燃烧室的基本原理及结构

燃气轮机燃烧室
❖燃烧室工作特点和要求
❖燃烧过程和气流的组织
❖燃烧室的结构和型式
❖燃烧室的变工况特性
❖气体燃料的燃烧技术
❖液体燃料的雾化和喷嘴
❖燃烧室的低NOx燃烧技术
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燃烧室工作特点和要求
❖燃烧室工作过程
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燃烧室工作特点和要求
燃烧室的工作特点
1、燃烧室是一个在连续的、高速气流中及贫油混合气 情况下进行的燃烧过程；
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温度不均匀系数：
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对燃烧室的基本要求
❖ 尺寸小、质量轻
▪ 尽可能地提高燃烧热强度，以减小燃烧室的尺寸 和重量，以适应整台燃气轮机结构紧凑性的要求。
燃烧热强度：指在单位时间内、在单位体积的燃 烧空间中（或在单位面积的燃烧截面上），能够 释放出来的热量。
燃烧热强度
体积热强度 面积热强度
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燃烧区中气流流动过程的组织
措施： 1、采用扩压器 2、采取气流“分流”的办法 3、采用“火焰稳定器”
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燃烧区中气流流动过程的组织
1、扩压器及其气流流动
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燃烧区中气流流动过程的组织
2、气流“分流”的办法
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燃烧区中气流流动过程的组织
燃烧室中燃烧火焰的概况
❖ 火焰波峰所占的空间范围，即所谓第二区段。 在这里，燃料与空气的混合物在火焰波峰范围
内发生化学反应作用而逐渐完成燃烧过程。这
时，燃料的浓度迅速下降，而燃料和空气混合
物的温度将逐渐升高到最高值。这个区段又称 为燃烧反应区。
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燃烧室中燃烧火焰的概况
❖火焰波峰与火焰筒轴线之间的第三区段， 在那里，充满了高温燃烧产物。由喷油 嘴喷射出来的燃料，基本上是在这个区 域内蒸发变成油气的。
2、气流“分流”的办法
一次空气 ≈ 25% 压气机送来的空气 冷却空气
二次空气
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燃烧区中气流流动过程的组织
3、“火焰稳定器” — 旋流器
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燃烧区中气流流动过程的组织
4、经火焰筒上孔、缝的气流流动
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燃烧区中气流流动过程的组织
4、经火焰筒上孔、缝的气流流动
❖ 由于燃料的物理化学性能是影响点火性能的 主要因素，挥发性好的燃料点火容易，所以， 燃用重质燃料的燃烧室，点火时先用轻质燃 料，着火后再切换成重油。
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联焰管
❖ 在分管和环管燃烧室中装有联焰管，用来传递 火焰筒燃烧区之间的火焰，并均衡各火焰筒间 的压力。
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联焰管 ❖传焰管的轴向位置应设置在回流区直径
燃油喷嘴
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2、离心式喷嘴
燃油喷嘴
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燃油喷嘴
3、气动雾化喷嘴（空气雾化喷嘴）
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4、蒸发管式喷嘴 5、甩油盘式喷嘴
燃油喷嘴
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影响喷嘴喷雾特性的因素
1、喷嘴的结构特点 2、喷油压降 3、燃油物理性质 4、喷雾空间中气体介质参数
第四章 燃烧室的原理和结构
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燃烧室的原理和结构
❖燃烧室功用
燃烧室的功用就是把燃料中 的化学能经过燃烧释放出来，转 变为热能，使气体的总焓增大， 提高燃气在涡轮和尾喷管中膨胀 作功的能力。
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燃气轮机燃烧室
❖ 燃气轮机的性能和可靠性与燃烧室有着密切的 关系。例如，
▪ 燃烧室出口局部温度过高会引起透平叶片的过热和 烧毁；
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燃气收集器
❖在分管型和环管型燃烧室中，需要用燃 气收集器（又称燃气过渡段）把火焰简 出口的圆形截面过渡并转变为透平喷嘴 前的扇形截面。
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燃气收集器 ❖为了提高燃气收集器的工作可靠性，在
型面变化剧烈的地方，可以局部地开启
一些冷却小孔，使壁面获得冷却保护，
并适当减弱一些这个部位的刚度，以消 除一部分内应力。
