(qū)12中去。在那兒，它與由燃燒噴嘴1噴射出來的液體燃料或天然氣，進(jìn)行混合和燃燒，轉(zhuǎn)化成為1500-2000℃的高溫燃?xì)?。這部分空氣大約占進(jìn)入燃燒室的總空氣量的25%；另一部分空氣稱為“冷卻空氣”，它通過許多排開在火焰管壁面上的冷卻射流孔，逐漸進(jìn)入火焰管的內(nèi)壁部位，并沿著內(nèi)壁的表面流動(dòng)。這股空氣可以在火焰管的內(nèi)壁附近形成一層溫度較低的冷卻空氣膜，它具有冷卻高溫的火焰管壁、使其免遭火焰燒壞的作用。此外，剩下來的那一部分空氣則稱為“二次空氣”或“摻混空氣”，它是由開在火焰管后段的混合射流孔10，射到由燃燒區(qū)流來的1500-2000℃的高溫燃?xì)庵腥サ模哂袚嚼涓邷厝細(xì)?，使其溫度比較均勻地降低到透平前燃?xì)獬鯗卦O(shè)計(jì)值的作用。圖4-8所示的是一種雙燃料噴嘴，它既能向燃燒室的火焰管頭部供給天然氣，又能供給液體燃料。為了增強(qiáng)液體燃料的燃燒速度，專門用高壓霧化空氣來幫助液體燃料霧化成為100μm左右的細(xì)霧滴。這種細(xì)霧滴在進(jìn)入高溫的燃燒區(qū)后，就會(huì)逐漸蒸發(fā)成為氣相燃料，通過擴(kuò)散和旋流的湍流的混合作用，逐漸與燃燒區(qū)內(nèi)的新鮮空氣摻混，在余氣系數(shù)αf=1的空間范圍內(nèi)起燃，形成一個(gè)溫度高達(dá)理論燃燒溫度水平的火焰。這種燃料與空氣沒有預(yù)先均勻混合，而是依靠擴(kuò)散和湍流交換的作用，使她們彼此相互摻混，進(jìn)而在αf=1的火焰上面上進(jìn)行燃燒的現(xiàn)象，稱之為“擴(kuò)散燃燒”。那時(shí)，燃燒速度主要取決于燃料與空氣相互擴(kuò)散和摻混的時(shí)間，而不是取決與它們的化學(xué)反應(yīng)所需要的時(shí)間。這種燃燒現(xiàn)象的一大特點(diǎn)是，火焰面上的αf=1，其溫度甚高，通常為理論燃燒溫度(它總是高于空氣中的N2與O2起化學(xué)反應(yīng)而生成NOx時(shí)的起始溫度1650℃)。因而按這種方式組織的燃燒過程必然會(huì)產(chǎn)生數(shù)量較多的“熱NOx”污染物。為解決這類燃燒過程中NOx排放量超過環(huán)保要求問題，可采取三種措施，即：①在高負(fù)荷條件下，向擴(kuò)散燃燒的燃燒室中噴射一定數(shù)量的水或水蒸氣，借以降低燃燒火焰的溫度；②在余熱鍋爐中安裝所謂的選擇性催化還原反應(yīng)器(SCR)；③采用催化燃燒法。1-霧化空氣進(jìn)口2-噴嘴本體3-天然氣進(jìn)口4-噴嘴的頂蓋與空氣旋流器5-天然氣噴口6-液體燃料噴嘴的組合件7-霧化空氣切向槽圖4-8MS6001系列燃?xì)廨啓C(jī)上采用的分管型燃燒室的噴油嘴dCnox為NOx的濃度圖4-9火焰溫度Tf以及dCnox/dτ與燃料/空氣混合化學(xué)當(dāng)量的關(guān)系眾所周知：燃燒過程中產(chǎn)生的NOx有燃料NOx和熱NOx之分。前者取決于燃料中所含的氮化合物的數(shù)量，燃燒過程中無法控制它的生成。熱NOx則是在燃燒過程的高溫條件下，環(huán)境中所含的N2氣與O2dCnox為NOx的濃度圖4-9火焰溫度Tf以及dCnox/dτ與燃料/空氣混合化學(xué)當(dāng)量的關(guān)系由上圖可知：NOx的最高生成率發(fā)生在燃燒/空氣混合化學(xué)當(dāng)量比等于1的地方，那時(shí)，燃燒火焰的溫度Tf為最高。因而，倘若能使燃料與較多的空氣相混合，即：在比較稀釋的燃料濃度下進(jìn)行低溫的燃燒，那么，就能減少NOx排放物的生成。當(dāng)然，向燃燒火焰區(qū)噴散水或水蒸氣，以迫使降低燃燒火焰的溫度，同樣能夠起到抑制生成NOx的作用。但是，對(duì)于采用單個(gè)燃料噴嘴的燃燒室來說，借用噴水或噴蒸汽的方法很難使燃燒天然氣時(shí)NOx的排放量降低到小于42×10-6(體積分?jǐn)?shù)，下同)的水平(燒油時(shí)為70×10-6)。