燃氣輪機燃燒室?；囼灧椒ㄑ芯?/h1>
2019-02-13 16:37朱杰文翁培奮項文威
上海電力大學(xué)學(xué)報 2019年2期
朱杰文, 劉 江,b, 翁培奮,b, 項文威
(上海電力學(xué)院 a.能源與機械工程學(xué)院， b.上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心, 上海 200090)
燃氣輪機作為能源裝置具有高效率、低污染等優(yōu)點,在發(fā)電、分布式能源、動力系統(tǒng)以及船舶等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)、冷熱電三聯(lián)產(chǎn)分布式供能系統(tǒng)等諸多優(yōu)點使其可以逐步替代煤電,為改造煤電提供了方向[1-3]。燃燒室作為燃氣輪機的核心部件之一,有燃氣輪機的“心臟”之稱,燃氣輪機工作的穩(wěn)定性、可靠性在很大程度上依賴燃燒室的工作性能[4-5]。在燃燒室內(nèi)燃料進行強烈的化學(xué)反應(yīng),燃料的化學(xué)能與氧氣燃燒反應(yīng)產(chǎn)生熱能,反應(yīng)造成的高溫高壓產(chǎn)物推動透平做功,進一步將熱能通過透平轉(zhuǎn)變成所需要的機械能。燃燒室內(nèi)部的工作涉及一系列復(fù)雜傳熱傳質(zhì)過程,燃燒室的出口參數(shù)關(guān)系到透平的工作,進而給整臺機組的性能帶來影響[6-7]。2013年國務(wù)院發(fā)布了《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃 (2012—2030年)》[8],將“潔凈高效燃氣輪機實驗裝置”列為“十二五”啟動的項目之一,而且“十三五”規(guī)劃中也明確要求重點推動重型燃氣輪機發(fā)展和掌握高效低排放燃燒室的設(shè)計技術(shù)。
燃氣輪機配備任何一款燃燒室都要經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)調(diào)試、改進,才能逐步達到設(shè)計指標。調(diào)試過程中需要廣泛結(jié)合以往經(jīng)驗以及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)制定方案,這是燃氣輪機研制過程中不可逾越的一部分[9-10]。為了保證燃燒室試驗的準確性,需要試驗條件與運行條件相一致,這樣費用將會十分昂貴,而通過?；囼?zāi)軌蛟谳^低費用下得到與真實燃燒室內(nèi)部近似的各種參數(shù)。因此,充分了解燃燒室?；?、模化準則和?；囼灧椒?不僅能簡化試驗過程,而且能夠加快燃氣輪機燃燒室研發(fā)進程。
1 燃燒室?；砑跋嚓P(guān)理論準則
燃氣輪機的發(fā)展方向是追求較高的壓力比、較高的入口溫度以及較大的功率。燃燒室?；褪鞘谷紵夷Ｐ蛢?nèi)部工作狀況與實際燃燒室工作狀況相似,即保證兩者之間呈現(xiàn)的物理、化學(xué)規(guī)律相同,相關(guān)變量在對應(yīng)空間、對應(yīng)時間成一定比例[11]。用相似理論方法進行燃燒室試驗,在燃燒室實物或者幾何尺寸較小的模擬燃燒室里,用相對原始空氣源較低的“?；瘏?shù)”做試驗,為燃燒室的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計減少人力和物力的投入。
?；笕紵业脑囼?zāi)芊裾_反映出實際燃燒室內(nèi)的流動燃燒現(xiàn)象,由相似原理可知必須要滿足4個單值性條件[11]:模化前后試件幾何相似;參與試驗的氣體或燃料的物理性質(zhì)相似;邊界條件相似;單值性條件組成的相似準則相等,以這些單值性條件為基礎(chǔ)而推導(dǎo)出的基本相似準則包括雷諾準則、傅魯?shù)聹蕜t、歐拉準則、馬赫準則、卡巴準則、紊流克努森準則等共計11個相似準則[12]。
1.1 傳統(tǒng)模擬準則
1.1.1 等容積流率?；瘻蕜t
當進氣壓力pM≥0.147 2 MPa時,在幾何相似、進口燃料與空氣溫度相同的條件下,等容積流率?；瘻蕜t表達式為[13]
qvaM=qvaR
