燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室?；囼?yàn)方法研究

朱杰文, 劉 江,b, 翁培奮,b, 項(xiàng)文威

(上海電力學(xué)院 a.能源與機(jī)械工程學(xué)院， b.上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心, 上海 200090)

燃?xì)廨啓C(jī)作為能源裝置具有高效率、低污染等優(yōu)點(diǎn),在發(fā)電、分布式能源、動(dòng)力系統(tǒng)以及船舶等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)、冷熱電三聯(lián)產(chǎn)分布式供能系統(tǒng)等諸多優(yōu)點(diǎn)使其可以逐步替代煤電,為改造煤電提供了方向[1-3]。燃燒室作為燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件之一,有燃?xì)廨啓C(jī)的“心臟”之稱,燃?xì)廨啓C(jī)工作的穩(wěn)定性、可靠性在很大程度上依賴燃燒室的工作性能[4-5]。在燃燒室內(nèi)燃料進(jìn)行強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng),燃料的化學(xué)能與氧氣燃燒反應(yīng)產(chǎn)生熱能,反應(yīng)造成的高溫高壓產(chǎn)物推動(dòng)透平做功,進(jìn)一步將熱能通過(guò)透平轉(zhuǎn)變成所需要的機(jī)械能。燃燒室內(nèi)部的工作涉及一系列復(fù)雜傳熱傳質(zhì)過(guò)程,燃燒室的出口參數(shù)關(guān)系到透平的工作,進(jìn)而給整臺(tái)機(jī)組的性能帶來(lái)影響[6-7]。2013年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃 (2012—2030年)》[8],將“潔凈高效燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)裝置”列為“十二五”啟動(dòng)的項(xiàng)目之一,而且“十三五”規(guī)劃中也明確要求重點(diǎn)推動(dòng)重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展和掌握高效低排放燃燒室的設(shè)計(jì)技術(shù)。

燃?xì)廨啓C(jī)配備任何一款燃燒室都要經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)調(diào)試、改進(jìn),才能逐步達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。調(diào)試過(guò)程中需要廣泛結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定方案,這是燃?xì)廨啓C(jī)研制過(guò)程中不可逾越的一部分[9-10]。為了保證燃燒室試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,需要試驗(yàn)條件與運(yùn)行條件相一致,這樣費(fèi)用將會(huì)十分昂貴,而通過(guò)模化試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^低費(fèi)用下得到與真實(shí)燃燒室內(nèi)部近似的各種參數(shù)。因此,充分了解燃燒室?；?、?；瘻?zhǔn)則和?；囼?yàn)方法,不僅能簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程,而且能夠加快燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室研發(fā)進(jìn)程。

1 燃燒室?；砑跋嚓P(guān)理論準(zhǔn)則

燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展方向是追求較高的壓力比、較高的入口溫度以及較大的功率。燃燒室模化就是使燃燒室模型內(nèi)部工作狀況與實(shí)際燃燒室工作狀況相似,即保證兩者之間呈現(xiàn)的物理、化學(xué)規(guī)律相同,相關(guān)變量在對(duì)應(yīng)空間、對(duì)應(yīng)時(shí)間成一定比例[11]。用相似理論方法進(jìn)行燃燒室試驗(yàn),在燃燒室實(shí)物或者幾何尺寸較小的模擬燃燒室里,用相對(duì)原始空氣源較低的“?；瘏?shù)”做試驗(yàn),為燃燒室的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)減少人力和物力的投入。

?；笕紵业脑囼?yàn)?zāi)芊裾_反映出實(shí)際燃燒室內(nèi)的流動(dòng)燃燒現(xiàn)象,由相似原理可知必須要滿足4個(gè)單值性條件[11]:模化前后試件幾何相似;參與試驗(yàn)的氣體或燃料的物理性質(zhì)相似;邊界條件相似;單值性條件組成的相似準(zhǔn)則相等,以這些單值性條件為基礎(chǔ)而推導(dǎo)出的基本相似準(zhǔn)則包括雷諾準(zhǔn)則、傅魯?shù)聹?zhǔn)則、歐拉準(zhǔn)則、馬赫準(zhǔn)則、卡巴準(zhǔn)則、紊流克努森準(zhǔn)則等共計(jì)11個(gè)相似準(zhǔn)則[12]。

