高海拔條件下輕質油燃燒器出口配風結構適配性研究

繩以健，劉 赫，崔運靜，束 奇，謝 凱，張 松，王宗明

(1.軍事科學院系統工程研究院 軍需工程技術研究所，北京 100010；2.中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580；3.濰坊科技學院 智能制造學院，山東 濰坊 262700；4.中國石油大學(華東) 石大山能新能源學院 山東 青島 266580)

燃燒器是各部門后勤中常見的設備，一般以平原環境為使用對象，燃燒灶室空間相對較小，因此在高海拔條件中使用易出現火焰長度長[1-5]，燃油易碰冷壁結焦，燃燒不完全，燃燒效率低，污染物排放高的情況。究其原因有兩方面：一是根據課題組理論研究結果[3-6]：當海拔高度達到5 000 m時，液滴(粒徑為20～60 μm)的平均燃燒時間是海拔高度0 m時的1.75倍，平均蒸發路徑長度是海拔高度0 m時的1.6倍，即說明低氣壓條件下燃燒火焰長度將大大增加；若保持低氣壓條件下與標準大氣壓相同的燃空當量比，則需增加供風量，燃燒器出口處的氣流速度將大幅增加，火焰穩定性降低。因此，欲將原商用平原燃燒器應用于高海拔環境，需要進行相應的技術改造。在爐灶燃燒室中，燃燒器出口流場結構對燃燒性能有很大影響，風量分配對燃燒過程中油氣在前期和后期的混合直接相關，回流區對于點火、穩定燃燒、燃燒的完全性以及碳煙的生成都有很大關系。因此這里重點關注燃燒穩焰盤的設計。

武邵東[7]設計了一種新型燃燒器，數值研究了旋流葉片傾角和葉片數量對高爐煤氣燃燒器燃燒性能的影響。朱禹洲等[8]分析了三種穩焰結構的穩焰與混合效果，發現相比較而言帶有因窄縫旋流孔的高速旋流穩焰結構具有最高的旋流強度，較好地實現低氮燃燒器不同分區內的空氣精準分配，強化燃氣和空氣的快速混合并保證穩定燃燒，實現燃氣低氮燃燒?？梢娊柚鹘Y構能夠增強燃燒器穩焰。

為了保持較低大氣壓下燃油燃燒器的額定功率并使燃燒器與用能設備適配，擬采用不同的旋流穩焰盤結構以穩定配風、縮短燃燒火焰長度。因此，首先根據冷態?；ㄕf明采用冷態流場結構模擬熱態流場結構分析的可行性，然后進行高海拔條件燃燒器的穩焰盤結構設計和燃燒筒直徑適應性數值分析，以改善高海拔條件下的配風穩焰問題。

1 冷態模化法

冷態?；侵高\用相似理論來研究燃燒過程，這里采用等溫模型近似模化非等溫流動的方法對燃燒器出口流場進行冷態模化。根據燃燒?；瘻蕜t，試驗采用的燃燒器模型為實際使用的燃燒器，原型和模型在幾何上相似。操作工況(實際供風量)一致，燃燒器出口氣流動量比相等，因此冷態實驗的?；瘲l件重點轉化為第二自模化區的確定[9]。

在額定工作狀況下，試驗測試燃燒器額定功率為30 kW，燃料采用0#輕柴油。其理論空氣量為[10]

(1)

式中：Kar為每kg燃料中的“當量含碳量”，Kar=Car+0.375Sar；Car、Har、Sar、Oar分別為100 kg燃料中碳、氫、硫和氧各元素所占質量。

燃油的實際空氣量為

V=αV0Lp

(2)