式中:qvaM,qvaR——空氣容積流率的試驗參數(shù)、原設(shè)計參數(shù)。
因而,試驗時采用的空氣質(zhì)量流率qmaM滿足
式中:qmaM,qmaR——空氣的質(zhì)量流率的試驗參數(shù)、原設(shè)計參數(shù);
pcM,pcR——燃燒室入口空氣壓力的試驗參數(shù)、原設(shè)計參數(shù)。
1.1.2 卡巴準則(K準則)
用D表示火焰筒的筒徑,K準則通用形式表示為[9]
式中:ma——燃燒室進口空氣質(zhì)量流量;
pc,Tc——燃燒室空氣進口壓力和進口溫度。
1.1.3 L準則
用F和l分別代表燃燒室參考橫截面積和長度,L準則的通用形式表示為[14]
式中:q——燃燒室質(zhì)量流量;
p——燃燒室進口壓力;
T——燃燒室進口溫度;
b——余氣系數(shù)的函數(shù)。
1.1.4 N準則
郭明煥等人[15]以傳統(tǒng)的K準則與L準則為依據(jù),推導(dǎo)出一種按真實燃燒室進氣壓力、流量及實驗設(shè)備可達到的進氣壓力、流量計算試驗壓力或其指數(shù)的?；瘻蕜t(簡稱“N準則”)。
1.2 現(xiàn)有?；碚?/h3>
燃氣輪機內(nèi)發(fā)生的燃燒現(xiàn)象是一個復(fù)雜的物理-化學(xué)過程,因此確保試驗過程中燃燒室的燃燒狀況與原型機實際的燃燒過程相似,才能保證試驗數(shù)據(jù)有效。而整個燃燒過程十分復(fù)雜,缺乏比較完善的理論可以系統(tǒng)描述每一過程。以下幾種?；芯糠椒ń鼛啄甑玫酵晟瓢l(fā)展,并在燃氣輪機燃燒室的?；芯恐械玫綇V泛的應(yīng)用。
1.2.1 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論和火焰?zhèn)鞑ダ碚?/p>
化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論:假定在燃燒室燃燒反應(yīng)過程中,氧化劑的氧化過程是最慢的一個反應(yīng),它決定整個燃燒室的燃燒效率?；鹧?zhèn)鞑ダ碚?假定燃燒室的燃燒效率由火焰?zhèn)鞑ニ俣葲Q定,而燃燒過程看成是火焰在燃燒室不同燃料空氣混合區(qū)內(nèi)傳遞過程,并且紊流對燃燒效率的影響僅考慮多火焰表面積的影響。CHILDS J H和GRAVES C C[16]由上述兩種假定推導(dǎo)出在不同壓力條件下燃燒室燃燒效率?；瘻蕜t。
1.2.2 燃燒速率理論
燃燒速率理論主要基于兩個假設(shè):燃燒速率和氣體速率的比值決定燃燒室的燃燒特性;任何尺度的紊流都會影響燃燒室的燃燒速率。GREENHOUGH V W等人[17]通過燃燒速率理論分析推導(dǎo)出有關(guān)燃燒效率的?；瘻蕜t。楊銳等人[18]通過對兩種不同燃燒類型的燃燒室進行數(shù)值計算,分析了燃燒效率?；囼炛腥紵愋蛯毫χ笖?shù)的影響規(guī)律。
2 燃燒室?；囼灧椒?/h2>
燃燒室?；囼灧椒ǚ譃閮纱箢?原型試驗法和物理模型試驗法。原型試驗法表示在實際燃燒室內(nèi)并保證工作狀況與實際工作條件相同下進行試驗,進而測量出燃燒室在實際運行中的各種參數(shù)。物理模型試驗法則通常采用燃燒室尺寸不作任何改變,但在試驗工況為簡化或縮小的參數(shù)下進行試驗(稱為低壓?；囼?;或者改變?nèi)紵夷Ｐ偷拇笮?通過縮小或放大原燃燒室模型(一般為縮小模型)的方法進行試驗測量(稱為尺寸模化試驗)[19]。
2.1 原型試驗法
原型試驗法要求測量實際運行中的燃燒室或燃燒器中的各種參數(shù),運行條件為實際工作狀況,因此得到的結(jié)果比較可靠。原型試驗要求試驗條件為燃燒室實際工況(高壓條件下),在實驗室中營造高壓環(huán)境需要很強的空氣能源,使得試驗投入費用高昂,故原型試驗法較少使用。
對于一些特殊條件下運行的燃氣輪機,例如航空發(fā)動機,則需要獲得發(fā)動機燃燒室在實際工況下的數(shù)據(jù),因此原型試驗法是研制航空發(fā)動機燃燒室的必須手段。孟剛等人[20]概括闡述了國外一些航空強國航空發(fā)動機燃燒室研發(fā)機構(gòu),詳細介紹了主要的發(fā)動機燃燒室試驗器類型以及各類試驗器的詳細結(jié)構(gòu)、測量系統(tǒng)布置等情況,并針對我國現(xiàn)階段航空發(fā)動機燃燒室研發(fā)的不足提出相關(guān)建議,為我國航空事業(yè)發(fā)展提供了借鑒。
