電站燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的工作原理與結(jié)構(gòu)分析

電站燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的工作原理與結(jié)構(gòu)分析燃燒室結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)燃燒室的結(jié)構(gòu)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室是一種通常用高溫合金材料制作的燃燒設(shè)備。在整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)中，它位于壓氣機(jī)與燃?xì)馔钙街g，它有三種功能：①使燃料與由壓氣機(jī)送來(lái)的一部分壓縮空氣在其中進(jìn)行有效的燃燒；②使由壓氣機(jī)送來(lái)的另一部分壓縮空氣與燃燒后形成的溫度高達(dá)1800-2000℃的燃燒產(chǎn)物均勻地?fù)交?，使其溫度降低到燃?xì)馔钙竭M(jìn)口的初溫水平，以便送到燃?xì)馔钙街腥プ鞴?；③控制NOx的生成，使透平的排氣符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于這三個(gè)功能的作用，燃燒室可以在近乎等壓的條件下，把燃料中的化學(xué)能有效地釋放出來(lái)，使之轉(zhuǎn)化成為高溫燃?xì)獾臒崮?，為其在燃?xì)馔钙街械呐蛎涀鞴?zhǔn)備好條件。由此可見(jiàn)，燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)中一個(gè)不可缺少的重要部件。為了適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)輕巧的特點(diǎn)，燃燒室的尺寸都是設(shè)計(jì)得很緊湊的。一般來(lái)說(shuō)，在單位時(shí)間和單位體積內(nèi)，它能燃燒釋放出比常壓鍋爐大10-300倍的熱能，即：燃燒過(guò)程是在高熱強(qiáng)度、高速流動(dòng)的連續(xù)氣流中進(jìn)行的。此外，由于進(jìn)入燃?xì)馔钙降娜細(xì)獬鯗豻3*受到金屬材料性能的限制，供入燃燒室中去的空氣流量與燃料流量的比值總是要比理論燃燒條件下的配比關(guān)系大得多，而且氣流的溫度、壓力和流速都要隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的改變而發(fā)生較大幅度的變化；有時(shí)還要求同一個(gè)燃燒室能夠兼燒多種燃料?？傊?xì)廨啓C(jī)燃燒室的工作過(guò)程具有：①高溫；②高速；③高燃燒強(qiáng)度；④高余氣系數(shù)；⑤運(yùn)行參數(shù)變化劇烈；⑥要求燃用多種燃料等一系列特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得燃燒過(guò)程甚難組織，為此必須采取特殊措施。否則，燃燒室會(huì)被燒壞，火焰容易被吹息；燃料不能完全燃燒，火焰會(huì)伸得過(guò)長(zhǎng)，以致燒毀燃?xì)馔钙?。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，燃燒室通常有圓筒型、分管型、環(huán)管型和環(huán)型之分。圖4-1中給出了一種分管型燃燒室，它應(yīng)用與MS6001系列的燃?xì)廨啓C(jī)中；圖4-2中則給出了該火眼管的結(jié)構(gòu)圖。這個(gè)燃燒室是由外殼、火焰管、燃料噴嘴、點(diǎn)火器和燃?xì)馐占鞯炔考M成的。在火焰管上一般都裝有旋流器、過(guò)渡錐頂，并開(kāi)設(shè)一些一次射流孔和混合射流孔以及冷卻空氣的射流孔。此外，為了把火焰管安裝在外殼中，還設(shè)置有定位元件。在分管型和環(huán)管型燃燒室中，為了點(diǎn)火傳焰和平衡各個(gè)燃燒室之間的壓力，還裝設(shè)有聯(lián)焰管，以使各火焰管的燃燒空間能夠彼此溝通。噴油嘴的作用液體燃料是燃?xì)廨啓C(jī)中常使用的一種燃料。只有當(dāng)它蒸發(fā)汽化并與空氣適當(dāng)混合后才能進(jìn)行燃燒。為了形成適宜燃燒的可燃混合氣，通常是采用噴油嘴將燃料噴散成由大量小直徑的油滴所組成的油霧，這一過(guò)程稱為霧化過(guò)程。霧化后的小油滴，由于總的表面積大為增加，所以能很快吸熱汽化并與空氣形成可燃混合氣。有人曾進(jìn)行過(guò)這樣的計(jì)算，如果將1kg輕柴油(其密度ρf＝840kg/m3)作成球狀，其直徑為131mm，表面積則為0.0543m2，假定將這1kg輕柴油霧化為直徑30mm的油滴群，油滴數(shù)可達(dá)842×108個(gè)，其表面積之和達(dá)238m2，即比原來(lái)單個(gè)球體的表面積增大4390倍，如此大幅度的增加，可使蒸發(fā)汽化大大加快。在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中，燃料逗留的時(shí)間是極短的，在有的燃燒室中，僅千分之幾秒，要在如此短暫的時(shí)間內(nèi)使燃料充分燃燒，加快燃料的蒸發(fā)汽化極為重要，其中的關(guān)鍵問(wèn)題就是使燃料很好地霧化。1-燃料噴嘴2-蓋板3-外殼4-點(diǎn)火器5-遮熱筒6-火焰管7-環(huán)腔8-燃?xì)馐占?-混合區(qū)10-混合射流孔11-一次射流孔12-燃燒區(qū)13-過(guò)度錐頂14-配氣蓋板15-旋流器圖4-1MS6001系列燃?xì)廨啓C(jī)上采用的分管型燃燒室的總成圖1-蓋板2-聯(lián)焰管的接口3-一次射流孔4-冷卻孔進(jìn)氣環(huán)5-火焰管環(huán)套6-混合孔7-膨脹環(huán)8-固定凸肩圖4-2MS601系列燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室上采用的火焰管火焰管的作用燃燒室出口地燃?xì)鉁囟仁軠u輪葉片所能承受的溫度限制，在目前地材料水平下，對(duì)霧冷卻渦輪葉片，能承受地渦輪前燃?xì)鉁囟葹?200K左右；對(duì)于采取冷卻措施的渦輪葉片，能承受的渦輪前燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)1600K。對(duì)燃燒室出口燃?xì)鉁囟鹊倪@種限制給燃燒室設(shè)計(jì)帶來(lái)特殊的問(wèn)題，當(dāng)1kg輕柴油完全燃燒時(shí)，理論上需要14.6kg空氣，如燃燒室進(jìn)口空氣溫度為600K，這時(shí)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)2200K以上，這大大超過(guò)渦輪葉片允許的溫度。為了保證燃?xì)獠恢聯(lián)p壞渦輪葉片，最可行的辦法是供給更多的空氣來(lái)降低出口燃?xì)鉁囟?，使之不超過(guò)允許值。為了達(dá)到這一溫度，根據(jù)計(jì)算，1kg輕柴油約需50－60kg空氣?？墒菍?shí)踐表明，按這一比例形成的輕柴油－空氣混合氣由于過(guò)分貧油(混合氣中所含燃料偏低)卻是根本不能著火和穩(wěn)定燃燒的。因此，上述兩種要求是矛盾的。為了解決這個(gè)矛盾，采用了火焰管這一結(jié)構(gòu)，它可以使空氣沿火焰管上所開(kāi)的孔分股進(jìn)入火焰管。一小部分空氣(一般約占總空氣量的25％－30％，成為一次空氣)經(jīng)旋流器和火焰管前部的兩排小孔及一排射流孔(成為主燃孔)進(jìn)入火焰管。一次空氣與燃料混合燃燒后，可達(dá)到很高的燃燒溫度(1800－1900K)。由于溫度高。燃燒化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得很激烈，使燃燒過(guò)程在火焰管頭部附近得燃燒區(qū)內(nèi)基本完成。另外大部分空氣沿火焰管后段得射流孔進(jìn)入火焰管，并與高溫燃?xì)鈸交?，以降低它的溫度，使之適合渦輪所要求的進(jìn)口溫度，這些射流孔成為摻混孔，在圖4-3中有兩排摻混孔。由摻混孔進(jìn)入的空氣，通常成為二次空氣。在有些燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中，在主燃孔和摻混孔之間還有1-2排補(bǔ)燃孔，以引入補(bǔ)充燃燒所需空氣。由于火焰管長(zhǎng)期在高溫下工作，因此，如無(wú)可靠的冷卻保護(hù)措施，火焰管很快就要損壞。目前冷卻保護(hù)火焰管的方法主要是沿火焰管壁面開(kāi)小孔(如圖4-3所示)或作出縫隙，使冷卻空氣沿火焰管內(nèi)壁流過(guò)時(shí)形成冷卻保護(hù)氣膜。例如在圖4-3中，沿火焰管筒身就設(shè)有六道冷卻氣膜。另外，在火焰管外壁流過(guò)的空氣也對(duì)火焰管起一些冷卻作用。1-外殼2-內(nèi)殼3-火焰管4-擴(kuò)壓器5-旋流器6-噴油嘴7-點(diǎn)火器圖4-3燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)管型燃燒室簡(jiǎn)圖擴(kuò)壓器的作用為了減少燃?xì)廨啓C(jī)的尺寸，氣體流過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)各個(gè)部件的流速就不能過(guò)低，例如一般運(yùn)輸式燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)出口的氣流速度可達(dá)50-100m/s，如果將這樣高速的氣流直接引入火焰管，火焰將被吹熄，而且流動(dòng)損失很大。