常规燃烧室工作原理-Samuelsen

常规燃烧室工作原理

摘编自教授《》

编译说明：

本文对燃气轮机燃烧室工作基本原理的说明，与国内通行教材有一些概念差别，有些显得非常重要，包括：

1、Secondary Zone—次燃区

国内教材普遍沿用或以“中间区”命名这个位于主燃区后、掺混区间的分区；在解释机理时，也多以“一次射流的自调特性”等宏观的语言解释这个“中间区”的功能。

本文给出了Secondary Zone的明确解释，即：

(1)从能量释放角度，放热量1/3发生在这一区域；

(2)更为重要的是，从化学反应的动力学机制角度分析，决定CO氧化成为 的、缓慢的动力学过程(速度或时间

尺度)决定了这一过程基本不能在主燃区内完成。

可见碳氢化合物燃料中CO的生成、进一步氧化为 反应是占据碳氢化合物化学反应和放热量的一个重要组成部分，其空间尺度、时间尺度是明确的，而一些教材在“中间区”辅以“一次射流的自调特性”所做的解释，不仅掩盖了化学反应机理对这一功能区产生的必然设计要求，也对学生和后来者初期的概念理解造成负面影响。

因此，本文基于化学反应动力学机理和英文原意，译作“次燃区”。

2、出口平面的温度分布与透平间匹配

(1)国内教材，在述及出口温度分布时，普遍将叶顶位置的温度适当降低的目的，表述为……因为叶顶位置叶片较

薄，相对强度不足。本文中提到“同时降低100%相对叶高处的温度目的是为控制叶顶与缸壁的间隙”，这也是明显的不一致之处；

(2)国内教材，在述及透平侧期望的理想温度分布时，多数描述为，67%相对叶高、或2/3相对叶高处的温度为最

高值，而本文中“温度的峰值产生在近100%相对叶高位置“，不知是作者笔误还是有其原因，但至少与我们国内的教材有着明显差异。

(3)本文摘录了航空部门、动力机械制造领域大学编写的各类教材中，对燃烧室出口温度分布的命名或译名。原因

是期待为后来者提供一个比较统一的命名体系，希望“核心机”思路能在学术层面先行一步。

3、燃烧室布局方面的解释

本文提到了……还包含燃烧系统…“倾斜角”问题，这一问题在国内教材文献中甚少提及，反映的是实际机型研发设计的不足，也反映了传统上透平涡轮机械、燃烧工程与技术在这个界面上的协调设计。实质上，这一倾角以及包涵的其他相关问题的计算和设计，将对燃烧室跨距、转子长度及强度、燃烧室的气流及压损特性产生影响。译者认为这也是本文的点睛之笔，期待今后看到关于这一问题的设计准则及相关模型计算说明。

韩刚，2018年9月

1.介绍

燃烧室在燃气轮机中扮演着双重角色：一是负责将燃料蕴含的化学能燃烧转换为透平膨胀做功的热能；二是调整燃烧室出口平面的燃气温度场与透平材料的极限相匹配。燃烧室采用各种措施予以实现，作用是将燃料与升温升压后的空气混合，维持稳定和连续的燃烧反应，并掺冷燃烧产物以获得理想的温度分布。燃烧过程及生成燃气过程，涵盖了混合过程的流体动力学和化学动力学、传热学的复杂机理。在喷气推进和发电动力领域，常规燃烧室在完成并优化上述过程的设计探索方面已持续演进约70年。

图1 燃气轮机发电机组的布雷顿循环

燃气轮机运行在布雷顿循环方式下(如图1)。按设计与应用的需要压气机将空气增压数十倍，压比为压气机出口压力与进气压力比值 ，是动力循环热效率的主要决定因素。压比越高，总的热效率也越高。

图2 固定式燃气轮机发电机组

(1)燃烧室进气状况

空气由工况点1增压至点2同时温度也相应升高，因此，进入燃烧室的空气压力和温度都很高。燃料(如天然气、合成气或液化气)是驱动循环做功的能量的来源，燃料随空气同时在燃烧室入口段喷入。

(2)燃烧室功能

燃烧室功能是将燃料蕴含的化学能转换为热能，在透平中经膨胀做功将热能转换为(1)驱动压气机增压，(2)驱动动力装置或用于发电。

为实现上述目标，燃烧室的功能可分为：

——组织空气与燃料的流动和混合过程

——点燃燃料/空气混合物

——持续掺混燃烧反应物

——调整燃烧室出口平面的高温燃气温度分布

(3)连续燃烧

与间断工作的方式不同，燃气轮机燃烧室内发生的燃烧(如空气与燃料的注入，空气与燃料混合，燃烧反应)是在一个常压条件下的连续过程，这与在汽车发动机内点火式Otto循环中采用的间断式燃烧并伴随显著压力变化的方式有区别。燃烧室出口的燃气连续供给透平在各级中连续膨胀做功，至末级充分膨胀后形成乏气排入大气。

2.燃烧室特征

在持续需求牵引下，燃气轮机燃烧室结构型式历经数十年演进已形成最优设计。在提高热效率和减少污染影响要求下，计算流体力学(CFD)和激光诊断技术等设计工具引领着设计水平的进步。持续不断的设计优化伴随需求牵引，推陈出新产生更为现代化的设计。

图3 燃烧室结构特征

燃烧技术优化和持续需求推动促使燃烧室性能仍处在不断发展中，但总的来说，燃烧室包括五个基本结构特征：(1)燃烧区、(2)次燃区、(3)掺混区、(4)分布于火焰管壁面的射流和(5)火焰管边界的冷却气流，见图3。

3.主燃区

空气离开压气机后进入燃烧室的位置主要有四个，每一个位置都有特定目的，且各占总燃烧室空气量的约1/4。其中2个(旋流器，主燃区射流孔)在主燃区位置，控制着流场结构和混合过程。

(1)旋流器

压缩空气最先进入位于燃烧室头部、环绕燃料喷嘴外圈的旋流器导叶的流道中，在旋流器导叶作用下沿周向形成一股旋流并推动空气沿径向散开进入燃烧室，沿主轴线上再形成一负压区，吸引主轴线上下游的部分气流逆流予以填补。在旋流器下游形成一个长度接近火焰管直径回流区称为“主燃区”。其中的旋流强度，用旋流数

表示：

(1)

式中， ——气流周向动量的轴向通量

——气流的轴向动量

——旋流器外径

旋流数 必须大于0.6才能形成稳定的回流区。

(2)气动点火源

燃料必须与旋流器下游的空气的旋流成一合适的夹角喷入有利于混合，旋流器作用下形成空气的强湍流增强了这个混合过程，形成的燃料/空气的混合物进入回流区；下游的逆流输送来由燃烧反应生成的活化的燃烧产物，完成第二阶段混合。对于新鲜的燃料/空气混合物来说，这股活化的燃烧产物起到一个固定点火源的作用。其结果