羅智鋒等人[21]詳細介紹了某燃氣電廠燃燒室故障解決過程中試驗平臺的搭設(shè)以及如何確保試驗條件與實際運行條件一致的方法過程。其中,試驗件為1/20大小的環(huán)管式燃燒室,試驗過程重現(xiàn)燃燒室壁面燒蝕現(xiàn)象,分析在運行過程中出現(xiàn)該問題的原因及解決手段,為燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化積累了經(jīng)驗。
2.2 物理模型試驗法
2.2.1 低壓?；囼?/p>
謝剛等人[22]為測試某型燃氣輪機燃燒室的排放性能,在低壓模擬環(huán)境下對單管燃燒室進行試驗,發(fā)現(xiàn)該型燃燒室污染物排放超標等問題,并提出進一步改善污染物排放方案。林楓等人[23]對某型燃氣輪機燃燒室振蕩燃燒進行了全尺寸低壓?；囼?分析了影響燃燒室內(nèi)壓力出現(xiàn)波動的原因及變化規(guī)律,并為抑制振蕩燃燒提供了方法。房愛兵[24]為了研究燃氣輪機燃燒室合成氣燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,對全尺寸燃燒室在中壓實驗臺進行了試驗,分析了實驗數(shù)據(jù)并與全壓條件下擴散燃燒不穩(wěn)定性進行對比,為優(yōu)化合成氣燃燒室的擴散燃燒提供了理論支撐。
汪鳳山等人[25]通過運用等容積流率模化準則,研究了額定工況下某型燃氣輪機燃燒室的燃燒性能,分析了燃燒室火焰筒壁面溫度分布以及燃燒室出口溫度分布規(guī)律,并進一步探究主燃區(qū)與點火區(qū)之間燃料流量比例變化對燃燒室排放的影響規(guī)律。徐綱等人[26]運用等容積流率?；瘻蕜t的方法,在中壓全尺寸實驗臺上對兩個用中熱值合成氣的某分管型燃氣輪機燃燒室的改造方案進行考核和研究,驗證改造之后燃氣輪機燃燒室的性能參數(shù)是否達標。李名家等人[27]針對某型燃氣輪機逆流環(huán)管型燃燒室,運用等容積流率?；瘻蕜t,分析了該燃燒室聯(lián)焰管附近主燃孔裂紋,分析故障原因并對火焰筒等結(jié)構(gòu)進行了局部優(yōu)化。汪鳳山等人[28]基于等容積流率?；瘻蕜t,對某微型燃氣輪機燃燒室進行試驗研究,在確保燃氣輪機額定工況、燃燒室出口溫度不變的情況下,研究了燃燒室空氣進口流量、溫度對燃燒效率和NOx排放的影響。
黎明等人[29]為測試燃燒室內(nèi)部國產(chǎn)化火焰筒性能,在連續(xù)氣源及部分燃燒室試驗件條件下,使用卡巴準則模擬實際工況,通過對比國內(nèi)外相同型號火焰筒的燃燒效率性能、出口溫度分布狀況、壁溫分布和貧油熄火性能,提出了優(yōu)化方案。
2.2.2 尺寸?；囼?/p>
倪蘭凱[30]介紹了國外研究人員按比例縮小燃氣輪機燃燒室進行燃燒室燃燒性能研究的一系列試驗,并設(shè)計建造了一套燃燒試驗段,主要研究燃燒流場、燃燒過程中NOx排放等問題。何念等人[31]深入研究了低壓?；瘲l件對燃燒室工作狀況的影響,在燃燒室燃料為天然氣的情況下,對取原型燃燒室1/3大小的模化參數(shù)下進行數(shù)值模擬,將得到數(shù)據(jù)與全壓下燃燒室特性數(shù)據(jù)對比分析,為燃燒室低壓?；峁┮罁?jù)。劉凱等人[32]對某重型燃氣輪機(E級)燃燒室采用節(jié)流?；椒?并對環(huán)形燃燒室1/20大小的扇形試驗段進行試驗,研究其出口溫度場溫度分布,通過調(diào)整摻混孔尺寸與布局使周向/徑向溫度分布系數(shù)達到設(shè)計要求。此后,劉凱等人[33]進一步深入研究了環(huán)形燃燒室1/20大小的扇形試驗段某型燃氣輪機燃燒室出口溫度場與摻混孔孔徑比、相對孔距之間的關(guān)系,并得出在合適的相對孔距、孔徑比的條件下,溫度分布系數(shù)表現(xiàn)最佳的實驗結(jié)論。張振奎等人[34]采用節(jié)流?；姆椒?對高壓條件下配有環(huán)形燃燒室1/8大小的試驗段的試驗臺,研究了燃燒室出口溫度分布與燃燒室頭部燃油噴射點的數(shù)量之間的關(guān)系。
3 燃燒室水流模擬方法
