燃气轮机合成气燃烧室燃烧稳定性的实验研究

摘要：燃气轮机是通过燃烧将化学能转化为机械能的装置，目前燃气轮机广泛的应用到发电、管道输送、船舶动力等领域。对于燃气轮机，燃烧室是燃气轮机最重要的部位，实现稳定安全的燃烧是十分重要的，只有保证燃烧室的稳定燃烧，才能保证燃气轮机的安全稳定的运行。本文通过理论和实验研究，对燃烧室稳定性燃烧进行分析，并且提出了相应促进燃烧稳定的方法，希望为燃气轮机的安全稳定运行提供理论参考。

关键词：燃气轮机、燃烧室、稳定性、实验研究

前言：由于燃气轮机具有功率大、体积小、效率高、污染低等特点，燃气轮机在多种领域具有广阔的应用前景。保证燃气轮机的稳定燃烧，就必须保证燃烧室在任何工况下的稳定燃烧。燃烧室燃烧稳定性关系到燃气轮机的寿命以及安全运行，因此对燃烧室燃烧稳定性的研究具有重要意义，本文从理论和实验研究两个方面对燃烧稳定性进行分析，并提出相应的措施。

1.燃烧室燃烧稳定性理论分析

燃烧室是燃气轮机的心脏部位，燃烧室的设计直接影响到燃气轮机的性能。燃烧室主要是通过燃烧将化学能转变成热能，从而推动涡轮作用。保证燃烧室的稳定燃烧是十分重要的，燃烧室稳定性主要是指在燃料燃烧过程中，在各种工况下（压力振荡、回火极限、吹熄极限）都能保证稳定燃烧。火焰稳定分为两种：低速火焰和高速气流火焰的稳定。对火焰稳定性进行讨论，首先需要了解一维火焰的稳定性条件。一维火焰稳定性前提包括两个：

1.1.燃烧混合气体浓度在火焰传播范围之内；

1.2.平面波的横断面直径要大于熄火直径。

当燃烧室的空气和燃料比超出富燃料极限和贫燃料极限时，燃烧室就会出现熄火的状况。燃气轮机在低负荷的状况下运行时，喷入燃烧室的燃料量减少，而空气流量较大，火焰就有可能熄灭。空气和燃料比会随进入燃烧室的空气的变化而变化，当进入燃烧室的空气比例增加，就会导致熄火。

2.燃烧室稳定性实验分析

2.1.燃烧室热负荷对合成气燃烧稳定性的影响

在实验中，燃烧室的空气保持在2.0kg/s左右，那么可以利用余气系数来代表燃烧室的热负荷，同时余气系数在数值上相当于当量比的倒数。为研究热负荷对燃烧稳定性的影响，利用余气系数来进行实验。在进行实验时，除了余气系数不同外，其他的参数都保持相同。实验结果表明：随着余气系数减小，也就是燃烧室内热负荷的增加，燃烧振荡频率基本不变，略呈增加状态；随着热负荷增加，动态压力呈大幅上升状态。

2.2.空气加湿对合成气燃烧稳定性的影响

空气加湿燃烧技术提高了燃机的效率和功率，为了研究空气加湿燃烧对燃烧稳定性的影响，本文利用空气加湿燃烧进行了实验。实验结果表明：随着燃烧室内热负荷的增加，动态压力也会随之增加，但是振荡能量会在80～120Hz范围内波动。根据空气加湿前后，合成气燃烧稳定性的变化规律，可以发现动态压力随着空气加湿后振动减小。因此，空气加湿有助于合成气燃烧的稳定性。

