燃气轮机原理-燃烧室-

燃气轮机原理第四章燃气轮机燃烧室4-1燃烧室的功用、结构和工作特点1.燃烧室的功用¾燃烧室是将燃料中的化学能经燃烧后释放出热能，加热工质。¾能量的一部分用于推动涡轮带动压气机对进口气流进行压缩，另一部分使气流以高速从尾喷口喷出，以气体动能形式反作用于发动机上推动飞机前进。1.燃烧室的功用¾地面燃气轮机，用多级涡轮充分吸收能量，然后以轴功率形式输出，带动其它机件（如发电机）作功。¾还有一部分能量随燃气以热能的形式排放到大气。燃烧室是一个能量转换器燃料的化学能热能燃烧机械功（经压气机增压空气）动能（产生推力）热能随燃气排放至大气涡轮尾喷管燃烧室是动力机械的能量发源地。航空燃气轮机2.燃烧室的结构1-外壳2-火焰管3-冷却鱼鳞孔4-点火器5-过渡锥顶6-配气盖板7-燃料喷嘴8-燃烧区9-混合区10-旋流器11-一次射流孔12-混合射流孔13-环腔14-燃气导管一次空气：参与燃烧，占总空气量25-35%；二次空气：参与混合冷却。3.燃烧室的工作特点①燃烧室进口气流速度很大，一般在120~180m/s之间，相当于4倍12级台风的速度。在如此高的气流速度下，组织燃烧十分困难。高速气体在燃烧室内流动，还会造成很大的总压损失。必须采取措施降速，即使降速后的速度也还相当高，不采取其它措施，仍不能保证火焰稳定。②燃烧室容积很小，但要在短时间内发出大量的热能，要燃烧相当多的燃料，而且要求燃烧完全。涡喷-6发动机：10个火焰筒，总容积不到0.07m3，但每小时要烧掉2.5吨燃油。燃烧室的发展趋势：长度缩短，体积减小，燃料燃尽程度接近100%。③燃烧室出口气流温度受到涡轮叶片的热强度的限制，不能过高，否则会使叶片失稳变形，以至熔化或断裂，造成事故。目前一般允许在1200K，叶片采取冷却措施的发动机可达1600K。由于涡轮叶片耐温的限制，燃烧室内供油受到制约。燃烧室内供油只能烧掉空气中氧的1/4。在贫油的均匀混气情况下，火焰不能传播，燃烧不能进行。T*3一个矛盾„若达到烧着的程度，涡轮叶片承受不了；若考虑涡轮叶片耐温程度而减少供油，又烧不着。解决办法：先在火焰筒头部按接近恰当的油-空气比例（油和空气中的氧基本上都用光）进行充分的燃烧，这时头部气流温度接近2500K，然后用剩余的空气将高温气流掺混，把温度降下来，以达到涡轮叶片接受的温度。先燃烧后降温一次空气和二次空气④发动机的工况随飞机飞行状况的变化而变化，给燃烧室带来变化宽广的工作范围，是按某一状态设计的燃烧室，在其它状态下工作困难。涡喷—7发动机：•高度的变化：0~30km•速度的变化：M=0~3•转速也在一定范围内变化。4-2对燃烧室的性能要求1.点火可靠点火可靠是燃烧室正常工作的最起码保证。¾地面时：点火容易（气体压力、温度较高，进气速度不大）¾高空时：高空熄火后，点火困难（气体压力、温度低，气流速度较高）点火高度是评定发动机（飞机）的性能指标点火高度：8~9km；12~13km（采取补氧措施）2.燃烧稳定性要好燃烧室的稳定工作对发动机来说是至关重要的。燃烧稳定的两个含义：¾在发动机工作过程中，通常情况下不熄火；¾不出现对发动机具有破坏性的燃烧，通常为振荡燃烧。稳定燃烧特性包线HCyx413.38%1438%86=×+×OCOC22=+燃料的成分主要为碳氢化合物OHOH22222=+1千克碳完全燃烧需要8/3千克氧气1千克氢气完全燃烧需要8千克氧气航空煤油（C8H16）：含碳86%，含氢14%，1公斤煤油完全燃烧需要消耗的氧气量（公斤）为稳定燃烧特性包线LfLqqmfma001==α7.14232.0413.30==L大气中含氧气量为23.2%，1公斤煤油完全燃烧需空气量（公斤）为α过量空气系数（余气系数）：实际供给的空气量与理论上完全燃烧所需空气量之比。油气比f=1/40~1/330α=2.7~30稳定燃烧特性包线T*3constP=*21-富油熄火极限2-贫油熄火极限constT=*2pC2αminαCCp22ααminmax−αmaxC2时，燃烧不稳定相同时，越大越好受涡轮材料的限制，燃烧室不容易发生富油熄火，易贫油熄火，一般。