因此，要在燃燒室進(jìn)口設(shè)置降低氣流速度的擴(kuò)壓器，通常要求擴(kuò)壓器出口的氣流速度降低到40m/s以下。頭部進(jìn)氣裝置的作用由于擴(kuò)壓器的尺寸受到一定的限制，因此，擴(kuò)壓器出口的氣流速度仍相當(dāng)高，例如可達(dá)40m/s左右。在這樣高的流速下，火焰將被吹熄，即出現(xiàn)所謂火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象。解決這個(gè)問(wèn)題的措施是，在火焰管頭設(shè)置穩(wěn)定火焰的頭部進(jìn)氣裝置，通常采用葉片式旋流器，如圖4-4所示。由于旋流器葉柵的導(dǎo)向作用，氣流在旋流器出口產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)射流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)射流沿火焰管頭部流動(dòng)時(shí)，邊旋轉(zhuǎn)、邊擴(kuò)張的射流內(nèi)自由表面由于氣體的粘性，把火焰管頭部中心的氣體帶走。在氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力作用下，造成這一區(qū)域壓力的下降，這樣就促使火焰管后段的一部分高溫燃?xì)饣亓鞯竭@一區(qū)域，而形成一回流區(qū)，由于回流區(qū)的存在，在火焰管頭部附近由一氣流低速區(qū)(見(jiàn)圖4-5所示的火焰管內(nèi)氣流軸向速度分布)；高溫燃?xì)饣亓鬟€有利于噴入火焰管內(nèi)的燃料迅速蒸發(fā)汽化，并起點(diǎn)火的作用，這些就為穩(wěn)定火焰創(chuàng)造了必要的條件。圖4-4葉片旋流器圖4-5帶葉片式旋流器的火焰管內(nèi)氣流軸向速度分布起動(dòng)點(diǎn)火器的作用在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí)，必須依靠外來(lái)點(diǎn)火源點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的可燃混合氣。為此，在燃燒室中設(shè)有起動(dòng)點(diǎn)火器。當(dāng)燃燒室內(nèi)可燃混合氣被點(diǎn)燃后就可依靠火焰管內(nèi)回流的高溫燃?xì)庾鳛辄c(diǎn)火源，不再需要外來(lái)點(diǎn)火源。燃燒室在結(jié)構(gòu)上的其它特點(diǎn)圖4-6蝌蚪形熱膨脹槽示意圖在火焰管前端進(jìn)行著激烈的燃燒過(guò)程，在其后段則進(jìn)行燃?xì)獾膿交旖禍剡^(guò)程，加上火焰管上又開(kāi)有各種射流孔，因此，整個(gè)火焰管的壁溫很不均勻。火焰管是由若干薄鈑沖壓件焊接而成，這些焊接件之間由于溫度不同，故熱膨脹不同，為此必須考慮熱膨脹補(bǔ)償問(wèn)題，最常見(jiàn)的就是采用蝌蚪形熱膨脹槽，如圖4-6所示。圖4-6蝌蚪形熱膨脹槽示意圖燃燒室外殼與火焰管不僅溫度不同，而且材料也不一樣，因此熱膨脹不相同。為保證火焰管能在外殼內(nèi)自由膨脹，必須采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。在圖4-3所示的燃燒室中，在火焰管頭部裝有定位銷，并以此作為火焰管相對(duì)于外殼膨脹時(shí)的死點(diǎn)(軸向定位點(diǎn))，火焰管的徑向和周向的定位則依靠噴油嘴。在噴油嘴和旋流器內(nèi)環(huán)之間有一定的間隙，以保證火焰管熱膨脹的需要?；鹧婀艿奈膊坑枚ㄎ画h(huán)支承于外殼與內(nèi)殼，并保持一定的間隙，以保證火焰管能沿軸向向后膨脹。通過(guò)以上典型燃燒室實(shí)例的介紹，可以看出燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：由于燃燒室進(jìn)口氣流速度較高，在如此高速下組織燃燒，無(wú)論從穩(wěn)定火焰或降低壓力損失方面考慮，都要采取專門措施，如設(shè)置擴(kuò)壓器、火焰管頭部進(jìn)氣裝置等。利用火焰管開(kāi)孔規(guī)律來(lái)控制氣流分配，其中一部分空氣(一次空氣)主要是參加燃料的燃燒，另一部分空氣(二次空氣)主要是與高溫燃燒產(chǎn)物摻混，以降低燃燒室出口的燃?xì)鉁囟?，這樣才能滿足燃燒與渦輪要求的進(jìn)口溫度。必須組織一部分空氣冷卻火焰管壁面。對(duì)液體燃料，必須用噴油嘴將它霧化，以加速其蒸發(fā)汽化，從而迅速形成與空氣混合的可燃混合氣。在燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要仔細(xì)考慮熱膨脹問(wèn)題。從以上介紹可知：從結(jié)構(gòu)上看，燃燒室并不太復(fù)雜，但從其工作過(guò)程來(lái)看，卻又遠(yuǎn)比燃?xì)廨啓C(jī)其它部件復(fù)雜。它涉及氣體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)等一系列復(fù)雜過(guò)程。即使從氣體流動(dòng)過(guò)程來(lái)講，也是很復(fù)雜的，它是一個(gè)帶有旋流與回流的三元湍流流動(dòng)，在流動(dòng)中還進(jìn)行著激烈的化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)與湍流之間又存在著至今尚未完全弄清楚的相互影響問(wèn)題。從傳熱過(guò)程來(lái)講，它包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱以及輻射換熱，也極為復(fù)雜。在化學(xué)反應(yīng)方面，對(duì)碳?xì)淙剂系娜紵龣C(jī)理至今尚未被化學(xué)家完全弄清楚。由于燃燒過(guò)程的復(fù)雜性，人們對(duì)燃燒理論的掌握遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于燃燒技術(shù)的需要，在目前，它基本上還是一門以實(shí)驗(yàn)為主體的學(xué)科。燃燒室主要是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)調(diào)整而最后定型的，它還不能較多的依靠理論計(jì)算方法設(shè)計(jì)。近年來(lái)，燃燒理論和計(jì)算流體力學(xué)有很大發(fā)展，加上廣泛應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)，使燃燒室性能的計(jì)算預(yù)估方法取得可喜的進(jìn)展，主要依靠計(jì)算而不需要大量調(diào)試就能解決燃燒室設(shè)計(jì)問(wèn)題的前景已經(jīng)出現(xiàn)，這是我們應(yīng)該密切注意的。燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃燒室的要求燃燒室的工作情況，直接影響燃?xì)廨啓C(jī)的工作性能。例如燃燒組織不良，就會(huì)增大燃?xì)廨啓C(jī)的單位耗油率和造成排氣對(duì)大氣的污染，甚至損傷渦輪葉片。為此，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室需提出以下要求。燃燒完全要求送入燃燒室的燃料盡可能在燃燒室內(nèi)燃盡，盡可能把燃料中的化學(xué)能釋放出來(lái)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芤约訜峁べ|(zhì)，但是百分之百的完全燃燒(特別是在非設(shè)計(jì)工況下)是難以達(dá)到的，因此，只能要求在主要工況達(dá)到高的燃燒完全程度。常用燃燒系數(shù)ξB(又稱釋熱系數(shù))來(lái)衡量燃燒完全程度，即燃料在燃燒室中燃燒時(shí)的實(shí)際釋放熱量Qf與燃料完全燃燒時(shí)的釋放量Q0之比，即(4-1)式中Q0可根據(jù)燃料消耗量qmf(單位為kg/s)及燃料低位熱值Hu，即每公斤燃料完全燃燒時(shí)所釋放的熱量(單位位kJ/kg燃料)求出，即(4-2)由于燃燒不完全，，Qf可以由燃?xì)獬煞炙愠?。?shí)際上常采用燃燒效率ηB作為衡量燃燒完全程度的指標(biāo)，它的定義是：燃料實(shí)際用于加熱工質(zhì)的熱量(即用于增加燃燒室進(jìn)、出口氣體總焓的熱量)Qf′與Q0之比。由于存在散熱損失，Qf′<Qf，故ηB低于ξB，但差別很小，在實(shí)用上毋需嚴(yán)格區(qū)分。由于ηB直接影響燃?xì)廨啓C(jī)的耗油率，所以總是力求提高它，目前燃?xì)廨啓C(jī)的ηB可達(dá)0.95~0.99。起動(dòng)點(diǎn)火性能好要求點(diǎn)火可靠，這是把燃燒室點(diǎn)燃，使燃?xì)廨啓C(jī)迅速起動(dòng)的必要條件。燃燒穩(wěn)定點(diǎn)火以后的穩(wěn)定燃燒是保證燃?xì)廨啓C(jī)可靠工作的關(guān)鍵，故要求燃燒室在燃?xì)廨啓C(jī)一切工況下均能穩(wěn)定燃燒，不發(fā)生熄火及火焰脈動(dòng)現(xiàn)象。壓力損失小氣流在燃燒室內(nèi)流動(dòng)與燃燒升溫過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生壓力損失，壓力損失使渦輪進(jìn)口總壓降低，因而降低了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出的功率和增加燃料消耗量。