王慶五，魏明翔，張俊偉，王錦琴

（華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系，河北保定071000）

0 引言

微型燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱燃機(jī)）具有體積小、質(zhì)量小、噪聲低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，單機(jī)容量一般在數(shù)千瓦到數(shù)百千瓦，由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪機(jī)三大部分組成。燃燒室的作用是將壓氣機(jī)送入的壓縮空氣與噴入的燃料在一定的壓力下混合燃燒，產(chǎn)生高溫氣體，再流入渦輪做功。燃燒室是微型燃機(jī)的核心部件之一，燃燒室的性能好壞從一定程度上決定了燃機(jī)總體性能的好壞，因此，燃燒室的設(shè)計(jì)是燃機(jī)設(shè)計(jì)中的主要環(huán)節(jié)，目前多采用大中型燃機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)方法對(duì)微型燃燒室進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。但由于微型燃機(jī)燃燒室的體積較小，表現(xiàn)出與大中型燃機(jī)燃燒室不同的特性，如燃油在微型燃燒室中滯留的時(shí)間短，與空氣的摻混效果不理想，容易造成燃燒不充分；同時(shí)，微型燃機(jī)燃燒室表面積與體積的比值較大，使得傳熱損失大，容易熄火。20 世紀(jì)70年代，燃燒室的設(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)試湊法，即通過(guò)試驗(yàn)研究對(duì)燃燒室不斷進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，直到設(shè)計(jì)出來(lái)的燃燒室滿足方案要求，該方法需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累以及后續(xù)的不斷完善。隨著研究的深入，研究人員總結(jié)出了較多的經(jīng)驗(yàn)及半經(jīng)驗(yàn)公式，再加上近代計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值仿真軟件的支持，大大縮短了燃燒室的設(shè)計(jì)周期［1-3］。近幾年，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的不斷發(fā)展更是大大促進(jìn)了燃燒室設(shè)計(jì)的發(fā)展。但CFD 方法使用的前提是燃燒室結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，一般是已知燃燒室進(jìn)口氣流參數(shù)和燃燒室?guī)缀纬叽?，通過(guò)計(jì)算、驗(yàn)算流量分配、燃燒時(shí)間等是否合適，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整壁面進(jìn)氣孔、燃燒室直徑、長(zhǎng)度等幾何尺寸，從而達(dá)到所需要的燃燒要求。

鑒于大中型燃機(jī)燃燒室與微型燃機(jī)燃燒室之間存在巨大差別，無(wú)論是類似的經(jīng)驗(yàn)公式、半經(jīng)驗(yàn)公式、零維設(shè)計(jì)，還是CFD 方法，都與實(shí)際情況存在較大區(qū)別，因此，需要一種專門針對(duì)微型燃機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)方法，而這種方法應(yīng)該符合微型燃機(jī)燃燒室的實(shí)際情況，并且設(shè)計(jì)方法不能太過(guò)繁雜。

本文提出一個(gè)設(shè)計(jì)方法，燃燒室的設(shè)計(jì)主要確定3個(gè)方面的數(shù)據(jù):長(zhǎng)度、內(nèi)外筒直徑和內(nèi)外筒上孔的分布。假設(shè)燃燒室內(nèi)空氣流量和燃?xì)鉁囟染剌S線方向線性分布，根據(jù)質(zhì)量守恒定律計(jì)算燃燒室的長(zhǎng)度；燃燒室內(nèi)外筒直徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定；而燃燒室筒壁上通流孔的分布則采用等效面積法。該方法是計(jì)算燃燒室筒壁空氣流量分配最簡(jiǎn)單也是較適用的方法，能在很短的時(shí)間內(nèi)估算出燃燒室筒壁的空氣量分配，特別適用于燃燒室設(shè)計(jì)初期燃燒室調(diào)試過(guò)程中分析燃燒性能，該方法假設(shè)燃燒室筒壁各孔的相對(duì)流量正比于孔的相對(duì)面積，從而將燃燒室壁面空氣通流量的設(shè)計(jì)直接關(guān)聯(lián)為面積的分布。

