燃气轮机干式低排放燃烧器燃烧特性的相同步PLIF 方法研究

史 挺，金 明，葛 冰，臧述升，田寅申，何 磊，陈明敏，张 津

(1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；2.上海电气燃气轮机有限公司，上海 200240)

热声耦合振荡燃烧问题，是燃烧学领域的前沿问题，也是现代燃气轮机低排放燃烧室最难解决的故障之一，会对燃气轮机燃烧室的寿命和运行安全产生巨大影响.对于振荡燃烧产生机理，通过Rayleigh 准则[1]可以得出燃烧振荡是由于燃烧室内的热释放率脉动和压力波动耦合作用导致，当热释放率与压力的波动处于相同相位时，会增大燃烧室内的振荡幅值.

燃烧过程中的热释放率与压力耦合会受到速度脉动[2]、火焰面波动[3]、旋涡拟序结构[4]、火焰/壁面相互作用[5]等多参数的影响，所以不同物理量瞬态脉动的相位差是燃烧振荡的多参数耦合机理研究的重点.但是单一的测量手段无法将不同参数的脉动相位差表征出来，因此基于火焰结构特性的多物理场同步测量是进行振荡燃烧机理的重要手段[6].

平面激光诱导荧光(PLIF)测试技术是最常用的燃烧激光诊断测试技术之一[7-8].采用PLIF 技术由于可以得到二维截面内的OH 自由基分布，是复杂火焰结构研究的主要手段.采用PLIF 进行燃烧流场分析时，通常采用时间平均方法获得火焰结构[9]，提取火焰锋面[10]以及使用火焰面密度函数提取火焰前沿的变化范围[11-13]，但是均是基于时间平均的结果，无法得到火焰的瞬态变化特性.因此，相位同步的PLIF方法被应用于火焰稳定性的机理研究，Boxx 等[14]，St˙o˙hr 等[15]和Guiberti[16]均使用了相位同步的方法将PLIF 结果与PIV 结果进行同步测量，研究流场结构和火焰之间的耦合与燃烧振荡的关系.上海交通大学的柳伟杰[17]提出了压力与OH-PLIF 的相同步测量方法，并将其应用到贫预混旋流火焰的测量中，进行热声振荡的机理研究.目前，相同步的PLIF 测量技术在燃烧诊断方面的应用已经逐渐增加，对于燃烧过程中多物理场耦合关系尤其是热声耦合关系的研究具有重要意义.

本文在具有光学视窗的燃烧试验装置上对燃气轮机干式低排放燃烧器的火焰结构进行了研究.通过相同步OH-PLIF 方法采集压力信号与光学成像照片，实现了多物理量的同步测量，研究了燃烧过程压力与燃烧火焰耦合关系，并通过瑞利因子研究了燃烧室热声耦合和燃烧振荡的机理.

1 实验系统与实验方法

1.1 实验对象与工况

本文所采用的燃烧器是基于中心分级的干式低排放燃烧器[18]，结构如图1 所示，该燃烧器的主燃烧器采用斜旋流器结构，将预混气体均匀混合后供入燃烧室，产生预混火焰；值班燃烧器采用轴向旋流器，由值班喷嘴供天然气，产生扩散火焰.

图1 干式低排放燃烧器结构示意Fig.1 Structure diagram of dry low emission burner

本研究在保持燃烧室空气进口流量一定的前提下，通过改变燃料流量来控制燃烧的当量比，对中心分级燃烧器燃烧火焰形态，燃烧室压力脉动特性与火焰结构的作用关系进行了研究.实验压力为常压，空气进气温度为600 K，空气流量为120 Nm3/h，天然气进气温度为288 K，在保证主燃烧器与值班燃烧器的燃料分配比例不变的前提下，控制总当量比从0.5 开始以0.05 的间隔增加到0.75.

1.2 实验系统及测试方法

本文采用相位同步测试技术研究干式低排放燃烧器不同振荡相位下的火焰结构变化.燃烧振荡相位同步测量系统如图2 所示，主要包括燃烧室动态压力采集系统、平面激光诱导荧光(PLIF)系统和信号触发系统.所使用的PLIF 系统主要由Quanta-Ray Lab-Series Nd：YAG 泵浦激光器，Sirah 染料激光器、Andor iStar 334 T ICCD 相机、同步系统及其他相关配件构成.

图2 燃烧振荡相同步PLIF测试系统Fig.2 Combustion oscillation phase synchronization PLIF measurement system

本文使用上述系统对燃烧火焰中的OH 进行了试验分析.由于OH 是燃烧反应中重要的中间产物，可以表征燃烧反应区，因此本文通过采集OH-PLIF荧光信号获得火焰结构分布信息，了解火焰结构的变化特性.