因此，應(yīng)力求降低燃燒室的壓力損失。通常采用燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)σB來(lái)表示總壓損失，其定義為：(4-3)式中與分別表示燃燒室進(jìn)口和出口的總壓。顯然σB越高說(shuō)明燃燒室壓力損失越小，目前的燃燒室σB一般可達(dá)0.92~0.97。燃燒室出口溫度場(chǎng)應(yīng)符合要求這一要求對(duì)于保證渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片的安全工作和壽命極為重要，具體要求為：火焰不得伸出燃燒室(但在起動(dòng)點(diǎn)火過(guò)程中，短時(shí)間伸出是允許的)。對(duì)燃燒室出口溫度場(chǎng)的不均勻程度應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)，通常采用以下指標(biāo)表示溫度場(chǎng)的不均勻程度：不均勻系數(shù)(4-4)最大不均勻度(4-5)徑向不均勻度(4-6)式中:tTmax、tTm——分別為燃燒室出口處燃?xì)獾淖罡呒捌骄鶞囟?，[tTmax]、[tTm]均為℃；tTrmax——燃燒室出口處沿半徑方向的燃?xì)庾罡咂骄琜tTrmax]為℃；tCm——燃燒室進(jìn)口處空氣的平均溫度，[tCm]為℃。通常要求：At≤0.10；θt≤0.30~0.35；θr≤0.10。1-理想的分布曲線2-實(shí)際的分布曲線圖4-7燃燒室出口處按周向平均的燃?xì)鉁囟妊厝~高分布為了充分利用渦輪葉片材料的潛力，沿葉高(即徑向)的燃起溫度分布應(yīng)符合一定要求。渦輪工作葉片葉根承受應(yīng)力最大，因此希望燃起溫度低些；葉尖處散熱條件差，而且作得較薄，強(qiáng)度與剛度都較差，所以也希望燃?xì)鉁囟鹊托?；在葉片中部(約2/3~3/4葉高處)燃起溫度允許稍高些，這樣的燃起溫度分布可以充分發(fā)揮葉片材料的潛力。根據(jù)上述原則，可預(yù)先給出一燃燒室出口處沿徑向的燃?xì)馄骄倻乩硐敕植紙D(圖4-7)。顯然，要完全地得到所希望地理想值是辦不到地，因此，通常是在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)上規(guī)定處允許地偏差，并用最大溫度偏差系數(shù)D1-理想的分布曲線2-實(shí)際的分布曲線圖4-7燃燒室出口處按周向平均的燃?xì)鉁囟妊厝~高分布(4-7)式中:tTr——在某一半徑上實(shí)際的按周向平均的燃起溫度，[tTr]為℃；tTr′——在該半徑上的理想燃?xì)鉁囟?，[tTr′]為℃。通常要求Dmax<10%。對(duì)裝有多個(gè)燃燒室的燃?xì)廨啓C(jī)，還應(yīng)力爭(zhēng)各燃燒室出口的燃?xì)馄骄鶞囟绕钚∮?5~20℃。尺寸緊湊為了減輕燃?xì)廨啓C(jī)的重量和減小其尺寸，這就要求減小燃燒室的尺寸。對(duì)運(yùn)輸式燃?xì)廨啓C(jī)，減小燃燒室外徑將有利于燃?xì)廨啓C(jī)在機(jī)艙里的布置。縮短燃燒室的長(zhǎng)度有利于縮短壓氣機(jī)與渦輪之間的距離，從而可減輕機(jī)匣和轉(zhuǎn)子的重量，為了燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得重大好處。但過(guò)分減小燃燒室直徑和長(zhǎng)度將與燃燒效率和燃燒室出口的燃?xì)鉁囟葓?chǎng)要求發(fā)生矛盾，故須結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)總體設(shè)計(jì)要求作綜合考慮。所謂燃燒室尺寸緊湊，就意味著要在一定的燃燒空間里或一定的橫截面積下，在單位時(shí)間內(nèi)能燒掉較多的燃料。為此常用比容積熱強(qiáng)度qV及比面積熱強(qiáng)度qA來(lái)衡量燃燒室空間的利用稱度。它們的定義分別為：(4-8)(4-9)式中qmf——燃料消耗量，[qmf]為kg/s；Vf——火焰管容積，[Vf]為m3；Af——火焰管橫截面積(通常取最大橫截面面積)，[Af]為m2。由于燃燒室中能燃燒的燃料大致與燃燒室工作壓力成正比，為了能比較不同工作壓力的燃燒室設(shè)計(jì)緊湊程度，故在qV和qA中都除上了。燃燒室的qV和qA主要與燃燒室的結(jié)構(gòu)型式、壽命要求、燃料等因素有關(guān)。目前還難于從理論上來(lái)計(jì)算燃燒室可能達(dá)到的qV和qA。各種類型燃燒室的qV和qA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下：固定式燃?xì)廨啓C(jī)qV=30~200w/(m·N)，qA=35~130W/N，其中下限對(duì)應(yīng)于燒重油及低熱值氣體燃料的圓筒型燃燒室；運(yùn)輸式燃?xì)廨啓C(jī)qV=100~300w/(m·N)，qA=110~240W/N。排氣污染少為了保護(hù)環(huán)境，必須嚴(yán)格控制燃燒室排氣中的污染物數(shù)量。這些污染物主要是由NO、CO、尚未燃燒的碳?xì)浠衔?、SO2以及冒煙質(zhì)點(diǎn)(微小碳粒)組成。它們會(huì)妨礙動(dòng)植物正常生長(zhǎng)，破壞生態(tài)平衡。人類長(zhǎng)期接觸含有這些污染物的空氣，會(huì)使呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)受到損害，它們也是致癌原因之一。由于排氣污染對(duì)環(huán)境有很大影響，各國(guó)對(duì)排氣污染正在進(jìn)行廣泛和深入的研究，許多國(guó)家對(duì)排氣污染還作了法律上的規(guī)定和限制。我國(guó)也正在擬訂燃?xì)廨啓C(jī)排氣污染物限制量的技術(shù)規(guī)定，頒布后將付諸實(shí)施。壽命長(zhǎng)在燃?xì)廨啓C(jī)各主要部件中，燃燒室由于工作條件十分惡劣，就常會(huì)出現(xiàn)一些致命的故障(如火焰管變形、產(chǎn)生裂紋、掉塊、過(guò)熱等)，因此，延長(zhǎng)燃燒室壽命對(duì)提高燃?xì)廨啓C(jī)翻修壽命有重大意義。影響燃燒室壽命的主要因素是火焰管壁溫，所以延長(zhǎng)壽命主要從火焰管材料、對(duì)火焰管采取冷卻保護(hù)措施以及防止嚴(yán)重積碳等幾方面入手。各種類型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的壽命，由于工作條件的差異有很大差別，運(yùn)輸式燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室使用壽命為3000~6000h，固定式燃?xì)廨啓C(jī)由于燃燒室熱強(qiáng)度較低，燃燒室的使用壽命可超過(guò)20000h。除上述要求外，還有一些要求也很重要，如工藝性好，便于維修等等。歸納起來(lái)，這些要求不外是屬于經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及使用性能等幾方面的要求。但應(yīng)提出：在這許多要求之間又往往存在著矛盾。例如提高qV就與提高ηB和σB等又矛盾，因此，燃燒室的設(shè)計(jì)就是正確處理這些矛盾，即根據(jù)不同用途的燃?xì)廨啓C(jī)特點(diǎn)，在各項(xiàng)要求中首先著眼于主要要求，抓住主要矛盾，并在此基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)其它各項(xiàng)性能指標(biāo)，以獲得良好的綜合性能。燃燒室的性能指標(biāo)一個(gè)設(shè)計(jì)良好的燃燒室應(yīng)該達(dá)到以下一些性能指標(biāo)，即：①燃燒穩(wěn)定性好，在任何運(yùn)行工況下都不會(huì)發(fā)上熄火或強(qiáng)烈的火焰脈動(dòng)以及振蕩燃燒現(xiàn)象；②燃燒效率高，通常，在滿負(fù)荷工況下要求達(dá)到99%左右，怠速工況下不宜低于90%；③燃燒火焰短，不致伸入燃?xì)馔钙剑虎艹隹跍囟葓?chǎng)均勻，或者按設(shè)計(jì)所要求的溫度場(chǎng)規(guī)律分布；⑤流阻損失小，相對(duì)總壓降大約為3%-6%；⑥結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、單位時(shí)間內(nèi)能在單位體積的燃燒空間內(nèi)燃盡更多的燃料，燃燒熱強(qiáng)度大約是35-190W/(N·m)；⑦點(diǎn)火性能好；⑧高溫元件冷卻良好，嚴(yán)防燒壞或發(fā)生翹曲變形，火焰管的最高壁溫一般不超過(guò)800℃、最好能控制在700-750℃；⑨火焰管應(yīng)有數(shù)千到上萬(wàn)小時(shí)的使用壽命；⑩排氣中污染的含量符合環(huán)境保護(hù)條例的規(guī)定。一個(gè)新設(shè)計(jì)的燃燒室必須經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)調(diào)整，才有可能達(dá)到上述性能指標(biāo)。擴(kuò)散燃燒型燃燒室的工作過(guò)程與結(jié)構(gòu)擴(kuò)散燃燒型燃燒室的工作過(guò)程圖4-1所示的就是一種擴(kuò)散燃燒型的燃燒室。圖4-3中則給出了與之相配的噴油嘴的結(jié)構(gòu)圖。