旋流器值班級葉片安裝角對燃燒室燃燒性能的影響

(沈陽航空航天大學航空發動機學院，沈陽 110136)

1 引言

高溫升、高比熱容、低污染是燃氣輪機燃燒室的重要發展方向。由于采用普通旋流器已很難滿足高油氣比下燃燒室具有低污染排放性能的要求，需研發一種新的燃燒室旋流器組合方案來保證燃氣輪機燃燒室有較寬的工作范圍、高的燃燒效率[1-3]。為此已有很多專家開展了研究，如Mongia[4]對于溫升超過1 200 K 的燃燒室設計了一種中心分級組織燃燒模式的三級旋流器結構，能滿足燃燒室高效燃燒要求，拓寬穩定燃燒工作范圍，且燃燒室各項性能指標均符合設計要求，解決了一系列難題。

針對三級旋流器技術國外開展了大量的研究，并取得豐碩成果。如Lazik等[5]對三級旋流器燃燒室的流場性能進行了研究，獲得了不同三級旋流器的流場特性，說明合理設計旋流器可以改善流場性能。Li 等[6]采用PIV 技術對頭部不同氣動參數的三級旋流器下燃燒室的流場特性進行試驗研究，發現不同氣動參數旋流器對燃燒室回流區具有明顯的影響。Mansour 等[7]試驗研究了三級旋流器燃燒室的油霧場分布，同時對冷態流場進行了數值仿真，結果表明三級旋流技術對燃燒室霧化后燃油分布及所形成流場具有重要作用。在國內，王成軍等[8]數值模擬研究了三級旋流器燃燒室的貧油熄火特性，并采用PIV 技術進行試驗驗證，結果表明旋流器油氣比及所形成回流區對燃燒性能有重大影響。蔣波等[9]采用PIV 技術對三級旋流器所形成回流區進行研究，結果顯示回流區流場結構受內級和外級旋流器旋流數共同作用影響，且存在最佳匹配方式。王智勇等[10]針對某型低污染燃燒室排放在不同預燃級結構下展開試驗，研究表明預燃級的合理組合設計對改善燃燒性能有重要作用。高偉偉等[11]采用數值模擬方法研究了高溫升燃燒室在不同旋流器特征參數下的燃燒性能，表明旋流器旋流數可以直接影響燃燒室的燃燒性能。趙自強等[12]試驗研究了不同旋流數組合和不同進口雷諾數下的流場特性，表明回流區形狀與旋流數組合方案有密切聯系。張中飛等[13]基于中心分級高溫升燃燒室在三級旋流器下對貧油熄火特性開展研究，得出旋流器葉片安裝角對貧油熄火性能影響顯著。劉愛虢等[14]開展了三級旋流器在不同葉片安裝角組合匹配方案下的燃燒性能試驗，表明合理的旋流數匹配方案對燃燒室點火、排放與燃燒性能影響顯著。

綜上可發現，旋流器葉片安裝角對整個燃燒室燃燒性能起關鍵性作用。為進一步研究旋流器葉片安裝角對燃燒室燃燒的影響，本文在前期研究[15]的基礎上，常壓下試驗研究了不同油氣比時，旋流器值班級葉片安裝角對中心分級燃燒室貧油熄火特性、燃燒火焰特性、排放特性、出口溫度特性、燃燒效率特性的影響。