1 燃燒室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法

一般情況下，燃燒室的設(shè)計(jì)包括圖1 所示的4個(gè)階段［4］。

圖1 燃燒室設(shè)計(jì)流程Fig. 1 Combustion chamber design process

方案設(shè)計(jì)是確定燃燒室的設(shè)計(jì)需求；初步設(shè)計(jì)是確定燃燒室基本尺寸并修改這些基本尺寸以達(dá)到方案設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)要求；詳細(xì)設(shè)計(jì)是在初步設(shè)計(jì)完成之后對(duì)燃燒室進(jìn)行的詳細(xì)設(shè)計(jì)；最后的試驗(yàn)驗(yàn)證是通過(guò)試驗(yàn)得到燃機(jī)燃燒室的各項(xiàng)性能，對(duì)設(shè)計(jì)完成的燃燒室進(jìn)行驗(yàn)證，判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求，因?yàn)橛袔醉?xiàng)參數(shù)不能通過(guò)仿真計(jì)算的方式得到，燃燒室設(shè)計(jì)中存在的某些問(wèn)題只有通過(guò)試驗(yàn)方式才能發(fā)現(xiàn)［5-6］。

燃燒室內(nèi)的燃燒是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，存在點(diǎn)火、蒸發(fā)、湍流混合等物理及化學(xué)反應(yīng)，對(duì)從理論上分析燃燒室的燃燒過(guò)程增加了不少難度［7-11］。燃燒室的初步設(shè)計(jì)是獲得性能優(yōu)良燃燒室的基礎(chǔ)。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

相比于大中型燃機(jī)燃燒室，微型燃機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)形式比較單一，經(jīng)常采用環(huán)形直管燃燒室。

微型燃機(jī)燃燒室主要由內(nèi)外筒、前后端面、燃油霧化裝置等部分組成。空氣經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)后進(jìn)入燃燒室與軸套、機(jī)殼之間的內(nèi)外環(huán)形流道，通過(guò)燃燒室筒壁上的眾多孔進(jìn)入燃燒室。燃燒室結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燃燒室內(nèi)筒、外筒及分區(qū)Fig.2 Inner cylinder，outer cylinder and zoning of the combustion chamber

微型燃機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)的困難在于它的長(zhǎng)度短、體積小、空間有限，存在燃燒不充分、傳熱損失大和容易熄火等問(wèn)題。除了尺寸的區(qū)別，微型燃燒室與大中型燃燒室在結(jié)構(gòu)上也存在差異，如燃燒筒、蒸發(fā)裝置等。微型燃機(jī)燃燒室與大中型燃機(jī)燃燒室的差異見表1。

表1 微型燃機(jī)燃燒室與大中型燃機(jī)燃燒室的差異Tab. 1 Differences between micro and large gas turbinecombustion chambers

1.2 初始條件

本文以某燃機(jī)為例，介紹微型燃機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)方法，燃燒室的出入口壓力和溫度已經(jīng)確定，燃機(jī)外殼和軸套尺寸已經(jīng)限定。

2 計(jì)算模型

2.1 功能分區(qū)

燃燒室可以分為主燃區(qū)、次燃區(qū)和摻混區(qū)3 個(gè)功能區(qū)［12-13］，盡管這3個(gè)功能區(qū)的分界并不明顯。

主燃區(qū)為燃油的燃燒提供充足的空氣，并在燃燒區(qū)域產(chǎn)生一定的回流，以增強(qiáng)燃油和空氣的混合、穩(wěn)定火焰。受燃燒時(shí)間和燃燒條件的限制，燃油在主燃區(qū)一般不能燃燒完全。

次燃區(qū)又稱二次燃燒區(qū)，能恢復(fù)燃料在高溫時(shí)解離造成的損失，同時(shí)為主燃區(qū)未完全燃燒的燃油提供充足的空氣，使之燃燒完全，這個(gè)區(qū)域提供的空氣量大于燃燒反應(yīng)需要的空氣量，未參加反應(yīng)的空氣則起到冷卻燃燒火焰的作用。