1.1 傳統(tǒng)模擬準(zhǔn)則

1.1.1 等容積流率?；瘻?zhǔn)則

當(dāng)進(jìn)氣壓力pM≥0.147 2 MPa時(shí),在幾何相似、進(jìn)口燃料與空氣溫度相同的條件下,等容積流率模化準(zhǔn)則表達(dá)式為[13]

qvaM=qvaR

式中:qvaM,qvaR——空氣容積流率的試驗(yàn)參數(shù)、原設(shè)計(jì)參數(shù)。

因而,試驗(yàn)時(shí)采用的空氣質(zhì)量流率qmaM滿足

式中:qmaM,qmaR——空氣的質(zhì)量流率的試驗(yàn)參數(shù)、原設(shè)計(jì)參數(shù);

pcM,pcR——燃燒室入口空氣壓力的試驗(yàn)參數(shù)、原設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.1.2 卡巴準(zhǔn)則(K準(zhǔn)則)

用D表示火焰筒的筒徑,K準(zhǔn)則通用形式表示為[9]

式中:ma——燃燒室進(jìn)口空氣質(zhì)量流量;

pc,Tc——燃燒室空氣進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度。

1.1.3 L準(zhǔn)則

用F和l分別代表燃燒室參考橫截面積和長(zhǎng)度,L準(zhǔn)則的通用形式表示為[14]

式中:q——燃燒室質(zhì)量流量;

p——燃燒室進(jìn)口壓力;

T——燃燒室進(jìn)口溫度;

b——余氣系數(shù)的函數(shù)。

1.1.4 N準(zhǔn)則

郭明煥等人[15]以傳統(tǒng)的K準(zhǔn)則與L準(zhǔn)則為依據(jù),推導(dǎo)出一種按真實(shí)燃燒室進(jìn)氣壓力、流量及實(shí)驗(yàn)設(shè)備可達(dá)到的進(jìn)氣壓力、流量計(jì)算試驗(yàn)壓力或其指數(shù)的模化準(zhǔn)則(簡(jiǎn)稱“N準(zhǔn)則”)。

1.2 現(xiàn)有?；碚?/h3>

燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)發(fā)生的燃燒現(xiàn)象是一個(gè)復(fù)雜的物理-化學(xué)過(guò)程,因此確保試驗(yàn)過(guò)程中燃燒室的燃燒狀況與原型機(jī)實(shí)際的燃燒過(guò)程相似,才能保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。而整個(gè)燃燒過(guò)程十分復(fù)雜,缺乏比較完善的理論可以系統(tǒng)描述每一過(guò)程。以下幾種?；芯糠椒ń鼛啄甑玫酵晟瓢l(fā)展,并在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的?；芯恐械玫綇V泛的應(yīng)用。

1.2.1 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論和火焰?zhèn)鞑ダ碚?/p>

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論:假定在燃燒室燃燒反應(yīng)過(guò)程中,氧化劑的氧化過(guò)程是最慢的一個(gè)反應(yīng),它決定整個(gè)燃燒室的燃燒效率?；鹧?zhèn)鞑ダ碚?假定燃燒室的燃燒效率由火焰?zhèn)鞑ニ俣葲Q定,而燃燒過(guò)程看成是火焰在燃燒室不同燃料空氣混合區(qū)內(nèi)傳遞過(guò)程,并且紊流對(duì)燃燒效率的影響僅考慮多火焰表面積的影響。CHILDS J H和GRAVES C C[16]由上述兩種假定推導(dǎo)出在不同壓力條件下燃燒室燃燒效率?；瘻?zhǔn)則。

