燃氣輪機燃燒室燃燒穩定性分析

韓嘯

【摘 ?要】使用燃氣輪機的原理是將可燃物在燃燒時所釋放的化學能轉化成為燃氣輪機室在工作時候所需要的機械能的一種設備，因為燃氣輪機在工作的時候，具有功率大、效率高的特點，并且因為燃氣輪機設備的占地面積小，而且運行穩定，污染程度也比較低，所以說在一些發電或者天然氣管道輸送的時候，往往都會采用燃氣輪機設備，并且在一些電廠改造等行業也有所應用，可以說燃氣輪機的市場非常廣闊，而且燃氣輪機也是現在世界中衡量一個國家工業技術水平的重要指標。而燃氣輪機在運轉的時候，燃燒室就是其關鍵的組成部分，可以說，燃燒室支撐了燃氣輪機的運轉，所以說，只有讓燃燒室能夠穩定燃燒，才能保證燃氣輪機運轉的穩定，否則一旦發生熄火或者回火等情況，甚至火焰延長或者出現強烈的火焰脈動都會給燃燒室可燃物的穩定燃燒造成影響。如果燃燒室出現了熄火的情況，會導致燃氣輪機重啟啟動，而一旦出現回火很容易造成燃氣輪機的透平葉片被燒壞，同樣的強烈的火焰脈動也會給燃氣輪機帶來不小的損壞。

【關鍵詞】燃氣輪機;燃燒室;燃燒穩定性

引言

所謂燃燒穩定是說火焰在燃燒室中燃燒的時候，能夠保證對燃氣輪機有一個穩定的推力，從而讓燃氣輪機正常工作，而不穩定燃燒一般來說是因為在燃燒時候在短時間內釋放了大量的熱量而導致對燃氣輪機有一個破壞性的震蕩，這種震蕩被叫做熱聲震蕩繞少，通過對燃燒室可燃物燃燒原理進行分析，就可以幫助穩定燃氣輪機穩定運轉，同時還需要對不穩定燃燒進行數學模型構建來幫助燃燒輪機在燃燒時控制燃燒的穩定，到現在為止人們已經開始通過對燃燒不穩定進行了多種方式的套索，本文就燃燒室在火焰燃燒穩定進行了深入探討，為燃氣輪機的發展打下鋪墊。

一、火焰穩定性的方法

1.1方法分析

因為燃氣輪機在燃燒的時候屬于高速射流，因此其邊界層可以說非常稀薄，這就導致了在外圈的氣流速度要遠遠高于火焰的傳播速度，這就造成了火焰不能穩定燃燒而最終被吹熄，而如果想要讓火焰穩定的燃燒，就需要采取相應的措施來穩定火焰，讓火焰穩定的一個最基本的方法就是創造出穩定的點火源，所以說在這個時候，能夠對火焰燃燒穩定產生影響的有兩種情況，一種是流動因素，而另一個就是物理以及化學因素，流動因素采取流體動力學的手段來穩定燃燒時產生的火焰，而因為物理化學因素產生的影響就需要通過熱力學以及動力學來穩定火焰，如果只是單單的采用其中一種措施來穩定火焰往往是不夠的，這個時候就需要兼顧兩種措施，來達到更好的穩定效果。

1.2擴散火焰穩定法

對于以往的燃氣輪機，運轉的時候，通常會采用擴散燃燒方法，擴散火焰的端面積在空燃比等于化學計量比的界面處，所以說采用擴散燃燒的辦法，很難發生回火的情況，不過這種辦法的一個弊端就是火焰很有可能會因為氣體流速過高而被吹滅，針對這種情況，可以在火焰的最底部來穩定火源，盡可能不讓火焰熄滅，不僅題詞，一定要保證空燃比等于化學計量比，在穩定火焰的時候，通常會采用回流區穩定法，對于一些比如鈍體或者一些偏轉射流、避免凹槽、射流等等情況，可以采用環狀射流以及同軸射流的方法來幫助火焰穩定燃燒，如果燃燒物是煤粉的話，那么可以使用大差速同向射流來幫助火焰穩定燃燒。

