旋流器值班级叶片安装角对燃烧室燃烧性能的影响

(沈阳航空航天大学航空发动机学院，沈阳 110136)

1 引言

高温升、高比热容、低污染是燃气轮机燃烧室的重要发展方向。由于采用普通旋流器已很难满足高油气比下燃烧室具有低污染排放性能的要求，需研发一种新的燃烧室旋流器组合方案来保证燃气轮机燃烧室有较宽的工作范围、高的燃烧效率[1-3]。为此已有很多专家开展了研究，如Mongia[4]对于温升超过1 200 K 的燃烧室设计了一种中心分级组织燃烧模式的三级旋流器结构，能满足燃烧室高效燃烧要求，拓宽稳定燃烧工作范围，且燃烧室各项性能指标均符合设计要求，解决了一系列难题。

针对三级旋流器技术国外开展了大量的研究，并取得丰硕成果。如Lazik等[5]对三级旋流器燃烧室的流场性能进行了研究，获得了不同三级旋流器的流场特性，说明合理设计旋流器可以改善流场性能。Li 等[6]采用PIV 技术对头部不同气动参数的三级旋流器下燃烧室的流场特性进行试验研究，发现不同气动参数旋流器对燃烧室回流区具有明显的影响。Mansour 等[7]试验研究了三级旋流器燃烧室的油雾场分布，同时对冷态流场进行了数值仿真，结果表明三级旋流技术对燃烧室雾化后燃油分布及所形成流场具有重要作用。在国内，王成军等[8]数值模拟研究了三级旋流器燃烧室的贫油熄火特性，并采用PIV 技术进行试验验证，结果表明旋流器油气比及所形成回流区对燃烧性能有重大影响。蒋波等[9]采用PIV 技术对三级旋流器所形成回流区进行研究，结果显示回流区流场结构受内级和外级旋流器旋流数共同作用影响，且存在最佳匹配方式。王智勇等[10]针对某型低污染燃烧室排放在不同预燃级结构下展开试验，研究表明预燃级的合理组合设计对改善燃烧性能有重要作用。高伟伟等[11]采用数值模拟方法研究了高温升燃烧室在不同旋流器特征参数下的燃烧性能，表明旋流器旋流数可以直接影响燃烧室的燃烧性能。赵自强等[12]试验研究了不同旋流数组合和不同进口雷诺数下的流场特性，表明回流区形状与旋流数组合方案有密切联系。张中飞等[13]基于中心分级高温升燃烧室在三级旋流器下对贫油熄火特性开展研究，得出旋流器叶片安装角对贫油熄火性能影响显著。刘爱虢等[14]开展了三级旋流器在不同叶片安装角组合匹配方案下的燃烧性能试验，表明合理的旋流数匹配方案对燃烧室点火、排放与燃烧性能影响显著。

综上可发现，旋流器叶片安装角对整个燃烧室燃烧性能起关键性作用。为进一步研究旋流器叶片安装角对燃烧室燃烧的影响，本文在前期研究[15]的基础上，常压下试验研究了不同油气比时，旋流器值班级叶片安装角对中心分级燃烧室贫油熄火特性、燃烧火焰特性、排放特性、出口温度特性、燃烧效率特性的影响。

2 试验件模型及试验系统

2.1 试验件模型

图1 中心分级燃烧室结构简图Fig.1 Centrally-staged combustor structure

所研究燃烧室为单头部矩形结构，见图1。火焰筒长288.0 mm、宽120.0 mm、高120.0 mm；火焰筒上下壁面各开设有3 个直径19.0 mm 的掺混孔和均匀分布的900 个直径1.5 mm 的冷却孔；试验燃烧室具体尺寸见文献[15]。燃烧室气量分配为：头部进气59%，掺混孔15%，其他26%。图2给出了旋流器结构特征及其剖面图。值班级采用双旋流等径旋流杯式结构，其中心处为单油路压力雾化喷嘴；主燃级采用预混通道式结构，共设置了30 个直射射流喷嘴，通过主燃级的气流在预混通道中形成周向旋流。值班级第1、第2 级叶片流量分别为7.7%和11.0%，有效流通面积分别为134 mm2和181 mm2；主燃级流量分配为81.3%，有效流通面积为1 373 mm2。燃烧室试验段由火焰筒、冷却通道和燃烧室头部三部分组成。火焰筒壁面装有点火电嘴，并设置若干排冷却小孔，燃烧室头部为中心分级旋流器和进气腔。空气稳流室由进气腔、集气腔和均流管等构成。