2 試驗件模型及試驗系統

2.1 試驗件模型

圖1 中心分級燃燒室結構簡圖Fig.1 Centrally-staged combustor structure

所研究燃燒室為單頭部矩形結構，見圖1。火焰筒長288.0 mm、寬120.0 mm、高120.0 mm；火焰筒上下壁面各開設有3 個直徑19.0 mm 的摻混孔和均勻分布的900 個直徑1.5 mm 的冷卻孔；試驗燃燒室具體尺寸見文獻[15]。燃燒室氣量分配為：頭部進氣59%，摻混孔15%，其他26%。圖2給出了旋流器結構特征及其剖面圖。值班級采用雙旋流等徑旋流杯式結構，其中心處為單油路壓力霧化噴嘴；主燃級采用預混通道式結構，共設置了30 個直射射流噴嘴，通過主燃級的氣流在預混通道中形成周向旋流。值班級第1、第2 級葉片流量分別為7.7%和11.0%，有效流通面積分別為134 mm2和181 mm2；主燃級流量分配為81.3%，有效流通面積為1 373 mm2。燃燒室試驗段由火焰筒、冷卻通道和燃燒室頭部三部分組成。火焰筒壁面裝有點火電嘴，并設置若干排冷卻小孔，燃燒室頭部為中心分級旋流器和進氣腔。空氣穩流室由進氣腔、集氣腔和均流管等構成。

圖2 旋流器結構Fig.2 Swirler structure

2.2 試驗系統

燃燒室試驗系統主要包括進氣系統、供油系統、測量控制系統和試驗燃燒室等，見圖3。進氣系統包括除濕過濾器、空氣壓縮機、加溫器與儲氣罐等，空氣經空氣壓縮機壓縮后，經過除濕、過濾、穩壓和加溫器等進入燃燒室。供油系統包括油泵、油濾和各種控制閥門等，通過調節回路回油流量，以獲得穩定測試所需的油量。供油系統的油路流量采用測量精度為讀數的i 5%的渦輪流量計計量。氣路流量測試采用精度為滿量程的i 5%的熱式氣體流量計計量。燃燒室進口總壓采用精度為i 0.5%的壓力傳感器測量，進口總溫采用精度小于i 2℃的電阻式熱電偶測量，燃燒室出口總壓采用精度為i 0.5%的水冷式壓力傳感器測量，出口溫度采用設置在燃燒室出口的9點溫度耙測量，取9點溫度的平均值，其精度小于i 2℃；使用Testo350 型煙氣分析儀測量燃燒室排放的CO、UHC、CO2、O2等；采用攝像技術對火焰進行錄制，記錄火焰圖像。為了便于觀察，在矩形燃燒室側面開設了石英玻璃觀察窗。

2.3 試驗方案

試驗過程中，只開值班級，不開主燃級，旋流器葉片角度具體方案見表1，且主要研究燃燒室的貧油熄火特性、燃燒火焰特性、排放特性、出口溫度特性和燃燒效率特性。油氣比通過改變燃燒室的燃油量控制。試驗點火燃燒后，緩慢減少供油量直至熄火，記錄熄火時的燃油質量流量及空氣質量流量，計算貧油熄火油氣比。為確保數據可信度，各個熄火點各測量三次。貧油熄火過程可通過玻璃窗觀察記錄。分析油氣比對燃燒性能影響時，進氣溫度為473 K，進氣速度為20 m/s。