那時(shí)，噴水量大約是燃料消耗量的50%~70%，水質(zhì)還必須經(jīng)過預(yù)先處理，嚴(yán)防Na、K鹽的混入，否則會(huì)導(dǎo)致燃?xì)馔钙饺~片的腐蝕。這種方法不僅會(huì)增大水處理設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用的消耗，還會(huì)使機(jī)組的熱效率下降1.8%-2.0%左右；燃燒室的檢修間隔和使用壽命也都會(huì)縮短。但是它卻能使機(jī)組的功率增大3%左右。因而自80年代以后，這個(gè)方法已在燃?xì)廨啓C(jī)中普遍使用。雖然其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，但方法簡便，NOx的排放量暫且能夠滿足指標(biāo)不是很高的法定標(biāo)準(zhǔn)。SCR法是在催化劑的作用下向燃燒產(chǎn)物噴散氨水，使與燃燒產(chǎn)物中的NO和NO2反應(yīng)成為N2+NO2，即：4NO+4NH3+O24N2+6H2O；6NO2+8NH37N2+12H2O催化反應(yīng)器的尺寸很大，它被布設(shè)在余熱鍋爐中溫度介于290-400℃的區(qū)段。由于催化反應(yīng)的溫度限定得很嚴(yán)，因而只能在負(fù)荷工況比較穩(wěn)定的機(jī)組中使用。特別是不能在變轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變化較大的機(jī)組(如驅(qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī))中使用。它可以使因擴(kuò)散燃燒火焰而產(chǎn)生的200~500×10-6含量(體積分?jǐn)?shù))的NOx脫除90%。但是，其投資費(fèi)用卻很高，大約是燃?xì)廨啓C(jī)價(jià)格的20%；催化反應(yīng)器的壽命僅4-8年；而且不能燃用含硫量高于1000×10-6(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的燃料，否則催化劑會(huì)中毒而失效。因而SCR法使用得還不甚普遍。催化燃燒法是想在燃燒室中布設(shè)催化反應(yīng)床，借以燃燒非常稀釋的燃料/空氣的混合物，它能使NOx的排放量降得非常低。但是，目前催化床和催化劑都尚未過關(guān)，正在開發(fā)之中。短期內(nèi)尚無使用價(jià)值?？傊?，在90年代之前燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室主要是按照擴(kuò)散燃燒的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。為了實(shí)現(xiàn)本章第2節(jié)中提出的一系列性能指標(biāo)，人們大體上采取以下一些措施，即：合理地選擇燃燒區(qū)內(nèi)的一次空氣流量，確保在怠速工況下燃燒區(qū)內(nèi)的平均溫度不低于900℃，否則需要考慮一次空氣量可以調(diào)節(jié)的配氣機(jī)構(gòu)，或者安裝一個(gè)燃料供應(yīng)條件不受負(fù)荷工況變化的值班噴嘴，以保證整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)都能有一個(gè)比較高溫的燃燒條件。合理地選擇配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式和火焰管頭部空氣流量的分配關(guān)系，以便在燃燒區(qū)形成一個(gè)尺寸適度的回流區(qū)和湍流交換條件，以確?？諝馀c燃料的混合以及燃燒火焰的穩(wěn)定。合理地選擇噴油嘴結(jié)構(gòu)，保證在低負(fù)荷工況下液體燃料仍能具有良好的霧化特性，并能在燃燒區(qū)形成合理的燃燒濃度場。對(duì)于氣體燃料來說。則應(yīng)控制噴射壓差，以防把燃料噴射到火焰管壁附近的冷卻空氣層中去而無法起燃。噴射壓力過低時(shí)。則易發(fā)生振蕩燃燒。