雖然通過燃燒室模化方法能夠一定程度上簡化試驗所需條件,但是燃燒室?；笕匀恍枰邏簹庠匆约傲Ｗ訄D像測速儀來獲得燃燒室內(nèi)部流場。為了快速有效獲得燃燒室內(nèi)流動規(guī)律,常常采用水流模擬方法。該方法是用水流代替空氣進行燃燒室內(nèi)部流場模擬且無需特殊試驗設(shè)備拍攝流場,因此在燃燒室研發(fā)初期得到了國內(nèi)一些研究人員的青睞。
牛利明等人[35]探討了燃燒室水流模擬試驗相對于常規(guī)氣相試驗的優(yōu)點,分析燃燒室水流模擬試驗的原理和特點,并詳細闡述了如何利用水流模擬進行燃燒室試驗。王力軍等人[36]為驗證某型燃氣輪機燃燒室內(nèi)流場與該燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果的相關(guān)性,搭建了類比原型燃燒室的冷態(tài)水流模擬試驗平臺,采用紅色顏料作為示蹤劑顯示燃燒室內(nèi)不同位置的流場軌跡,得出水流模擬條件下與數(shù)值模擬方法下燃燒室內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)相似的結(jié)論。宋雙文等人[37]利用某折流燃燒室1/4大小的扇形試驗條件進行了水流模擬試驗,通過攝像、手工描繪方法獲得了該燃燒室內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)、回流區(qū)形狀等定性參數(shù),并測量了相關(guān)阻力參數(shù)。
近年來,隨著重型燃氣輪機燃燒室設(shè)計技術(shù)的日益成熟,環(huán)保指標日益嚴格,燃燒室內(nèi)部細小結(jié)構(gòu)的改變就能影響整個燃燒室的工作性能,因此需要燃燒室內(nèi)部詳細準確的流場結(jié)構(gòu)。但由于水流模擬方法只能通過水流流動狀態(tài)反映燃燒室內(nèi)部流場,缺乏準確數(shù)據(jù)分析外推獲得燃燒室內(nèi)部真實流場信息,不能反映細部流場特征,因此水流模擬方法在測量燃燒室流場中具有一定局限性,現(xiàn)階段已較少應(yīng)用。
4 結(jié) 語
經(jīng)過多年大力發(fā)展燃氣輪機,燃氣輪機燃燒室的進氣參數(shù)逐年遞增,排氣溫度、壓力也呈現(xiàn)增長趨勢,燃燒室?；囼灥碾y度也在提高。為了減少燃燒室?；囼灲Y(jié)果與燃燒室實際參數(shù)誤差,需要運用更加準確的?；瘻蕜t。
燃氣輪機燃燒室試驗的?；瘻蕜t與?；椒ㄒ呀?jīng)越來越成熟,國內(nèi)主要使用的?；瘻蕜t是低壓模化下等容積流率?；瘻蕜t,也可運用一些其他類型的?；瘻蕜t,探究不同模化準則之間的差別。隨著計算流體力學(xué)的深入發(fā)展,結(jié)合使用燃燒室試驗?zāi)；蛿?shù)值模擬,能夠提升?；瘻蕜t的準確性,加快燃氣輪機燃燒室?；囼?節(jié)省實驗時間與耗費。
猜你喜歡
帶交換和跳躍的一維雙向自驅(qū)動系統(tǒng)的仿真研究安慶師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)(2021年1期)2021-03-14 一種熱電偶在燃燒室出口溫度場的測量應(yīng)用電子制作(2019年19期)2019-11-23 第二法向應(yīng)力差與氣輔共擠出脹大的關(guān)系中國材料進展(2019年5期)2019-07-20 多束光在皮膚組織中傳輸?shù)拿商乜_模擬泰山學(xué)院學(xué)報(2018年6期)2018-12-18 注射流率對腦磁共振灌注成像血流動力學(xué)的影響中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(2015年2期)2015-09-18 《燃氣輪機技術(shù)》2014年索引燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16 SGT5-4000F(4)燃氣輪機夏季最大負荷研究及應(yīng)用燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16 輕型燃氣輪機LM6000PC與重型燃氣輪機PG6581B研究與對比分析燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16 二次燃料噴射對燃氣輪機中低熱值燃燒室性能的影響燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16 50MW級SGT-800型西門子燃氣輪機的性能驗證燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16