表1 旋流器葉片角度試驗方案Table 1 Experimental scheme of swirler blade angle

3 試驗結果及分析

3.1 貧油熄火特性

圖4給出了不同值班級葉片安裝角時的貧油熄火過程。圖中，(a)為穩定燃燒時的火焰圖像，(b)、(c)為燃油流量逐漸減少時的熄火過程圖像，(d)為熄火瞬間火焰圖像。可見，穩定燃燒時，火焰顏色明亮、體積較大、無藍色火焰區域，且不同葉片安裝角下火焰不同。隨著燃油流量減少，火焰明亮區域和體積逐漸減小，火焰顏色由明亮變至淡藍色直至熄滅。根據熄火瞬間圖像，值班級第1、第2 級旋流器葉片角度為60h時的火焰體積和亮度均比各自方案葉片角度為30h、45h時的小。同時從表2貧油熄火油氣比可以看出，值班級第1級葉片角度為30h時熄火油氣比為0.006 8，角度為45h時為0.006 6，角度增加到60h時為0.006 5，可得出值班級第1級葉片安裝角增加(30h～60h范圍)，貧油熄火油氣比略微減小。當第1 級葉片安裝角相同時，第2 級葉片安裝角為30h時熄火油氣比為0.007 3，角度為45h時熄火油氣比為0.006 6，角度為60h時熄火油氣比減小至0.006 2。試驗測得貧油熄火油氣比呈現減小的趨勢，說明熄火性能變好，且隨著葉片安裝角增加，第2級葉片角度變化對貧油熄火油氣比的影響比第1級葉片角度變化的明顯，減小幅度也比1 級葉片的大。這主要是由于第2級葉片在影響霧化和組織燃燒方面綜合作用較第1級的強，且第2級葉片主要作用是形成低壓回流區，因此在進行油氣混合及穩定燃燒時的作用更強[16]。值班級第1、第2級葉片安裝角度增加熄火特性均變好的主要原因是，當值班級第1、第2 級葉片安裝角從30h增加至60h時會使氣體切向動量增加，霧化質量提高，燃油顆粒直徑變小，有助于霧化燃油燃燒；葉片安裝角增大還將導致回流區變大，使整個主燃區油氣混合分布均勻，增加回流量等，這也有利于提高燃燒室貧油熄火性能[15]。

圖3 燃燒室試驗系統Fig.3 Test system of combustor

圖4 各方案的貧油熄火過程Fig.4 Flameout process for each scheme

表2 貧油熄火油氣比Table 2 The fuel-air-ratio for lean blow-out

綜合上述分析，增加值班級葉片安裝角有利于拓寬整個燃燒室的貧油熄火邊界。為保證形成較好的穩定回流區，各級旋流器葉片安裝角應略大，但不能過大。旋流器值班級第1級、第2級葉片角度不應達到60h，否則流量系數太小，會造成通過葉片通道的氣流流動產生分離，增大氣流流動壓力損失，不利于形成回流區，從而導致燃燒室性能變差。綜合考慮穩定燃燒和拓寬貧油熄火邊界，安裝角在45h～60h之間較為合理。

3.2 燃燒火焰特性

圖5 不同油氣比時各方案的火焰圖像Fig.5 Flame image of each scheme with different fuel-air-ratio

圖5 為進氣溫度473 K、進氣速度20 m/s 條件下，值班級油氣比θ分別為0.018、0.025、0.029、0.032時A～E 方案的火焰圖像。可見，隨著燃油流量的增加，各方案藍色火焰區域減小，火焰明亮區域變大，火焰長徑比也變大。說明各方案隨著燃油流量增加，工況變大，燃燒性能變好。A～C方案中，隨著值班級第1 級葉片安裝角由30h增加到45h，火焰燃燒狀況變好；而從45h增加至60h時火焰明亮區域變小，且藍色火焰區域變大。說明值班級第1 級葉片角度并不是越大越好，應小于60h。A、D、E方案中，隨著第2級葉片角度的增加，火焰明亮區域變大，但是從45h增至60h時火焰明亮區域增大不明顯，反而藍色區域有一定的增大，這說明燃燒性能最好時第2級葉片角度應小于60h。據此，值班級葉片角度增至45h時燃燒性能最好，繼續增加反而對火焰起消極作用。這是由于隨著葉片安裝角的增加，旋流數也增加，旋流強度變大，燃油霧化更好，燃燒性能變好。但是隨著葉片安裝角繼續增大，切向動量也繼續增大，這會增加流體流動特性的不穩定，致使火焰失穩，影響燃燒性能；同時，安裝角過大會造成流經旋流器值班級的氣流流動分離，增加壓力損失，使旋流器所形成的回流區變長，導致燃燒性能較差。此外，值班級第2 級葉片角度變化對火焰燃燒性能的影響比第1級葉片角度變化的明顯。