燃燒時(shí)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟群芨撸? 200～2 000 K），由于燃燒室和葉輪材料的限制，燃燒室出口溫度太高會(huì)影響高溫部件的壽命，所以燃燒室設(shè)計(jì)了摻混區(qū)以冷卻火焰。摻混區(qū)用于進(jìn)一步冷卻燃燒室的筒壁和火焰，確保筒壁溫度在材料的承受范圍內(nèi)，由這部分區(qū)域進(jìn)入燃燒室的空氣最終混入燃?xì)猓瑢?duì)火焰進(jìn)一步冷卻。

3個(gè)功能區(qū)的分布如圖2所示。

2.2 溫度選擇

本節(jié)的溫度選擇主要指主燃區(qū)溫度的選擇。為了保證燃油充分燃燒，在主燃區(qū)設(shè)計(jì)余氣系數(shù)為1，即燃油與空氣完全反應(yīng)，兩者均無(wú)剩余。而燃燒室總的空氣流量為0.138 80 kg/s，需要的燃油量為0.003 74 kg/s，而燃燒0.003 74 kg/s 的燃油需要消耗的理論空氣量為:0.003 74×14.7=0.055 0（kg/s）（14.7 為最佳空燃比），這就是主燃區(qū)的最小進(jìn)氣量，這部分空氣量占總空氣量的39.6%。這是根據(jù)完全燃燒確定的主燃區(qū)空氣量。

空氣量直接決定了主燃區(qū)的溫度，因此還可以根據(jù)溫度需要調(diào)整主燃區(qū)的空氣量。主燃區(qū)的火焰溫度對(duì)燃燒產(chǎn)物有很大的影響，從圖3可以看出，當(dāng)主燃區(qū)的溫度為1 700～1 900 K 時(shí)，燃燒產(chǎn)物中的CO 和NOx的體積分?jǐn)?shù)都較小，因此，可以將這個(gè)溫度作為主燃區(qū)的設(shè)計(jì)溫度［14-15］。目前，許多燃燒技術(shù)通過(guò)富氧燃燒和貧氧燃燒來(lái)控制燃燒區(qū)的溫度，以減少燃燒產(chǎn)物中污染物成分。取燃燒區(qū)的溫度為1 800 K，相當(dāng)于余氣系數(shù)a為1.4～1.7。

根據(jù)溫度確定主燃區(qū)所需的空氣量qmpz。

式中:qmf為燃油量，0.003 74 kg/s；QLHV為燃油熱值，42 900 kJ/kg；qmpz為主燃區(qū)所需的空氣量；Tf為主燃區(qū)火焰溫度，K；T03為燃燒室入口空氣溫度，388 K；cpg和cp分別為燃?xì)夂涂諝獾亩▔罕葻崛?，分別為1.244，1.005 kJ/（kg·K）。

圖3 CO和NOx體積分?jǐn)?shù)隨主燃區(qū)溫度的變化Fig.3 Volume fractions of CO and NOx changing with the main combustion zone temperature

選擇Tf為1 800 K，得到主燃區(qū)空氣量qmpz為0.086 8 kg/s，占總空氣量的62%，余氣系數(shù)為1.56。

燃燒室都設(shè)置有蒸發(fā)管，實(shí)際燃燒室的空氣流分4個(gè)部分。

（1）主燃區(qū)的空氣量qmpz。由蒸發(fā)管的空氣量qm0和主燃區(qū)筒壁孔的空氣量qmph組成，qmpz=qm0+qmph，其中qm0占20%～40%［16-19］。

（2）次燃區(qū)筒壁孔的空氣量qmdc。這部分空氣在燃燒室外面流過(guò)主燃區(qū)后在下游通過(guò)次燃區(qū)筒壁孔進(jìn)入燃燒室，與主燃區(qū)的燃燒產(chǎn)物混合。