從圖4-1中可以看出：由壓氣機(jī)送來(lái)的壓縮空氣，在逆流進(jìn)入遮熱筒與火焰管之間的環(huán)腔7時(shí)，因受火焰管結(jié)構(gòu)形狀的制約，將分流成為幾個(gè)部分，逐漸流入火焰管，以適應(yīng)空氣流量與燃料流量的比值總是要比理論燃燒條件下的配比關(guān)系大很多的特點(diǎn)。其中的一部分空氣稱為“一次空氣”，它分別由旋流器15、端部配器蓋板14、過(guò)渡椎頂13上的切向孔，以及開(kāi)在火焰管前段的三排一次射流孔11，進(jìn)到火焰管前端的燃燒區(qū)12中去。在那兒，它與由燃燒噴嘴1噴射出來(lái)的液體燃料或天然氣，進(jìn)行混合和燃燒，轉(zhuǎn)化成為1500-2000℃的高溫燃?xì)?。這部分空氣大約占進(jìn)入燃燒室的總空氣量的25%；另一部分空氣稱為“冷卻空氣”，它通過(guò)許多排開(kāi)在火焰管壁面上的冷卻射流孔，逐漸進(jìn)入火焰管的內(nèi)壁部位，并沿著內(nèi)壁的表面流動(dòng)。這股空氣可以在火焰管的內(nèi)壁附近形成一層溫度較低的冷卻空氣膜，它具有冷卻高溫的火焰管壁、使其免遭火焰燒壞的作用。此外，剩下來(lái)的那一部分空氣則稱為“二次空氣”或“摻混空氣”，它是由開(kāi)在火焰管后段的混合射流孔10，射到由燃燒區(qū)流來(lái)的1500-2000℃的高溫燃?xì)庵腥サ?，它具有摻冷高溫燃?xì)?，使其溫度比較均勻地降低到透平前燃?xì)獬鯗卦O(shè)計(jì)值的作用。圖4-8所示的是一種雙燃料噴嘴，它既能向燃燒室的火焰管頭部供給天然氣，又能供給液體燃料。為了增強(qiáng)液體燃料的燃燒速度，專門用高壓霧化空氣來(lái)幫助液體燃料霧化成為100μm左右的細(xì)霧滴。這種細(xì)霧滴在進(jìn)入高溫的燃燒區(qū)后，就會(huì)逐漸蒸發(fā)成為氣相燃料，通過(guò)擴(kuò)散和旋流的湍流的混合作用，逐漸與燃燒區(qū)內(nèi)的新鮮空氣摻混，在余氣系數(shù)αf=1的空間范圍內(nèi)起燃，形成一個(gè)溫度高達(dá)理論燃燒溫度水平的火焰。這種燃料與空氣沒(méi)有預(yù)先均勻混合，而是依靠擴(kuò)散和湍流交換的作用，使她們彼此相互摻混，進(jìn)而在αf=1的火焰上面上進(jìn)行燃燒的現(xiàn)象，稱之為“擴(kuò)散燃燒”。那時(shí)，燃燒速度主要取決于燃料與空氣相互擴(kuò)散和摻混的時(shí)間，而不是取決與它們的化學(xué)反應(yīng)所需要的時(shí)間。這種燃燒現(xiàn)象的一大特點(diǎn)是，火焰面上的αf=1，其溫度甚高，通常為理論燃燒溫度(它總是高于空氣中的N2與O2起化學(xué)反應(yīng)而生成NOx時(shí)的起始溫度1650℃)。因而按這種方式組織的燃燒過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生數(shù)量較多的“熱NOx”污染物。為解決這類燃燒過(guò)程中NOx排放量超過(guò)環(huán)保要求問(wèn)題，可采取三種措施，即：①在高負(fù)荷條件下，向擴(kuò)散燃燒的燃燒室中噴射一定數(shù)量的水或水蒸氣，借以降低燃燒火焰的溫度；②在余熱鍋爐中安裝所謂的選擇性催化還原反應(yīng)器(SCR)；③采用催化燃燒法。1-霧化空氣進(jìn)口2-噴嘴本體3-天然氣進(jìn)口4-噴嘴的頂蓋與空氣旋流器5-天然氣噴口6-液體燃料噴嘴的組合件7-霧化空氣切向槽圖4-8MS6001系列燃?xì)廨啓C(jī)上采用的分管型燃燒室的噴油嘴dCnox為NOx的濃度圖4-9火焰溫度Tf以及dCnox/dτ與燃料/空氣混合化學(xué)當(dāng)量的關(guān)系眾所周知：燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx有燃料NOx和熱NOx之分。前者取決于燃料中所含的氮化合物的數(shù)量，燃燒過(guò)程中無(wú)法控制它的生成。熱NOx則是在燃燒過(guò)程的高溫條件下，環(huán)境中所含的N2氣與O2dCnox為NOx的濃度圖4-9火焰溫度Tf以及dCnox/dτ與燃料/空氣混合化學(xué)當(dāng)量的關(guān)系由上圖可知：NOx的最高生成率發(fā)生在燃燒/空氣混合化學(xué)當(dāng)量比等于1的地方，那時(shí)，燃燒火焰的溫度Tf為最高。因而，倘若能使燃料與較多的空氣相混合，即：在比較稀釋的燃料濃度下進(jìn)行低溫的燃燒，那么，就能減少NOx排放物的生成。當(dāng)然，向燃燒火焰區(qū)噴散水或水蒸氣，以迫使降低燃燒火焰的溫度，同樣能夠起到抑制生成NOx的作用。但是，對(duì)于采用單個(gè)燃料噴嘴的燃燒室來(lái)說(shuō)，借用噴水或噴蒸汽的方法很難使燃燒天然氣時(shí)NOx的排放量降低到小于42×10-6(體積分?jǐn)?shù)，下同)的水平(燒油時(shí)為70×10-6)。那時(shí)，噴水量大約是燃料消耗量的50%~70%，水質(zhì)還必須經(jīng)過(guò)預(yù)先處理，嚴(yán)防Na、K鹽的混入，否則會(huì)導(dǎo)致燃?xì)馔钙饺~片的腐蝕。這種方法不僅會(huì)增大水處理設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用的消耗，還會(huì)使機(jī)組的熱效率下降1.8%-2.0%左右；燃燒室的檢修間隔和使用壽命也都會(huì)縮短。但是它卻能使機(jī)組的功率增大3%左右。因而自80年代以后，這個(gè)方法已在燃?xì)廨啓C(jī)中普遍使用。雖然其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，但方法簡(jiǎn)便，NOx的排放量暫且能夠滿足指標(biāo)不是很高的法定標(biāo)準(zhǔn)。SCR法是在催化劑的作用下向燃燒產(chǎn)物噴散氨水，使與燃燒產(chǎn)物中的NO和NO2反應(yīng)成為N2+NO2，即：4NO+4NH3+O24N2+6H2O；6NO2+8NH37N2+12H2O催化反應(yīng)器的尺寸很大，它被布設(shè)在余熱鍋爐中溫度介于290-400℃的區(qū)段。由于催化反應(yīng)的溫度限定得很嚴(yán)，因而只能在負(fù)荷工況比較穩(wěn)定的機(jī)組中使用。特別是不能在變轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變化較大的機(jī)組(如驅(qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī))中使用。它可以使因擴(kuò)散燃燒火焰而產(chǎn)生的200~500×10-6含量(體積分?jǐn)?shù))的NOx脫除90%。但是，其投資費(fèi)用卻很高，大約是燃?xì)廨啓C(jī)價(jià)格的20%；催化反應(yīng)器的壽命僅4-8年；而且不能燃用含硫量高于1000×10-6(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的燃料，否則催化劑會(huì)中毒而失效。因而SCR法使用得還不甚普遍。催化燃燒法是想在燃燒室中布設(shè)催化反應(yīng)床，借以燃燒非常稀釋的燃料/空氣的混合物，它能使NOx的排放量降得非常低。但是，目前催化床和催化劑都尚未過(guò)關(guān)，正在開(kāi)發(fā)之中。短期內(nèi)尚無(wú)使用價(jià)值?？傊?0年代之前燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室主要是按照擴(kuò)散燃燒的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。為了實(shí)現(xiàn)本章第2節(jié)中提出的一系列性能指標(biāo)，人們大體上采取以下一些措施，即：合理地選擇燃燒區(qū)內(nèi)的一次空氣流量，確保在怠速工況下燃燒區(qū)內(nèi)的平均溫度不低于900℃，否則需要考慮一次空氣量可以調(diào)節(jié)的配氣機(jī)構(gòu)，或者安裝一個(gè)燃料供應(yīng)條件不受負(fù)荷工況變化的值班噴嘴，以保證整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)都能有一個(gè)比較高溫的燃燒條件。合理地選擇配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式和火焰管頭部空氣流量的分配關(guān)系，以便在燃燒區(qū)形成一個(gè)尺寸適度的回流區(qū)和湍流交換條件，以確保空氣與燃料的混合以及燃燒火焰的穩(wěn)定。合理地選擇噴油嘴結(jié)構(gòu)，保證在低負(fù)荷工況下液體燃料仍能具有良好的霧化特性，并能在燃燒區(qū)形成合理的燃燒濃度場(chǎng)。對(duì)于氣體燃料來(lái)說(shuō)。則應(yīng)控制噴射壓差，以防把燃料噴射到火焰管壁附近的冷卻空氣層中去而無(wú)法起燃。噴射壓力過(guò)低時(shí)。則易發(fā)生振蕩燃燒。為了縮短燃燒火焰，經(jīng)常需要采用多個(gè)噴油嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上消除火焰管外二次流道內(nèi)可能產(chǎn)生的氣流的不規(guī)則流動(dòng)，這是保證火焰管內(nèi)流場(chǎng)對(duì)稱性的前提。否則，燃燒火焰不易穩(wěn)定，燃?xì)獬隹跍囟葓?chǎng)不能均勻。合理地選擇火焰管的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻氣流的速度，并配之以合適的耐熱合金材料和涂層，以確保火焰管壁不至于過(guò)熱、變形和燒壞。