為了縮短燃燒火焰，經(jīng)常需要采用多個(gè)噴油嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上消除火焰管外二次流道內(nèi)可能產(chǎn)生的氣流的不規(guī)則流動(dòng)，這是保證火焰管內(nèi)流場對(duì)稱性的前提。否則，燃燒火焰不易穩(wěn)定，燃?xì)獬隹跍囟葓霾荒芫鶆?。合理地選擇火焰管的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻氣流的速度，并配之以合適的耐熱合金材料和涂層，以確?；鹧婀鼙诓恢劣谶^熱、變形和燒壞。合理地選擇摻混空氣量和混合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式與布局關(guān)系，以確保燃燒室的出口溫度場指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。合理地選擇點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)型式與布置位置，防止其積碳、過熱或燒壞，以確保燃燒室點(diǎn)火的可靠性。充分考慮燃燒室結(jié)構(gòu)元件的膨脹特性，避免應(yīng)力集中，力求不使燃燒室承受或傳遞機(jī)組的作用力?？紤]燃燒室拆裝、檢查和更換的方便性。燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的類型從總體結(jié)構(gòu)方案來看，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室可分為：圓筒型、分管型、環(huán)管型以及環(huán)形等四種。從燃燒室進(jìn)出口氣流流動(dòng)方向的變化，燃燒室又可分為順流式和逆流式。圓筒式燃燒室1-外殼1-外殼2-火焰管3-噴油嘴圖4-10R700-1型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室圓筒型燃燒室的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、便于維修、使用壽命長。其缺點(diǎn)是：空間利用率差、比容積熱強(qiáng)度較低、因此，不適用于要求結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)組。這種燃燒室在調(diào)試時(shí)所需風(fēng)源較大，這也是一個(gè)缺點(diǎn)。圓筒型燃燒室廣泛應(yīng)用于小功率燃?xì)廨啓C(jī)及部分中等功率燃?xì)廨啓C(jī)，在大功率燃?xì)廨啓C(jī)中僅少數(shù)機(jī)組采用。圖4-10為R700-1型1000kW燃?xì)廨啓C(jī)所使用的圓筒型燃燒室。此燃燒室為逆流式，空氣自下往上流入燃燒室，然后經(jīng)旋流器、射流孔、氣膜孔、等流入火焰管，空氣與燃料混合燃燒后產(chǎn)生的燃?xì)?約700℃)，向下流入渦輪進(jìn)氣渦殼。火焰管由1Cr18Ni9Ti耐熱鋼制成，其錐頂為雙層結(jié)構(gòu)，在內(nèi)層設(shè)有兩道冷卻氣膜?；鹧婀芡采聿糠譃殡p層多孔壁結(jié)構(gòu)，外層開有520個(gè)直徑為5mm的小孔，內(nèi)層則開有1942個(gè)直徑為5mm的小孔，由外層孔控制冷卻空氣量，在內(nèi)層孔出口處則形成保護(hù)火焰管的冷卻氣膜。分管型燃燒室分管型燃燒室的特點(diǎn)是：在一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)中設(shè)置若干分開的小燃燒室，燃燒室的數(shù)目通常為8~12個(gè)，個(gè)燃燒室圍繞燃?xì)廨啓C(jī)軸線均勻布置。每一燃燒室都有單獨(dú)的外殼、火焰管以及噴油嘴而自體系，但點(diǎn)火器僅安裝在個(gè)別燃燒室(通常為2個(gè))。燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí)，先將帶有點(diǎn)火器的燃燒室點(diǎn)燃，然后依靠燃燒室之間的聯(lián)焰管點(diǎn)燃其他燃燒室。