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1、电站燃气轮机燃烧室的工作原理与结构分析第1节 燃烧室结构与性能指标1.1 燃烧室的结构燃气轮机燃烧室是一种通常用高温合金材料制作的燃烧设备。在整台燃气轮机中，它位于压气机与燃气透平之间，它有三种功能：使燃料与由压气机送来的一部分压缩空气在其中进行有效的燃烧；使由压气机送来的另一部分压缩空气与燃烧后形成的温度高达1800-2000的燃烧产物均匀地掺混，使其温度降低到燃气透平进口的初温水平，以便送到燃气透平中去作功；控制NOx的生成，使透平的排气符合环保标准的要求。由于这三个功能的作用，燃烧室可以在近乎等压的条件下，把燃料中的化学能有效地释放出来，使之转化成为高温燃气的热能，为其在燃气透平中的膨胀
2、作功准备好条件。由此可见，燃烧室是燃气轮机中一个不可缺少的重要部件。为了适应燃气轮机结构轻巧的特点，燃烧室的尺寸都是设计得很紧凑的。一般来说，在单位时间和单位体积内，它能燃烧释放出比常压锅炉大10-300倍的热能，即：燃烧过程是在高热强度、高速流动的连续气流中进行的。此外，由于进入燃气透平的燃气初温t3*受到金属材料性能的限制，供入燃烧室中去的空气流量与燃料流量的比值总是要比理论燃烧条件下的配比关系大得多，而且气流的温度、压力和流速都要随燃气轮机负荷的改变而发生较大幅度的变化；有时还要求同一个燃烧室能够兼烧多种燃料。总之，燃气轮机燃烧室的工作过程具有：高温；高速；高燃烧强度；高余气系数；运行参
3、数变化剧烈；要求燃用多种燃料等一系列特点。这些特点使得燃烧过程甚难组织，为此必须采取特殊措施。否则，燃烧室会被烧坏，火焰容易被吹息；燃料不能完全燃烧，火焰会伸得过长，以致烧毁燃气透平。从结构上来看，燃烧室通常有圆筒型、分管型、环管型和环型之分。图4-1中给出了一种分管型燃烧室，它应用与MS6001系列的燃气轮机中；图4-2中则给出了该火眼管的结构图。这个燃烧室是由外壳、火焰管、燃料喷嘴、点火器和燃气收集器等部件组成的。在火焰管上一般都装有旋流器、过渡锥顶，并开设一些一次射流孔和混合射流孔以及冷却空气的射流孔。此外，为了把火焰管安装在外壳中，还设置有定位元件。在分管型和环管型燃烧室中，为了点火传
4、焰和平衡各个燃烧室之间的压力，还装设有联焰管，以使各火焰管的燃烧空间能够彼此沟通。1.1.1 喷油嘴的作用液体燃料是燃气轮机中常使用的一种燃料。只有当它蒸发汽化并与空气适当混合后才能进行燃烧。为了形成适宜燃烧的可燃混合气，通常是采用喷油嘴将燃料喷散成由大量小直径的油滴所组成的油雾，这一过程称为雾化过程。雾化后的小油滴，由于总的表面积大为增加，所以能很快吸热汽化并与空气形成可燃混合气。有人曾进行过这样的计算，如果将1kg轻柴油(其密度f840kg/m3)作成球状，其直径为131mm，表面积则为0.0543m2，假定将这1kg轻柴油雾化为直径30mm的油滴群，油滴数可达842108个，其表面积之和
5、达238m2，即比原来单个球体的表面积增大4390倍，如此大幅度的增加，可使蒸发汽化大大加快。在燃气轮机燃烧室中，燃料逗留的时间是极短的，在有的燃烧室中，仅千分之几秒，要在如此短暂的时间内使燃料充分燃烧，加快燃料的蒸发汽化极为重要，其中的关键问题就是使燃料很好地雾化。1-燃料喷嘴 2-盖板 3-外壳 4-点火器 5-遮热筒 6-火焰管 7-环腔 8-燃气收集器 9-混合区10-混合射流孔 11-一次射流孔 12-燃烧区 13-过度锥顶 14-配气盖板 15-旋流器图4-1 MS6001系列燃气轮机上采用的分管型燃烧室的总成图1-盖板 2-联焰管的接口 3-一次射流孔 4-冷却孔进气环 5-火焰
6、管环套 6-混合孔7-膨胀环 8-固定凸肩图4-2 MS601系列燃气轮机燃烧室上采用的火焰管1.1.2 火焰管的作用燃烧室出口地燃气温度受涡轮叶片所能承受的温度限制，在目前地材料水平下，对雾冷却涡轮叶片，能承受地涡轮前燃气温度为1200K左右；对于采取冷却措施的涡轮叶片，能承受的涡轮前燃气温度可达1600K。对燃烧室出口燃气温度的这种限制给燃烧室设计带来特殊的问题，当1kg轻柴油完全燃烧时，理论上需要14 .6kg空气，如燃烧室进口空气温度为600K，这时产生的燃气温度高达2200K以上，这大大超过涡轮叶片允许的温度。为了保证燃气不致损坏涡轮叶片，最可行的办法是供给更多的空气来降低出口燃气温