合理地選擇摻混空氣量和混合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式與布局關(guān)系，以確保燃燒室的出口溫度場(chǎng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。合理地選擇點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)型式與布置位置，防止其積碳、過(guò)熱或燒壞，以確保燃燒室點(diǎn)火的可靠性。充分考慮燃燒室結(jié)構(gòu)元件的膨脹特性，避免應(yīng)力集中，力求不使燃燒室承受或傳遞機(jī)組的作用力?？紤]燃燒室拆裝、檢查和更換的方便性。燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的類型從總體結(jié)構(gòu)方案來(lái)看，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室可分為：圓筒型、分管型、環(huán)管型以及環(huán)形等四種。從燃燒室進(jìn)出口氣流流動(dòng)方向的變化，燃燒室又可分為順流式和逆流式。圓筒式燃燒室1-外殼1-外殼2-火焰管3-噴油嘴圖4-10R700-1型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室圓筒型燃燒室的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維修、使用壽命長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是：空間利用率差、比容積熱強(qiáng)度較低、因此，不適用于要求結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)組。這種燃燒室在調(diào)試時(shí)所需風(fēng)源較大，這也是一個(gè)缺點(diǎn)。圓筒型燃燒室廣泛應(yīng)用于小功率燃?xì)廨啓C(jī)及部分中等功率燃?xì)廨啓C(jī)，在大功率燃?xì)廨啓C(jī)中僅少數(shù)機(jī)組采用。圖4-10為R700-1型1000kW燃?xì)廨啓C(jī)所使用的圓筒型燃燒室。此燃燒室為逆流式，空氣自下往上流入燃燒室，然后經(jīng)旋流器、射流孔、氣膜孔、等流入火焰管，空氣與燃料混合燃燒后產(chǎn)生的燃?xì)?約700℃)，向下流入渦輪進(jìn)氣渦殼?；鹧婀苡?Cr18Ni9Ti耐熱鋼制成，其錐頂為雙層結(jié)構(gòu)，在內(nèi)層設(shè)有兩道冷卻氣膜?；鹧婀芡采聿糠譃殡p層多孔壁結(jié)構(gòu)，外層開(kāi)有520個(gè)直徑為5mm的小孔，內(nèi)層則開(kāi)有1942個(gè)直徑為5mm的小孔，由外層孔控制冷卻空氣量，在內(nèi)層孔出口處則形成保護(hù)火焰管的冷卻氣膜。分管型燃燒室分管型燃燒室的特點(diǎn)是：在一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)中設(shè)置若干分開(kāi)的小燃燒室，燃燒室的數(shù)目通常為8~12個(gè)，個(gè)燃燒室圍繞燃?xì)廨啓C(jī)軸線均勻布置。每一燃燒室都有單獨(dú)的外殼、火焰管以及噴油嘴而自體系，但點(diǎn)火器僅安裝在個(gè)別燃燒室(通常為2個(gè))。燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí)，先將帶有點(diǎn)火器的燃燒室點(diǎn)燃，然后依靠燃燒室之間的聯(lián)焰管點(diǎn)燃其他燃燒室。圖4-11給出了分管型燃燒室的示意圖。1-噴油嘴2-旋流器3-火焰管4-外殼5-聯(lián)焰管圖4-11分管型燃燒室示意圖分管型燃燒室由于是在一給尺寸較小的管形燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，故較易組織良好的燃燒過(guò)程，且調(diào)試時(shí)所消耗的人力和物力都較少，由于它比較容易從燃?xì)廨啓C(jī)上拆卸，故對(duì)檢修很有利。但分管型燃燒室構(gòu)造較復(fù)雜，空間利用率不高，重量較重，需冷卻保護(hù)的火焰管表面相對(duì)地較多，起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)火焰管間傳焰性能差，出口溫度沿周向不均勻度大，燃燒室與直流布置地壓氣機(jī)和渦輪流路不適應(yīng)，故需采用型線復(fù)雜地管道過(guò)渡且壓力損失較大。由于上述缺點(diǎn)，目前已較少采用這種燃燒室。圖4-12為PG5301型20000kW工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)所使用地逆流式分管型燃燒室。該機(jī)組共有10個(gè)這樣地燃燒室。燃燒室出口燃?xì)鉁囟葹?00~935℃，燃燒室能燃用氣體及液體燃料，故采用氣-液雙重燃料噴嘴。一次空氣由旋流器及火焰管前段兩排射流孔流入，二次空氣由火焰管后段四只大孔流入。火焰管用鎳基合金鈑材焊成。在火焰管錐頂和筒身均開(kāi)有密布地魚(yú)鱗孔，使冷卻空氣流入時(shí)形成冷卻氣膜。燃燒室地點(diǎn)火器能在燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)點(diǎn)火時(shí)伸入火焰管以改善點(diǎn)火條件，但機(jī)組起動(dòng)點(diǎn)燃后，在壓力差地作用下自動(dòng)退出?；鹧婀茴^部支承于燃料噴嘴并被定心，火焰管尾部焊有彈性環(huán)片并將它插入燃?xì)鈱?dǎo)管，對(duì)火焰管出口端定位。在火焰管頭部焊有三個(gè)徑向插座，通過(guò)安裝于外殼地插腳，使火焰管相對(duì)于外殼作軸向和周向定位。1-燃料噴嘴2-旋流器3-點(diǎn)火器4-外殼5-火焰管6-燃?xì)鈱?dǎo)管7-聯(lián)焰管8-徑向插座9-錐頂圖4-12PG5301型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室環(huán)形燃燒室環(huán)形燃燒室地結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在由燃燒室內(nèi)、外殼體所形成的環(huán)形腔內(nèi)，安裝一由火焰管內(nèi)、外環(huán)所構(gòu)成的火焰管，如圖4-13所示。在環(huán)形火焰管頭部沿周向均勻布置若干旋流器(通常為12~20個(gè))。由于燃燒過(guò)程在整個(gè)火焰管環(huán)形空間內(nèi)進(jìn)行，空間利用比較充分，因此燃燒室的尺寸很緊湊，需要冷卻保護(hù)的火焰管面積也較少，故能較好地滿足近代燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室要求地溫升大、比容積熱強(qiáng)度高地特點(diǎn)。環(huán)型燃燒室能與直流布置的軸流式壓氣機(jī)和渦輪獲得最佳的流路配合。因此，管道型線和結(jié)構(gòu)都較為簡(jiǎn)單，壓力損失也小。由于不再需要聯(lián)焰管傳焰，因此，不存在起動(dòng)點(diǎn)火使的傳焰問(wèn)題。1-噴油嘴2-旋流器3-火焰管外環(huán)4-燃燒室外殼5-火焰管內(nèi)環(huán)6-燃燒室內(nèi)殼圖4-13環(huán)型燃燒室示意圖它的主要缺點(diǎn)是：調(diào)試時(shí)消耗空氣量大、油氣匹配難度大、組織燃燒較難；由于對(duì)進(jìn)口流場(chǎng)比較敏感，故不易獲得穩(wěn)定的出口流場(chǎng)；環(huán)形火焰管由于剛性差，在高溫下易發(fā)生變形；另外從檢修方面看，這種燃燒室的拆卸是比較困難的。環(huán)形燃燒室由于優(yōu)點(diǎn)很突出，所以廣泛應(yīng)用于航空燃?xì)廨啓C(jī)，在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中也有擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢(shì)。1-擴(kuò)壓器2-噴油嘴3-旋流器4-點(diǎn)火器5-火焰管頭部6-外殼7-火焰管外環(huán)8-火焰管內(nèi)環(huán)9-內(nèi)殼10-導(dǎo)流管圖4-14LM2500型船用燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室圖4-14為L(zhǎng)M2500型18400kW(25000馬力)船用燃?xì)廨啓C(jī)所使用的環(huán)形燃燒室。此機(jī)組由航空燃?xì)廨啓C(jī)改型而來(lái)。在燃燒室上裝有30個(gè)雙油路離心式噴油嘴，每易噴油嘴都配有相應(yīng)的旋流器?；鹧婀苡蓪?dǎo)流器、頭部、外環(huán)、內(nèi)環(huán)四部分鉚接而成，其材料為鎳基合金。燃燒室殼體由外殼和內(nèi)殼組成。燃燒室出口燃起溫度為1149℃。一次空氣由旋流器及火焰管內(nèi)、外環(huán)上的兩排孔流入，二次空氣由火焰管外環(huán)上的一排孔及內(nèi)環(huán)上的兩排孔流入。火焰管頭部設(shè)有三道冷卻氣膜，內(nèi)、外環(huán)上則各設(shè)有10道冷卻氣膜，冷卻結(jié)構(gòu)采用鉆孔式。點(diǎn)火器為高能半導(dǎo)體電嘴?；鹧婀茉趯?dǎo)流器處以10根均布的徑向銷釘支承與定位于外殼上，火焰管尾部則通過(guò)內(nèi)、外安裝環(huán)插入渦輪導(dǎo)向器，它可以允許火焰管作軸向及徑向膨脹。