1.2.2 燃燒速率理論

燃燒速率理論主要基于兩個(gè)假設(shè):燃燒速率和氣體速率的比值決定燃燒室的燃燒特性;任何尺度的紊流都會(huì)影響燃燒室的燃燒速率。GREENHOUGH V W等人[17]通過(guò)燃燒速率理論分析推導(dǎo)出有關(guān)燃燒效率的?；瘻?zhǔn)則。楊銳等人[18]通過(guò)對(duì)兩種不同燃燒類型的燃燒室進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析了燃燒效率?；囼?yàn)中燃燒類型對(duì)壓力指數(shù)的影響規(guī)律。

2 燃燒室?；囼?yàn)方法

燃燒室?；囼?yàn)方法分為兩大類:原型試驗(yàn)法和物理模型試驗(yàn)法。原型試驗(yàn)法表示在實(shí)際燃燒室內(nèi)并保證工作狀況與實(shí)際工作條件相同下進(jìn)行試驗(yàn),進(jìn)而測(cè)量出燃燒室在實(shí)際運(yùn)行中的各種參數(shù)。物理模型試驗(yàn)法則通常采用燃燒室尺寸不作任何改變,但在試驗(yàn)工況為簡(jiǎn)化或縮小的參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)(稱為低壓?；囼?yàn));或者改變?nèi)紵夷Ｐ偷拇笮?通過(guò)縮小或放大原燃燒室模型(一般為縮小模型)的方法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量(稱為尺寸?；囼?yàn))[19]。

2.1 原型試驗(yàn)法

原型試驗(yàn)法要求測(cè)量實(shí)際運(yùn)行中的燃燒室或燃燒器中的各種參數(shù),運(yùn)行條件為實(shí)際工作狀況,因此得到的結(jié)果比較可靠。原型試驗(yàn)要求試驗(yàn)條件為燃燒室實(shí)際工況(高壓條件下),在實(shí)驗(yàn)室中營(yíng)造高壓環(huán)境需要很強(qiáng)的空氣能源,使得試驗(yàn)投入費(fèi)用高昂,故原型試驗(yàn)法較少使用。

對(duì)于一些特殊條件下運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī),例如航空發(fā)動(dòng)機(jī),則需要獲得發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在實(shí)際工況下的數(shù)據(jù),因此原型試驗(yàn)法是研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的必須手段。孟剛等人[20]概括闡述了國(guó)外一些航空強(qiáng)國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研發(fā)機(jī)構(gòu),詳細(xì)介紹了主要的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)器類型以及各類試驗(yàn)器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)布置等情況,并針對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研發(fā)的不足提出相關(guān)建議,為我國(guó)航空事業(yè)發(fā)展提供了借鑒。

羅智鋒等人[21]詳細(xì)介紹了某燃?xì)怆姀S燃燒室故障解決過(guò)程中試驗(yàn)平臺(tái)的搭設(shè)以及如何確保試驗(yàn)條件與實(shí)際運(yùn)行條件一致的方法過(guò)程。其中,試驗(yàn)件為1/20大小的環(huán)管式燃燒室,試驗(yàn)過(guò)程重現(xiàn)燃燒室壁面燒蝕現(xiàn)象,分析在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)該問(wèn)題的原因及解決手段,為燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化積累了經(jīng)驗(yàn)。

2.2 物理模型試驗(yàn)法

2.2.1 低壓?；囼?yàn)