式中：α為過剩空氣系數；Lp為燃油流量，kg/h。

取α=1.08，一般燃燒器的模化臨界雷諾數Recr的取值取104。

得Re=10 717.26>104

式中：υ為試驗工況下的空氣運動黏度，m2/s；v為試驗工況下的空氣流速，m/s。

因此，試驗工況處于第二自?；瘏^內，即滿足斯林模型的?；瘲l件，因此該研究采用冷態分析方法來模化燃燒器燃燒火焰的熱態流場，探究燃燒器出口氣流的流動規律。

2 穩焰盤改進設計

某商用燃燒器燃燒頭結構如圖1所示，燃油經中心噴嘴以一定錐角噴出，空氣由直管燃燒筒與穩焰盤組成的配風器產生使燃油穩定燃燒的流場結構。穩焰盤結構為中心開孔的平板蝶形穩焰盤。因此空氣經燃燒筒進入穩焰盤時被分成三股：一股通過板的中央與噴嘴組成的環形大孔隙進入，為一次直流風；第二股通過徑向槽縫進入，為二次旋流風；第三股通過燃燒筒與穩焰盤之間的圓環空隙進入，為三次直流風[11]。要增強全自動輕油燃燒器在一體化爐灶中的火焰適配性，縮短火焰長度，可以從穩焰盤和燃燒筒的設計入手，改進結構，優化燃燒流場，在小空間尺度下實現噴霧火焰的高效燃燒。這里主要關注穩焰盤的結構改進。

圖1 原燃燒頭結構

為縮短火焰長度，新穩焰盤結構主要有兩種結構。第一種主要通過調整葉片傾角從而改變旋流強度的方法以達到縮短火焰長度的目的。旋流葉片采用螺旋扭曲葉片(見圖2(a))，3D打印加工，葉片傾角主要取30、45和60°三個角度，葉片數目主要取12、14和15個，結構中還嘗試增加了45°同向或反向的中心風旋流槽結構(見圖2(a))。第二種穩焰盤(結構如圖2(b)所示)相對原穩焰盤結構改動較小，設計中保持各股風的進風面積與原結構相同，僅改變了二次旋流風的進風結構。

圖2 穩焰盤結構示意圖

對于旋流葉片式穩焰盤結構，其旋流強度可用以下公式計算[12]：

(3)

式中：ro為葉片外徑,mm；ri為葉片內徑,mm；β為葉片傾角(取葉片中心線上兩端與軸線的垂面之間的夾角的算術平均值)，(°)；Z為葉片數目；η為相鄰兩葉片出口間距，mm。

(4)

式中：δ為葉片厚度，mm。

各穩焰盤結構特征如表1所示。

表1 各穩焰盤結構特征

3 數值計算與實驗結果分析

3.1 數值計算與結果

建立包括穩焰盤、燃燒筒的燃燒空間模型如圖3所示，穩焰盤來流側中心為坐標原點，利用該ICEM軟件劃分六面體網格，模型尺寸較大，網格數量約566萬。

首先對圖2(a)所示螺旋扭曲葉片穩焰盤下游流場進行葉片傾角影響的數值分析。采用Realizedk-ε湍流模型，DPM離散相模型，霧化方式采用離散液滴群設置。燃料和空氣入口為質量流量入口，燃料流量為0.002 8 kg/s，溫度273.15 K，霧化方式選擇壓力-旋流霧化，所用噴嘴噴口直徑0.3 mm，過剩空氣系數α取1.2，助燃空氣溫度273.15 K。出口設定為壓力出口。燃燒筒設置為固壁?？諝饷芏热?.831 kg/m3，大概對應海拔3 595 m、0 ℃環境的空氣密度。

圖3 計算模型(含穩焰盤、曲線型燃燒筒)及網格劃分情況

計算得到表2所示不同旋流角度相同旋流葉片數目的穩焰盤所對應的回流量，可見葉片傾角越小，回流量越大。測量位置從噴嘴(y=0)出口沿y向確定。

表2 不同葉片旋流角度的回流量

圖4為6號穩焰盤扭曲葉片處的氣流速度矢量圖，可以看出氣流流經傾斜曲面葉片時，氣流流向發生明顯改變，引起該葉片具有明顯的旋流導向作用。

圖4 6#穩焰盤葉片間氣流速度矢量圖

保持相同的燃料和空氣質量流量、溫度、壓力出口等邊界條件，比較兩種穩焰盤的回流區(vy≤0)，圖5所示冷態數值計算得到的回流區，可以看出開槽平板式結構明顯可以增大回流區。