7、度，使之不超过允许值。为了达到这一温度，根据计算，1kg轻柴油约需5060kg空气。可是实践表明，按这一比例形成的轻柴油空气混合气由于过分贫油(混合气中所含燃料偏低)却是根本不能着火和稳定燃烧的。因此，上述两种要求是矛盾的。为了解决这个矛盾，采用了火焰管这一结构，它可以使空气沿火焰管上所开的孔分股进入火焰管。一小部分空气(一般约占总空气量的2530，成为一次空气)经旋流器和火焰管前部的两排小孔及一排射流孔(成为主燃孔)进入火焰管。一次空气与燃料混合燃烧后，可达到很高的燃烧温度(18001900K)。由于温度高。燃烧化学反应进行得很激烈，使燃烧过程在火焰管头部附近得燃烧区内基本完成。另外大部分空
8、气沿火焰管后段得射流孔进入火焰管，并与高温燃气掺混，以降低它的温度，使之适合涡轮所要求的进口温度，这些射流孔成为掺混孔，在图4-3中有两排掺混孔。由掺混孔进入的空气，通常成为二次空气。在有些燃气轮机燃烧室中，在主燃孔和掺混孔之间还有1-2排补燃孔，以引入补充燃烧所需空气。由于火焰管长期在高温下工作，因此，如无可靠的冷却保护措施，火焰管很快就要损坏。目前冷却保护火焰管的方法主要是沿火焰管壁面开小孔(如图4-3所示)或作出缝隙，使冷却空气沿火焰管内壁流过时形成冷却保护气膜。例如在图4-3中，沿火焰管筒身就设有六道冷却气膜。另外，在火焰管外壁流过的空气也对火焰管起一些冷却作用。1-外壳 2-内壳 3
9、-火焰管 4-扩压器 5-旋流器 6-喷油嘴 7-点火器图4-3 燃气轮机环管型燃烧室简图1.1.3 扩压器的作用为了减少燃气轮机的尺寸，气体流过燃气轮机各个部件的流速就不能过低，例如一般运输式燃气轮机压气机出口的气流速度可达50-100m/s，如果将这样高速的气流直接引入火焰管，火焰将被吹熄，而且流动损失很大。因此，要在燃烧室进口设置降低气流速度的扩压器，通常要求扩压器出口的气流速度降低到40m/s以下。1.1.4 头部进气装置的作用由于扩压器的尺寸受到一定的限制，因此，扩压器出口的气流速度仍相当高，例如可达40m/s左右。在这样高的流速下，火焰将被吹熄，即出现所谓火焰不稳定现象。解决这个问
10、题的措施是，在火焰管头设置稳定火焰的头部进气装置，通常采用叶片式旋流器，如图4-4所示。由于旋流器叶栅的导向作用，气流在旋流器出口产生一旋转射流运动。当射流沿火焰管头部流动时，边旋转、边扩张的射流内自由表面由于气体的粘性，把火焰管头部中心的气体带走。在气流旋转运动产生的离心力作用下，造成这一区域压力的下降，这样就促使火焰管后段的一部分高温燃气回流到这一区域，而形成一回流区，由于回流区的存在，在火焰管头部附近由一气流低速区(见图4-5所示的火焰管内气流轴向速度分布)；高温燃气回流还有利于喷入火焰管内的燃料迅速蒸发汽化，并起点火的作用，这些就为稳定火焰创造了必要的条件。图4-4 叶片旋流器图4-5
11、 带叶片式旋流器的火焰管内气流轴向速度分布1.1.5 起动点火器的作用在燃气轮机起动时，必须依靠外来点火源点燃燃烧室内的可燃混合气。为此，在燃烧室中设有起动点火器。当燃烧室内可燃混合气被点燃后就可依靠火焰管内回流的高温燃气作为点火源，不再需要外来点火源。1.1.6 燃烧室在结构上的其它特点图4-6蝌蚪形热膨胀槽示意图在火焰管前端进行着激烈的燃烧过程，在其后段则进行燃气的掺混降温过程，加上火焰管上又开有各种射流孔，因此，整个火焰管的壁温很不均匀。火焰管是由若干薄钣冲压件焊接而成，这些焊接件之间由于温度不同，故热膨胀不同，为此必须考虑热膨胀补偿问题，最常见的就是采用蝌蚪形热膨胀槽，如图4-6所示。
12、燃烧室外壳与火焰管不仅温度不同，而且材料也不一样，因此热膨胀不相同。为保证火焰管能在外壳内自由膨胀，必须采用相应的结构。在图4-3所示的燃烧室中，在火焰管头部装有定位销，并以此作为火焰管相对于外壳膨胀时的死点(轴向定位点)，火焰管的径向和周向的定位则依靠喷油嘴。在喷油嘴和旋流器内环之间有一定的间隙，以保证火焰管热膨胀的需要。火焰管的尾部用定位环支承于外壳与内壳，并保持一定的间隙，以保证火焰管能沿轴向向后膨胀。通过以上典型燃烧室实例的介绍，可以看出燃气轮机燃烧室具有以下几个特点：1) 由于燃烧室进口气流速度较高，在如此高速下组织燃烧，无论从稳定火焰或降低压力损失方面考虑，都要采取专门措施，如设置
