微型燃氣輪機燃燒室設(shè)計計算

王慶五，魏明翔，張俊偉，王錦琴

（華北電力大學動力工程系，河北保定071000）

0 引言

微型燃氣輪機（以下簡稱燃機）具有體積小、質(zhì)量小、噪聲低、壽命長等優(yōu)點，單機容量一般在數(shù)千瓦到數(shù)百千瓦，由壓氣機、燃燒室和渦輪機三大部分組成。燃燒室的作用是將壓氣機送入的壓縮空氣與噴入的燃料在一定的壓力下混合燃燒，產(chǎn)生高溫氣體，再流入渦輪做功。燃燒室是微型燃機的核心部件之一，燃燒室的性能好壞從一定程度上決定了燃機總體性能的好壞，因此，燃燒室的設(shè)計是燃機設(shè)計中的主要環(huán)節(jié)，目前多采用大中型燃機燃燒室的設(shè)計方法對微型燃燒室進行初步設(shè)計。但由于微型燃機燃燒室的體積較小，表現(xiàn)出與大中型燃機燃燒室不同的特性，如燃油在微型燃燒室中滯留的時間短，與空氣的摻混效果不理想，容易造成燃燒不充分；同時，微型燃機燃燒室表面積與體積的比值較大，使得傳熱損失大，容易熄火。20 世紀70年代，燃燒室的設(shè)計一般采用經(jīng)驗試湊法，即通過試驗研究對燃燒室不斷進行優(yōu)化改進，直到設(shè)計出來的燃燒室滿足方案要求，該方法需要大量的經(jīng)驗積累以及后續(xù)的不斷完善。隨著研究的深入，研究人員總結(jié)出了較多的經(jīng)驗及半經(jīng)驗公式，再加上近代計算機技術(shù)及數(shù)值仿真軟件的支持，大大縮短了燃燒室的設(shè)計周期［1-3］。近幾年，計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的不斷發(fā)展更是大大促進了燃燒室設(shè)計的發(fā)展。但CFD 方法使用的前提是燃燒室結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，一般是已知燃燒室進口氣流參數(shù)和燃燒室?guī)缀纬叽?，通過計算、驗算流量分配、燃燒時間等是否合適，然后根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整壁面進氣孔、燃燒室直徑、長度等幾何尺寸，從而達到所需要的燃燒要求。

鑒于大中型燃機燃燒室與微型燃機燃燒室之間存在巨大差別，無論是類似的經(jīng)驗公式、半經(jīng)驗公式、零維設(shè)計，還是CFD 方法，都與實際情況存在較大區(qū)別，因此，需要一種專門針對微型燃機燃燒室的設(shè)計方法，而這種方法應該符合微型燃機燃燒室的實際情況，并且設(shè)計方法不能太過繁雜。

本文提出一個設(shè)計方法，燃燒室的設(shè)計主要確定3個方面的數(shù)據(jù):長度、內(nèi)外筒直徑和內(nèi)外筒上孔的分布。假設(shè)燃燒室內(nèi)空氣流量和燃氣溫度均沿軸線方向線性分布，根據(jù)質(zhì)量守恒定律計算燃燒室的長度；燃燒室內(nèi)外筒直徑根據(jù)經(jīng)驗值確定；而燃燒室筒壁上通流孔的分布則采用等效面積法。該方法是計算燃燒室筒壁空氣流量分配最簡單也是較適用的方法，能在很短的時間內(nèi)估算出燃燒室筒壁的空氣量分配，特別適用于燃燒室設(shè)計初期燃燒室調(diào)試過程中分析燃燒性能，該方法假設(shè)燃燒室筒壁各孔的相對流量正比于孔的相對面積，從而將燃燒室壁面空氣通流量的設(shè)計直接關(guān)聯(lián)為面積的分布。

1 燃燒室的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計方法

一般情況下，燃燒室的設(shè)計包括圖1 所示的4個階段［4］。

圖1 燃燒室設(shè)計流程Fig. 1 Combustion chamber design process

方案設(shè)計是確定燃燒室的設(shè)計需求；初步設(shè)計是確定燃燒室基本尺寸并修改這些基本尺寸以達到方案設(shè)計階段的設(shè)計要求；詳細設(shè)計是在初步設(shè)計完成之后對燃燒室進行的詳細設(shè)計；最后的試驗驗證是通過試驗得到燃機燃燒室的各項性能，對設(shè)計完成的燃燒室進行驗證，判斷是否滿足設(shè)計要求，因為有幾項參數(shù)不能通過仿真計算的方式得到，燃燒室設(shè)計中存在的某些問題只有通過試驗方式才能發(fā)現(xiàn)［5-6］。