2、燃烧室在高温、大负荷下工作； 3、燃烧室在变工况下工作； 4、燃烧室需要具备燃用多种燃料的能力； 5、燃烧室内的燃烧过程是一个极其复杂的物理化学过
程。
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对燃烧室的基本要求
❖ 点火可靠,燃烧稳定
▪ 要求启动时能迅速、可靠地点火燃烧，并在整个 启动、升温过程中不出现熄火、超温和火焰过长 等现象。未装点火器的火焰筒，也能借助联焰管 迅速、可靠地联焰，保证启动百分之百的成功。 点火可靠，燃烧稳定，不发生大幅度脉动。
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燃烧室的结构和型式
3、火焰筒
火焰筒是燃烧室的核心构件。火焰筒筒体的结 构应保证合理进气与燃料混合，形成回流区，便于 点火和稳定燃烧。筒体壁面上设置一次空气和二次 空气射流孔。火焰筒受高温燃气辐射和对流换热的 影响，应注意筒壁的冷却问题和火焰简各组成部分 之间的热变形协调问题。
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对燃烧室的基本要求
❖ 点火可靠,燃烧稳定
▪ 在各种工况，包括工况急剧变化的过程（过渡过 程）, 燃烧室应保证稳定燃烧，即不熄火，无燃 烧脉动。
空气过量系数α：燃烧时实际空气量 L与理论上需要的空气量L0的比值， 即α＝L／L0。
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对燃烧室的基本要求
❖ 燃烧完全
▪ 在燃气轮机的主要工况下，燃烧室应具有足够 高的完全燃烧程度和最小的散热损失。
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燃烧室的结构和型式
燃烧室结构
1. 壳体 2. 扩压器 3. 火焰筒 4. 旋流器 5. 燃油喷嘴 6. 点火器 7. 联焰管
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燃烧室的结构和型式
1、壳体
燃烧室壳体构成二股气流的通道，是燃气轮机 的主要承力件，在设计上必须保证壳体具有足够的 强度、刚性。在环管和环型燃烧室中，燃烧室壳体 由内、外壳体组成。为了减低燃烧区对外的热辐射， 达到提高燃烧区的温度和降低外壳的温度的目的， 有时在外壳内还村有一层遮热衬套。
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燃烧过程和气流的组织
❖燃烧室中气流流动过程的组织 ❖燃烧区中燃料浓度场的组织 ❖燃烧区中可燃混合物的形成与
燃烧
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燃烧室中气流流动过程的组织
❖燃烧区中气流流动过程的组织 ❖混合区中二次掺冷空气与高温燃
气掺混过程的组织 ❖火焰筒壁冷却过程的组织
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燃烧室中二次掺冷空气与高温燃气的掺混
❖ 燃烧产物温度太高，温度场也不均匀，必须由二 次空气掺冷。火焰筒内外压差一般为0.01～ 0.02MPa，二次空气约占空气总流量的70％～85 ％，二次空气经混合射流孔进人的速度约为80－ 100m／s，一般在燃烧完成之后的区域射入火焰 筒，不宜过早或过于集中，以免使局部火焰温度 过低、燃烧不完全。在较后的区段内，掺冷空气 穿插深度需适当，才能掺混均匀使温度场均化， 所以火焰筒混合区的气孔开得也较大。
液体燃料的雾化
二、雾化质量的评定
1、雾化细度 a、质量中间直径MMD b、索太尔（Sauter）平均直径
2、雾化均匀度 3、雾化锥角
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燃油喷嘴
1、直射式喷嘴 2、离心式喷嘴 3、气动雾化喷嘴（空气雾化喷嘴） 4、蒸发管式喷嘴 5、甩油盘式喷嘴
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1、直射式喷嘴
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燃烧室的结构和型式
2、扩压器
扩压器是由燃烧室内、外壳和火焰街头 部构成的一个扩压通道，用它来降低速度， 提高压力，保证燃烧的顺利进行和减少压力 损失ρ通常，在扩压器中需把压气机的出口 流速降低3～5倍。
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燃烧室的结构和型式
2、扩压器
扩压器是由燃烧室内、外壳和火焰街头 部构成的一个扩压通道，用它来降低速度， 提高压力，保证燃烧的顺利进行和减少压力 损失ρ通常，在扩压器中需把压气机的出口 流速降低3～5倍。
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点火装置
❖ 点火装置的作用是在启动时向燃烧室提供初始 点火炬。当燃烧室主燃区能连续、稳定地燃烧 时，点火装置即停止工作。
❖ 点火设备要位于气体流速较低，油气浓度较合 适处，并要能提供足够的能量才能点着。
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❖ 电站燃气轮机常用的点火器
点火装置
（1）电火花塞点火器
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燃烧室的结构和型式
3、火焰筒
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燃烧室的结构和型式
4、旋流器
旋流器位于火焰筒的头部，大多为环状围绕燃料喷 嘴安装，可多个使用，也可以多个并列或同心组合应用， 以改善燃烧过程或缩短火焰长度。旋流器可使一次空气 沿火焰筒内壁作螺旋状的旋转运动，有的旋流器能把一 部分空气射入雾化油锥内，可以减少积炭。