13、扩压器、火焰管头部进气装置等。2) 利用火焰管开孔规律来控制气流分配，其中一部分空气(一次空气)主要是参加燃料的燃烧，另一部分空气(二次空气)主要是与高温燃烧产物掺混，以降低燃烧室出口的燃气温度，这样才能满足燃烧与涡轮要求的进口温度。3) 必须组织一部分空气冷却火焰管壁面。4) 对液体燃料，必须用喷油嘴将它雾化，以加速其蒸发汽化，从而迅速形成与空气混合的可燃混合气。5) 在燃烧室结构设计中，需要仔细考虑热膨胀问题。从以上介绍可知：从结构上看，燃烧室并不太复杂，但从其工作过程来看，却又远比燃气轮机其它部件复杂。它涉及气体流动、传热、传质以及化学反应等一系列复杂过程。即使从气体流动过程来讲，也是很
14、复杂的，它是一个带有旋流与回流的三元湍流流动，在流动中还进行着激烈的化学反应，而化学反应与湍流之间又存在着至今尚未完全弄清楚的相互影响问题。从传热过程来讲，它包括热传导、对流换热以及辐射换热，也极为复杂。在化学反应方面，对碳氢燃料的燃烧机理至今尚未被化学家完全弄清楚。由于燃烧过程的复杂性，人们对燃烧理论的掌握远远落后于燃烧技术的需要，在目前，它基本上还是一门以实验为主体的学科。燃烧室主要是通过大量实验调整而最后定型的，它还不能较多的依靠理论计算方法设计。近年来，燃烧理论和计算流体力学有很大发展，加上广泛应用了电子计算机，使燃烧室性能的计算预估方法取得可喜的进展，主要依靠计算而不需要大量调试就能
15、解决燃烧室设计问题的前景已经出现，这是我们应该密切注意的。1.2 燃气轮机对燃烧室的要求燃烧室的工作情况，直接影响燃气轮机的工作性能。例如燃烧组织不良，就会增大燃气轮机的单位耗油率和造成排气对大气的污染，甚至损伤涡轮叶片。为此，对燃气轮机燃烧室需提出以下要求。1.2.1 燃烧完全要求送入燃烧室的燃料尽可能在燃烧室内燃尽，尽可能把燃料中的化学能释放出来转变为热能以加热工质，但是百分之百的完全燃烧(特别是在非设计工况下)是难以达到的，因此，只能要求在主要工况达到高的燃烧完全程度。常用燃烧系数B(又称释热系数)来衡量燃烧完全程度，即燃料在燃烧室中燃烧时的实际释放热量Qf与燃料完全燃烧时的释放量Q0之
16、比，即 (4-1)式中Q0可根据燃料消耗量qmf(单位为kg/s)及燃料低位热值Hu，即每公斤燃料完全燃烧时所释放的热量(单位位kJ/kg燃料)求出，即 (4-2)由于燃烧不完全，Qf可以由燃气成分算出。实际上常采用燃烧效率B作为衡量燃烧完全程度的指标，它的定义是：燃料实际用于加热工质的热量(即用于增加燃烧室进、出口气体总焓的热量)Qf与Q0之比。由于存在散热损失，QfQf，故B低于B，但差别很小，在实用上毋需严格区分。由于B直接影响燃气轮机的耗油率，所以总是力求提高它，目前燃气轮机的B可达0.950.99。1.2.2 起动点火性能好要求点火可靠，这是把燃烧室点燃，使燃气轮机迅速起动的必要条件
17、。1.2.3 燃烧稳定点火以后的稳定燃烧是保证燃气轮机可靠工作的关键，故要求燃烧室在燃气轮机一切工况下均能稳定燃烧，不发生熄火及火焰脉动现象。1.2.4 压力损失小气流在燃烧室内流动与燃烧升温过程都会产生压力损失，压力损失使涡轮进口总压降低，因而降低了燃气轮机发出的功率和增加燃料消耗量。因此，应力求降低燃烧室的压力损失。通常采用燃烧室总压恢复系数B来表示总压损失，其定义为： (4-3)式中与分别表示燃烧室进口和出口的总压。显然B越高说明燃烧室压力损失越小，目前的燃烧室B一般可达0.920.97。1.2.5 燃烧室出口温度场应符合要求这一要求对于保证涡轮导向叶片和工作叶片的安全工作和寿命极为重要
18、，具体要求为：1) 火焰不得伸出燃烧室(但在起动点火过程中，短时间伸出是允许的)。2) 对燃烧室出口温度场的不均匀程度应限制在一定范围内，通常采用以下指标表示温度场的不均匀程度：不均匀系数 (4-4)最大不均匀度 (4-5)径向不均匀度 (4-6)式中:tTmax、tTm分别为燃烧室出口处燃气的最高及平均温度，tTmax、tTm均为；tTrmax燃烧室出口处沿半径方向的燃气最高平均，tTrmax为；tCm燃烧室进口处空气的平均温度，tCm为。通常要求：At0.10；t0.300.35；r0.10。1-理想的分布曲线 2-实际的分布曲线图4-7 燃烧室出口处按周向平均的燃气温度沿叶高分布3) 为