環(huán)管型燃燒室這種燃燒室的殼體與環(huán)形燃燒室相同，但在由內(nèi)、外殼體所形成的環(huán)形腔內(nèi)，沿周向均勻布置若干管形火焰管(通常為8~12個(gè))，各火焰管之間為了點(diǎn)火傳焰也以聯(lián)焰管相通。由圖4-15可以看出，這種燃燒室在結(jié)構(gòu)上是介于前述兩種燃燒室之間，其優(yōu)、缺點(diǎn)也介于兩者之間。1-噴油嘴2-旋流器3-火焰管4-外殼5-內(nèi)殼6-聯(lián)焰管圖4-15環(huán)管型燃燒室示意圖環(huán)管型燃燒室吸取了分管型燃燒室的優(yōu)點(diǎn)，燃燒過(guò)程在尺寸較小的火焰管內(nèi)進(jìn)行，油氣匹配較好，這對(duì)組織燃燒有利。在調(diào)試燃燒室時(shí)，可在由1~3個(gè)火焰管組成的扇形段中進(jìn)行，由于所需空氣量少，有利于調(diào)試工作。在空間利用方面，它吸取了環(huán)形燃燒室的優(yōu)點(diǎn)，故尺寸比較緊湊。它的主要缺點(diǎn)是燃燒室進(jìn)口段流動(dòng)比較復(fù)雜，故擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)困難，同時(shí)它也存在傳焰問(wèn)題，但情況比分管型燃燒室為好。在航空燃?xì)廨啓C(jī)及其改裝工業(yè)型機(jī)組常采用順流式環(huán)管型燃燒室，在工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)中，為了縮短機(jī)組長(zhǎng)度，常采用逆流式環(huán)管型燃燒室。不同類型燃燒室的比較圓筒型燃燒室的最大優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；機(jī)組的全部空氣流過(guò)一個(gè)或兩個(gè)燃燒室，能適應(yīng)固定式燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，便于與壓氣機(jī)和透平配裝；裝拆容易。由于燃燒室的尺寸比較大，因而在流阻損失較小的前提下，比較容易取得燃燒效率高、燃燒穩(wěn)定性好的效果。其缺點(diǎn)是：燃燒熱強(qiáng)度低；笨重，金屬消耗量大；而且難于作全尺寸燃燒室的全參數(shù)試驗(yàn)，致使設(shè)計(jì)和調(diào)試比較困難。分管型燃燒室的優(yōu)點(diǎn)是：燃燒空間中空氣的流動(dòng)模型與燃料炬容易配合，燃燒性能較易組織，便于解體檢修和維護(hù)。由于流經(jīng)燃燒室的空氣流量只是整個(gè)機(jī)組進(jìn)氣總量的1/n(n為該機(jī)組中分管型燃燒室的個(gè)數(shù))，因而燃燒室便于在試驗(yàn)臺(tái)上作全尺寸和全參數(shù)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可靠而且節(jié)省費(fèi)用。它的缺點(diǎn)是：空間利用程度差、流阻損失大，需要用聯(lián)焰管傳焰點(diǎn)火，制造工藝要求高。環(huán)型燃燒室具有體積小、重量輕，流阻損失小，聯(lián)焰方便、排氣冒煙少，火焰管的受熱面積小，發(fā)展?jié)摿Υ蟮纫幌盗袃?yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)形式。它特別適宜與軸流式壓氣機(jī)匹配。但是由于燃燒空間彼此溝通，氣流與燃料炬不容易組織，燃燒性能較難控制，燃?xì)獬隹跍囟葓?chǎng)受進(jìn)氣流場(chǎng)的影響較大而不易保持穩(wěn)定，同時(shí)，由于需要用機(jī)組的整個(gè)進(jìn)氣量作燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)而耗費(fèi)大，加上結(jié)構(gòu)的剛性差，在機(jī)組上又不便于解體檢查，致使這種燃燒室曾長(zhǎng)期未獲廣泛使用，但目前正在迅速發(fā)展之中。環(huán)管型燃燒室是一種介于環(huán)型和分管型燃燒室之間的過(guò)渡性結(jié)構(gòu)型式。它兼?zhèn)鋬烧叩膬?yōu)點(diǎn)，但卻繼承了重量較大，火焰管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要用聯(lián)焰管點(diǎn)火，制造工藝要求高等缺點(diǎn)。它適宜與軸流式壓氣機(jī)配合工作，能夠充分利用由壓氣機(jī)流來(lái)的氣流之動(dòng)能。在目前應(yīng)用得還相當(dāng)廣泛。由于人們對(duì)擴(kuò)散燃燒型燃燒室比較熟悉，本章就不擬贅述了。讀者若有興趣，可以參考“燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室”一書(shū)。干式低污染燃燒室(DLN)的設(shè)計(jì)原理隨著環(huán)境污染情況的日益嚴(yán)重，人們要求發(fā)展一種不噴水(或蒸汽)的干式低污染(主要是NOx和CO)的燃燒室以敷使用，這已成為工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的一個(gè)新的準(zhǔn)則。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，目前人們已經(jīng)能使燒天然氣的干式低污染燃燒室(DLN)的NOx排放量。降低到25×10-6(體積分?jǐn)?shù))，并有可能在近期內(nèi)降低到(5-9)×10-6(體積分?jǐn)?shù))的水平。如前所述：在燃燒過(guò)程中若能使燃燒火焰面上的反應(yīng)溫度始終低于生成NOx的起始溫度1650℃，那么，燃燒產(chǎn)物中的NOx必然是很低的。但是，擴(kuò)散燃燒方式的火焰面溫度總是與αf=1相當(dāng)?shù)睦碚撊紵郎囟?，它不因燃料與空氣的總摻混比的濃或烯而異，因而NOx的生成有所抑制，但畢竟不能完全解決問(wèn)題，甚至?xí)?lái)一些副作用。為此，需要探索在燃燒過(guò)程中能夠控制火焰面的溫度，從而抑制生成NOx的新途徑。這就是摒棄常規(guī)燃燒中的擴(kuò)散燃燒方式，而改用均相預(yù)混方式的湍流火焰?zhèn)鞑ト紵椒?。所謂均相預(yù)混方式的湍流火焰?zhèn)鞑ト紵椒ň褪侵福喊讶剂险羝?或天然氣)與氧化劑(空氣)預(yù)先混合成為均相的、稀釋的可燃混合物，然后使之以湍流火焰?zhèn)鞑サ姆绞酵ㄟ^(guò)火焰面進(jìn)行燃燒，那時(shí)，火焰面的燃燒溫度與燃料和空氣實(shí)時(shí)摻混比的數(shù)值相對(duì)應(yīng)(不再只是αf=1的理論燃燒溫度了)。通過(guò)對(duì)燃料與空氣實(shí)時(shí)摻混比的控制，使火焰面的溫度永遠(yuǎn)低于1650℃，這樣就能控制“熱NOx”生成。但是，均相預(yù)混可燃混合物的可燃極限范圍是比較狹窄的，而且在低溫條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^低，CO的排放量就會(huì)增大。因而為了防止燃燒室熄火，并適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷變化范圍很廣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)干式低污染燃燒室時(shí)，還得采取以下一些措施，即：合理地選擇均相預(yù)混可燃混合物的實(shí)時(shí)摻混比和火焰溫度。如Lefebvre教授建議的那樣：對(duì)于天然氣來(lái)說(shuō)，按火焰溫度為1700-1800K這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇燃料/空氣的混合比是比較合適的。這樣才有可能使燃燒室的NOx和CO的排放量都比較低，如圖4-16所示。圖4-16燃燒火焰溫度對(duì)NOx和CO排放量的影響關(guān)系適當(dāng)增大燃燒室的直徑或長(zhǎng)度，以適應(yīng)火焰溫度較低時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^低的特點(diǎn)。必要時(shí)在低負(fù)荷工況下(包括起動(dòng)點(diǎn)火工況)仍然保留一小股擴(kuò)散燃燒火焰，以防燃燒室熄火，并使?jié)M足燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室負(fù)荷變化范圍很寬的要求。合理地控制均相預(yù)混可燃混合物從調(diào)節(jié)閥門噴口到燃燒區(qū)之間的輸運(yùn)時(shí)間(即可燃混合物的噴射壓比)，不使與燃燒室火焰管的共振周期重合，以防燃燒室發(fā)生振蕩燃燒現(xiàn)象。采用分級(jí)燃燒方式以擴(kuò)大負(fù)荷的變化范圍。目前，分級(jí)燃燒又有串聯(lián)式分級(jí)燃燒和并聯(lián)式分級(jí)燃燒兩大類，如圖4-17所示。a)串聯(lián)式b)并聯(lián)式圖4-17串聯(lián)式和并聯(lián)式分級(jí)燃燒之示意圖如圖4-17a所示，在串聯(lián)式的分級(jí)燃燒室中設(shè)置2-3個(gè)彼此串聯(lián)的燃燒區(qū)，每個(gè)燃燒區(qū)中都分別供給一定數(shù)量的空氣和燃料。不論機(jī)組的負(fù)荷量如何變化，流經(jīng)每個(gè)燃燒區(qū)的空氣量幾乎是恒定的，但供入各燃燒區(qū)的燃料量卻是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷量的變化而不斷改變的。