（3）摻混區(qū)筒壁孔的空氣量qmlc，這部分空氣在燃燒室外面依次流過(guò)主燃區(qū)和次燃區(qū)后在它們的下游通過(guò)摻混區(qū)筒壁孔進(jìn)入燃燒室，與燃燒產(chǎn)物混合。

流經(jīng)燃燒室的總空氣量qm=qmpz+qmdc+qmlc。

蒸發(fā)管有前端布置和后端布置2種形式，如圖4所示。前端布置蒸發(fā)管的空氣直接從壓氣機(jī)到蒸發(fā)管，這部分空氣不經(jīng)過(guò)燃燒室的壁面，對(duì)壁面沒(méi)有冷卻作用；后端布置中的空氣在進(jìn)入蒸發(fā)管之前先流經(jīng)燃燒室，這部分空氣對(duì)燃燒室的壁面有一定的冷卻作用。

2.3 截面直徑

通常認(rèn)為燃燒室的截面積越大越好，因?yàn)槿紵医孛娣e越大，氣流流速越低，空氣和燃?xì)庠谌紵覂?nèi)的滯留時(shí)間增加，燃燒更加穩(wěn)定，對(duì)提高燃燒效率有利，對(duì)燃機(jī)的點(diǎn)火也有好處。在燃燒室尺寸不受限制的情況下這個(gè)觀點(diǎn)是對(duì)的，但如果燃機(jī)的外殼直徑已經(jīng)確定，增大燃燒室的截面積會(huì)使燃機(jī)殼和燃燒室外筒之間、軸套和燃燒室內(nèi)筒之間的環(huán)形面積減小，環(huán)腔內(nèi)空氣的流速增加，靜壓降低，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)外筒壁孔的靜壓降減小。過(guò)大的燃燒室截面還會(huì)使射入燃燒室的空氣穿透力下降，造成燃燒區(qū)域氣流湍流強(qiáng)度不足，不利于空氣與燃燒產(chǎn)物的混合。

圖4 蒸發(fā)管位置Fig.4 Location of the evaporation tube

按照試驗(yàn)研究結(jié)果［20］，大中型燃機(jī)燃燒室截面積為機(jī)匣面積的0.60～0.72，參照該比例取0.70，得到微型燃機(jī)燃燒室截面積為3 385.0 mm2（微型燃機(jī)外殼直徑為83.0 mm，外殼包圍的面積為4 836 mm2）。軸套的外徑是27.0 mm，假設(shè)燃燒室內(nèi)筒和軸套間的環(huán)腔寬度與外筒和機(jī)殼間的環(huán)腔寬度相等，得到燃燒室的內(nèi)、外筒直徑分別為35.4，74.6 mm，取內(nèi)筒直徑為37.0 mm，外筒直徑為74.0 mm，如圖5所示。燃燒室截面參數(shù)見表2。

表2 燃燒室截面參數(shù)Tab.2 Parameters of the combustion chamber section

圖5 燃燒室內(nèi)、外筒尺寸Fig.5 Dimensions of the inner and outer cylinders of the combustion chamber

2.4 長(zhǎng)度

燃燒室的長(zhǎng)度主要由燃油的滯留時(shí)間決定。受尺寸限制，燃油在微型燃機(jī)燃燒室內(nèi)滯留時(shí)間僅1～3 ms，要燃燒得充分，燃油就要汽化得快且充分。燃燒室設(shè)置蒸發(fā)管以加速油滴的蒸發(fā)，本文設(shè)計(jì)燃燒滯留時(shí)間為1 ms。如果霧化效果不好，燃油粒徑過(guò)大，將會(huì)出現(xiàn)燃燒室火焰后移、出口溫度分布不均、壁面局部過(guò)熱等問(wèn)題。

主燃區(qū)為燃油和空氣的混合物提供穩(wěn)定燃燒的空間并保持火焰的穩(wěn)定。主燃區(qū)過(guò)短，燃油燃燒不充分或者還未開始燃燒就被冷卻，燃燒效率低；主燃區(qū)過(guò)長(zhǎng)，需要的冷卻長(zhǎng)度就長(zhǎng)，會(huì)增加冷卻空氣量而減少燃燒區(qū)空氣量，對(duì)燃燒的穩(wěn)定不利。