19、了充分利用涡轮叶片材料的潜力，沿叶高(即径向)的燃起温度分布应符合一定要求。涡轮工作叶片叶根承受应力最大，因此希望燃起温度低些；叶尖处散热条件差，而且作得较薄，强度与刚度都较差，所以也希望燃气温度低些；在叶片中部(约2/33/4叶高处)燃起温度允许稍高些，这样的燃起温度分布可以充分发挥叶片材料的潜力。根据上述原则，可预先给出一燃烧室出口处沿径向的燃气平均总温理想分布图(图4-7)。显然，要完全地得到所希望地理想值是办不到地，因此，通常是在设计任务书上规定处允许地偏差，并用最大温度偏差系数Dmax来表示，Dmax的定义为： (4-7)式中: tTr在某一半径上实际的按周向平均的燃起温度，tTr为
20、；t Tr在该半径上的理想燃气温度，t Tr为。通常要求Dmax10%。4) 对装有多个燃烧室的燃气轮机，还应力争各燃烧室出口的燃气平均温度偏差小于1520。1.2.6 尺寸紧凑为了减轻燃气轮机的重量和减小其尺寸，这就要求减小燃烧室的尺寸。对运输式燃气轮机，减小燃烧室外径将有利于燃气轮机在机舱里的布置。缩短燃烧室的长度有利于缩短压气机与涡轮之间的距离，从而可减轻机匣和转子的重量，为了燃气轮机结构设计获得重大好处。但过分减小燃烧室直径和长度将与燃烧效率和燃烧室出口的燃气温度场要求发生矛盾，故须结合燃气轮机总体设计要求作综合考虑。所谓燃烧室尺寸紧凑，就意味着要在一定的燃烧空间里或一定的横截面积下，
21、在单位时间内能烧掉较多的燃料。为此常用比容积热强度qV及比面积热强度qA来衡量燃烧室空间的利用称度。它们的定义分别为： (4-8) (4-9)式中 qmf燃料消耗量，qmf为kg/s； Vf火焰管容积，Vf为m3； Af火焰管横截面积(通常取最大横截面面积)，Af为m2。由于燃烧室中能燃烧的燃料大致与燃烧室工作压力成正比，为了能比较不同工作压力的燃烧室设计紧凑程度，故在qV和qA中都除上了。燃烧室的qV和qA主要与燃烧室的结构型式、寿命要求、燃料等因素有关。目前还难于从理论上来计算燃烧室可能达到的qV和qA。各种类型燃烧室的qV和qA统计数据如下：1) 固定式燃气轮机 qV=30200w/(m
22、N) ， qA=35130W/N，其中下限对应于烧重油及低热值气体燃料的圆筒型燃烧室；2) 运输式燃气轮机 qV=100300w/(mN) ， qA=110240W/N。1.2.7 排气污染少为了保护环境，必须严格控制燃烧室排气中的污染物数量。这些污染物主要是由NO、CO、尚未燃烧的碳氢化合物、SO2以及冒烟质点(微小碳粒)组成。它们会妨碍动植物正常生长，破坏生态平衡。人类长期接触含有这些污染物的空气，会使呼吸系统、心血管系统受到损害，它们也是致癌原因之一。由于排气污染对环境有很大影响，各国对排气污染正在进行广泛和深入的研究，许多国家对排气污染还作了法律上的规定和限制。我国也正在拟订燃气轮机排
23、气污染物限制量的技术规定，颁布后将付诸实施。1.2.8 寿命长在燃气轮机各主要部件中，燃烧室由于工作条件十分恶劣，就常会出现一些致命的故障(如火焰管变形、产生裂纹、掉块、过热等)，因此，延长燃烧室寿命对提高燃气轮机翻修寿命有重大意义。影响燃烧室寿命的主要因素是火焰管壁温，所以延长寿命主要从火焰管材料、对火焰管采取冷却保护措施以及防止严重积碳等几方面入手。各种类型燃气轮机燃烧室的寿命，由于工作条件的差异有很大差别，运输式燃气轮机燃烧室使用寿命为30006000h，固定式燃气轮机由于燃烧室热强度较低，燃烧室的使用寿命可超过20000h。除上述要求外，还有一些要求也很重要，如工艺性好，便于维修等等。
24、归纳起来，这些要求不外是属于经济性、可靠性以及使用性能等几方面的要求。但应提出：在这许多要求之间又往往存在着矛盾。例如提高qV就与提高B和B等又矛盾，因此，燃烧室的设计就是正确处理这些矛盾，即根据不同用途的燃气轮机特点，在各项要求中首先着眼于主要要求，抓住主要矛盾，并在此基础上协调其它各项性能指标，以获得良好的综合性能。1.2.9 燃烧室的性能指标一个设计良好的燃烧室应该达到以下一些性能指标，即：燃烧稳定性好，在任何运行工况下都不会发上熄火或强烈的火焰脉动以及振荡燃烧现象； 燃烧效率高，通常，在满负荷工况下要求达到99%左右，怠速工况下不宜低于90%；燃烧火焰短，不致伸入燃气透平；出口温度场均