由于燃烧振荡过程具有较好的周期重复性，可以通过基于压力脉动的相位同步PLIF 拍摄不同周期上顺序的火焰结构，从而得到振荡燃烧火焰不同振荡相位下的火焰分布.

如图3 所示，相同步PLIF 系统在同步拍摄时需要首先采集燃烧室压力脉动信号，对脉动信号进行实时滤波和频谱分析，确定燃烧振荡的主频和压力脉动幅值.

图3 压力脉动与相同步触发位置Fig.3 Pressure oscillations and phase synchronization triggering signal sequence

根据压力脉动幅值设定一个合理的压力触发阈值p0，当压力脉动超过p0后，由同步触发板卡向PLIF 同步器产生一个＋5 V 的脉冲信号，触发PLIF系统进行同步拍摄，此相位记录为0 相位.为了保证两次拍摄的时间间隔可以满足低频激光器的触发频率要求，在测量过程中同时记录下压力超过阈值的次数，当压力脉动超过阈值次数累积到50 次时，同步触发板卡再次产生脉冲信号，触发PLIF 系统对处在下一个压力脉动周期内的相同相位上的火焰进行拍摄，这样连续拍摄50 次，获得该0 相位上50 幅有效瞬态OH-PLIF 照片.

0 相位拍摄完成后通过设置触发延迟时间t 对下一个相位的火焰进行拍摄，以此类推可以获得触发延迟时间为n×t 对应相位的火焰信息，n 为振荡燃烧所需拍摄的相位数.通过测量得到的燃烧室内压力脉动主频可以计算出燃烧室内的压力脉动周期，从0 相位达到对应相位所经历的时间即为延迟时间t.这样就可以得到振荡燃烧周期内顺序相位上OH 基浓度分布和火焰结构.

2 结果与讨论

2.1 干式低排放燃烧器火焰结构特性

本文使用两种方法分析火焰结构，一是使用相机直接拍摄火焰照片，二是对不同当量比下的OHPLIF 图像进行时均处理以表征火焰结构，时均结果由300 幅瞬态图像平均得到.图4 为不同当量比下的火焰照片和时均OH-PLIF 图像结果，直观地反映了火焰结构随当量比的变化情况.

图4 不同当量比下的火焰照片和时均OH-PLIF图像Fig.4 Flame photo and time-invariant OH-PLIF image with variable equivalence ratio

从火焰照片上观察，当量比在0.50～0.70 的范围内变化时，火焰在燃烧室内形态变化不大，随着当量比的升高，火焰向着燃烧室壁面延伸.图4(f)中可以观察到在当量比为0.75 的情况下火焰大范围地出现在了燃烧室壁面位置.

更清晰的火焰结构可以从时均OH-PLIF 结果中看到.在当量比小于0.65 时，火焰呈纺锤状分布在燃烧室中心线两侧.而在当量比大于0.65 时，火焰结构发生转变，随着当量比的增大，火焰根部开始逐渐聚集到燃烧室中心线，而火焰的两个尖端有向燃烧室壁面分离的趋势.特别是在目前研究的当量比最高φ=0.75 的情况下，靠近燃烧室中心线的反应区和靠近燃烧室壁面的反应区已经相互连接，形成贯穿整个燃烧室的反应区带.

2.2 压力脉动变化特性

燃烧室内压力波动随时间变化的结果如图5(a)所示，可以看到当量比较低时，燃烧室内的压力基本平稳，无明显波动，而当量比较大时，燃烧室内产生了周期性的压力脉动特征.

将不同当量比下的燃烧室内的动态压力波形进行FFT 分析，计算结果如图5(b)所示.φ分别为0.5、0.55 和0.6 共3 个低当量比工况，在75 Hz 附近有一个峰值相对较低的特征频率，其他位置的特征频率不明显.而φ分别为0.65、0.7 和0.75 这3 个高当量比工况则时，在40 Hz、80 Hz、120 Hz 和160 Hz 共4 个特征频率上出现了较高的幅值.以0.65 当量比工况为界，低当量比的压力振荡不明显而高当量比的压力振荡更强.

图5 燃烧室内压力脉动的时均结果和FFT结果Fig.5 Time domain results of pressure fluctuation in combustion chamber and FFT analysis results

为定量表征压力振荡，图6 展示了最大动态压力脉动幅值随着当量比的变化.从图中可以看到，在当量比小于0.65 时，随着当量比的增大，最大振幅逐渐增大.在当量比大于0.65 时，最大振幅基本保持在0.003 7 MPa 的水平，不再随当量比的增加而增加.

