摘要：燃氣輪機是通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，目前燃氣輪機廣泛的應(yīng)用到發(fā)電、管道輸送、船舶動力等領(lǐng)域。對于燃氣輪機，燃燒室是燃氣輪機最重要的部位，實現(xiàn)穩(wěn)定安全的燃燒是十分重要的，只有保證燃燒室的穩(wěn)定燃燒，才能保證燃氣輪機的安全穩(wěn)定的運行。本文通過理論和實驗研究，對燃燒室穩(wěn)定性燃燒進行分析，并且提出了相應(yīng)促進燃燒穩(wěn)定的方法，希望為燃氣輪機的安全穩(wěn)定運行提供理論參考。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機、燃燒室、穩(wěn)定性、實驗研究

前言：由于燃氣輪機具有功率大、體積小、效率高、污染低等特點，燃氣輪機在多種領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。保證燃氣輪機的穩(wěn)定燃燒，就必須保證燃燒室在任何工況下的穩(wěn)定燃燒。燃燒室燃燒穩(wěn)定性關(guān)系到燃氣輪機的壽命以及安全運行，因此對燃燒室燃燒穩(wěn)定性的研究具有重要意義，本文從理論和實驗研究兩個方面對燃燒穩(wěn)定性進行分析，并提出相應(yīng)的措施。

1.燃燒室燃燒穩(wěn)定性理論分析

燃燒室是燃氣輪機的心臟部位，燃燒室的設(shè)計直接影響到燃氣輪機的性能。燃燒室主要是通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，從而推動渦輪作用。保證燃燒室的穩(wěn)定燃燒是十分重要的，燃燒室穩(wěn)定性主要是指在燃料燃燒過程中，在各種工況下（壓力振蕩、回火極限、吹熄極限）都能保證穩(wěn)定燃燒?；鹧娣€(wěn)定分為兩種：低速火焰和高速氣流火焰的穩(wěn)定。對火焰穩(wěn)定性進行討論，首先需要了解一維火焰的穩(wěn)定性條件。一維火焰穩(wěn)定性前提包括兩個：

1.1.燃燒混合氣體濃度在火焰?zhèn)鞑シ秶畠?nèi)；

1.2.平面波的橫斷面直徑要大于熄火直徑。

當燃燒室的空氣和燃料比超出富燃料極限和貧燃料極限時，燃燒室就會出現(xiàn)熄火的狀況。燃氣輪機在低負荷的狀況下運行時，噴入燃燒室的燃料量減少，而空氣流量較大，火焰就有可能熄滅。空氣和燃料比會隨進入燃燒室的空氣的變化而變化，當進入燃燒室的空氣比例增加，就會導(dǎo)致熄火。

2.燃燒室穩(wěn)定性實驗分析

2.1.燃燒室熱負荷對合成氣燃燒穩(wěn)定性的影響

在實驗中，燃燒室的空氣保持在2.0kg/s左右，那么可以利用余氣系數(shù)來代表燃燒室的熱負荷，同時余氣系數(shù)在數(shù)值上相當于當量比的倒數(shù)。為研究熱負荷對燃燒穩(wěn)定性的影響，利用余氣系數(shù)來進行實驗。在進行實驗時，除了余氣系數(shù)不同外，其他的參數(shù)都保持相同。實驗結(jié)果表明：隨著余氣系數(shù)減小，也就是燃燒室內(nèi)熱負荷的增加，燃燒振蕩頻率基本不變，略呈增加狀態(tài)；隨著熱負荷增加，動態(tài)壓力呈大幅上升狀態(tài)。

2.2.空氣加濕對合成氣燃燒穩(wěn)定性的影響

空氣加濕燃燒技術(shù)提高了燃機的效率和功率，為了研究空氣加濕燃燒對燃燒穩(wěn)定性的影響，本文利用空氣加濕燃燒進行了實驗。實驗結(jié)果表明：隨著燃燒室內(nèi)熱負荷的增加，動態(tài)壓力也會隨之增加，但是振蕩能量會在80～120Hz范圍內(nèi)波動。根據(jù)空氣加濕前后，合成氣燃燒穩(wěn)定性的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)動態(tài)壓力隨著空氣加濕后振動減小。因此，空氣加濕有助于合成氣燃燒的穩(wěn)定性。

