電站燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的工作原理與結(jié)構(gòu)分

析

第1節(jié)燃燒室結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)

1.1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?/p>

機(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?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??部分壓縮空

氣與燃燒后形成的溫度高達(dá)1800-2000C的燃燒產(chǎn)物均勻地?fù)交?，使其溫度降?/p>

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?/p>

能，為其在燃?xì)馔钙街械呐蛎涀鞴?zhǔn)備好條件。日此可見(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、壓力利流速都要隨燃?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?，燃?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)馔钙健?/p>

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。

1.1.1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Ikg輕柴油(其密度pf=840kg/m3)作成球

狀，其直徑為131mm,表面積則為O.()543m2,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)842x1()8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-燃料噴噴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

1.1.2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)1600Ko

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?/p>

度，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一空氣混合氣由于過(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

氣摻混，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。

.6,7

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

1.1.3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，通常要求乎壓器出口的氣流速度降低到

40m/s以下。

1.1.4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)4()m/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)?/p>

回流還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。

夕流區(qū)邊界

3

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

1.1.5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。

1.1.6燃燒室在結(jié)構(gòu)上的其它特點(diǎn)

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，加上火焰管上又產(chǎn)有各種射流孔，因此，整個(gè)

火焰管的壁溫很不均勻?；鹧婀苁怯扇舾杀“鍥_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。

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圖4-6蝌蚪形熱膨脹槽示意圖

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。火焰管的尾部用定位環(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

）占、、、?

I）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(mén)措施，如設(shè)置擴(kuò)壓器、火焰管頭部進(jìn)

氣裝置等。

2）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)鉁囟龋@樣才能滿足燃燒與渦輪要求的進(jìn)口溫度。

3）必須組織一部分空氣冷卻火焰管壁面。

4）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。

5）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)訓(xùn)、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?/p>

燒機(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(mén)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)題的前景己經(jīng)出現(xiàn)，這是我們應(yīng)該密切注意的。

1.2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。

1.2.1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)法（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0與燃料完全燃燒時(shí)的釋放量Qo之比，即

金=今（4-1）

20

式中5可根據(jù)燃料消耗量m（單位為kg/s）及燃料低位熱值從，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

Q。「，凡(4-2)

由于燃燒不完全，Q/<Q°，Q可以由燃?xì)獬煞炙愠觥?/p>

實(shí)際上常采用燃燒效率也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)、出口氣體總焰的熱量）Q/與

。0之比。由于存在散熱損失，QfVQf,故〃8低于癌，但差別很小，在實(shí)用上毋

需嚴(yán)格區(qū)分。

由于〃B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)

的機(jī)可達(dá)0.95?0.99。

1.2.2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。

1.2.3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)?/p>

輪機(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。

1.2.4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)沖來(lái)表示總壓損失，其

定義為：

=2-（4-3）

Pc

式中P；與P；分別表示燃燒室進(jìn)口和出口的總壓。顯然仍越高說(shuō)明燃燒室壓

力損失越小，目前的燃燒室仍一般可達(dá)0.92?0.97。

1.2.5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：

1）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）。

2）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).八

44)

最大不均勻度0_'丁max’7加

hm-%

4-5)

徑向不均勻度“(4-6)

式中：，7■〃心、tT,n——分別為燃燒室出口處燃?xì)獾淖罡呒捌骄鶞囟?，?7?〃心］、［tTm］

均為℃；小心——燃燒室出口處沿半徑方向的燃?xì)庾罡咂骄?，［加必］為。C；3〃一

燃燒室進(jìn)口處空氣的平均溫度，為℃。

通常要求：A/<0.10；。￡0.30?0.35；然0.10。

3）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D1-理想的分布曲線2-實(shí)際的分布曲線

（圖4-7）o顯然，要完全地得到所希望地理圖4-7燃燒室出口處按周向平均的燃?xì)?/p>

想值是辦不到地，因此，通常是在設(shè)計(jì)任務(wù)溫度沿葉高分布

書(shū)上規(guī)定處允許地偏差，并用最大溫度偏差系數(shù)Omax來(lái)表示,Omax的定義為：

Dmax14-7)

式中：/7）一在某一半徑上實(shí)際的按周向平均的燃起溫度，［5］為

在該半徑卜的理想燃?xì)鉁囟?上7/|為。Cc

通常要求要maxVlO%。

4）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?/p>

偏差小于15~20℃。

1.2.6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?？s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)度處及比面積熱強(qiáng)

度以來(lái)衡量燃燒室空間的利用稱度。它們的定義分別為：

77M力“

Qv(4-8)

%=(4-9)

Pc\

式中qmf—燃料消耗量，心朗為kg/s；

Vf—火焰管容積，［卬為n?；

A/-----火焰管橫截面積（通常取最大橫截面面積），H丹為nro

由于燃燒室中能燃燒的燃料大致與燃燒室工作壓力p；.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"和qA中都除上了Pco

燃燒室的口和小主要與燃燒室的結(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”和，從。各種類型燃燒室的”和

以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下:

I）固定式燃?xì)廨啓C(jī)/u30~200w/（m-N）,小二35?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；

2）運(yùn)輸式燃?xì)廨啓C(jī)giul00~300w/（m-N）,分=110~240W/N。

1.2.7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)期接觸含右這些污染物的空氣,

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。

1.2.8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"就與提高皿和的等又

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。

1.2.9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: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?；④出口溫度?chǎng)均勻，或者按設(shè)計(jì)所要求的溫

度場(chǎng)規(guī)律分市；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/(Nm)；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700-750C；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)。

第2節(jié)擴(kuò)散燃燒型燃燒室的工作過(guò)程與結(jié)構(gòu)

2.1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)狻＿@

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)在火焰管后段均混

合射流孔10,射到由燃燒區(qū)流來(lái)的1500-2000C的高溫燃?xì)庵腥サ模哂袚嚼?/p>

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)U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(mén)用高壓霧化空氣來(lái)幫助

液體燃料霧化成為lOO^m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)3=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a?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aLl,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Ch起化學(xué)反應(yīng)而生成NCX時(shí)的起始溫度165()℃)o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NOJ污染物c

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-噴噴本體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

眾所周知：燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx有燃料NO、和熱NO、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02.________________.