接下來(lái)計(jì)算燃燒室的長(zhǎng)度?？諝饨?jīng)過(guò)蒸發(fā)管和筒壁孔分2 步進(jìn)入燃燒室，這些蒸發(fā)管和筒壁孔出口氣流沿著燃燒室的長(zhǎng)度方向間斷性分布，造成空氣流量沿長(zhǎng)度方向的突變。為了分析方便，把空氣流量看做連續(xù)分布，假設(shè)燃燒室截面上空氣流量和燃?xì)鉁囟妊亻L(zhǎng)度方向呈線性分布（如圖6 所示），在相對(duì)長(zhǎng)度（實(shí)際長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的比例，取值范圍從0～1）為x的截面上空氣流量為qmx=（qm-qm0）x+qm0，這個(gè)式子表示:在相對(duì)長(zhǎng)度為0的燃燒室前端位置，空氣流量來(lái)自蒸發(fā)管，蒸發(fā)管可以是前端布置也可以是后端布置；隨著相對(duì)長(zhǎng)度的增加，空氣流量呈線性增加，在相對(duì)長(zhǎng)度為1的燃燒室后端位置，空氣流量增加到燃燒室空氣總流量。燃燒室截面上的溫度Tx=(T4-Tpz)x+Tpz（T4為燃燒室出口溫度；Tpz為主燃區(qū)溫度）。

圖6 流量和溫度線性分布Fig.6 Linear distribution of flow and temperature

用流量和面積計(jì)算燃燒室截面上的氣體速度

式中:ρx為燃燒室截面上的氣體密度；A為燃燒室截面積；Ra為空氣常數(shù)；p3為燃燒室壓力。

通過(guò)長(zhǎng)度和速度得到燃油在燃燒室中的逗留時(shí)間

例如:qm=0.138 80 kg/s，qm0占qm的15%，則qm0=0.020 82 kg/s；燃燒室截面積A=（74×74-37×37）×3.14/4=3 224（mm2）=0.003 224（m2），燃燒室壓力p3=214 000 Pa，空氣常數(shù)Ra=287，主燃區(qū)最高燃燒溫度Tpz的確定比較復(fù)雜，這里按污染物排放量最小取為1 800 K，燃燒室出口溫度T4=1 150 K。

將數(shù)值代入上式可得t=0.025L。如果要燃油在燃燒室中的滯留時(shí)間t≥1.0 ms，即0.025L≥1.0 ms，則可得L≥40 mm。本例略加長(zhǎng)燃燒室的長(zhǎng)度，取52 mm，計(jì)算的燃油滯留時(shí)間為1.3 ms。

取燃燒室長(zhǎng)度為52 mm，主燃區(qū)長(zhǎng)度Ldz為燃燒室長(zhǎng)度的4/9、次燃區(qū)長(zhǎng)度Ld占比為3/9～4/9、摻混區(qū)長(zhǎng)度Lc占比為1/9～2/9。這里取Ldz=23 mm，Ld=20 mm，Lc=9 mm。

2.5 壁孔

燃燒室筒壁開孔面積除了要考慮空氣流量的分配外，還要綜合考慮壓力損失和燃燒效果。燃燒室筒壁上開孔總面積越大，孔的射流速度越小，壓力損失越小，但會(huì)導(dǎo)致燃燒情況惡化；反之，孔的射流速度越大，壓力損失越大，但于燃燒有利。

微型燃機(jī)燃燒室主燃區(qū)第1排孔的位置可以選擇蒸發(fā)管出口處的同一橫截面。筒壁孔選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本低的圓孔。