25、匀，或者按设计所要求的温度场规律分布；流阻损失小，相对总压降大约为3%-6%；结构紧凑、轻巧、单位时间内能在单位体积的燃烧空间内燃尽更多的燃料，燃烧热强度大约是35-190W/(Nm)；点火性能好；高温元件冷却良好，严防烧坏或发生翘曲变形，火焰管的最高壁温一般不超过800、最好能控制在700-750；火焰管应有数千到上万小时的使用寿命；排气中污染的含量符合环境保护条例的规定。一个新设计的燃烧室必须经过大量的试验调整，才有可能达到上述性能指标。第2节 扩散燃烧型燃烧室的工作过程与结构2.1 扩散燃烧型燃烧室的工作过程图4-1所示的就是一种扩散燃烧型的燃烧室。图4-3中则给出了与之相配的喷油嘴的结
26、构图。从图4-1中可以看出：由压气机送来的压缩空气，在逆流进入遮热筒与火焰管之间的环腔7时，因受火焰管结构形状的制约，将分流成为几个部分，逐渐流入火焰管，以适应空气流量与燃料流量的比值总是要比理论燃烧条件下的配比关系大很多的特点。其中的一部分空气称为“一次空气”，它分别由旋流器15、端部配器盖板14、过渡椎顶13上的切向孔，以及开在火焰管前段的三排一次射流孔11，进到火焰管前端的燃烧区12中去。在那儿，它与由燃烧喷嘴1喷射出来的液体燃料或天然气，进行混合和燃烧，转化成为1500-2000的高温燃气。这部分空气大约占进入燃烧室的总空气量的25%；另一部分空气称为“冷却空气”，它通过许多排开在火焰
27、管壁面上的冷却射流孔，逐渐进入火焰管的内壁部位，并沿着内壁的表面流动。这股空气可以在火焰管的内壁附近形成一层温度较低的冷却空气膜，它具有冷却高温的火焰管壁、使其免遭火焰烧坏的作用。此外，剩下来的那一部分空气则称为“二次空气”或“掺混空气”，它是由开在火焰管后段的混合射流孔10，射到由燃烧区流来的1500-2000的高温燃气中去的，它具有掺冷高温燃气，使其温度比较均匀地降低到透平前燃气初温设计值的作用。图4-8所示的是一种双燃料喷嘴，它既能向燃烧室的火焰管头部供给天然气，又能供给液体燃料。为了增强液体燃料的燃烧速度，专门用高压雾化空气来帮助液体燃料雾化成为100m 左右的细雾滴。这种细雾滴在进入
28、高温的燃烧区后，就会逐渐蒸发成为气相燃料，通过扩散和旋流的湍流的混合作用，逐渐与燃烧区内的新鲜空气掺混，在余气系数f=1的空间范围内起燃，形成一个温度高达理论燃烧温度水平的火焰。这种燃料与空气没有预先均匀混合，而是依靠扩散和湍流交换的作用，使她们彼此相互掺混，进而在f=1的火焰上面上进行燃烧的现象，称之为“扩散燃烧”。那时，燃烧速度主要取决于燃料与空气相互扩散和掺混的时间，而不是取决与它们的化学反应所需要的时间。这种燃烧现象的一大特点是，火焰面上的f=1 ，其温度甚高，通常为理论燃烧温度(它总是高于空气中的N2与O2起化学反应而生成NOx 时的起始温度1650)。因而按这种方式组织的燃烧过程必
29、然会产生数量较多的“热NOx”污染物。为解决这类燃烧过程中NOx 排放量超过环保要求问题，可采取三种措施，即：在高负荷条件下，向扩散燃烧的燃烧室中喷射一定数量的水或水蒸气，借以降低燃烧火焰的温度；在余热锅炉中安装所谓的选择性催化还原反应器(SCR)；采用催化燃烧法。1-雾化空气进口 2-喷嘴本体 3-天然气进口 4-喷嘴的顶盖与空气旋流器 5-天然气喷口 6-液体燃料喷嘴的组合件7-雾化空气切向槽图4-8 MS6001系列燃气轮机上采用的分管型燃烧室的喷油嘴dCnox为NOx的浓度图4-9 火焰温度Tf以及dCnox/d与燃料/空气混合化学当量的关系众所周知：燃烧过程中产生的NOx有燃料NOx
30、和热NOx之分。前者取决于燃料中所含的氮化合物的数量，燃烧过程中无法控制它的生成。热NOx则是在燃烧过程的高温条件下，环境中所含的N2气与O2气化合物而成的产物，它是按Zeldovich机理生成的。热NOx的生成率与燃烧火焰的温度成指数函数关系。在燃烧过程中生成的NOx之总数量则不仅是火焰温度的函数，而且是可燃混合物在火焰温度条件下逗留时间的线性函数。燃料已定时，燃烧火焰的温度则是燃料/空气混合化学当量比的函数。图4-9中给出了2# 蒸馏油与590K的空气混合燃烧时，燃烧火焰的温度Tf 以及NOx 的反应生成率dCNox/d与燃烧/空气混合化学当量比的相互变化关系。由上图可知： NOx的最高生