圖4-11給出了分管型燃燒室的示意圖。1-噴油嘴2-旋流器3-火焰管4-外殼5-聯(lián)焰管圖4-11分管型燃燒室示意圖分管型燃燒室由于是在一給尺寸較小的管形燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，故較易組織良好的燃燒過程，且調(diào)試時(shí)所消耗的人力和物力都較少，由于它比較容易從燃?xì)廨啓C(jī)上拆卸，故對(duì)檢修很有利。但分管型燃燒室構(gòu)造較復(fù)雜，空間利用率不高，重量較重，需冷卻保護(hù)的火焰管表面相對(duì)地較多，起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)火焰管間傳焰性能差，出口溫度沿周向不均勻度大，燃燒室與直流布置地壓氣機(jī)和渦輪流路不適應(yīng)，故需采用型線復(fù)雜地管道過渡且壓力損失較大。由于上述缺點(diǎn)，目前已較少采用這種燃燒室。圖4-12為PG5301型20000kW工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)所使用地逆流式分管型燃燒室。該機(jī)組共有10個(gè)這樣地燃燒室。燃燒室出口燃?xì)鉁囟葹?00~935℃，燃燒室能燃用氣體及液體燃料，故采用氣-液雙重燃料噴嘴。一次空氣由旋流器及火焰管前段兩排射流孔流入，二次空氣由火焰管后段四只大孔流入?；鹧婀苡面嚮辖疴k材焊成。在火焰管錐頂和筒身均開有密布地魚鱗孔，使冷卻空氣流入時(shí)形成冷卻氣膜。燃燒室地點(diǎn)火器能在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)伸入火焰管以改善點(diǎn)火條件，但機(jī)組起動(dòng)點(diǎn)燃后，在壓力差地作用下自動(dòng)退出?；鹧婀茴^部支承于燃料噴嘴并被定心，火焰管尾部焊有彈性環(huán)片并將它插入燃?xì)鈱?dǎo)管，對(duì)火焰管出口端定位。在火焰管頭部焊有三個(gè)徑向插座，通過安裝于外殼地插腳，使火焰管相對(duì)于外殼作軸向和周向定位。1-燃料噴嘴2-旋流器3-點(diǎn)火器4-外殼5-火焰管6-燃?xì)鈱?dǎo)管7-聯(lián)焰管8-徑向插座9-錐頂圖4-12PG5301型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室環(huán)形燃燒室環(huán)形燃燒室地結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在由燃燒室內(nèi)、外殼體所形成的環(huán)形腔內(nèi)，安裝一由火焰管內(nèi)、外環(huán)所構(gòu)成的火焰管，如圖4-13所示。在環(huán)形火焰管頭部沿周向均勻布置若干旋流器(通常為12~20個(gè))。由于燃燒過程在整個(gè)火焰管環(huán)形空間內(nèi)進(jìn)行，空間利用比較充分，因此燃燒室的尺寸很緊湊，需要冷卻保護(hù)的火焰管面積也較少，故能較好地滿足近代燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室要求地溫升大、比容積熱強(qiáng)度高地特點(diǎn)。環(huán)型燃燒室能與直流布置的軸流式壓氣機(jī)和渦輪獲得最佳的流路配合。因此，管道型線和結(jié)構(gòu)都較為簡單，壓力損失也小。由于不再需要聯(lián)焰管傳焰，因此，不存在起動(dòng)點(diǎn)火使的傳焰問題。1-噴油嘴2-旋流器3-火焰管外環(huán)4-燃燒室外殼5-火焰管內(nèi)環(huán)6-燃燒室內(nèi)殼圖4-13環(huán)型燃燒室示意圖它的主要缺點(diǎn)是：調(diào)試時(shí)消耗空氣量大、油氣匹配難度大、組織燃燒較難；由于對(duì)進(jìn)口流場比較敏感，故不易獲得穩(wěn)定的出口流場；環(huán)形火焰管由于剛性差，在高溫下易發(fā)生變形；另外從檢修方面看，這種燃燒室的拆卸是比較困難的。