為主燃區(qū)、次燃區(qū)和摻混區(qū)分配空氣流量，流量分配的計(jì)算方法有面積法、流阻法等［20-21］，其中面積法最為簡(jiǎn)單和方便，它假設(shè)各排孔的相對(duì)流量等于孔的相對(duì)面積，也就是某個(gè)孔的流量占總流量的份額等于該孔的面積占孔總面積的份額。

面積法的基本假設(shè)為:沿燃燒室任一軸向截面，燃燒室內(nèi)外壓差相等；燃燒室筒壁孔中氣流密度不變；各孔的流量系數(shù)完全相同。假設(shè)空氣垂直進(jìn)入燃燒室壁面各孔的速度v都為100 m/s，空氣總流量為0.138 8 kg/s，則總開孔面積為

主燃區(qū)溫度控制在1 800 K，蒸發(fā)管布置在燃燒室后端，對(duì)燃燒室各區(qū)進(jìn)行流量分配。

前面計(jì)算得出該方案下主燃區(qū)空氣量占總空氣量的62%，其中蒸發(fā)管中空氣量占總空氣量的15%，則主燃區(qū)筒壁孔流經(jīng)的空氣量占總空氣量的47%。選取次燃區(qū)空氣量占總空氣量的20%，其余是摻混區(qū)的空氣量，占總空氣量的18%。

根據(jù)等效面積法，空氣流量正比于孔的面積，則蒸發(fā)管的面積為702×15%=105（mm2），同樣選取蒸發(fā)管由外徑為4.0 mm、壁厚為0.3 mm 的12 根不銹鋼管制成，則蒸發(fā)管的實(shí)際面積為108.9 mm2。同理可得主燃區(qū)筒壁孔面積為330 mm2，次燃區(qū)筒壁孔面積為140 mm2，摻混區(qū)筒壁孔面積為126 mm2。各區(qū)通流孔參數(shù)見表3。

表3 各區(qū)域通流孔參數(shù)Tab.3 Parameters of vents for air flow in each zone

本算例蒸發(fā)管位于燃燒室的后端，設(shè)蒸發(fā)管位于燃燒室內(nèi)筒，通過(guò)蒸發(fā)管的空氣需要先經(jīng)過(guò)燃燒室內(nèi)筒與軸套之間的環(huán)腔。燃燒室外筒壁上孔數(shù)與內(nèi)筒壁上孔數(shù)加蒸發(fā)管上孔數(shù)之比大致是2∶1，由此可得燃燒室外筒壁上孔的數(shù)量是內(nèi)筒壁的3.6倍，見表4。通流孔分布的展開圖如圖7 所示，成型后的燃燒室如圖8所示。

圖7 通流孔分布展開圖Fig.7 Expanded view of the vent distribution

3 試驗(yàn)結(jié)果

華北電力大學(xué)自行設(shè)計(jì)的微型燃機(jī)采用本文設(shè)計(jì)的燃燒室，多次點(diǎn)火試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，既沒(méi)有熄火也沒(méi)有火焰噴出，表明燃機(jī)工作狀態(tài)良好。

表4 燃燒室筒壁孔的分配方案Tab.4 Distribution scheme of vents on the wall of combustion chamber cylinders

圖8 燃燒室成型圖Fig.8 A completed combustion chamber

4 結(jié)論

針對(duì)微型燃機(jī)燃燒室缺少專門有效設(shè)計(jì)方法的問(wèn)題，本文給出了符合微型燃機(jī)燃燒室實(shí)際情況的一種設(shè)計(jì)方法。燃燒室內(nèi)外筒直徑主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；燃燒室的長(zhǎng)度根據(jù)燃油在燃燒室中的滯留時(shí)間，采用理論分析進(jìn)行確定；火焰筒上主燃孔、次燃孔和摻混孔的面積則根據(jù)面積與流量成正比的假設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最終確定了燃燒室的基本尺寸（包括直徑、長(zhǎng)度）、火焰筒上孔的結(jié)構(gòu)配置及燃燒室結(jié)構(gòu)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計(jì)方法切實(shí)可行，實(shí)現(xiàn)了微型燃機(jī)燃燒室的快速、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。