31、成率发生在燃烧/空气混合化学当量比等于1的地方，那时，燃烧火焰的温度Tf 为最高。因而，倘若能使燃料与较多的空气相混合，即：在比较稀释的燃料浓度下进行低温的燃烧，那么，就能减少NOx 排放物的生成。当然，向燃烧火焰区喷散水或水蒸气，以迫使降低燃烧火焰的温度，同样能够起到抑制生成NOx的作用。但是，对于采用单个燃料喷嘴的燃烧室来说，借用喷水或喷蒸汽的方法很难使燃烧天然气时NOx的排放量降低到小于4210-6(体积分数，下同)的水平(烧油时为7010-6)。那时，喷水量大约是燃料消耗量的50%70%，水质还必须经过预先处理，严防Na、K盐的混入，否则会导致燃气透平叶片的腐蚀。这种方法不仅会增大水处
32、理设备的投资和运行费用的消耗，还会使机组的热效率下降1.8%-2.0%左右；燃烧室的检修间隔和使用寿命也都会缩短。但是它却能使机组的功率增大3%左右。因而自80年代以后，这个方法已在燃气轮机中普遍使用。虽然其运行维护费用较高，但方法简便， NOx的排放量暂且能够满足指标不是很高的法定标准。SCR法是在催化剂的作用下向燃烧产物喷散氨水，使与燃烧产物中的NO和NO2反应成为N2+NO2，即：4NO+4NH3+O24N2+6H2O； 6NO2+8NH37N2+12H2O催化反应器的尺寸很大，它被布设在余热锅炉中温度介于290-400的区段。由于催化反应的温度限定得很严，因而只能在负荷工况比较稳定的机
33、组中使用。特别是不能在变转速、负荷变化较大的机组(如驱动天然气压缩机的燃气轮机)中使用。它可以使因扩散燃烧火焰而产生的20050010-6 含量(体积分数)的NOx 脱除90%。但是，其投资费用却很高，大约是燃气轮机价格的20%；催化反应器的寿命仅4-8年；而且不能燃用含硫量高于100010-6(质量分数)的燃料，否则催化剂会中毒而失效。因而SCR法使用得还不甚普遍。催化燃烧法是想在燃烧室中布设催化反应床，借以燃烧非常稀释的燃料/空气的混合物，它能使NOx的排放量降得非常低。但是，目前催化床和催化剂都尚未过关，正在开发之中。短期内尚无使用价值。总之，在90年代之前燃气轮机燃烧室主要是按照扩散燃
34、烧的原理进行设计的。为了实现本章第2节中提出的一系列性能指标，人们大体上采取以下一些措施，即：(1) 合理地选择燃烧区内的一次空气流量，确保在怠速工况下燃烧区内的平均温度不低于900，否则需要考虑一次空气量可以调节的配气机构，或者安装一个燃料供应条件不受负荷工况变化的值班喷嘴，以保证整个负荷范围内都能有一个比较高温的燃烧条件。(2) 合理地选择配气机构的结构型式和火焰管头部空气流量的分配关系，以便在燃烧区形成一个尺寸适度的回流区和湍流交换条件，以确保空气与燃料的混合以及燃烧火焰的稳定。(3) 合理地选择喷油嘴结构，保证在低负荷工况下液体燃料仍能具有良好的雾化特性，并能在燃烧区形成合理的燃烧浓度
35、场。对于气体燃料来说。则应控制喷射压差，以防把燃料喷射到火焰管壁附近的冷却空气层中去而无法起燃。喷射压力过低时。则易发生振荡燃烧。为了缩短燃烧火焰，经常需要采用多个喷油嘴的结构设计。(4) 从结构设计上消除火焰管外二次流道内可能产生的气流的不规则流动，这是保证火焰管内流场对称性的前提。否则，燃烧火焰不易稳定，燃气出口温度场不能均匀。(5) 合理地选择火焰管的冷却结构和冷却气流的速度，并配之以合适的耐热合金材料和涂层，以确保火焰管壁不至于过热、变形和烧坏。(6) 合理地选择掺混空气量和混合机构的结构型式与布局关系，以确保燃烧室的出口温度场指标达到设计标准。(7) 合理地选择点火器的结构型式与布置