2.3.影響合成氣擴散燃燒不穩(wěn)定的因素

影響合成氣燃燒穩(wěn)定性的主要因素是輕柴油噴嘴的霧化效果，它可以改變?nèi)紵恼袷?。合成氣擴散燃燒相對比較穩(wěn)定且動態(tài)壓力較小。通過空氣加濕燃燒實驗表明空氣加濕后會在很大程度上改善燃燒的穩(wěn)定性，這是因為空氣加濕后降低了燃燒區(qū)的燃料和氧氣的濃度，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)變慢。輕柴油進行燃燒時，動態(tài)壓力會隨著燃氣輪機發(fā)電功率的增加而增加，而合成氣在燃燒時，動態(tài)壓力則會隨發(fā)電功率的增加而減小。燃燒室熱負荷的增加會增加燃燒的不穩(wěn)定性，而燃料噴嘴壓比的增加會改善燃燒的不穩(wěn)定性，因此燃燒室內(nèi)的動態(tài)變化是非常復(fù)雜的過程。

3.促進燃燒穩(wěn)定性的方法

3.1.穩(wěn)定火焰的方法分析

在高速射流中，當氣流速度大于火焰的傳播速度時，就會出現(xiàn)熄火的狀況，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)燃燒不穩(wěn)定。在高速氣流中保證燃燒穩(wěn)定的基本方法就是穩(wěn)定火源，從而建立一個平衡點。影響燃燒穩(wěn)定的因素主要包括兩個：一個是氣流因素，另一個是物理化學(xué)因素。對于氣流因素，應(yīng)該采取流體動力學(xué)的方法來穩(wěn)定燃燒；對于物理和化學(xué)因素，應(yīng)該采取化學(xué)動力學(xué)以及熱力學(xué)來穩(wěn)定燃燒。

3.2.擴散燃燒

傳統(tǒng)的燃氣輪機采用擴散燃燒的方法，雖然不會發(fā)生回火現(xiàn)象但是由于高速氣流，火焰很容易被吹熄。防止熄火除了采取穩(wěn)定點火源外，還要保證空燃比與化學(xué)計量比相等。保證燃燒室穩(wěn)定燃燒的辦法包括：采取壁面凹槽、偏轉(zhuǎn)射流、逆向射流產(chǎn)生回流區(qū)方法；采用旋轉(zhuǎn)射流方法來穩(wěn)定燃燒；當燃料為煤粉時，可以采用高速同向射流穩(wěn)定燃燒。

3.3.預(yù)混火焰燃燒

為了保護環(huán)境，燃氣輪機需要降低NOx，沒完全燃燒的碳氫化學(xué)物等氣體的排放。擴散燃燒的方法會引起燃燒室局部高溫，同時NOx的排放量大，目前燃氣輪機大部分采用預(yù)混燃燒方法。穩(wěn)定預(yù)混燃燒的方法包括：產(chǎn)生回流區(qū)穩(wěn)定燃燒；采用金屬棒、值班火焰穩(wěn)定燃燒。

4.燃燒的不穩(wěn)定性與振蕩燃燒

燃氣輪機的燃燒是一種劇烈的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，且燃燒時會產(chǎn)生自激振蕩，同時燃燒室內(nèi)的壓力會隨時間的變化而變化。燃燒時產(chǎn)生的振蕩會影響燃氣輪機的燃燒效率、燃氣輪機的安全性和可靠性。

Higgins在研究擴散燃燒時發(fā)現(xiàn)：在筒罩內(nèi)做燃燒實驗時，在火焰上方會有明顯的聲調(diào)。Load Rayleigh根據(jù)這一現(xiàn)象提出：火焰放熱時產(chǎn)生的波動和壓力波動之間的差值決定能否產(chǎn)生振蕩燃燒。Dwoling通過研究得出：熱能在轉(zhuǎn)化為聲能的過程中，大于聲能的損失量。影響燃燒不穩(wěn)定的因素包括：燃料供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒室排氣系統(tǒng)、壓氣機排氣系統(tǒng)等?？刂普袷幦紵饕抢米鲃悠鳎暡òl(fā)生器、空氣燃料調(diào)節(jié)器等）來控制壓力的振動。

5.總結(jié)

燃燒室的穩(wěn)定燃燒對燃氣輪機的安全穩(wěn)定運行具有重要意義，本文對燃燒室燃燒穩(wěn)定性進行分析，總結(jié)了影響燃燒穩(wěn)定性的因素，并提出了穩(wěn)定燃燒室燃燒的方法。根據(jù)影響燃燒穩(wěn)定性的不同因素采取不同的方法來穩(wěn)定燃燒。隨著環(huán)保意識的提高以及燃氣輪機在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，我國一定會研究出更加先進有效的方法來保證燃燒的穩(wěn)定性，從而保證燃氣輪機的安全穩(wěn)定運行。

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作者簡介：藍石（1986.9-）男，漢族，甘肅平?jīng)?，大學(xué)本科，助理工程師，燃氣輪機。