燃燒室內(nèi)的燃燒是一個非常復雜的過程，存在點火、蒸發(fā)、湍流混合等物理及化學反應，對從理論上分析燃燒室的燃燒過程增加了不少難度［7-11］。燃燒室的初步設(shè)計是獲得性能優(yōu)良燃燒室的基礎(chǔ)。

1.1 結(jié)構(gòu)特點

相比于大中型燃機燃燒室，微型燃機的燃燒室結(jié)構(gòu)形式比較單一，經(jīng)常采用環(huán)形直管燃燒室。

微型燃機燃燒室主要由內(nèi)外筒、前后端面、燃油霧化裝置等部分組成。空氣經(jīng)過壓氣機后進入燃燒室與軸套、機殼之間的內(nèi)外環(huán)形流道，通過燃燒室筒壁上的眾多孔進入燃燒室。燃燒室結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燃燒室內(nèi)筒、外筒及分區(qū)Fig.2 Inner cylinder，outer cylinder and zoning of the combustion chamber

微型燃機燃燒室設(shè)計的困難在于它的長度短、體積小、空間有限，存在燃燒不充分、傳熱損失大和容易熄火等問題。除了尺寸的區(qū)別，微型燃燒室與大中型燃燒室在結(jié)構(gòu)上也存在差異，如燃燒筒、蒸發(fā)裝置等。微型燃機燃燒室與大中型燃機燃燒室的差異見表1。

表1 微型燃機燃燒室與大中型燃機燃燒室的差異Tab. 1 Differences between micro and large gas turbinecombustion chambers

1.2 初始條件

本文以某燃機為例，介紹微型燃機燃燒室的設(shè)計方法，燃燒室的出入口壓力和溫度已經(jīng)確定，燃機外殼和軸套尺寸已經(jīng)限定。

2 計算模型

2.1 功能分區(qū)

燃燒室可以分為主燃區(qū)、次燃區(qū)和摻混區(qū)3 個功能區(qū)［12-13］，盡管這3個功能區(qū)的分界并不明顯。

主燃區(qū)為燃油的燃燒提供充足的空氣，并在燃燒區(qū)域產(chǎn)生一定的回流，以增強燃油和空氣的混合、穩(wěn)定火焰。受燃燒時間和燃燒條件的限制，燃油在主燃區(qū)一般不能燃燒完全。

次燃區(qū)又稱二次燃燒區(qū)，能恢復燃料在高溫時解離造成的損失，同時為主燃區(qū)未完全燃燒的燃油提供充足的空氣，使之燃燒完全，這個區(qū)域提供的空氣量大于燃燒反應需要的空氣量，未參加反應的空氣則起到冷卻燃燒火焰的作用。

燃燒時產(chǎn)生的燃氣溫度很高（1 200～2 000 K），由于燃燒室和葉輪材料的限制，燃燒室出口溫度太高會影響高溫部件的壽命，所以燃燒室設(shè)計了摻混區(qū)以冷卻火焰。摻混區(qū)用于進一步冷卻燃燒室的筒壁和火焰，確保筒壁溫度在材料的承受范圍內(nèi)，由這部分區(qū)域進入燃燒室的空氣最終混入燃氣，對火焰進一步冷卻。

3個功能區(qū)的分布如圖2所示。

2.2 溫度選擇

本節(jié)的溫度選擇主要指主燃區(qū)溫度的選擇。為了保證燃油充分燃燒，在主燃區(qū)設(shè)計余氣系數(shù)為1，即燃油與空氣完全反應，兩者均無剩余。而燃燒室總的空氣流量為0.138 80 kg/s，需要的燃油量為0.003 74 kg/s，而燃燒0.003 74 kg/s 的燃油需要消耗的理論空氣量為:0.003 74×14.7=0.055 0（kg/s）（14.7 為最佳空燃比），這就是主燃區(qū)的最小進氣量，這部分空氣量占總空氣量的39.6%。這是根據(jù)完全燃燒確定的主燃區(qū)空氣量。