謝剛等人[22]為測(cè)試某型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的排放性能,在低壓模擬環(huán)境下對(duì)單管燃燒室進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該型燃燒室污染物排放超標(biāo)等問(wèn)題,并提出進(jìn)一步改善污染物排放方案。林楓等人[23]對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室振蕩燃燒進(jìn)行了全尺寸低壓模化試驗(yàn),分析了影響燃燒室內(nèi)壓力出現(xiàn)波動(dòng)的原因及變化規(guī)律,并為抑制振蕩燃燒提供了方法。房愛(ài)兵[24]為了研究燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室合成氣燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,對(duì)全尺寸燃燒室在中壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn),分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并與全壓條件下擴(kuò)散燃燒不穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比,為優(yōu)化合成氣燃燒室的擴(kuò)散燃燒提供了理論支撐。

汪鳳山等人[25]通過(guò)運(yùn)用等容積流率?；瘻?zhǔn)則,研究了額定工況下某型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒性能,分析了燃燒室火焰筒壁面溫度分布以及燃燒室出口溫度分布規(guī)律,并進(jìn)一步探究主燃區(qū)與點(diǎn)火區(qū)之間燃料流量比例變化對(duì)燃燒室排放的影響規(guī)律。徐綱等人[26]運(yùn)用等容積流率模化準(zhǔn)則的方法,在中壓全尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)兩個(gè)用中熱值合成氣的某分管型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的改造方案進(jìn)行考核和研究,驗(yàn)證改造之后燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的性能參數(shù)是否達(dá)標(biāo)。李名家等人[27]針對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)逆流環(huán)管型燃燒室,運(yùn)用等容積流率?；瘻?zhǔn)則,分析了該燃燒室聯(lián)焰管附近主燃孔裂紋,分析故障原因并對(duì)火焰筒等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化。汪鳳山等人[28]基于等容積流率?；瘻?zhǔn)則,對(duì)某微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行試驗(yàn)研究,在確保燃?xì)廨啓C(jī)額定工況、燃燒室出口溫度不變的情況下,研究了燃燒室空氣進(jìn)口流量、溫度對(duì)燃燒效率和NOx排放的影響。

黎明等人[29]為測(cè)試燃燒室內(nèi)部國(guó)產(chǎn)化火焰筒性能,在連續(xù)氣源及部分燃燒室試驗(yàn)件條件下,使用卡巴準(zhǔn)則模擬實(shí)際工況,通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外相同型號(hào)火焰筒的燃燒效率性能、出口溫度分布狀況、壁溫分布和貧油熄火性能,提出了優(yōu)化方案。

2.2.2 尺寸?；囼?yàn)

倪蘭凱[30]介紹了國(guó)外研究人員按比例縮小燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行燃燒室燃燒性能研究的一系列試驗(yàn),并設(shè)計(jì)建造了一套燃燒試驗(yàn)段,主要研究燃燒流場(chǎng)、燃燒過(guò)程中NOx排放等問(wèn)題。何念等人[31]深入研究了低壓?；瘲l件對(duì)燃燒室工作狀況的影響,在燃燒室燃料為天然氣的情況下,對(duì)取原型燃燒室1/3大小的?；瘏?shù)下進(jìn)行數(shù)值模擬,將得到數(shù)據(jù)與全壓下燃燒室特性數(shù)據(jù)對(duì)比分析,為燃燒室低壓?；峁┮罁?jù)。劉凱等人[32]對(duì)某重型燃?xì)廨啓C(jī)(E級(jí))燃燒室采用節(jié)流?；椒?并對(duì)環(huán)形燃燒室1/20大小的扇形試驗(yàn)段進(jìn)行試驗(yàn),研究其出口溫度場(chǎng)溫度分布,通過(guò)調(diào)整摻混孔尺寸與布局使周向/徑向溫度分布系數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此后,劉凱等人[33]進(jìn)一步深入研究了環(huán)形燃燒室1/20大小的扇形試驗(yàn)段某型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室出口溫度場(chǎng)與摻混孔孔徑比、相對(duì)孔距之間的關(guān)系,并得出在合適的相對(duì)孔距、孔徑比的條件下,溫度分布系數(shù)表現(xiàn)最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。張振奎等人[34]采用節(jié)流?；姆椒?對(duì)高壓條件下配有環(huán)形燃燒室1/8大小的試驗(yàn)段的試驗(yàn)臺(tái),研究了燃燒室出口溫度分布與燃燒室頭部燃油噴射點(diǎn)的數(shù)量之間的關(guān)系。