環(huán)形燃燒室由于優(yōu)點(diǎn)很突出，所以廣泛應(yīng)用于航空燃?xì)廨啓C(jī)，在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中也有擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢(shì)。1-擴(kuò)壓器2-噴油嘴3-旋流器4-點(diǎn)火器5-火焰管頭部6-外殼7-火焰管外環(huán)8-火焰管內(nèi)環(huán)9-內(nèi)殼10-導(dǎo)流管圖4-14LM2500型船用燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室圖4-14為LM2500型18400kW(25000馬力)船用燃?xì)廨啓C(jī)所使用的環(huán)形燃燒室。此機(jī)組由航空燃?xì)廨啓C(jī)改型而來。在燃燒室上裝有30個(gè)雙油路離心式噴油嘴，每易噴油嘴都配有相應(yīng)的旋流器?；鹧婀苡蓪?dǎo)流器、頭部、外環(huán)、內(nèi)環(huán)四部分鉚接而成，其材料為鎳基合金。燃燒室殼體由外殼和內(nèi)殼組成。燃燒室出口燃起溫度為1149℃。一次空氣由旋流器及火焰管內(nèi)、外環(huán)上的兩排孔流入，二次空氣由火焰管外環(huán)上的一排孔及內(nèi)環(huán)上的兩排孔流入?；鹧婀茴^部設(shè)有三道冷卻氣膜，內(nèi)、外環(huán)上則各設(shè)有10道冷卻氣膜，冷卻結(jié)構(gòu)采用鉆孔式。點(diǎn)火器為高能半導(dǎo)體電嘴?；鹧婀茉趯?dǎo)流器處以10根均布的徑向銷釘支承與定位于外殼上，火焰管尾部則通過內(nèi)、外安裝環(huán)插入渦輪導(dǎo)向器，它可以允許火焰管作軸向及徑向膨脹。環(huán)管型燃燒室這種燃燒室的殼體與環(huán)形燃燒室相同，但在由內(nèi)、外殼體所形成的環(huán)形腔內(nèi)，沿周向均勻布置若干管形火焰管(通常為8~12個(gè))，各火焰管之間為了點(diǎn)火傳焰也以聯(lián)焰管相通。由圖4-15可以看出，這種燃燒室在結(jié)構(gòu)上是介于前述兩種燃燒室之間，其優(yōu)、缺點(diǎn)也介于兩者之間。1-噴油嘴2-旋流器3-火焰管4-外殼5-內(nèi)殼6-聯(lián)焰管圖4-15環(huán)管型燃燒室示意圖環(huán)管型燃燒室吸取了分管型燃燒室的優(yōu)點(diǎn)，燃燒過程在尺寸較小的火焰管內(nèi)進(jìn)行，油氣匹配較好，這對(duì)組織燃燒有利。在調(diào)試燃燒室時(shí)，可在由1~3個(gè)火焰管組成的扇形段中進(jìn)行，由于所需空氣量少，有利于調(diào)試工作。在空間利用方面，它吸取了環(huán)形燃燒室的優(yōu)點(diǎn)，故尺寸比較緊湊。它的主要缺點(diǎn)是燃燒室進(jìn)口段流動(dòng)比較復(fù)雜，故擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)困難，同時(shí)它也存在傳焰問題，但情況比分管型燃燒室為好。在航空燃?xì)廨啓C(jī)及其改裝工業(yè)型機(jī)組常采用順流式環(huán)管型燃燒室，在工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)中，為了縮短機(jī)組長度，常采用逆流式環(huán)管型燃燒室。不同類型燃燒室的比較圓筒型燃燒室的最大優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單；機(jī)組的全部空氣流過一個(gè)或兩個(gè)燃燒室，能適應(yīng)固定式燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，便于與壓氣機(jī)和透平配裝；裝拆容易。由于燃燒室的尺寸比較大，因而在流阻損失較小的前提下，比較容易取得燃