空氣量直接決定了主燃區(qū)的溫度，因此還可以根據(jù)溫度需要調(diào)整主燃區(qū)的空氣量。主燃區(qū)的火焰溫度對燃燒產(chǎn)物有很大的影響，從圖3可以看出，當主燃區(qū)的溫度為1 700～1 900 K 時，燃燒產(chǎn)物中的CO 和NOx的體積分數(shù)都較小，因此，可以將這個溫度作為主燃區(qū)的設(shè)計溫度［14-15］。目前，許多燃燒技術(shù)通過富氧燃燒和貧氧燃燒來控制燃燒區(qū)的溫度，以減少燃燒產(chǎn)物中污染物成分。取燃燒區(qū)的溫度為1 800 K，相當于余氣系數(shù)a為1.4～1.7。

根據(jù)溫度確定主燃區(qū)所需的空氣量qmpz。

式中:qmf為燃油量，0.003 74 kg/s；QLHV為燃油熱值，42 900 kJ/kg；qmpz為主燃區(qū)所需的空氣量；Tf為主燃區(qū)火焰溫度，K；T03為燃燒室入口空氣溫度，388 K；cpg和cp分別為燃氣和空氣的定壓比熱容，分別為1.244，1.005 kJ/（kg·K）。

圖3 CO和NOx體積分數(shù)隨主燃區(qū)溫度的變化Fig.3 Volume fractions of CO and NOx changing with the main combustion zone temperature

選擇Tf為1 800 K，得到主燃區(qū)空氣量qmpz為0.086 8 kg/s，占總空氣量的62%，余氣系數(shù)為1.56。

燃燒室都設(shè)置有蒸發(fā)管，實際燃燒室的空氣流分4個部分。

（1）主燃區(qū)的空氣量qmpz。由蒸發(fā)管的空氣量qm0和主燃區(qū)筒壁孔的空氣量qmph組成，qmpz=qm0+qmph，其中qm0占20%～40%［16-19］。

（2）次燃區(qū)筒壁孔的空氣量qmdc。這部分空氣在燃燒室外面流過主燃區(qū)后在下游通過次燃區(qū)筒壁孔進入燃燒室，與主燃區(qū)的燃燒產(chǎn)物混合。

（3）摻混區(qū)筒壁孔的空氣量qmlc，這部分空氣在燃燒室外面依次流過主燃區(qū)和次燃區(qū)后在它們的下游通過摻混區(qū)筒壁孔進入燃燒室，與燃燒產(chǎn)物混合。

流經(jīng)燃燒室的總空氣量qm=qmpz+qmdc+qmlc。

蒸發(fā)管有前端布置和后端布置2種形式，如圖4所示。前端布置蒸發(fā)管的空氣直接從壓氣機到蒸發(fā)管，這部分空氣不經(jīng)過燃燒室的壁面，對壁面沒有冷卻作用；后端布置中的空氣在進入蒸發(fā)管之前先流經(jīng)燃燒室，這部分空氣對燃燒室的壁面有一定的冷卻作用。

2.3 截面直徑

通常認為燃燒室的截面積越大越好，因為燃燒室截面積越大，氣流流速越低，空氣和燃氣在燃燒室內(nèi)的滯留時間增加，燃燒更加穩(wěn)定，對提高燃燒效率有利，對燃機的點火也有好處。在燃燒室尺寸不受限制的情況下這個觀點是對的，但如果燃機的外殼直徑已經(jīng)確定，增大燃燒室的截面積會使燃機殼和燃燒室外筒之間、軸套和燃燒室內(nèi)筒之間的環(huán)形面積減小，環(huán)腔內(nèi)空氣的流速增加，靜壓降低，導致燃燒室內(nèi)外筒壁孔的靜壓降減小。過大的燃燒室截面還會使射入燃燒室的空氣穿透力下降，造成燃燒區(qū)域氣流湍流強度不足，不利于空氣與燃燒產(chǎn)物的混合。