36、位置，防止其积碳、过热或烧坏，以确保燃烧室点火的可靠性。(8) 充分考虑燃烧室结构元件的膨胀特性，避免应力集中，力求不使燃烧室承受或传递机组的作用力。(9) 考虑燃烧室拆装、检查和更换的方便性。2.2 燃气轮机燃烧室的类型从总体结构方案来看，燃气轮机燃烧室可分为：圆筒型、分管型、环管型以及环形等四种。从燃烧室进出口气流流动方向的变化，燃烧室又可分为顺流式和逆流式。2.2.1 圆筒式燃烧室1-外壳 2-火焰管 3-喷油嘴图4-10 R700-1型燃气轮机燃烧室圆筒型燃烧室是由于采用了圆筒形的外壳和火焰管而命名。在每台燃气轮机中，一般装置12个这种燃烧室。为了使结构布置紧凑，多半采用逆流式结构。根
37、据燃气轮机总体布置要求，燃烧室可直立于燃气轮机侧面或采用其它布置方案。圆筒型燃烧室的主要优点是：结构简单、便于维修、使用寿命长。其缺点是：空间利用率差、比容积热强度较低、因此，不适用于要求结构紧凑的机组。这种燃烧室在调试时所需风源较大，这也是一个缺点。圆筒型燃烧室广泛应用于小功率燃气轮机及部分中等功率燃气轮机，在大功率燃气轮机中仅少数机组采用。图4-10为R700-1型1000kW燃气轮机所使用的圆筒型燃烧室。此燃烧室为逆流式，空气自下往上流入燃烧室，然后经旋流器、射流孔、气膜孔、等流入火焰管，空气与燃料混合燃烧后 产生的燃气(约700)，向下流入涡轮进气涡壳。火焰管由1Cr18Ni9Ti耐热
38、钢制成，其锥顶为双层结构，在内层设有两道冷却气膜。火焰管筒身部分为双层多孔壁结构，外层开有520个直径为5mm的小孔，内层则开有1942个直径为5mm的小孔，由外层孔控制冷却空气量，在内层孔出口处则形成保护火焰管的冷却气膜。2.2.2 分管型燃烧室分管型燃烧室的特点是：在一台燃气轮机中设置若干分开的小燃烧室，燃烧室的数目通常为812个，个燃烧室围绕燃气轮机轴线均匀布置。每一燃烧室都有单独的外壳、火焰管以及喷油嘴而自体系，但点火器仅安装在个别燃烧室(通常为2个)。燃气轮机起动时，先将带有点火器的燃烧室点燃，然后依靠燃烧室之间的联焰管点燃其他燃烧室。图4-11给出了分管型燃烧室的示意图。1-喷油嘴
39、 2-旋流器 3-火焰管 4-外壳 5-联焰管图4-11 分管型燃烧室示意图分管型燃烧室由于是在一给尺寸较小的管形燃烧室内进行燃烧，故较易组织良好的燃烧过程，且调试时所消耗的人力和物力都较少，由于它比较容易从燃气轮机上拆卸，故对检修很有利。但分管型燃烧室构造较复杂，空间利用率不高，重量较重，需冷却保护的火焰管表面相对地较多，起动点火时火焰管间传焰性能差，出口温度沿周向不均匀度大，燃烧室与直流布置地压气机和涡轮流路不适应，故需采用型线复杂地管道过渡且压力损失较大。由于上述缺点，目前已较少采用这种燃烧室。图4-12为PG5301型20000kW工业型燃气轮机所使用地逆流式分管型燃烧室。该机组共有1
40、0个这样地燃烧室。燃烧室出口燃气温度为900935，燃烧室能燃用气体及液体燃料，故采用气-液双重燃料喷嘴。一次空气由旋流器及火焰管前段两排射流孔流入，二次空气由火焰管后段四只大孔流入。火焰管用镍基合金钣材焊成。在火焰管锥顶和筒身均开有密布地鱼鳞孔，使冷却空气流入时形成冷却气膜。燃烧室地点火器能在燃气轮机起动点火时伸入火焰管以改善点火条件，但机组起动点燃后，在压力差地作用下自动退出。火焰管头部支承于燃料喷嘴并被定心，火焰管尾部焊有弹性环片并将它插入燃气导管，对火焰管出口端定位。在火焰管头部焊有三个径向插座，通过安装于外壳地插脚，使火焰管相对于外壳作轴向和周向定位。1-燃料喷嘴 2-旋流器 3-点
41、火器 4-外壳 5-火焰管 6-燃气导管 7-联焰管 8-径向插座 9-锥顶图4-12 PG5301型燃气轮机燃烧室2.2.3 环形燃烧室环形燃烧室地结构特点是在由燃烧室内、外壳体所形成的环形腔内，安装一由火焰管内、外环所构成的火焰管，如图4-13所示。在环形火焰管头部沿周向均匀布置若干旋流器(通常为1220个)。由于燃烧过程在整个火焰管环形空间内进行，空间利用比较充分，因此燃烧室的尺寸很紧凑，需要冷却保护的火焰管面积也较少，故能较好地满足近代燃气轮机燃烧室要求地温升大、比容积热强度高地特点。环型燃烧室能与直流布置的轴流式压气机和涡轮获得最佳的流路配合。因此，管道型线和结构都较为简单，压力损失
