燃气轮机燃烧室燃烧稳定性分析

韩啸

【摘  要】使用燃气轮机的原理是将可燃物在燃烧时所释放的化学能转化成为燃气轮机室在工作时候所需要的机械能的一种设备，因为燃气轮机在工作的时候，具有功率大、效率高的特点，并且因为燃气轮机设备的占地面积小，而且运行稳定，污染程度也比较低，所以说在一些发电或者天然气管道输送的时候，往往都会采用燃气轮机设备，并且在一些电厂改造等行业也有所应用，可以说燃气轮机的市场非常广阔，而且燃气轮机也是现在世界中衡量一个国家工业技术水平的重要指标。而燃气轮机在运转的时候，燃烧室就是其关键的组成部分，可以说，燃烧室支撑了燃气轮机的运转，所以说，只有让燃烧室能够稳定燃烧，才能保证燃气轮机运转的稳定，否则一旦发生熄火或者回火等情况，甚至火焰延长或者出现强烈的火焰脉动都会给燃烧室可燃物的稳定燃烧造成影响。如果燃烧室出现了熄火的情况，会导致燃气轮机重启启动，而一旦出现回火很容易造成燃气轮机的透平叶片被烧坏，同样的强烈的火焰脉动也会给燃气轮机带来不小的损坏。

【关键词】燃气轮机;燃烧室;燃烧稳定性

引言

所谓燃烧稳定是说火焰在燃烧室中燃烧的时候，能够保证对燃气轮机有一个稳定的推力，从而让燃气轮机正常工作，而不稳定燃烧一般来说是因为在燃烧时候在短时间内释放了大量的热量而导致对燃气轮机有一个破坏性的震荡，这种震荡被叫做热声震荡绕少，通过对燃烧室可燃物燃烧原理进行分析，就可以帮助稳定燃气轮机稳定运转，同时还需要对不稳定燃烧进行数学模型构建来帮助燃烧轮机在燃烧时控制燃烧的稳定，到现在为止人们已经开始通过对燃烧不稳定进行了多种方式的套索，本文就燃烧室在火焰燃烧稳定进行了深入探讨，为燃气轮机的发展打下铺垫。

一、火焰稳定性的方法

1.1方法分析

因为燃气轮机在燃烧的时候属于高速射流，因此其边界层可以说非常稀薄，这就导致了在外圈的气流速度要远远高于火焰的传播速度，这就造成了火焰不能稳定燃烧而最终被吹熄，而如果想要让火焰稳定的燃烧，就需要采取相应的措施来稳定火焰，让火焰稳定的一个最基本的方法就是创造出稳定的点火源，所以说在这个时候，能够对火焰燃烧稳定产生影响的有两种情况，一种是流动因素，而另一个就是物理以及化学因素，流动因素采取流体动力学的手段来稳定燃烧时产生的火焰，而因为物理化学因素产生的影响就需要通过热力学以及动力学来稳定火焰，如果只是单单的采用其中一种措施来稳定火焰往往是不够的，这个时候就需要兼顾两种措施，来达到更好的稳定效果。

1.2扩散火焰稳定法

对于以往的燃气轮机，运转的时候，通常会采用扩散燃烧方法，扩散火焰的端面积在空燃比等于化学计量比的界面处，所以说采用扩散燃烧的办法，很难发生回火的情况，不过这种办法的一个弊端就是火焰很有可能会因为气体流速过高而被吹灭，针对这种情况，可以在火焰的最底部来稳定火源，尽可能不让火焰熄灭，不仅题词，一定要保证空燃比等于化学计量比，在稳定火焰的时候，通常会采用回流区稳定法，对于一些比如钝体或者一些偏转射流、避免凹槽、射流等等情况，可以采用环状射流以及同轴射流的方法来帮助火焰稳定燃烧，如果燃烧物是煤粉的话，那么可以使用大差速同向射流来帮助火焰稳定燃烧。

1.3预混火焰稳定方法

由于社会上人们环保的意识越来越强，所以说在使用燃气轮机的时候就必须降低产生的NO，以及CO和其他没有完全燃烧而产生的物质，这种扩散火焰的燃烧方式会导致局部产生高温，所以说到现在为止普遍使用的方式就是预混燃烧，使用该种方法有下面几种方案，第一种就是利用回流热气体产生的气体来帮助稳定火焰，也就是使用高温回流气体来帮助稳定点火时候所需要的温度，第二种方式就是使用金属棒或者金属环等来稳定火焰，第三种方式就是用值班火焰来稳定。