25maxα3.燃烧要完全将所供燃料全部烧完，将化学能释放出来。燃烧效率：燃料燃烧时实际用于加热工质的热量（增加气体总焓）与这些燃料完全燃烧时的理论放热量之比。Hqhqhqhqqumffmfamagmfmab)()(**2*3+−+=ηηb主燃烧室：96~98%，甚至可达100%加力燃烧室：90%4.出口温度场符合要求燃烧室出口气流温度场符合涡轮叶片高温强度的要求，不要有局部过热点。要求：¾火焰除点火过程的短暂时间外，不得伸出燃烧室；¾沿涡轮进口环形通道的圆周方向，温度尽可能均匀，在整个出口环腔内最高温度与平均温度之差不得超过100~120ºC；¾沿叶高（径向）温度分布应符合等强度原则。T*3maxTm*3燃烧室出口温度径向分布hh32Tm*3T*3maxT*3minTTTTmm*2*3*3*3max−−=δ温度系数：通常不超过20%由于离心力的作用，叶片及涡轮盘榫头连接部位应力大叶尖部分叶片很薄，散热条件差δmδm5.压力损失小出于组织燃烧的需要，燃烧室采用了复杂的结构。阻力系数：燃烧室总压损失与某参考截面(最大截面或进口截面）气流动压头之比。CPPmmb2*3*221ρζ−=ζb主燃烧室：20~30加力燃烧室：3~46.尺寸小和重量轻为了提高发动机的推重比和减小迎风面积，力争在容积小的燃烧室中单位时间内烧掉较多的燃料。容热强度：每立方米的燃烧容积里在单位压力下每小时实际放出多少热量。)/(*233600hbarmKJBbumavpPVHfqq⋅⋅=ηqvpVB：燃烧室空间容积)/(3hbarmKJ⋅⋅10)5.3~2.1(8×=qvp火焰筒的容热强度为蜂窝煤炉的40倍，从产生热量的功能上来看，一个火焰筒相当于1300个蜂窝煤炉。10)5~2.1(7×=qvp10)08.9~5.7(7×=qvp¾航空燃气轮机¾地面重型燃气轮机‡主燃烧室10)73.20~34.12(7×=qvp103.46×=qvp‡火焰筒‡蜂窝煤炉7.使用寿命长燃烧室内火焰温度很高，火焰筒壁面经常受着高温燃气的侵蚀，由于气流和火焰的紊流脉动，使火焰筒承受着交变高温燃气引起的热应力，经常产生裂纹、烧蚀和变形等故障。7.使用寿命长影响燃烧室寿命的主要因素是火焰筒壁温，延长寿命主要从以下方面入手：¾火焰筒材料；¾采取冷却措施；¾防止严重积炭。高性能耐热钢板分段气膜冷却，鱼鳞片气膜冷却火焰筒壁面温度不超过800度8.排气污染少根据我国对烟尘、SOx、NOx和CO四种污染物来源统计分析，燃料燃烧产生的空气污染物占全部污染物的70%，工业生产产生的占20%，机动车产生的占10%。可见，燃料燃烧是空气污染物的主要来源。航空发动机的污染表现•由于燃烧组织的不完全，特别是富油时，排放大量的CO直接造成对人类健康的危害；•局部富油时因缺氧，生成大量的炭粒子，形成可见黑烟雾，造成污染；•由于燃烧时温度较高，特别是在地面起飞状态时，容易形成NOx类物质，对人类及其他生物危害很大；•燃烧室工作时，特别是加力燃烧室在不稳定工作时，产生低频高分贝的强噪声污染。燃烧室性能之间的矛盾：火焰稳定性压力损失大高容热强度使用寿命长解决办法：根据用途，做折衷考虑（trade-off）4-3燃烧室中燃烧过程的组织燃烧室中发生的整个工作过程包括：¾燃烧区中气流流动过程的组织；¾燃烧区中燃料浓度场的组织；¾燃烧区中可燃混合物的形成、着火与燃烧；¾混合区中二次掺冷空气与高温燃气掺混过程的组织；¾火焰管壁冷却过程的组织。在燃气轮机燃烧室中发生的燃烧过程总是在余气系数较大，且的变化范围又很宽的高速气流中进行的，因此燃烧室工作有两点困难：¾若把燃料直接喷到由压气机送来的全部空气中去燃烧，那么燃烧区的温度必然很低，燃料不能完全燃烧，燃烧效率非常低；¾由于气流的流动速度很高，因而燃烧火焰很容易被吹熄。同时，还会产生非常大的压降损失。αα解决办法1.