▪ 燃烧的不稳定会导致熄火； ▪ 燃烧组织不好，会使燃烧过程的流动损失增加，燃
烧效率降低， ▪ 同时在火焰筒和透平叶片工作表面会产生积炭。火
焰筒壁面上积炭会使冷却变坏，造成过热变形甚至 开裂，透平叶片上积炭将使叶片的气动性能变坏， 降低了透平效率，并会影响转子的平衡，造成燃气 轮机的振动。
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对燃烧室的基本要求
❖ 压力损失小
▪ 工质流过燃烧室时，由于扩压、摩擦、分流、 掺混、倒流、热交换等，气体的总压必然下 降。流体阻力的大小与燃烧室的结构和加热 程度有关。
燃烧室的压力损失系数
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对燃烧室的基本要求
❖ 燃烧室出口温度场符合透平要求
▪ 温度沿叶片高度的分布，应能保证在最小的叶片 重量下，与应力沿叶片高度分布相适应。
最大的地方，因为这里容易点火。传焰 管的直径应足够大，以保证传焰的可靠 性，但又不能过分的大，因为贯穿在二 股气流中的大尺寸传焰管会在其下游产 生强烈的旋涡，影响火焰筒壁面的冷却。 分管燃烧室的联焰管伸出燃烧室外套， 因此，必须解决好联焰管同外套的密封 和联焰管本身的冷却问题。环管燃烧室 的联焰管包围在二股气流中，因此结构 较简单。
叶片式旋流器在结构上又分为：（a）平面旋流器； （b）径向旋流器；（c）包角旋流器
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燃烧室的结构和型式
（a） 平面旋流器
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燃烧室的结构和型式
（b） 径向旋流器
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燃烧室的结构和型式
（c）包角旋流器
其特点是叶片在出口处的外径逐渐减小，即叶片径向高
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对燃烧室的基本要求
❖ 排气污染小
▪ 排气无黑烟，含NOx等有害成分少
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对燃烧室的基本要求
❖ 寿命长
▪ 燃烧室必须具有足够的刚度、强度和气密性，能承 受振动负荷。合理地组织燃烧，燃烧室的高温元件 冷却良好，避免火焰筒等高温元件局部过热、严重 变形、裂纹和积炭等，有助于燃烧室部件可靠性和 寿命的提高。目前，重型燃气轮机的翻修寿命要求 在20000～30000h。
度逐渐减小，使流出的旋转气流呈向内包的趋势，对燃
用43 重油较为有利。
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液体燃料的雾化和喷嘴
❖液体燃料的雾化 ❖燃油喷嘴 ❖影响喷嘴喷雾特性的因素
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液体燃料的雾化
一、雾化机理
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液体燃料的雾化
一、雾化机理
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燃烧室中燃烧火焰的概况
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燃烧室中燃烧火焰的概况
❖ 火焰筒内壁与火焰波峰之间的第一区段。在这 个区域内，充满了一次新鲜空气和燃料的混合
物，它不断地接受由火焰波峰传递过来的热量，
以及促使燃烧反应进行的活化分子的交换，从 而使可燃混合物逐渐进入着火状态。
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燃气收集器
❖在设计中应保证燃气收集器具有一定的 强度和刚度，使能承受热冲击应力和振 动负荷而不致开裂。
❖燃气收集器出口流场的均匀性将随收集 器如收敛度之增大而得到改善。收敛度 的增大虽然可以缩短收集器的长度，但 是却会使型面的变化比较剧烈，在热冲 击下容易产生较大的内应力。
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利用电极高压放电或半导体
表面放电，点燃燃料空气混合
物。
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❖ 电站燃气轮机常用的点火器
点火装置
（2）火焰点火器
用电火花点燃点火燃料（如汽油、煤油、
柴油等），形成火炬，喷入燃烧室点燃主
喷嘴。这种装置，点火能量大，反应迅速，
工作可靠，各种类型燃烧室均可采用。
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点火装置
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燃烧区中气流流动过程的组织
5、燃烧区中的气流流动
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燃烧区中燃料浓度场的组织 燃料的燃烧方式
{ 预混燃烧
气体的燃烧方式
扩散燃烧
液体的燃烧方式： 雾化燃烧
雾化 冷
蒸发 扩散混合
燃烧 掺
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燃烧区中燃料浓度场的组织
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燃烧室中燃烧火焰的概况