图2 旋流器结构Fig.2 Swirler structure

2.2 试验系统

燃烧室试验系统主要包括进气系统、供油系统、测量控制系统和试验燃烧室等，见图3。进气系统包括除湿过滤器、空气压缩机、加温器与储气罐等，空气经空气压缩机压缩后，经过除湿、过滤、稳压和加温器等进入燃烧室。供油系统包括油泵、油滤和各种控制阀门等，通过调节回路回油流量，以获得稳定测试所需的油量。供油系统的油路流量采用测量精度为读数的i 5%的涡轮流量计计量。气路流量测试采用精度为满量程的i 5%的热式气体流量计计量。燃烧室进口总压采用精度为i 0.5%的压力传感器测量，进口总温采用精度小于i 2℃的电阻式热电偶测量，燃烧室出口总压采用精度为i 0.5%的水冷式压力传感器测量，出口温度采用设置在燃烧室出口的9点温度耙测量，取9点温度的平均值，其精度小于i 2℃；使用Testo350 型烟气分析仪测量燃烧室排放的CO、UHC、CO2、O2等；采用摄像技术对火焰进行录制，记录火焰图像。为了便于观察，在矩形燃烧室侧面开设了石英玻璃观察窗。

2.3 试验方案

试验过程中，只开值班级，不开主燃级，旋流器叶片角度具体方案见表1，且主要研究燃烧室的贫油熄火特性、燃烧火焰特性、排放特性、出口温度特性和燃烧效率特性。油气比通过改变燃烧室的燃油量控制。试验点火燃烧后，缓慢减少供油量直至熄火，记录熄火时的燃油质量流量及空气质量流量，计算贫油熄火油气比。为确保数据可信度，各个熄火点各测量三次。贫油熄火过程可通过玻璃窗观察记录。分析油气比对燃烧性能影响时，进气温度为473 K，进气速度为20 m/s。

表1 旋流器叶片角度试验方案Table 1 Experimental scheme of swirler blade angle

3 试验结果及分析

3.1 贫油熄火特性

图4给出了不同值班级叶片安装角时的贫油熄火过程。图中，(a)为稳定燃烧时的火焰图像，(b)、(c)为燃油流量逐渐减少时的熄火过程图像，(d)为熄火瞬间火焰图像。可见，稳定燃烧时，火焰颜色明亮、体积较大、无蓝色火焰区域，且不同叶片安装角下火焰不同。随着燃油流量减少，火焰明亮区域和体积逐渐减小，火焰颜色由明亮变至淡蓝色直至熄灭。根据熄火瞬间图像，值班级第1、第2 级旋流器叶片角度为60h时的火焰体积和亮度均比各自方案叶片角度为30h、45h时的小。同时从表2贫油熄火油气比可以看出，值班级第1级叶片角度为30h时熄火油气比为0.006 8，角度为45h时为0.006 6，角度增加到60h时为0.006 5，可得出值班级第1级叶片安装角增加(30h～60h范围)，贫油熄火油气比略微减小。当第1 级叶片安装角相同时，第2 级叶片安装角为30h时熄火油气比为0.007 3，角度为45h时熄火油气比为0.006 6，角度为60h时熄火油气比减小至0.006 2。试验测得贫油熄火油气比呈现减小的趋势，说明熄火性能变好，且随着叶片安装角增加，第2级叶片角度变化对贫油熄火油气比的影响比第1级叶片角度变化的明显，减小幅度也比1 级叶片的大。这主要是由于第2级叶片在影响雾化和组织燃烧方面综合作用较第1级的强，且第2级叶片主要作用是形成低压回流区，因此在进行油气混合及稳定燃烧时的作用更强[16]。值班级第1、第2级叶片安装角度增加熄火特性均变好的主要原因是，当值班级第1、第2 级叶片安装角从30h增加至60h时会使气体切向动量增加，雾化质量提高，燃油颗粒直径变小，有助于雾化燃油燃烧；叶片安装角增大还将导致回流区变大，使整个主燃区油气混合分布均匀，增加回流量等，这也有利于提高燃烧室贫油熄火性能[15]。

图3 燃烧室试验系统Fig.3 Test system of combustor

图4 各方案的贫油熄火过程Fig.4 Flameout process for each scheme

表2 贫油熄火油气比Table 2 The fuel-air-ratio for lean blow-out

综合上述分析，增加值班级叶片安装角有利于拓宽整个燃烧室的贫油熄火边界。为保证形成较好的稳定回流区，各级旋流器叶片安装角应略大，但不能过大。旋流器值班级第1级、第2级叶片角度不应达到60h，否则流量系数太小，会造成通过叶片通道的气流流动产生分离，增大气流流动压力损失，不利于形成回流区，从而导致燃烧室性能变差。综合考虑稳定燃烧和拓宽贫油熄火边界，安装角在45h～60h之间较为合理。