采用扩压器，使进入燃烧区的气流速度由压气机出口的120~180m/s降低到20~30m/s左右，借以减小气流的压降损失；2.采取气流“分流”的办法，以提高燃烧区的温度；3.采用“火焰稳定器”，使在燃烧区内能够形成一个特殊形态的气流结构，为稳定火焰创造条件。空气燃烧室应采取的形状燃烧室中空气流的组织1.采用气流分流的办法以提高燃烧区的温度利用火焰管这种结构，把由压气机送来的空气分流成为两大部分。其中一部分空气将直接进入火焰管前部的燃烧区，参与燃料的燃烧过程，这部分空气称为“一次空气”。所余的另一部分空气，称为“二次空气”，则由冷却流道和混合机构逐渐流入火焰管，以便冷却火焰管壁，或是掺冷高温燃气。这种“分流”方法，相对于把燃料直接喷到“全部空气”中去的燃烧方法，可以保证燃烧区具有相当高的燃烧温度，有利于提高燃烧反应的速度。在分流方法中，控制“一次空气”的数量是改善燃烧工况的关键。试验表明：在燃烧柴油和天然气时，在满负荷工况下的一次空气量控制在=1.1~1.3（相当于燃烧区温度为1800℃左右），在空载工况下，=2.0~2.5（相当燃烧区温度为1000℃左右）是合适的。否则，燃烧效率将严重恶化。αα一次空气供应方式n将一次空气全部通过装在火焰管头部旋流器供入燃烧区o将一次空气分别由旋流器和开在火焰筒前段的几排一次空气射流孔供入燃烧区2—旋流器5—一次空气射流孔¾试验表明，第o种供气方式，即将一次空气分别由旋流器和开在火焰筒前段的几排一次空气射流孔供入燃烧区，可以保证燃烧室具有比第n种供气方式，即将一次空气全部通过装在火焰管头部旋流器供入燃烧区，更为宽广的负荷变化范围。这是由于在第o种供气方式中，燃烧室具有“一次空气量自调特性”。一次空气量自调特性¾定义：随着火焰长度的伸缩能自动调整直接参与燃烧反应的一次空气量的特性。z机组负荷降低，燃烧火焰的长度缩短，通过开在火焰长度之后的一次空气射流孔供入的空气量不会直接射到火焰中去掺冷火焰，低负荷时，燃烧温度仍很高；2—旋流器5—一次空气射流孔一次空气量自调特性¾定义：随着火焰长度的伸缩能自动调整直接参与燃烧反应的一次空气量的特性。z机组负荷增加，燃烧火焰的伸长，后排射流孔供入的空气向火焰补充所需的氧，防止缺氧引起的燃烧不完全和火焰过长。2—旋流器5—一次空气射流孔¾试验表明，具有一次空气量自调特性的供气方式对于扩大燃烧室负荷变化范围的效果是明显的。例如，对某燃烧室采用第n种供气方式采用第o种供气方式4.1494.4→=α%70%95→=ηb4.14α%92≥ηb燃烧室中空气流的组织2.采用火焰稳定器以稳定高速气流中的火焰利用火焰稳定器在火焰管的前部造成一个特殊形态的速度场，以便强化燃料与空气的混合作用，并为燃烧火焰的稳定提供条件。火焰稳定器：造成高速气流中的局部低速区，从而保证燃烧火焰不被吹灭，如同大风中背风点火吸烟一样。旋流器的轴侧图装有单个旋流器的燃烧室中气流运动的示意图1--主流区2--旋流器内轮毂3--旋流器4--环流适于火焰稳定的低速区不断输送热量的点火源火焰管内气体的轴向速度场1—回流2—回流区边界燃烧室前段工作情况的描述¾新鲜空气经旋流器不断进入，燃油不断喷入，依靠回流区供给热量，形成可燃混气并着火燃烧之后，小部分燃烧产物进入回流区补充回流区消耗掉的气体质量和能量，大部分燃烧产物则流到火焰管后段与二次空气掺合流向涡轮。这一过程连续不断，就可以使火焰管头部保持火焰稳定，从而为整个燃烧过程的可靠进行提供了基础。燃烧室中燃料流的组织¾根据燃烧理论得知：可燃混合物的着火和燃烧只有在一定的浓度范围内才能发生。为了使燃料能够稳定而又完全地燃烧，应确保在任何负荷工况下，燃烧空间中燃料与空气的局部配合关系都能处于可燃范围之内。因此，需要合理地组织燃烧室内燃料浓度场。¾燃料浓度场的组织与燃料的喷射特性密切相关。燃烧室中燃料流的组织1.使燃料雾化成很细的颗粒目的：加速液滴蒸发为蒸汽的过程¾液体燃料先蒸发后燃烧，要燃烧得好，首先要气化得好，气化得快；¾液体燃料的燃