3 燃燒室水流模擬方法

雖然通過(guò)燃燒室?；椒軌蛞欢ǔ潭壬虾?jiǎn)化試驗(yàn)所需條件,但是燃燒室?；笕匀恍枰邏簹庠匆约傲Ｗ訄D像測(cè)速儀來(lái)獲得燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)。為了快速有效獲得燃燒室內(nèi)流動(dòng)規(guī)律,常常采用水流模擬方法。該方法是用水流代替空氣進(jìn)行燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)模擬且無(wú)需特殊試驗(yàn)設(shè)備拍攝流場(chǎng),因此在燃燒室研發(fā)初期得到了國(guó)內(nèi)一些研究人員的青睞。

牛利明等人[35]探討了燃燒室水流模擬試驗(yàn)相對(duì)于常規(guī)氣相試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn),分析燃燒室水流模擬試驗(yàn)的原理和特點(diǎn),并詳細(xì)闡述了如何利用水流模擬進(jìn)行燃燒室試驗(yàn)。王力軍等人[36]為驗(yàn)證某型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)與該燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果的相關(guān)性,搭建了類比原型燃燒室的冷態(tài)水流模擬試驗(yàn)平臺(tái),采用紅色顏料作為示蹤劑顯示燃燒室內(nèi)不同位置的流場(chǎng)軌跡,得出水流模擬條件下與數(shù)值模擬方法下燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似的結(jié)論。宋雙文等人[37]利用某折流燃燒室1/4大小的扇形試驗(yàn)條件進(jìn)行了水流模擬試驗(yàn),通過(guò)攝像、手工描繪方法獲得了該燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、回流區(qū)形狀等定性參數(shù),并測(cè)量了相關(guān)阻力參數(shù)。

近年來(lái),隨著重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)的日益成熟,環(huán)保指標(biāo)日益嚴(yán)格,燃燒室內(nèi)部細(xì)小結(jié)構(gòu)的改變就能影響整個(gè)燃燒室的工作性能,因此需要燃燒室內(nèi)部詳細(xì)準(zhǔn)確的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。但由于水流模擬方法只能通過(guò)水流流動(dòng)狀態(tài)反映燃燒室內(nèi)部流場(chǎng),缺乏準(zhǔn)確數(shù)據(jù)分析外推獲得燃燒室內(nèi)部真實(shí)流場(chǎng)信息,不能反映細(xì)部流場(chǎng)特征,因此水流模擬方法在測(cè)量燃燒室流場(chǎng)中具有一定局限性,現(xiàn)階段已較少應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年大力發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī),燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的進(jìn)氣參數(shù)逐年遞增,排氣溫度、壓力也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),燃燒室模化試驗(yàn)的難度也在提高。為了減少燃燒室模化試驗(yàn)結(jié)果與燃燒室實(shí)際參數(shù)誤差,需要運(yùn)用更加準(zhǔn)確的?；瘻?zhǔn)則。

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室試驗(yàn)的?；瘻?zhǔn)則與模化方法已經(jīng)越來(lái)越成熟,國(guó)內(nèi)主要使用的?；瘻?zhǔn)則是低壓?；碌热莘e流率模化準(zhǔn)則,也可運(yùn)用一些其他類型的模化準(zhǔn)則,探究不同?；瘻?zhǔn)則之間的差別。隨著計(jì)算流體力學(xué)的深入發(fā)展,結(jié)合使用燃燒室試驗(yàn)?zāi)；蛿?shù)值模擬,能夠提升模化準(zhǔn)則的準(zhǔn)確性,加快燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室?；囼?yàn),節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間與耗費(fèi)。