G

氣化合物而成的產(chǎn)物，它是按Zeklovich機(jī)理生成u

/

9

的。熱NOX的生成率與燃燒火焰的溫度成指數(shù)函2

)

數(shù)關(guān)系。在燃燒過(guò)程中生成的N0之總數(shù)量則不l、

xp

僅是火焰溫度的函數(shù)，而且是可燃混合物在火焰溫>

u乏

度條件下逗留時(shí)間的線性函數(shù)。燃料已定時(shí)，燃燒p

火焰的溫度則是燃料/空氣混合化學(xué)當(dāng)量比的函

數(shù)。圖4-9中給出了2#蒸儲(chǔ)油與590K的空氣混合1.5

燃料/空氣混合化學(xué)當(dāng)殳比

燃燒時(shí)，燃燒火焰的溫度Tf以及NCX的反應(yīng)生成

率dCNox/dT與燃燒/空氣混合化學(xué)當(dāng)量比的相互變dCnOx為NOx的波度

化關(guān)系。

圖4-9火焰溫度Tf以及dCnoMi與

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NO、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)NO,的排放量降低到小干42xl0$(體積分?jǐn)?shù).下同)的水平(燒油

時(shí)為70x10-6)。那時(shí)，噴水量大約是燃料消耗量的5()%~7()%,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.()%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+O2—4N2+6H2O；

6NO2+8NH3催化反”>7312H2。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290-400C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?500x10-6含量(體現(xiàn)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lOOOxlO,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NO、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。

總之，在90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：

(1)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900C,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。

(2)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)和湍流交疾條件，以確?？諝馀c燃料的混

合以及燃燒火焰的穩(wěn)定。

(3)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暨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)。

(4)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?/p>

場(chǎng)不能均勻。

(5)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。

(6)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)。

(7)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。

(8)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。

(9)考慮燃燒室拆裝、檢查和更換的方便性。

2.2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。

2.2.1圓筒式燃燒室

圓筒型燃燒室是曰于采用了圓筒形的外殼和

火焰管而命名。在每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)中，一般裝置1~2

個(gè)這種燃燒室。為了使結(jié)構(gòu)布置緊湊，多半采用逆

流式結(jié)構(gòu)。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)總體布置要求，燃燒室可

直立于燃?xì)廨啓C(jī)側(cè)面或采用其它布置方案。

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?/p>

機(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)猓s700℃）,向下流入渦輪進(jìn)氣渦殼。火焰管由!Crl8Ni9Ti

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?/p>

雙層多孔壁結(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。

2.2.2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)?/p>

輪機(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?；鹧婀苡密?/p>

合金銀材焊成。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

2.2.3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)講口流場(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?/p>

機(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)西部

分鐘接而成，其材料為鍥基合金。燃燒室殼體由外殼和內(nèi)殼組成。燃燒室出口燃

起溫度為H49℃o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。

2.2.4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。

2.3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).便于與用氣機(jī)和透平配裝：裝拆容易C

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l/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)組上乂不便于解體檢查，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

備兩者的優(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)。

第3節(jié)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NO,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NO,排放量。降低到25x10-6（體積分?jǐn)?shù)），并有可能在近期內(nèi)降低

到（5-9）x10-6（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NO、必然是很低的。但是，擴(kuò)散燃燒

方式的火焰面溫度總是與（Zf=l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NO,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ā?/p>

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

傳播的方式通過(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Olf=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1650C,這樣就能控制“熱NOJ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：

(1)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170()/80()K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NO、和CO的排放

量都比較低，如圖4-16所示。

30

2

25

、(

弟

20W

忠

過(guò)

15)

木

依

10

超

豪

O

5Z

0

14001500160017。。180019UU2000

燃燒火焰溫度/K

圖4-16燃燒火焰溫度對(duì)NO、和CO排放量的影響關(guān)系

(2)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?/p>

比較低的特點(diǎn)。

(3)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。

(4)合理地控制均相預(yù)混可燃混合物從調(diào)節(jié)閥門(mén)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。

(5)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)燃燒又有串我式

分級(jí)燃燒和并聯(lián)式分級(jí)燃燒兩大類，如圖4-17所示。

第1級(jí)第2級(jí)第3級(jí)

a）串聯(lián)式b）并聯(lián)式

圖417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)混兀燃混合物的火焰?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。

1O第1級(jí)燃燒溫度

80

第i級(jí)的2級(jí)強(qiáng)燒溫度/

擴(kuò)散燃燒

r1第1級(jí)貧油

熄火溫度

r第2級(jí)貧?油

6------熄火溫度

第3級(jí)抗油熄火溫度

/

0/40100

怠速工況發(fā)動(dòng)機(jī)功率（％）

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)彼此并我的

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NO、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(mén)，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。

第4節(jié)GE、ABB、Siemens公司的燃燒室

4.1GE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?xiě)B(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)的火焰管壁卜卻仍然

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。這種燃燒室既瓦以燃燒天然氣，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I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)張錐角及其冷掃空氣的布設(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。