朱杰文, 劉 江,b, 翁培奮,b, 項文威
(上海電力學(xué)院 a.能源與機械工程學(xué)院， b.上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心, 上海 200090)
燃氣輪機作為能源裝置具有高效率、低污染等優(yōu)點,在發(fā)電、分布式能源、動力系統(tǒng)以及船舶等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)、冷熱電三聯(lián)產(chǎn)分布式供能系統(tǒng)等諸多優(yōu)點使其可以逐步替代煤電,為改造煤電提供了方向[1-3]。燃燒室作為燃氣輪機的核心部件之一,有燃氣輪機的“心臟”之稱,燃氣輪機工作的穩(wěn)定性、可靠性在很大程度上依賴燃燒室的工作性能[4-5]。在燃燒室內(nèi)燃料進行強烈的化學(xué)反應(yīng),燃料的化學(xué)能與氧氣燃燒反應(yīng)產(chǎn)生熱能,反應(yīng)造成的高溫高壓產(chǎn)物推動透平做功,進一步將熱能通過透平轉(zhuǎn)變成所需要的機械能。燃燒室內(nèi)部的工作涉及一系列復(fù)雜傳熱傳質(zhì)過程,燃燒室的出口參數(shù)關(guān)系到透平的工作,進而給整臺機組的性能帶來影響[6-7]。2013年國務(wù)院發(fā)布了《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃 (2012—2030年)》[8],將“潔凈高效燃氣輪機實驗裝置”列為“十二五”啟動的項目之一,而且“十三五”規(guī)劃中也明確要求重點推動重型燃氣輪機發(fā)展和掌握高效低排放燃燒室的設(shè)計技術(shù)。
燃氣輪機配備任何一款燃燒室都要經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)調(diào)試、改進,才能逐步達到設(shè)計指標。調(diào)試過程中需要廣泛結(jié)合以往經(jīng)驗以及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)制定方案,這是燃氣輪機研制過程中不可逾越的一部分[9-10]。為了保證燃燒室試驗的準確性,需要試驗條件與運行條件相一致,這樣費用將會十分昂貴,而通過?；囼?zāi)軌蛟谳^低費用下得到與真實燃燒室內(nèi)部近似的各種參數(shù)。因此,充分了解燃燒室?；?、模化準則和?；囼灧椒?不僅能簡化試驗過程,而且能夠加快燃氣輪機燃燒室研發(fā)進程。
1 燃燒室?；砑跋嚓P(guān)理論準則
燃氣輪機的發(fā)展方向是追求較高的壓力比、較高的入口溫度以及較大的功率。燃燒室?；褪鞘谷紵夷Ｐ蛢?nèi)部工作狀況與實際燃燒室工作狀況相似,即保證兩者之間呈現(xiàn)的物理、化學(xué)規(guī)律相同,相關(guān)變量在對應(yīng)空間、對應(yīng)時間成一定比例[11]。用相似理論方法進行燃燒室試驗,在燃燒室實物或者幾何尺寸較小的模擬燃燒室里,用相對原始空氣源較低的“?；瘏?shù)”做試驗,為燃燒室的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計減少人力和物力的投入。
?；笕紵业脑囼?zāi)芊裾_反映出實際燃燒室內(nèi)的流動燃燒現(xiàn)象,由相似原理可知必須要滿足4個單值性條件[11]:模化前后試件幾何相似;參與試驗的氣體或燃料的物理性質(zhì)相似;邊界條件相似;單值性條件組成的相似準則相等,以這些單值性條件為基礎(chǔ)而推導(dǎo)出的基本相似準則包括雷諾準則、傅魯?shù)聹蕜t、歐拉準則、馬赫準則、卡巴準則、紊流克努森準則等共計11個相似準則[12]。
1.1 傳統(tǒng)模擬準則