通常，在機(jī)組的起動(dòng)和低負(fù)荷工況下，只向第一級(jí)燃燒區(qū)供給燃料，一般，它仍然維持?jǐn)U散燃燒火焰狀態(tài)，這樣就能保證低負(fù)荷工況下燃燒火焰的穩(wěn)定性。隨著負(fù)荷的增高，逐漸向第2級(jí)和第3級(jí)燃燒區(qū)供應(yīng)燃料。那時(shí)，第1級(jí)燃燒區(qū)將維持恒溫運(yùn)行狀態(tài)，第2級(jí)和第3級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)則將維持變溫度的均相預(yù)混可燃混合物的火焰?zhèn)鞑ト紵绞?。在這類燃燒室中各級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)燃燒溫度的變化關(guān)系(也就是燃料供應(yīng)量的變化關(guān)系)如圖4-18所示。圖4-18典型的三級(jí)串聯(lián)的分級(jí)燃燒室中燃燒區(qū)內(nèi)燃燒溫度的變化關(guān)系由于在串聯(lián)式的分級(jí)燃燒室中，所有級(jí)的燃燒過(guò)程都是一級(jí)緊隨著前一級(jí)的燃燒區(qū)進(jìn)行的，因而每一級(jí)內(nèi)的可燃物質(zhì)都能獲得充分的預(yù)熱，這樣就能改善均相預(yù)混可燃混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣群拓氂拖ɑ饦O限(即：降低第2和第3級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)可燃混合物的貧油熄火溫度，如圖4-18所示)。顯然，這種燃燒方式可以提高低負(fù)荷工況下一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒溫度，并使氣流的速度減小，有利于改善這些工況下CO的燃盡程度和燃燒火焰的穩(wěn)定性。當(dāng)然，在高負(fù)荷工況下由于把均相預(yù)混可燃混合物的燃燒溫度控制在1800K以下，就能達(dá)到控制NOx排放量的目的。如圖4-17b所示，在并聯(lián)式的分級(jí)燃燒室中可以設(shè)置許許多多個(gè)彼此并聯(lián)的燃燒區(qū)，每個(gè)燃燒區(qū)中也都分別供給一定數(shù)量的空氣和燃料。它們的燃燒過(guò)程都是按均相預(yù)混可燃?xì)怏w的火焰?zhèn)鞑シ绞竭M(jìn)行組織的；燃燒溫度也被限定在1800K以下。因而能夠控制高負(fù)荷工況下NOx的排放量。顯然，并聯(lián)燃燒區(qū)的數(shù)目越多，該燃燒室的負(fù)荷可調(diào)范圍就越廣。在低負(fù)荷工況下，由于只有部分?jǐn)?shù)量的并聯(lián)燃燒區(qū)仍在貧油熄火溫度以上的高溫(1800K左右)條件下運(yùn)行，因而燃燒火焰的穩(wěn)定性和CO的燃盡程度都能得到保證。當(dāng)然，其熄火特性要比串聯(lián)式分級(jí)燃燒者差。相對(duì)來(lái)說(shuō)，串聯(lián)式分級(jí)燃燒室要比并聯(lián)式者長(zhǎng)。為了進(jìn)一步擴(kuò)大燃燒室的負(fù)荷可調(diào)范圍，還可以利用壓氣機(jī)入口的可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉或在燃燒室的旋流器前設(shè)置配氣閥門，來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入分級(jí)燃燒區(qū)的空氣流量。這些措施都是有效的，但這種變幾何燃燒室的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的。GE、ABB、Siemens公司的燃燒室GE公司設(shè)計(jì)的DLN燃燒室圖4－19中給出了GE公司設(shè)計(jì)的在MS7001EA機(jī)組上使用的干式低NOXr燃燒室的結(jié)構(gòu)示圖。這種燃燒室同樣能在MS9001F和FA機(jī)組上使用，只是燃燒室的個(gè)數(shù)有所增多而已。1-第2級(jí)燃燒區(qū)的燃料噴嘴2-第1級(jí)燃燒區(qū)的燃料噴嘴和燃燒室的前端蓋3-帽蓋和中心體組合件4-第1級(jí)預(yù)混室5-文透里組合件6-導(dǎo)流襯套7-第2級(jí)燃燒區(qū)8-過(guò)度段9-壓氣機(jī)的排氣機(jī)殼10-值班噴燃器的旋流器11-燃燒室外殼圖4-19MS7001EA機(jī)組上使用的DLN燃燒室圖4－20中則給出了它的示意圖，以便于分析。由圖可知：它是一種兩級(jí)串聯(lián)式的預(yù)混稀釋態(tài)的DLN燃燒室。第1級(jí)燃燒區(qū)(或預(yù)混室)是由6個(gè)彼此分隔開(kāi)的燃燒空間組成的，每個(gè)燃燒室都裝設(shè)各自的旋流器和第1級(jí)燃燒區(qū)的燃燒噴嘴。通過(guò)中心體組合件，則裝設(shè)一個(gè)第2級(jí)燃燒區(qū)的燃燒噴嘴和旋流器。在文丘里組合件之后則是第2級(jí)燃燒區(qū)。在第1級(jí)和第2級(jí)燃燒區(qū)的火焰管壁上卻仍然采用常規(guī)的氣膜冷卻方式。需要用火焰監(jiān)察器對(duì)第1級(jí)和第2級(jí)燃燒區(qū)分別進(jìn)行監(jiān)察。這種燃燒室既可以燃燒天然氣，也可以燃燒輕質(zhì)液體燃料。1-第2級(jí)燃燒區(qū)的燃料噴嘴2-第1級(jí)燃燒區(qū)的燃料噴嘴3-外殼4-第1級(jí)預(yù)混室5-帽蓋和中心體組合件6-第2級(jí)燃燒區(qū)7導(dǎo)流襯套8-摻混區(qū)9-文透里組合件10-前端蓋圖4-20MS7001EA機(jī)組上使用的DLN燃燒室的示意圖在燃燒天然氣時(shí)，依據(jù)機(jī)組負(fù)荷工況的不同，這種燃燒室中會(huì)有四種不同形態(tài)的燃燒方式，如圖4－21所示，即：(1)從機(jī)組的起動(dòng)點(diǎn)火、加速，一直到攜帶20％負(fù)荷的階段。全部燃料量都是供給第1級(jí)燃燒區(qū)的。那時(shí)將在第1級(jí)燃燒區(qū)中形成擴(kuò)散燃燒火焰。這樣才能保證低負(fù)荷工況下燃燒火焰的穩(wěn)定性。(2)從20％負(fù)荷到40％負(fù)荷階段。70％的燃料量供給第1級(jí)燃燒區(qū)，30％燃料量則供向第2級(jí)燃燒區(qū)。那時(shí)，在第1級(jí)燃燒區(qū)中將形成稀釋狀態(tài)的擴(kuò)散火焰，在第2級(jí)燃燒區(qū)中將形成一個(gè)以一小股擴(kuò)散火焰為根基的均相預(yù)混燃燒火焰，因而有利于NOX放量的降低。圖4-21不同工況下DLN燃燒室中燃料量的分配和相應(yīng)的燃燒方式(3)當(dāng)負(fù)荷由40%向100％工況過(guò)渡時(shí)，燃燒方式有一個(gè)瞬間的突變狀態(tài)，首先，100％燃料量將全部供入第2級(jí)燃燒區(qū)，在那兒形成一個(gè)以一小股擴(kuò)散火焰為根基的均相預(yù)混燃燒火焰。此后，隨著負(fù)荷量的逐漸增高，83％的燃料量將供向第一級(jí)燃燒區(qū)，而17％的燃料量則供向第2級(jí)燃燒區(qū)。那時(shí)，第1級(jí)燃燒區(qū)因前一階段的熄火而失去了高溫回流的點(diǎn)火源，因而當(dāng)重新供入83％的燃料量時(shí)，第1級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)就不會(huì)再形成擴(kuò)散燃燒火焰，它只能使供入的燃料量與通過(guò)旋流器供入的空氣，彼此混合成為均相預(yù)混的可燃?xì)怏w，供到第2級(jí)燃燒區(qū)中去進(jìn)行燃燒。在這種工況下位于第2級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒火焰是比較奇特的；那時(shí)在第2級(jí)燃料噴嘴的中間，利用一股小于2％的燃料量來(lái)形成一個(gè)作為值班點(diǎn)火源的擴(kuò)散火焰，借以來(lái)保證第2級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)整個(gè)燃燒火焰的穩(wěn)定。這股穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰將點(diǎn)燃由第2級(jí)燃料噴嘴和旋流器中噴出，并預(yù)混而成的天然氣與空氣的預(yù)混可燃?xì)怏w，使之在擴(kuò)散火焰之外形成一股以火焰?zhèn)鞑シ绞竭M(jìn)行燃燒的火焰。由第1級(jí)燃燒區(qū)中流出的預(yù)混可燃?xì)怏w則被這層燃燒火焰點(diǎn)燃，并借助在文透里組合件之后形成的高溫回流區(qū)得以穩(wěn)定燃燒。顯然，在第2級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)極大部分燃料都是在比較稀釋的狀態(tài)下，以預(yù)混的火焰?zhèn)鞑シ绞竭M(jìn)行燃燒的，因而它能達(dá)到在高負(fù)荷工況下控制NOX排放量的目的。試驗(yàn)表明：文透里組合件的擴(kuò)張錐角及其冷卻空氣的布設(shè)位置對(duì)于其后形成的高溫回流區(qū)的特性，也就是穩(wěn)定點(diǎn)火的功效，有重要的影響。在燃燒柴油時(shí)，燃燒方式將與燃燒天然氣有很大的差異。當(dāng)機(jī)組的負(fù)荷小于50％工況時(shí)，燃燒是在第1級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)進(jìn)行的。