二、燃烧不稳定性和震荡燃烧

2.1产生原因和危害

因为燃气轮机在燃烧的时候，燃烧过程非常复杂，并且因为在燃烧的时候会有传热以及其他剧烈化学反应的发生，所以说这是一种多扰动的耦合燃烧过程，在燃烧的时候，因为这种复杂的燃烧过程很容易产生自激振荡，导致燃烧室内的压力不稳定，经常会出现周期性或者类似这种周期性的变化，這种周期新的不稳定变化又会称之为燃烧不稳定性，这种呈现周期性变化的燃烧很容易在燃烧的过程中发出低频或者高频的压力震动，同时会因为燃烧时发出的噪声，也被称作震荡燃烧，这种振荡燃烧有很大的危害，比如会增加污染物的排放，并且会影响燃烧效率，在同一时刻，因为长时间的压力增加也非常有可能会导致燃烧室的一些零件出现损坏的情况，一旦出现零件损坏，那么会给燃气轮机的带来极大的安全隐患。

2.2研究情况

Higgins在1802年的时候，通过对燃烧轮机的研究发现一个有趣的事实，他给火焰盖上一个筒罩，在筒罩的正上面出现了一个较为明显的声调，并且在之后人们的研究中发现，因为火焰在燃烧的时候，会释放热波，这种热波动会跟压力波动之间的相位差有可能决定着能否产生震荡燃烧，在燃烧的时候，会将燃气压缩，在压缩之后会将震动方法，在之后人们的研究中发现在燃烧时与燃烧时间以及在某一时刻释放的热量和燃烧室的压力油很大关系。Dwoing对这一情况提出了一个大胆的假设，发现了振荡燃烧不衰竭的条件，在燃烧的时候，因为热量在被转化声能量的时候，这一数值超过了声能损失的能量，也就是说声能的变化量是非负的，能够影响燃烧不稳定的原因有以下几种：第一种是压气机排气系统，第二种是燃料供应系统，第三种是燃烧室的排气系统，因为在燃烧的时候，可能会因为流动不稳定，或者燃料空气比波动都会造成燃烧的不稳定，在之后学者的研究中可以看到振荡燃烧的控制条件主要是通过作动器较小的能量来控制压力的震动，对于作动器壁板有声波发生器或者空气燃料调节器等等。西门子f级燃机是由压气机以及燃烧室和透平机组成，可以以空气以及燃料气为工质的、旋转式热力发动机。

三、环形燃烧室分析

3.1环形燃烧室的结构特点

环形燃烧室是由轴流式压气机以及燃烧室和轴流式涡轮构成，组成上是由一个主轴链接进气口和压气机以及燃料管，同时连接燃烧室、涡轮以及排气口。燃气轮机的压气机转子和涡轮转子在一根转动轴上，共同组成了燃气轮机的转子，涡轮在向外提供动力的同时也带动其一同旋转。从剖面来看，燃气轮机转子安装在机壳内;在压气机与涡轮之间又一个环形燃烧室，燃烧室内安装环形火焰筒，有燃料管向多个燃烧器输送燃料。

3.2特点

环形燃烧室一般比较短，可以缩短发动机转子长度，从而提高转子刚度，利于解决动力学问题。其次，具有最小的发动机的迎风面积;3、与压气机流场匹配容易，压力损失小;4、起动联焰可靠。

四、结束语

燃气轮机在燃烧室中的燃烧稳定性决定了燃气轮机的工作状态的稳定性，所以说想要安全高效的运行燃气轮机，就要做好燃烧稳定工作，本文就此从燃烧稳定的相关理论出发，阐述了一些控制燃烧稳定的方法，同时也阐述了有关振荡燃烧的原理，并根据重型燃烧机的结构来说明了如何稳定燃烧。

参考文献：

[1]王玮，肖俊峰，高松，王峰，李晓丰，胡孟起.空燃比对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定性影响的数值研究[J].燃烧科学与技术，2019，25（05）：439-444.

[2]肖俊峰，李晓丰，高松，王峰，王玮.预混燃烧下环境温度对某型燃气轮机燃烧稳定性和NO_x排放影响的数值研究[J].燃气轮机技术，2019，32（02）：27-33.

[3]母滨.贫预混燃烧室NOx排放的化学反应器网络模型数值研究[D].中国科学院大学（中国科学院工程热物理研究所），2019.

（作者单位：河北华电石家庄热电有限公司）