圖4 蒸發(fā)管位置Fig.4 Location of the evaporation tube

按照試驗研究結(jié)果［20］，大中型燃機燃燒室截面積為機匣面積的0.60～0.72，參照該比例取0.70，得到微型燃機燃燒室截面積為3 385.0 mm2（微型燃機外殼直徑為83.0 mm，外殼包圍的面積為4 836 mm2）。軸套的外徑是27.0 mm，假設(shè)燃燒室內(nèi)筒和軸套間的環(huán)腔寬度與外筒和機殼間的環(huán)腔寬度相等，得到燃燒室的內(nèi)、外筒直徑分別為35.4，74.6 mm，取內(nèi)筒直徑為37.0 mm，外筒直徑為74.0 mm，如圖5所示。燃燒室截面參數(shù)見表2。

表2 燃燒室截面參數(shù)Tab.2 Parameters of the combustion chamber section

圖5 燃燒室內(nèi)、外筒尺寸Fig.5 Dimensions of the inner and outer cylinders of the combustion chamber

2.4 長度

燃燒室的長度主要由燃油的滯留時間決定。受尺寸限制，燃油在微型燃機燃燒室內(nèi)滯留時間僅1～3 ms，要燃燒得充分，燃油就要汽化得快且充分。燃燒室設(shè)置蒸發(fā)管以加速油滴的蒸發(fā)，本文設(shè)計燃燒滯留時間為1 ms。如果霧化效果不好，燃油粒徑過大，將會出現(xiàn)燃燒室火焰后移、出口溫度分布不均、壁面局部過熱等問題。

主燃區(qū)為燃油和空氣的混合物提供穩(wěn)定燃燒的空間并保持火焰的穩(wěn)定。主燃區(qū)過短，燃油燃燒不充分或者還未開始燃燒就被冷卻，燃燒效率低；主燃區(qū)過長，需要的冷卻長度就長，會增加冷卻空氣量而減少燃燒區(qū)空氣量，對燃燒的穩(wěn)定不利。

接下來計算燃燒室的長度?？諝饨?jīng)過蒸發(fā)管和筒壁孔分2 步進入燃燒室，這些蒸發(fā)管和筒壁孔出口氣流沿著燃燒室的長度方向間斷性分布，造成空氣流量沿長度方向的突變。為了分析方便，把空氣流量看做連續(xù)分布，假設(shè)燃燒室截面上空氣流量和燃氣溫度沿長度方向呈線性分布（如圖6 所示），在相對長度（實際長度占總長度的比例，取值范圍從0～1）為x的截面上空氣流量為qmx=（qm-qm0）x+qm0，這個式子表示:在相對長度為0的燃燒室前端位置，空氣流量來自蒸發(fā)管，蒸發(fā)管可以是前端布置也可以是后端布置；隨著相對長度的增加，空氣流量呈線性增加，在相對長度為1的燃燒室后端位置，空氣流量增加到燃燒室空氣總流量。燃燒室截面上的溫度Tx=(T4-Tpz)x+Tpz（T4為燃燒室出口溫度；Tpz為主燃區(qū)溫度）。

圖6 流量和溫度線性分布Fig.6 Linear distribution of flow and temperature

用流量和面積計算燃燒室截面上的氣體速度

式中:ρx為燃燒室截面上的氣體密度；A為燃燒室截面積；Ra為空氣常數(shù)；p3為燃燒室壓力。

通過長度和速度得到燃油在燃燒室中的逗留時間

例如:qm=0.138 80 kg/s，qm0占qm的15%，則qm0=0.020 82 kg/s；燃燒室截面積A=（74×74-37×37）×3.14/4=3 224（mm2）=0.003 224（m2），燃燒室壓力p3=214 000 Pa，空氣常數(shù)Ra=287，主燃區(qū)最高燃燒溫度Tpz的確定比較復雜，這里按污染物排放量最小取為1 800 K，燃燒室出口溫度T4=1 150 K。

將數(shù)值代入上式可得t=0.025L。如果要燃油在燃燒室中的滯留時間t≥1.0 ms，即0.025L≥1.0 ms，則可得L≥40 mm。本例略加長燃燒室的長度，取52 mm，計算的燃油滯留時間為1.3 ms。

取燃燒室長度為52 mm，主燃區(qū)長度Ldz為燃燒室長度的4/9、次燃區(qū)長度Ld占比為3/9～4/9、摻混區(qū)長度Lc占比為1/9～2/9。這里取Ldz=23 mm，Ld=20 mm，Lc=9 mm。