3.2 燃烧火焰特性

图5 不同油气比时各方案的火焰图像Fig.5 Flame image of each scheme with different fuel-air-ratio

图5 为进气温度473 K、进气速度20 m/s 条件下，值班级油气比θ分别为0.018、0.025、0.029、0.032时A～E 方案的火焰图像。可见，随着燃油流量的增加，各方案蓝色火焰区域减小，火焰明亮区域变大，火焰长径比也变大。说明各方案随着燃油流量增加，工况变大，燃烧性能变好。A～C方案中，随着值班级第1 级叶片安装角由30h增加到45h，火焰燃烧状况变好；而从45h增加至60h时火焰明亮区域变小，且蓝色火焰区域变大。说明值班级第1 级叶片角度并不是越大越好，应小于60h。A、D、E方案中，随着第2级叶片角度的增加，火焰明亮区域变大，但是从45h增至60h时火焰明亮区域增大不明显，反而蓝色区域有一定的增大，这说明燃烧性能最好时第2级叶片角度应小于60h。据此，值班级叶片角度增至45h时燃烧性能最好，继续增加反而对火焰起消极作用。这是由于随着叶片安装角的增加，旋流数也增加，旋流强度变大，燃油雾化更好，燃烧性能变好。但是随着叶片安装角继续增大，切向动量也继续增大，这会增加流体流动特性的不稳定，致使火焰失稳，影响燃烧性能；同时，安装角过大会造成流经旋流器值班级的气流流动分离，增加压力损失，使旋流器所形成的回流区变长，导致燃烧性能较差。此外，值班级第2 级叶片角度变化对火焰燃烧性能的影响比第1级叶片角度变化的明显。

3.3 排放特性

图6为A～E方案CO排放随油气比的变化曲线。可见，随着油气比增加，各方案CO排放均呈增加趋势。这是由于随着供油量增大，值班级油压增加，会对其雾化产生影响；且供油量增加，参与燃烧的燃油增多，工况变大，致使排放有所增加。对比各曲线，B方案总排放最高(1 370～1 525 mg/m3)，C方案、D方案、E 方案次之，A 方案排放最低(1 000～1 290 mg/m3)。从排放特性可分析出，当值班级第1、第2 级叶片角度从30h增加到45h时，各方案排放均明显降低；但角度从45h增加至60h时，其CO 排放明显增加。造成上述现象，可从旋流器叶片形成回流区特征分析得出[16]。

图6 CO排放随油气比的变化Fig.6 CO emission varies with fuel-air-ratio

3.4 出口温度特性

图7 为各方案出口温度随油气比的变化曲线。可看出，各方案出口温度均随油气比增加而增大。其中，B 方案总体出口温度最低，在580～665 K 之间；C、D、E 方案相似，约在600～680 K 之间；A 方案最高，在590～700 K之间。这是由于随着油气比不断增加，主燃区平均油气比趋向近化学恰当比状态，燃烧湍流强度增大，导致油气混合较剧烈，使得燃油燃烧完全，温度增高。

图7 出口温度随油气比的变化Fig.7 Outlet temperature varies with fuel-air-ratio

表3给出了各方案在不同油气比时平均出口温度分布系数(OTDF)。分析发现，第2 级叶片角度不变，第1级叶片角度增加时OTDF减小，其角度从45h增加到60h时OTDF增加了0.04。第1级叶片角度不变，第2 级叶片角度从30h增至45h时OTDF 减小，角度从45h增加60h时OTDF增加，但幅度较第1级叶片的小，只有0.02。说明值班级叶片安装角在合理范围内，出口温度特性会较好，最优的角度组合为A方案。这是由于当值班级第1、第2 级叶片角度为45h时，相较于为30h、60h时，其主燃区所形成的回流区特性更好[13]。相比于第1级叶片角度，值班级第2级叶片角度对出口温度的调节性更强。

表3 出口温度分布系数Table 3 Outlet temperature distribution coefficient

3.5 燃烧效率特性

图8 为A～E 方案燃烧效率随油气比的变化曲线。可以看出，A方案燃烧效率最高，B方案最小，即值班级第1、第2级均为45h时燃烧效率最高，两级角度为60h时比30h时的效率高。这是由于所形成回流区特性不同造成的，回流区流动特性好，燃烧充分完全，必然会导致燃烧效率高。随着油气比增加各方案效率缓慢增大，说明此时燃油流量的增加对整个燃烧过程影响较小。这主要是由于油气比增加会增大此时的燃油流量，使主燃区内的油气比接近合理的恰当比，导致燃烧室内化学反应速率以及火焰传播速率变大，可燃混合气比例大幅度提高，燃烧强度增强，进而使得燃烧效率提高。但是当油气比持续增加时，主燃区内油气比会趋向富油状态，影响值班级点火性能及燃烧室内燃油均匀分布，同时还会对火焰燃烧有一定焠熄作用，吸收燃烧释放的热量，降低主燃区温度[17]，导致排放有一定增加，最终使得效率增加不明显。

图8 燃烧效率随油气比的变化Fig.8 Combustion efficiency varies with fuel-air-ratio

4 结论

在常压下试验研究了中心分级燃烧室旋流器不同值班级叶片安装角组合对燃烧室燃烧性能的影响，主要结论如下：

(1)旋流器值班级叶片安装角增加，燃烧室的贫油熄火性能变好，且第2 级叶片安装角对贫油熄火性能的影响更显著。

(2)根据火焰燃烧性能、CO 排放特性、出口温度特性以及燃烧效率特性，旋流器值班级第1、第2级叶片角度均为45h是最优角度组合。

(3)试验在常压下进行与试验在高压下进行，试验值有明显差别，为进一步研究值班级叶片安装角对燃烧性能的影响，后续将开展高压试验研究。