3.3 排放特性

圖6為A～E方案CO排放隨油氣比的變化曲線。可見，隨著油氣比增加，各方案CO排放均呈增加趨勢。這是由于隨著供油量增大，值班級油壓增加，會對其霧化產生影響；且供油量增加，參與燃燒的燃油增多，工況變大，致使排放有所增加。對比各曲線，B方案總排放最高(1 370～1 525 mg/m3)，C方案、D方案、E 方案次之，A 方案排放最低(1 000～1 290 mg/m3)。從排放特性可分析出，當值班級第1、第2 級葉片角度從30h增加到45h時，各方案排放均明顯降低；但角度從45h增加至60h時，其CO 排放明顯增加。造成上述現象，可從旋流器葉片形成回流區特征分析得出[16]。

圖6 CO排放隨油氣比的變化Fig.6 CO emission varies with fuel-air-ratio

3.4 出口溫度特性

圖7 為各方案出口溫度隨油氣比的變化曲線。可看出，各方案出口溫度均隨油氣比增加而增大。其中，B 方案總體出口溫度最低，在580～665 K 之間；C、D、E 方案相似，約在600～680 K 之間；A 方案最高，在590～700 K之間。這是由于隨著油氣比不斷增加，主燃區平均油氣比趨向近化學恰當比狀態，燃燒湍流強度增大，導致油氣混合較劇烈，使得燃油燃燒完全，溫度增高。

圖7 出口溫度隨油氣比的變化Fig.7 Outlet temperature varies with fuel-air-ratio

表3給出了各方案在不同油氣比時平均出口溫度分布系數(OTDF)。分析發現，第2 級葉片角度不變，第1級葉片角度增加時OTDF減小，其角度從45h增加到60h時OTDF增加了0.04。第1級葉片角度不變，第2 級葉片角度從30h增至45h時OTDF 減小，角度從45h增加60h時OTDF增加，但幅度較第1級葉片的小，只有0.02。說明值班級葉片安裝角在合理范圍內，出口溫度特性會較好，最優的角度組合為A方案。這是由于當值班級第1、第2 級葉片角度為45h時，相較于為30h、60h時，其主燃區所形成的回流區特性更好[13]。相比于第1級葉片角度，值班級第2級葉片角度對出口溫度的調節性更強。

表3 出口溫度分布系數Table 3 Outlet temperature distribution coefficient

3.5 燃燒效率特性

圖8 為A～E 方案燃燒效率隨油氣比的變化曲線。可以看出，A方案燃燒效率最高，B方案最小，即值班級第1、第2級均為45h時燃燒效率最高，兩級角度為60h時比30h時的效率高。這是由于所形成回流區特性不同造成的，回流區流動特性好，燃燒充分完全，必然會導致燃燒效率高。隨著油氣比增加各方案效率緩慢增大，說明此時燃油流量的增加對整個燃燒過程影響較小。這主要是由于油氣比增加會增大此時的燃油流量，使主燃區內的油氣比接近合理的恰當比，導致燃燒室內化學反應速率以及火焰傳播速率變大，可燃混合氣比例大幅度提高，燃燒強度增強，進而使得燃燒效率提高。但是當油氣比持續增加時，主燃區內油氣比會趨向富油狀態，影響值班級點火性能及燃燒室內燃油均勻分布，同時還會對火焰燃燒有一定焠熄作用，吸收燃燒釋放的熱量，降低主燃區溫度[17]，導致排放有一定增加，最終使得效率增加不明顯。

圖8 燃燒效率隨油氣比的變化Fig.8 Combustion efficiency varies with fuel-air-ratio

4 結論

在常壓下試驗研究了中心分級燃燒室旋流器不同值班級葉片安裝角組合對燃燒室燃燒性能的影響，主要結論如下：

(1)旋流器值班級葉片安裝角增加，燃燒室的貧油熄火性能變好，且第2 級葉片安裝角對貧油熄火性能的影響更顯著。

(2)根據火焰燃燒性能、CO 排放特性、出口溫度特性以及燃燒效率特性，旋流器值班級第1、第2級葉片角度均為45h是最優角度組合。

(3)試驗在常壓下進行與試驗在高壓下進行，試驗值有明顯差別，為進一步研究值班級葉片安裝角對燃燒性能的影響，后續將開展高壓試驗研究。