2.3.影响合成气扩散燃烧不稳定的因素

影响合成气燃烧稳定性的主要因素是轻柴油喷嘴的雾化效果，它可以改变燃烧的振荡。合成气扩散燃烧相对比较稳定且动态压力较小。通过空气加湿燃烧实验表明空气加湿后会在很大程度上改善燃烧的稳定性，这是因为空气加湿后降低了燃烧区的燃料和氧气的浓度，导致化学反应变慢。轻柴油进行燃烧时，动态压力会随着燃气轮机发电功率的增加而增加，而合成气在燃烧时，动态压力则会随发电功率的增加而减小。燃烧室热负荷的增加会增加燃烧的不稳定性，而燃料喷嘴压比的增加会改善燃烧的不稳定性，因此燃烧室内的动态变化是非常复杂的过程。

3.促进燃烧稳定性的方法

3.1.稳定火焰的方法分析

在高速射流中，当气流速度大于火焰的传播速度时，就会出现熄火的状况，导致燃烧室内燃烧不稳定。在高速气流中保证燃烧稳定的基本方法就是稳定火源，从而建立一个平衡点。影响燃烧稳定的因素主要包括两个：一个是气流因素，另一个是物理化学因素。对于气流因素，应该采取流体动力学的方法来稳定燃烧；对于物理和化学因素，应该采取化学动力学以及热力学来稳定燃烧。

3.2.扩散燃烧

传统的燃气轮机采用扩散燃烧的方法，虽然不会发生回火现象但是由于高速气流，火焰很容易被吹熄。防止熄火除了采取稳定点火源外，还要保证空燃比与化学计量比相等。保证燃烧室稳定燃烧的办法包括：采取壁面凹槽、偏转射流、逆向射流产生回流区方法；采用旋转射流方法来稳定燃烧；当燃料为煤粉时，可以采用高速同向射流稳定燃烧。

3.3.预混火焰燃烧

为了保护环境，燃气轮机需要降低NOx，没完全燃烧的碳氢化学物等气体的排放。扩散燃烧的方法会引起燃烧室局部高温，同时NOx的排放量大，目前燃气轮机大部分采用预混燃烧方法。稳定预混燃烧的方法包括：产生回流区稳定燃烧；采用金属棒、值班火焰稳定燃烧。

4.燃烧的不稳定性与振荡燃烧

燃气轮机的燃烧是一种剧烈的化学反应现象，且燃烧时会产生自激振荡，同时燃烧室内的压力会随时间的变化而变化。燃烧时产生的振荡会影响燃气轮机的燃烧效率、燃气轮机的安全性和可靠性。

Higgins在研究扩散燃烧时发现：在筒罩内做燃烧实验时，在火焰上方会有明显的声调。Load Rayleigh根据这一现象提出：火焰放热时产生的波动和压力波动之间的差值决定能否产生振荡燃烧。Dwoling通过研究得出：热能在转化为声能的过程中，大于声能的损失量。影响燃烧不稳定的因素包括：燃料供应系统、燃烧室排气系统、压气机排气系统等。控制振荡燃烧主要是利用作动器（声波发生器、空气燃料调节器等）来控制压力的振动。

5.总结

燃烧室的稳定燃烧对燃气轮机的安全稳定运行具有重要意义，本文对燃烧室燃烧稳定性进行分析，总结了影响燃烧稳定性的因素，并提出了稳定燃烧室燃烧的方法。根据影响燃烧稳定性的不同因素采取不同的方法来稳定燃烧。随着环保意识的提高以及燃气轮机在各领域中的广泛应用，我国一定会研究出更加先进有效的方法来保证燃烧的稳定性，从而保证燃气轮机的安全稳定运行。

参考文献：

[1] 宋权斌. 多旋流合成气燃烧室燃烧特性的实验研究. 中国科学院工程热物理研究所博士论文，2008. 12.

[2] 房爱斌. 燃气轮机合成气燃烧室燃烧稳定的实验研究. 中国科学院工程热物理研究所博士论文，2007. 06.

[3] 徐旭常，周力行. 燃烧工程手册. 北京：化学工业出版社，2008.

作者简介：蓝石（1986.9-）男，汉族，甘肃平凉，大学本科，助理工程师，燃气轮机。