2.5 壁孔

燃燒室筒壁開孔面積除了要考慮空氣流量的分配外，還要綜合考慮壓力損失和燃燒效果。燃燒室筒壁上開孔總面積越大，孔的射流速度越小，壓力損失越小，但會導致燃燒情況惡化；反之，孔的射流速度越大，壓力損失越大，但于燃燒有利。

微型燃機燃燒室主燃區(qū)第1排孔的位置可以選擇蒸發(fā)管出口處的同一橫截面。筒壁孔選擇結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低的圓孔。

為主燃區(qū)、次燃區(qū)和摻混區(qū)分配空氣流量，流量分配的計算方法有面積法、流阻法等［20-21］，其中面積法最為簡單和方便，它假設(shè)各排孔的相對流量等于孔的相對面積，也就是某個孔的流量占總流量的份額等于該孔的面積占孔總面積的份額。

面積法的基本假設(shè)為:沿燃燒室任一軸向截面，燃燒室內(nèi)外壓差相等；燃燒室筒壁孔中氣流密度不變；各孔的流量系數(shù)完全相同。假設(shè)空氣垂直進入燃燒室壁面各孔的速度v都為100 m/s，空氣總流量為0.138 8 kg/s，則總開孔面積為

主燃區(qū)溫度控制在1 800 K，蒸發(fā)管布置在燃燒室后端，對燃燒室各區(qū)進行流量分配。

前面計算得出該方案下主燃區(qū)空氣量占總空氣量的62%，其中蒸發(fā)管中空氣量占總空氣量的15%，則主燃區(qū)筒壁孔流經(jīng)的空氣量占總空氣量的47%。選取次燃區(qū)空氣量占總空氣量的20%，其余是摻混區(qū)的空氣量，占總空氣量的18%。

根據(jù)等效面積法，空氣流量正比于孔的面積，則蒸發(fā)管的面積為702×15%=105（mm2），同樣選取蒸發(fā)管由外徑為4.0 mm、壁厚為0.3 mm 的12 根不銹鋼管制成，則蒸發(fā)管的實際面積為108.9 mm2。同理可得主燃區(qū)筒壁孔面積為330 mm2，次燃區(qū)筒壁孔面積為140 mm2，摻混區(qū)筒壁孔面積為126 mm2。各區(qū)通流孔參數(shù)見表3。

表3 各區(qū)域通流孔參數(shù)Tab.3 Parameters of vents for air flow in each zone

本算例蒸發(fā)管位于燃燒室的后端，設(shè)蒸發(fā)管位于燃燒室內(nèi)筒，通過蒸發(fā)管的空氣需要先經(jīng)過燃燒室內(nèi)筒與軸套之間的環(huán)腔。燃燒室外筒壁上孔數(shù)與內(nèi)筒壁上孔數(shù)加蒸發(fā)管上孔數(shù)之比大致是2∶1，由此可得燃燒室外筒壁上孔的數(shù)量是內(nèi)筒壁的3.6倍，見表4。通流孔分布的展開圖如圖7 所示，成型后的燃燒室如圖8所示。

圖7 通流孔分布展開圖Fig.7 Expanded view of the vent distribution

3 試驗結(jié)果

華北電力大學自行設(shè)計的微型燃機采用本文設(shè)計的燃燒室，多次點火試驗運行過程中，既沒有熄火也沒有火焰噴出，表明燃機工作狀態(tài)良好。

表4 燃燒室筒壁孔的分配方案Tab.4 Distribution scheme of vents on the wall of combustion chamber cylinders

圖8 燃燒室成型圖Fig.8 A completed combustion chamber

4 結(jié)論

針對微型燃機燃燒室缺少專門有效設(shè)計方法的問題，本文給出了符合微型燃機燃燒室實際情況的一種設(shè)計方法。燃燒室內(nèi)外筒直徑主要根據(jù)經(jīng)驗進行設(shè)計；燃燒室的長度根據(jù)燃油在燃燒室中的滯留時間，采用理論分析進行確定；火焰筒上主燃孔、次燃孔和摻混孔的面積則根據(jù)面積與流量成正比的假設(shè)進行設(shè)計。最終確定了燃燒室的基本尺寸（包括直徑、長度）、火焰筒上孔的結(jié)構(gòu)配置及燃燒室結(jié)構(gòu)。實際運行結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計方法切實可行，實現(xiàn)了微型燃機燃燒室的快速、準確設(shè)計。