1.1.1 等容積流率?；瘻蕜t
當進氣壓力pM≥0.147 2 MPa時,在幾何相似、進口燃料與空氣溫度相同的條件下,等容積流率?；瘻蕜t表達式為[13]
qvaM=qvaR
式中:qvaM,qvaR——空氣容積流率的試驗參數(shù)、原設(shè)計參數(shù)。
因而,試驗時采用的空氣質(zhì)量流率qmaM滿足
式中:qmaM,qmaR——空氣的質(zhì)量流率的試驗參數(shù)、原設(shè)計參數(shù);
pcM,pcR——燃燒室入口空氣壓力的試驗參數(shù)、原設(shè)計參數(shù)。
1.1.2 卡巴準則(K準則)
用D表示火焰筒的筒徑,K準則通用形式表示為[9]
式中:ma——燃燒室進口空氣質(zhì)量流量;
pc,Tc——燃燒室空氣進口壓力和進口溫度。
1.1.3 L準則
用F和l分別代表燃燒室參考橫截面積和長度,L準則的通用形式表示為[14]
式中:q——燃燒室質(zhì)量流量;
p——燃燒室進口壓力;
T——燃燒室進口溫度;
b——余氣系數(shù)的函數(shù)。
1.1.4 N準則
郭明煥等人[15]以傳統(tǒng)的K準則與L準則為依據(jù),推導(dǎo)出一種按真實燃燒室進氣壓力、流量及實驗設(shè)備可達到的進氣壓力、流量計算試驗壓力或其指數(shù)的?；瘻蕜t(簡稱“N準則”)。
1.2 現(xiàn)有?；碚?/h3>
燃氣輪機內(nèi)發(fā)生的燃燒現(xiàn)象是一個復(fù)雜的物理-化學(xué)過程,因此確保試驗過程中燃燒室的燃燒狀況與原型機實際的燃燒過程相似,才能保證試驗數(shù)據(jù)有效。而整個燃燒過程十分復(fù)雜,缺乏比較完善的理論可以系統(tǒng)描述每一過程。以下幾種?；芯糠椒ń鼛啄甑玫酵晟瓢l(fā)展,并在燃氣輪機燃燒室的?；芯恐械玫綇V泛的應(yīng)用。
1.2.1 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論和火焰?zhèn)鞑ダ碚?/p>
化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論:假定在燃燒室燃燒反應(yīng)過程中,氧化劑的氧化過程是最慢的一個反應(yīng),它決定整個燃燒室的燃燒效率?；鹧?zhèn)鞑ダ碚?假定燃燒室的燃燒效率由火焰?zhèn)鞑ニ俣葲Q定,而燃燒過程看成是火焰在燃燒室不同燃料空氣混合區(qū)內(nèi)傳遞過程,并且紊流對燃燒效率的影響僅考慮多火焰表面積的影響。CHILDS J H和GRAVES C C[16]由上述兩種假定推導(dǎo)出在不同壓力條件下燃燒室燃燒效率?；瘻蕜t。
1.2.2 燃燒速率理論
燃燒速率理論主要基于兩個假設(shè):燃燒速率和氣體速率的比值決定燃燒室的燃燒特性;任何尺度的紊流都會影響燃燒室的燃燒速率。GREENHOUGH V W等人[17]通過燃燒速率理論分析推導(dǎo)出有關(guān)燃燒效率的?；瘻蕜t。楊銳等人[18]通過對兩種不同燃燒類型的燃燒室進行數(shù)值計算,分析了燃燒效率?；囼炛腥紵愋蛯毫χ笖?shù)的影響規(guī)律。
2 燃燒室?；囼灧椒?/h2>
燃燒室?；囼灧椒ǚ譃閮纱箢?原型試驗法和物理模型試驗法。原型試驗法表示在實際燃燒室內(nèi)并保證工作狀況與實際工作條件相同下進行試驗,進而測量出燃燒室在實際運行中的各種參數(shù)。物理模型試驗法則通常采用燃燒室尺寸不作任何改變,但在試驗工況為簡化或縮小的參數(shù)下進行試驗(稱為低壓?；囼?;或者改變?nèi)紵夷Ｐ偷拇笮?通過縮小或放大原燃燒室模型(一般為縮小模型)的方法進行試驗測量(稱為尺寸模化試驗)[19]。
2.1 原型試驗法
原型試驗法要求測量實際運行中的燃燒室或燃燒器中的各種參數(shù),運行條件為實際工作狀況,因此得到的結(jié)果比較可靠。原型試驗要求試驗條件為燃燒室實際工況(高壓條件下),在實驗室中營造高壓環(huán)境需要很強的空氣能源,使得試驗投入費用高昂,故原型試驗法較少使用。