42、也小。由于不再需要联焰管传焰，因此，不存在起动点火使的传焰问题。1-喷油嘴 2-旋流器 3-火焰管外环 4-燃烧室外壳 5-火焰管内环 6-燃烧室内壳图4-13 环型燃烧室示意图它的主要缺点是：调试时消耗空气量大、油气匹配难度大、组织燃烧较难；由于对进口流场比较敏感，故不易获得稳定的出口流场；环形火焰管由于刚性差，在高温下易发生变形；另外从检修方面看，这种燃烧室的拆卸是比较困难的。环形燃烧室由于优点很突出，所以广泛应用于航空燃气轮机，在工业燃气轮机中也有扩大应用的趋势。1-扩压器 2-喷油嘴 3-旋流器 4-点火器 5-火焰管头部6-外壳 7-火焰管外环 8-火焰管内环 9-内壳 10-导流管
43、图4-14 LM2500型船用燃气轮机燃烧室图4-14为LM2500型18400kW(25000马力)船用燃气轮机所使用的环形燃烧室。此机组由航空燃气轮机改型而来。在燃烧室上装有30个双油路离心式喷油嘴，每易喷油嘴都配有相应的旋流器。火焰管由导流器、头部、外环、内环四部分铆接而成，其材料为镍基合金。燃烧室壳体由外壳和内壳组成。燃烧室出口燃起温度为1149。一次空气由旋流器及火焰管内、外环上的两排孔流入，二次空气由火焰管外环上的一排孔及内环上的两排孔流入。火焰管头部设有三道冷却气膜，内、外环上则各设有10道冷却气膜，冷却结构采用钻孔式。点火器为高能半导体电嘴。火焰管在导流器处以10根均布的径向销
44、钉支承与定位于外壳上，火焰管尾部则通过内、外安装环插入涡轮导向器，它可以允许火焰管作轴向及径向膨胀。2.2.4 环管型燃烧室这种燃烧室的壳体与环形燃烧室相同，但在由内、外壳体所形成的环形腔内，沿周向均匀布置若干管形火焰管(通常为812个)，各火焰管之间为了点火传焰也以联焰管相通。由图4-15可以看出，这种燃烧室在结构上是介于前述两种燃烧室之间，其优、缺点也介于两者之间。1-喷油嘴 2-旋流器 3-火焰管 4-外壳 5-内壳 6-联焰管图4-15 环管型燃烧室示意图环管型燃烧室吸取了分管型燃烧室的优点，燃烧过程在尺寸较小的火焰管内进行，油气匹配较好，这对组织燃烧有利。在调试燃烧室时，可在由13个
45、火焰管组成的扇形段中进行，由于所需空气量少，有利于调试工作。在空间利用方面，它吸取了环形燃烧室的优点，故尺寸比较紧凑。它的主要缺点是燃烧室进口段流动比较复杂，故扩压器设计困难，同时它也存在传焰问题，但情况比分管型燃烧室为好。在航空燃气轮机及其改装工业型机组常采用顺流式环管型燃烧室，在工业型燃气轮机中，为了缩短机组长度，常采用逆流式环管型燃烧室。2.3 不同类型燃烧室的比较圆筒型燃烧室的最大优点是：结构简单；机组的全部空气流过一个或两个燃烧室，能适应固定式燃气轮机的结构特点，便于与压气机和透平配装；装拆容易。由于燃烧室的尺寸比较大，因而在流阻损失较小的前提下，比较容易取得燃烧效率高、燃烧稳定性好
46、的效果。其缺点是：燃烧热强度低；笨重，金属消耗量大；而且难于作全尺寸燃烧室的全参数试验，致使设计和调试比较困难。分管型燃烧室的优点是： 燃烧空间中空气的流动模型与燃料炬容易配合，燃烧性能较易组织，便于解体检修和维护。由于流经燃烧室的空气流量只是整个机组进气总量的1/n(n为该机组中分管型燃烧室的个数)，因而燃烧室便于在试验台上作全尺寸和全参数的试验，试验结果可靠而且节省费用。它的缺点是：空间利用程度差、流阻损失大，需要用联焰管传焰点火，制造工艺要求高。环型燃烧室具有体积小、重量轻，流阻损失小，联焰方便、排气冒烟少，火焰管的受热面积小，发展潜力大等一系列优点，是一种很有发展前途的结构形式。它特别
47、适宜与轴流式压气机匹配。但是由于燃烧空间彼此沟通，气流与燃料炬不容易组织，燃烧性能较难控制，燃气出口温度场受进气流场的影响较大而不易保持稳定，同时，由于需要用机组的整个进气量作燃烧试验，试验周期长而耗费大，加上结构的刚性差，在机组上又不便于解体检查，致使这种燃烧室曾长期未获广泛使用，但目前正在迅速发展之中。环管型燃烧室是一种介于环型和分管型燃烧室之间的过渡性结构型式。它兼备两者的优点，但却继承了重量较大，火焰管结构复杂，需要用联焰管点火，制造工艺要求高等缺点。它适宜与轴流式压气机配合工作，能够充分利用由压气机流来的气流之动能。在目前应用得还相当广泛。由于人们对扩散燃烧型燃烧室比较熟悉，本章就不拟赘述了。读者若有兴趣，可以参考“燃气轮机燃烧室”一书。第3节 干式低污染燃烧室(DLN)的设计原理随着环境污染情况的日益严重，人们要求发展一种不喷水(或蒸汽)的干式低污染(主要是NOx