1.3預混火焰穩定方法

由于社會上人們環保的意識越來越強，所以說在使用燃氣輪機的時候就必須降低產生的NO，以及CO和其他沒有完全燃燒而產生的物質，這種擴散火焰的燃燒方式會導致局部產生高溫，所以說到現在為止普遍使用的方式就是預混燃燒，使用該種方法有下面幾種方案，第一種就是利用回流熱氣體產生的氣體來幫助穩定火焰，也就是使用高溫回流氣體來幫助穩定點火時候所需要的溫度，第二種方式就是使用金屬棒或者金屬環等來穩定火焰，第三種方式就是用值班火焰來穩定。

二、燃燒不穩定性和震蕩燃燒

2.1產生原因和危害

因為燃氣輪機在燃燒的時候，燃燒過程非常復雜，并且因為在燃燒的時候會有傳熱以及其他劇烈化學反應的發生，所以說這是一種多擾動的耦合燃燒過程，在燃燒的時候，因為這種復雜的燃燒過程很容易產生自激振蕩，導致燃燒室內的壓力不穩定，經常會出現周期性或者類似這種周期性的變化，這種周期新的不穩定變化又會稱之為燃燒不穩定性，這種呈現周期性變化的燃燒很容易在燃燒的過程中發出低頻或者高頻的壓力震動，同時會因為燃燒時發出的噪聲，也被稱作震蕩燃燒，這種振蕩燃燒有很大的危害，比如會增加污染物的排放，并且會影響燃燒效率，在同一時刻，因為長時間的壓力增加也非常有可能會導致燃燒室的一些零件出現損壞的情況，一旦出現零件損壞，那么會給燃氣輪機的帶來極大的安全隱患。

2.2研究情況

Higgins在1802年的時候，通過對燃燒輪機的研究發現一個有趣的事實，他給火焰蓋上一個筒罩，在筒罩的正上面出現了一個較為明顯的聲調，并且在之后人們的研究中發現，因為火焰在燃燒的時候，會釋放熱波，這種熱波動會跟壓力波動之間的相位差有可能決定著能否產生震蕩燃燒，在燃燒的時候，會將燃氣壓縮，在壓縮之后會將震動方法，在之后人們的研究中發現在燃燒時與燃燒時間以及在某一時刻釋放的熱量和燃燒室的壓力油很大關系。Dwoing對這一情況提出了一個大膽的假設，發現了振蕩燃燒不衰竭的條件，在燃燒的時候，因為熱量在被轉化聲能量的時候，這一數值超過了聲能損失的能量，也就是說聲能的變化量是非負的，能夠影響燃燒不穩定的原因有以下幾種：第一種是壓氣機排氣系統，第二種是燃料供應系統，第三種是燃燒室的排氣系統，因為在燃燒的時候，可能會因為流動不穩定，或者燃料空氣比波動都會造成燃燒的不穩定，在之后學者的研究中可以看到振蕩燃燒的控制條件主要是通過作動器較小的能量來控制壓力的震動，對于作動器壁板有聲波發生器或者空氣燃料調節器等等。西門子f級燃機是由壓氣機以及燃燒室和透平機組成，可以以空氣以及燃料氣為工質的、旋轉式熱力發動機。

三、環形燃燒室分析

3.1環形燃燒室的結構特點

環形燃燒室是由軸流式壓氣機以及燃燒室和軸流式渦輪構成，組成上是由一個主軸鏈接進氣口和壓氣機以及燃料管，同時連接燃燒室、渦輪以及排氣口。燃氣輪機的壓氣機轉子和渦輪轉子在一根轉動軸上，共同組成了燃氣輪機的轉子，渦輪在向外提供動力的同時也帶動其一同旋轉。從剖面來看，燃氣輪機轉子安裝在機殼內;在壓氣機與渦輪之間又一個環形燃燒室，燃燒室內安裝環形火焰筒，有燃料管向多個燃燒器輸送燃料。

3.2特點

環形燃燒室一般比較短，可以縮短發動機轉子長度，從而提高轉子剛度，利于解決動力學問題。其次，具有最小的發動機的迎風面積;3、與壓氣機流場匹配容易，壓力損失小;4、起動聯焰可靠。

四、結束語

燃氣輪機在燃燒室中的燃燒穩定性決定了燃氣輪機的工作狀態的穩定性，所以說想要安全高效的運行燃氣輪機，就要做好燃燒穩定工作，本文就此從燃燒穩定的相關理論出發，闡述了一些控制燃燒穩定的方法，同時也闡述了有關振蕩燃燒的原理，并根據重型燃燒機的結構來說明了如何穩定燃燒。

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（作者單位：河北華電石家莊熱電有限公司）