對于一些特殊條件下運行的燃氣輪機,例如航空發(fā)動機,則需要獲得發(fā)動機燃燒室在實際工況下的數(shù)據(jù),因此原型試驗法是研制航空發(fā)動機燃燒室的必須手段。孟剛等人[20]概括闡述了國外一些航空強國航空發(fā)動機燃燒室研發(fā)機構(gòu),詳細介紹了主要的發(fā)動機燃燒室試驗器類型以及各類試驗器的詳細結(jié)構(gòu)、測量系統(tǒng)布置等情況,并針對我國現(xiàn)階段航空發(fā)動機燃燒室研發(fā)的不足提出相關(guān)建議,為我國航空事業(yè)發(fā)展提供了借鑒。
羅智鋒等人[21]詳細介紹了某燃氣電廠燃燒室故障解決過程中試驗平臺的搭設(shè)以及如何確保試驗條件與實際運行條件一致的方法過程。其中,試驗件為1/20大小的環(huán)管式燃燒室,試驗過程重現(xiàn)燃燒室壁面燒蝕現(xiàn)象,分析在運行過程中出現(xiàn)該問題的原因及解決手段,為燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化積累了經(jīng)驗。
2.2 物理模型試驗法
2.2.1 低壓?；囼?/p>
謝剛等人[22]為測試某型燃氣輪機燃燒室的排放性能,在低壓模擬環(huán)境下對單管燃燒室進行試驗,發(fā)現(xiàn)該型燃燒室污染物排放超標等問題,并提出進一步改善污染物排放方案。林楓等人[23]對某型燃氣輪機燃燒室振蕩燃燒進行了全尺寸低壓?；囼?分析了影響燃燒室內(nèi)壓力出現(xiàn)波動的原因及變化規(guī)律,并為抑制振蕩燃燒提供了方法。房愛兵[24]為了研究燃氣輪機燃燒室合成氣燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,對全尺寸燃燒室在中壓實驗臺進行了試驗,分析了實驗數(shù)據(jù)并與全壓條件下擴散燃燒不穩(wěn)定性進行對比,為優(yōu)化合成氣燃燒室的擴散燃燒提供了理論支撐。
汪鳳山等人[25]通過運用等容積流率模化準則,研究了額定工況下某型燃氣輪機燃燒室的燃燒性能,分析了燃燒室火焰筒壁面溫度分布以及燃燒室出口溫度分布規(guī)律,并進一步探究主燃區(qū)與點火區(qū)之間燃料流量比例變化對燃燒室排放的影響規(guī)律。徐綱等人[26]運用等容積流率?；瘻蕜t的方法,在中壓全尺寸實驗臺上對兩個用中熱值合成氣的某分管型燃氣輪機燃燒室的改造方案進行考核和研究,驗證改造之后燃氣輪機燃燒室的性能參數(shù)是否達標。李名家等人[27]針對某型燃氣輪機逆流環(huán)管型燃燒室,運用等容積流率?；瘻蕜t,分析了該燃燒室聯(lián)焰管附近主燃孔裂紋,分析故障原因并對火焰筒等結(jié)構(gòu)進行了局部優(yōu)化。汪鳳山等人[28]基于等容積流率?；瘻蕜t,對某微型燃氣輪機燃燒室進行試驗研究,在確保燃氣輪機額定工況、燃燒室出口溫度不變的情況下,研究了燃燒室空氣進口流量、溫度對燃燒效率和NOx排放的影響。
黎明等人[29]為測試燃燒室內(nèi)部國產(chǎn)化火焰筒性能,在連續(xù)氣源及部分燃燒室試驗件條件下,使用卡巴準則模擬實際工況,通過對比國內(nèi)外相同型號火焰筒的燃燒效率性能、出口溫度分布狀況、壁溫分布和貧油熄火性能,提出了優(yōu)化方案。
2.2.2 尺寸?；囼?/p>
倪蘭凱[30]介紹了國外研究人員按比例縮小燃氣輪機燃燒室進行燃燒室燃燒性能研究的一系列試驗,并設(shè)計建造了一套燃燒試驗段,主要研究燃燒流場、燃燒過程中NOx排放等問題。何念等人[31]深入研究了低壓?；瘲l件對燃燒室工作狀況的影響,在燃燒室燃料為天然氣的情況下,對取原型燃燒室1/3大小的模化參數(shù)下進行數(shù)值模擬,將得到數(shù)據(jù)與全壓下燃燒室特性數(shù)據(jù)對比分析,為燃燒室低壓?；峁┮罁?jù)。劉凱等人[32]對某重型燃氣輪機(E級)燃燒室采用節(jié)流?；椒?并對環(huán)形燃燒室1/20大小的扇形試驗段進行試驗,研究其出口溫度場溫度分布,通過調(diào)整摻混孔尺寸與布局使周向/徑向溫度分布系數(shù)達到設(shè)計要求。此后,劉凱等人[33]進一步深入研究了環(huán)形燃燒室1/20大小的扇形試驗段某型燃氣輪機燃燒室出口溫度場與摻混孔孔徑比、相對孔距之間的關(guān)系,并得出在合適的相對孔距、孔徑比的條件下,溫度分布系數(shù)表現(xiàn)最佳的實驗結(jié)論。張振奎等人[34]采用節(jié)流?；姆椒?對高壓條件下配有環(huán)形燃燒室1/8大小的試驗段的試驗臺,研究了燃燒室出口溫度分布與燃燒室頭部燃油噴射點的數(shù)量之間的關(guān)系。