當(dāng)負(fù)荷超過(guò)50％而趨向于100％工況時(shí)，燃燒則是在第1級(jí)和第2級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)同時(shí)進(jìn)行的。但是它們都是擴(kuò)散燃燒火焰，并非預(yù)混的均相燃燒火焰，因而并無(wú)明顯地降低NOX的作用。為了控制NOX，則必須向燃燒室噴水或噴蒸汽。圖4－22上則給出了GE公司的DLN燃燒室在MS7001EA機(jī)組上分別燃燒天然氣和柴油時(shí)，NOX和CO的排放量隨負(fù)荷而變化的實(shí)測(cè)結(jié)果。由此可見(jiàn)，燒天然氣時(shí)當(dāng)負(fù)荷超過(guò)50％后，DLN燃燒室才有可能使NOX和CO的排放含量(體積分?jǐn)?shù))控制在25×10-6左右。在燒柴油時(shí)，只有向燃燒室噴水或噴蒸汽，才能使NOX的體積分?jǐn)?shù)控制在42×10-6左右。a)燃燒天然氣時(shí)b)燃燒柴油時(shí)φ(NOx)、φ（CO)、分別為在氧汗量（體積分?jǐn)?shù))為15%時(shí)NOx、CO的體積分?jǐn)?shù)圖4-22DLN燃燒室在燃燒天然氣和柴油時(shí)，NOx與CO含量(體積分?jǐn)?shù))隨負(fù)荷變化關(guān)系GE公司預(yù)言，在進(jìn)一步采取措施后，DLN燃燒室在燒天然氣時(shí)，有可能把NOX和CO的排放含量(體積分?jǐn)?shù))控制在一位數(shù)值范圍內(nèi)，即≤9×10-6。目前，GE公司已在F型燃?xì)廨啓C(jī)上獲得了應(yīng)用干式低NOX燃燒室的充分經(jīng)驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行總時(shí)數(shù)已達(dá)13萬(wàn)h，但也發(fā)現(xiàn)有些燃燒室的第一級(jí)預(yù)混室會(huì)被燒壞。經(jīng)研究表明：這是由于某些天然氣中含有比較多的高階碳?xì)浠衔锏木壒?。這些高階碳?xì)浠衔锏淖匀紲囟缺容^低，摻混在天然氣中將使天然氣總的露點(diǎn)降低。這樣就會(huì)在燃料溫度比較低的條件下，高階的碳?xì)浠衔锞蜁?huì)以液體狀體凝結(jié)在燃燒室、管道甚至噴嘴等硬件上，并逐漸發(fā)生自燃而致故障。為了解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方法可循，即：①在天然氣系統(tǒng)中加裝凝聚過(guò)濾器，以便除去凝結(jié)下來(lái)的高階碳?xì)浠衔锏囊后w；②在天然氣系統(tǒng)中加裝一個(gè)加熱器，它可以用聯(lián)合循環(huán)中的蒸汽進(jìn)行加熱天然氣，以便使燃料的溫度超過(guò)其露點(diǎn)。實(shí)踐表明：在最壞的情況下，天然氣的溫度可能比露點(diǎn)低11℃，而天然氣的過(guò)熱裕度最好不低于27.8℃，因而天然氣加熱器的溫升值應(yīng)該按38.9℃來(lái)設(shè)計(jì)。ABB公司設(shè)計(jì)的環(huán)境型(EV)燃燒室ABB公司設(shè)計(jì)的EV(Enviromental環(huán)境)型燃燒室是一種并聯(lián)式的分級(jí)燃燒的DLN燃燒室。圖4－23中給出了在一個(gè)圓筒型燃燒室中并聯(lián)地配置19~54個(gè)EV型燃燒器的示圖。圖4－24中則給出了在一個(gè)環(huán)型燃燒室中配置許多排EV型燃燒器的情況。在這種燃燒室中EV型燃燒器是一個(gè)彼此并聯(lián)的、最基本的均相預(yù)混燃燒方式的燃燒單元。圖4－25中給出了一個(gè)EV型燃燒器的照片示圖。圖4－26中則給出了在一個(gè)EV型燃燒器中燃燒空氣、天然氣以及液體燃料供入錐體內(nèi)，逐漸形成均相預(yù)混可燃?xì)怏w的旋流的情況。由圖4－25和圖4－26可知：EV型燃燒器是由兩個(gè)彼此錯(cuò)開(kāi)一定位置的半錐體組成的，由于錯(cuò)位，就會(huì)以兩個(gè)半錐體的邊線形成兩個(gè)沿軸線方向彼此等距離的開(kāi)縫(如圖4－27a所示)。圖4-23在一個(gè)圓筒型燃燒室中配置EV型燃燒器的情況圖4-24在一個(gè)環(huán)型燃燒室中配置EV型燃燒器的情況圖4-25EV型燃燒器的照片圖4-26EV型燃燒器中天然氣、液體燃料以及燃燒空氣的混合情況a)由兩個(gè)半錐體錯(cuò)位而成的兩個(gè)進(jìn)氣開(kāi)縫b)由天然氣和空氣形成的均相預(yù)混可燃?xì)怏w的旋轉(zhuǎn)氣流圖4-27EV型燃燒器中因空氣進(jìn)入和天然氣噴射所形成的旋轉(zhuǎn)氣流之示意圖燃燒空氣就是從這兩道開(kāi)縫中進(jìn)到錐體內(nèi)去的，由此形成旋流強(qiáng)度越益加強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)氣流(由于旋流半徑逐漸加大的緣故)，如圖4－27b所示。天然氣則是從開(kāi)縫邊上的許多小孔中噴出，逐漸摻混到旋轉(zhuǎn)氣流中去，從而形成了稀釋狀態(tài)的均勻預(yù)混可燃?xì)怏w(參見(jiàn)圖4－26)。當(dāng)這股均相預(yù)混可燃?xì)怏w的旋流在錐體的出口邊脫離時(shí)，就會(huì)在那兒生成作為穩(wěn)定點(diǎn)火源的回流，由此形成以火焰?zhèn)鞑シ绞竭M(jìn)行的燃燒火焰。試驗(yàn)表明：這種火焰的溫度可以比擴(kuò)散火焰的溫度低500℃，因而具有降低NOX排放含量的效應(yīng)。當(dāng)燃燒柴油時(shí)，液體燃料將從錐體根部的噴油嘴中噴出，經(jīng)過(guò)霧化、蒸發(fā)，也逐漸與進(jìn)入的空氣組成可燃混合物，但由于液體燃料不可能在錐體出口處完全蒸發(fā)成為蒸汽，因而所形成的火焰仍然帶有相當(dāng)程度的擴(kuò)散火焰的性質(zhì)，而且其燃燒火焰溫度要比燒天然氣的預(yù)混氣體的高，所以，為了控制NOx的排放含量，必須向錐體內(nèi)的混合區(qū)段噴射一定數(shù)量的水或水蒸氣。為了擴(kuò)大負(fù)荷可調(diào)范圍，就必須增多并聯(lián)的燃燒器數(shù)目。在GT－13E2燃?xì)廨啓C(jī)中，共裝有72個(gè)EV型燃燒器，每排18個(gè)，它們的布置情況如圖4－28所示。隨著負(fù)荷的變化，投入工作的燃燒器的數(shù)目則如圖4－28a、圖4－28b和圖4－28c所示。a)從點(diǎn)火到50%負(fù)荷工況時(shí)的運(yùn)行情況b)從50%到70%負(fù)荷工況時(shí)的運(yùn)行情況c)從70%到100%負(fù)荷工況時(shí)的運(yùn)行情況圖4-28GT-13E2燃?xì)廨啓C(jī)中EV燃燒器的布置情況以及燃燒器的投入情況隨負(fù)荷的變化關(guān)系燃燒天然氣時(shí)，裝有EV燃燒器的燃燒室的NOX排放含量(體積分?jǐn)?shù))可以達(dá)到25×10-6，燃燒柴油時(shí)經(jīng)噴水后，則能達(dá)到42×10-6的水平。Siemens公司設(shè)計(jì)的干式低NOX的混合型燃燒室圖4－29中給出了Siemens公司設(shè)計(jì)的干式低NOX的混合型燃燒器。在一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中則可以并聯(lián)地安裝多個(gè)這樣的燃燒器。a)燃燒氣體燃料時(shí)的配氣情況b)燃燒液體燃料時(shí)的配氣情況圖4-29Siemens公司的干式低NOx的混合型燃燒器圖4-30Siemens公司DLN混合型燃燒器的立體圖圖4-30中則給出了該燃燒器的立體視圖。該燃燒器的設(shè)計(jì)思想是：①用氣體燃料或液體燃料在燃燒器的中心部位建立一個(gè)值班擴(kuò)散火焰。供給值班火焰的燃料量是恒定不變的，它不隨機(jī)組負(fù)荷工況的改變而變化。這樣就能在燃燒器根部形成一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源；以確保在任何負(fù)荷工況下，不會(huì)發(fā)生火焰熄滅故障；②當(dāng)燃燒氣體燃料時(shí)，可以在值班火焰的外側(cè)再供給一定數(shù)量的氣體燃料，它與供給值班火焰的那股氣體燃料，共有一個(gè)軸向的空氣旋流器，以便在低負(fù)荷工況下于燃燒器的中心部位，形成一個(gè)穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰。當(dāng)燃燒液體燃料時(shí)，值班火焰的供油量可以增大，它本身就是一個(gè)擴(kuò)散火焰；③在高負(fù)荷工況下，將氣體燃料或已經(jīng)氣化了的液體燃料供入角向旋流器，以便與進(jìn)入該旋流器的空氣混合形成均相預(yù)混的可燃混合物，隨后在前兩層火焰之外的燃燒空間中，以湍流火焰?zhèn)鞑シ绞竭M(jìn)行燃燒。由于這種火焰的溫度比較低，故能控制“熱NOX圖4-30Siemens公司DLN混合型燃燒器的立體圖圖4－31中給出了Siemens公司的上述混合型燃燒器在按擴(kuò)散火焰方式或預(yù)混火焰方式工作時(shí)，燃燒區(qū)內(nèi)不同余氣系數(shù)(也就是反應(yīng)溫度)的波及范圍。從圖中可以明顯地看到：當(dāng)改為預(yù)混火焰的燃燒方式后α<1.0和1.0<α<1.6的范圍將大大縮小，那時(shí)，大部分地區(qū)為α>1.6的低溫燃燒區(qū)，這必將有利于減少“熱NOx”的生成。a