图6 最大压力脉动幅值Fig.6 Maximum amplitude of dynamic pressure fluctuation

2.3 相同步OH-PLIF下瞬态火焰结构变化规律

为了确定干式低排放燃烧器振荡燃烧条件下的火焰振荡特性，采用相同步OH-PLIF 得到振荡火焰在不同相位下的分布特性.依据压力波动相位采集的相位对应瞬态火焰OH-PLIF 结果如图7 所示.各个相位与压力波动的对应关系如图8 所示.

图7 对应不同压力脉动相位的火焰OH-PLIF瞬态图像Fig.7 Transient flame image of OH-PLIF corresponding to different pressure wave phases

图8 各个相位与压力波动的对应关系Fig.8 The corresponding relation between phase and pressure fluctuation

可以看到，在压力峰值相位为90°时，OH 基分布相对集中于中轴线，且强度较高，表明火焰向内侧收缩；而压力谷值相位为270°时，OH 分布集中在壁面区域，且强度较弱，表明火焰向燃烧室壁面扩张.靠近燃烧室中轴以及靠近燃烧室壁面的两个反应区随着压力波动表现出了融合-分离-融合的趋势，展现了火焰结构的周期性变化规律.

2.4 振荡燃烧火焰中的瑞利因子分布

本文通过瑞利因子分布来分析振荡燃烧的产生原因.瑞利因子IR是表征燃烧区域热释放率和压力波动之间的耦合强弱的关键参数，是揭示燃烧稳定性问题基本机理的重要手段[19]，其定义如下：

式中：p′为燃烧过程的压力脉动；q′为燃烧热释放脉动；T 为压力脉动周期.瑞利因子为正值表示燃烧过程的压力波动和热能释放波动相互耦合叠加，是燃烧过程发生热声振荡的主要驱动原因.而瑞利因子为负值时，说明热释放波动与压力波动相位趋于相反，对燃烧中发生的压力振荡起衰减作用.

由于火焰较短，压力脉动的传播速度较高，因此可以认为在拍摄区域不同位置的压力脉动的相位是基本相同的，因此在计算瑞利因子时使用了在燃烧室壁面测得的压力脉动值来表征拍摄平面内所有点的压力脉动值.由于OH-PLIF 测量得到的荧光强度与燃烧温度有较好的对应关系，因此利用相位对应的OH-PLIF 结果计算燃烧的热释放脉动情况[20]，结合对应相位的压力波动数据计算得到燃烧室内的瑞利因子分布燃烧过程压力与燃烧火焰耦合关系，其中压力波动与PLIF 数据的相位对应通过相同步PLIF 实现.图9 为当量比为0.65 时的瑞利因子分布图.

图9 当量比为0.65时的火焰瑞利因子分布Fig.9 Rayleigh factor distribution of flame with an equivalent ratio of 0.65

按瑞利因子的大小可以将燃烧区域分为3 个部分：1 区主要分布在燃烧室中轴到旋流器外缘附近的范围，靠近燃烧室中央区域的中心区；2 区主要分布在距燃烧室中轴0.75 D，既燃烧室中轴与壁面中线附近的过渡区；3 区分布在燃烧室壁面附近的壁面区.中心区的瑞利因子都比较高，过渡区则总处于瑞利因子为负的状态，壁面区瑞利因子总体不如中心区高，但大都处于正值，因此燃烧室中热声振荡主要发生的主要位置为中心区和壁面区.从振荡发生的位置可以得到值班火焰与预混火焰间的干涉作用是导致中心区燃烧振荡的主要原因，而壁面区的燃烧振荡主要是由火焰锋面波动导致.

3 结论

(1) 当量比小于0.65 时，火焰结构成纺锤状分布在燃烧室中心线两侧，燃烧室内不存在压力周期性振荡；当量比大于0.65 时，火焰根部在燃烧室中心线聚集，而火焰的两个尖端有向燃烧室壁面分离的趋势，并产生周期性的压力振荡；此外，随着当量比的增大，压力脉动的幅值从 0.000 7 MPa 上升到0.003 7 MPa，但当量比大于0.65 后，振幅不再随当量比的增加而增加.

(2) 压力脉动和瞬态火焰结构的关系为：在压力峰值时，OH 基分布相对集中，高OH 荧光强度区域明显，火焰向中轴线收缩；而压力谷值时，OH 基分布向燃烧室壁面集中，且强度较弱，火焰向壁面扩张.

(3) 获得了中心分级燃烧流场的瑞利因子分布，高瑞利因子区域主要分布在中心区和壁面区，是发生热声振荡的主要区域，中心分级火焰间的干涉作用和火焰锋面的波动是导致这两个区域产生振荡的原因.