3.2 熱態實驗結果

將原型穩焰盤和表1中兩類穩焰盤分別安裝于同一臺燃燒器上，在高海拔條件下(氣壓0.061 MPa)進行裸燒試驗檢驗，裸燒試驗火焰照片如圖6所示，所選取火焰照片為相應燃燒視頻中最能反映火焰平均形狀特征的圖片。從圖6可以看出開槽平板式穩焰盤(1號)較其他型號能夠明顯縮短火焰長度粗短火焰，更適合高海拔條件應用，優于旋流葉片式結構。而旋流葉片數越多，二次風過流面積越小，導致射流動量越大，火焰被軸向拉長；2號和3號穩焰盤的旋流葉片均為12片，中心風旋槽與二次風旋向關系不同，可以看出內外相同旋向(3號)明顯比相反旋向(2號)的火焰長度小，火焰直徑大，但葉片數增多后(如4號和5號、6號和7號這兩組)，穩焰盤內外旋向的影響不明顯，但火焰長度隨葉片數目增加呈縮短趨勢。

圖5 回流區穩態計算結果

圖6 不同穩焰盤結構燃燒試驗照片

另外實驗中發現運行一段時間后發現僅1號穩焰盤上沒有積灰，其他型號穩焰盤中心柱處都有少量積灰，說明旋流葉片式穩焰盤徑向厚度僅有1 mm的中心柱，起到了駐留氣體的穩焰作用，但卻容易造成噴嘴結焦，因此該結構應加以改進。

4 燃燒筒適配改進

根據計算將旋流葉片式穩焰盤安裝原燃燒筒時，所形成附近流場結構如圖7(a)或圖8(a)所示，因此為了充分發揮火焰直徑增大長度縮短的優勢，使旋流穩焰盤與燃燒筒更好適配，計算了無燃燒筒情況，分析組分流動路徑和回流區變化。所使用的計算域模型和求解設置均同前，區別是將原燃燒筒分別設置為標準壁面(Standard wall)和內部面(Interior)。在軸剖面內穩焰盤附近的流動情況如圖7所示。對比兩種情況計算結果可以看出無燃燒筒時，穩焰盤旋流引起的低速區更大，更易在穩焰盤上方形成較大的回流區，如圖8所示。

圖7 軸剖面內穩焰盤附近流動情況(β=30°)

圖8 軸剖面內回流區示意圖(β=30°)

圖9為燃燒筒附近的徑向氣流流動，圖中燃燒筒從上到下分為三段，分別記為A、B和C，這三段的組分質量流量分別如表3所示。正號表示流體徑向向外流動，負號表示徑向向里流動。中間B段位于旋流葉片周邊，受穩焰盤外錐面的引導，氣流向外擴張，如果沒有旋流，A段將成為徑向向外流量最大的號段，穩焰盤的旋流葉片有向中間聚攏的作業，因此A號段徑向向外的流量迅速減小，B段為徑向向外流量最大的號段。而C段燃燒筒外圍為回流死區，氣流徑向回流。

圖9 燃燒筒所在面各段流量統計分區

表3 燃燒筒各段組分流量統計 kg/h

因此，燃燒筒尺寸建議適當增大到圖9中虛線圓柱框位置，即直徑從78 mm增大到90 mm，可使旋流氣流充分發展，再聚攏，可生成較大回流區。

5 結 論

根據冷態模化準則，試驗用某輕油燃燒器的出口流場在額定工況下大于臨界雷諾數104，處于第二自?；瘏^內，可用冷態流場模化熱態燃燒場進行流場分析。然后對應用于高海拔條件的輕質油燃燒器進行了結構改進的數值分析，主要設計了旋流葉片式和平板開槽式穩焰盤，并分別進行了回流區數值計算分析和高海拔熱態實驗的火焰比較，根據分析結果進行了燃燒筒直徑的適配性改進分析。數值計算表明：螺旋扭曲葉片傾角β越小，回流氣量越大，傾斜曲面葉片對氣流旋流有明顯的引導作用。從高海拔裸燒實驗結果看，開槽平板式穩焰盤較旋流葉片式能夠明顯縮短火焰長度，其粗短火焰更適合高海拔條件應用。旋流葉片數越多，二次風過流面積越小，導致射流動量越大，火焰被軸向拉長。旋流葉片數目不同，中心風旋槽與二次風旋向關系對火焰形狀影響不同。對比計算有無燃燒筒時穩焰盤下游回流區，認為原有燃燒筒與高旋流穩焰盤不適配，若將燃燒筒直徑從78 mm增大到90 mm，可使旋流氣流充分發展，再聚攏，生成較大回流區。