3 燃燒室水流模擬方法
雖然通過燃燒室模化方法能夠一定程度上簡化試驗所需條件,但是燃燒室?；笕匀恍枰邏簹庠匆约傲Ｗ訄D像測速儀來獲得燃燒室內(nèi)部流場。為了快速有效獲得燃燒室內(nèi)流動規(guī)律,常常采用水流模擬方法。該方法是用水流代替空氣進行燃燒室內(nèi)部流場模擬且無需特殊試驗設(shè)備拍攝流場,因此在燃燒室研發(fā)初期得到了國內(nèi)一些研究人員的青睞。
牛利明等人[35]探討了燃燒室水流模擬試驗相對于常規(guī)氣相試驗的優(yōu)點,分析燃燒室水流模擬試驗的原理和特點,并詳細闡述了如何利用水流模擬進行燃燒室試驗。王力軍等人[36]為驗證某型燃氣輪機燃燒室內(nèi)流場與該燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果的相關(guān)性,搭建了類比原型燃燒室的冷態(tài)水流模擬試驗平臺,采用紅色顏料作為示蹤劑顯示燃燒室內(nèi)不同位置的流場軌跡,得出水流模擬條件下與數(shù)值模擬方法下燃燒室內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)相似的結(jié)論。宋雙文等人[37]利用某折流燃燒室1/4大小的扇形試驗條件進行了水流模擬試驗,通過攝像、手工描繪方法獲得了該燃燒室內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)、回流區(qū)形狀等定性參數(shù),并測量了相關(guān)阻力參數(shù)。
近年來,隨著重型燃氣輪機燃燒室設(shè)計技術(shù)的日益成熟,環(huán)保指標日益嚴格,燃燒室內(nèi)部細小結(jié)構(gòu)的改變就能影響整個燃燒室的工作性能,因此需要燃燒室內(nèi)部詳細準確的流場結(jié)構(gòu)。但由于水流模擬方法只能通過水流流動狀態(tài)反映燃燒室內(nèi)部流場,缺乏準確數(shù)據(jù)分析外推獲得燃燒室內(nèi)部真實流場信息,不能反映細部流場特征,因此水流模擬方法在測量燃燒室流場中具有一定局限性,現(xiàn)階段已較少應(yīng)用。
4 結(jié) 語
經(jīng)過多年大力發(fā)展燃氣輪機,燃氣輪機燃燒室的進氣參數(shù)逐年遞增,排氣溫度、壓力也呈現(xiàn)增長趨勢,燃燒室?；囼灥碾y度也在提高。為了減少燃燒室?；囼灲Y(jié)果與燃燒室實際參數(shù)誤差,需要運用更加準確的?；瘻蕜t。
燃氣輪機燃燒室試驗的?；瘻蕜t與?；椒ㄒ呀?jīng)越來越成熟,國內(nèi)主要使用的?；瘻蕜t是低壓模化下等容積流率?；瘻蕜t,也可運用一些其他類型的?；瘻蕜t,探究不同模化準則之間的差別。隨著計算流體力學(xué)的深入發(fā)展,結(jié)合使用燃燒室試驗?zāi)；蛿?shù)值模擬,能夠提升?；瘻蕜t的準確性,加快燃氣輪機燃燒室?；囼?節(jié)省實驗時間與耗費。
猜你喜歡
安慶師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)(2021年1期)2021-03-14
電子制作(2019年19期)2019-11-23
中國材料進展(2019年5期)2019-07-20
泰山學(xué)院學(xué)報(2018年6期)2018-12-18
中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(2015年2期)2015-09-18
燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16
燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16
燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16
燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16
燃氣輪機技術(shù)(2014年4期)2014-04-16