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1、电厂燃气轮机概论,第4章 燃烧室,1,北京市高等教育精品教材立项项目,第4章 燃烧室,2,燃烧室工作特点和要求 燃烧过程和气流的组织 燃烧室的结构和型式 燃烧室的变工况特性 气体燃料的燃烧技术 重油燃料燃烧技术 燃烧室的排气污染及其控制,3,一、燃烧室工作特点和要求,燃烧室功用 燃烧室的工作过程 燃烧室的工作特点 对燃烧室的基本要求,燃烧室的功用就是把燃料中的化学能经过燃烧释放出来，转变为热能，使气体的总焓增大，提高燃气在涡轮和尾喷管中膨胀作功的能力。,21:15:12,4,1、燃烧室功用,燃气轮机的性能和可靠性与燃烧室有着密切的关系。例如， 燃烧室出口局部温度过高会引起透平叶片的过热和烧毁；
2、 燃烧的不稳定会导致熄火； 燃烧组织不好，会使燃烧过程的流动损失增加，燃烧效率降低， 同时在火焰筒和透平叶片工作表面会产生积炭。火焰筒壁面上积炭会使冷却变坏，造成过热变形甚至开裂，透平叶片上积炭将使叶片的气动性能变坏，降低了透平效率，并会影响转子的平衡，造成燃气轮机的振动。,21:15:12,5,2、燃烧室工作过程,21:15:12,6,1、燃烧室是一个在连续的、高速气流中及贫油混合气情况下进行的燃烧过程； 2、燃烧室在高温、大负荷下工作； 3、燃烧室在变工况下工作； 4、燃烧室需要具备燃用多种燃料的能力； 5、燃烧室内的燃烧过程是一个极其复杂的物理化学过程。,21:15:12,7,3、燃烧室
3、的工作特点,4、对燃烧室的基本要求,点火可靠,燃烧稳定 要求启动时能迅速、可靠地点火燃烧，并在整个启动、升温过程中不出现熄火、超温和火焰过长等现象。未装点火器的火焰筒，也能借助联焰管迅速、可靠地联焰，保证启动百分之百的成功。点火可靠，燃烧稳定，不发生大幅度脉动。,21:15:12,8,点火可靠,燃烧稳定 在各种工况，包括工况急剧变化的过程（过渡过程）, 燃烧室应保证稳定燃烧，即不熄火，无燃烧脉动。,21:15:12,9,空气过量系数：燃烧时实际空气量L与理论上需要的空气量L0的比值，即LL0。,21:15:12,10,燃烧完全 在燃气轮机的主要工况下，燃烧室应具有足够高的完全燃烧程度和最小的散
4、热损失。,压力损失小 工质流过燃烧室时，由于扩压、摩擦、分流、掺混、倒流、热交换等，气体的总压必然下降。流体阻力的大小与燃烧室的结构和加热程度有关。,21:15:12,11,燃烧室的压力损失系数,燃烧室出口温度场符合透平要求 温度沿叶片高度的分布，应能保证在最小的叶片重量下，与应力沿叶片高度分布相适应。,21:15:12,12,温度不均匀系数：,尺寸小、质量轻 尽可能地提高燃烧热强度，以减小燃烧室的尺寸和重量，以适应整台燃气轮机结构紧凑性的要求。,21:15:12,13,燃烧热强度：指在单位时间内、在单位体积的燃烧空间中（或在单位面积的燃烧截面上），能够释放出来的热量。,燃烧热强度,体积热强度
5、,面积热强度,排气污染小 排气无黑烟，含NOx等有害成分少,21:15:12,14,寿命长 燃烧室必须具有足够的刚度、强度和气密性，能承受振动负荷。合理地组织燃烧，燃烧室的高温元件冷却良好，避免火焰筒等高温元件局部过热、严重变形、裂纹和积炭等，有助于燃烧室部件可靠性和寿命的提高。目前，重型燃气轮机的翻修寿命要求在2000030000h。,21:15:12,15,二、燃烧过程和气流的组织,燃烧室中气流流动过程的组织 燃烧区中燃料浓度场的组织 燃烧室中燃烧火焰的概况,21:15:12,16,1、燃烧室中气流流动过程的组织,燃烧区中气流流动过程的组织 混合区中二次掺冷空气与高温燃气掺混过程的组织 火
6、焰筒壁冷却过程的组织,21:15:12,17,21:15:12,18,措施： 采用扩压器 采取气流“分流”的办法 采用“火焰稳定器”,21:15:12,19,扩压器及其气流流动,21:15:12,20,气流“分流”的办法,21:15:12,21,气流“分流”的办法,21:15:12,22,压气机送来的空气,一次空气 25%,冷却空气,二次空气,经火焰筒上孔、缝的气流流动,21:15:12,23,经火焰筒上孔、缝的气流流动,21:15:12,24,燃烧区中的气流流动,21:15:12,25,2、燃烧区中燃料浓度场的组织,燃料的燃烧方式,21:15:12,26,预混燃烧,扩散燃烧,气体的燃烧方式,
7、液体的燃烧方式：,雾化燃烧,雾化 蒸发 扩散混合 燃烧 掺冷,21:15:12,27,3、燃烧室中燃烧火焰的概况,21:15:12,28,火焰筒内壁与火焰波峰之间的第一区段。在这个区域内，充满了一次新鲜空气和燃料的混合物，它不断地接受由火焰波峰传递过来的热量，以及促使燃烧反应进行的活化分子的交换，从而使可燃混合物逐渐进入着火状态。,21:15:12,29,火焰波峰所占的空间范围，即所谓第二区段。在这里，燃料与空气的混合物在火焰波峰范围内发生化学反应作用而逐渐完成燃烧过程。这时，燃料的浓度迅速下降，而燃料和空气混合物的温度将逐渐升高到最高值。这个区段又称为燃烧反应区。,21:15:12,30,火
8、焰波峰与火焰筒轴线之间的第三区段，在那里，充满了高温燃烧产物。由喷油嘴喷射出来的燃料，基本上是在这个区域内蒸发变成油气的。,21:15:12,31,燃烧室中二次掺冷空气与高温燃气的掺混,燃烧产物温度太高，温度场也不均匀，必须由二次空气掺冷。火焰筒内外压差一般为0.010.02MPa，二次空气约占空气总流量的7085，二次空气经混合射流孔进人的速度约为80100ms，一般在燃烧完成之后的区域射入火焰筒，不宜过早或过于集中，以免使局部火焰温度过低、燃烧不完全。在较后的区段内，掺冷空气穿插深度需适当，才能掺混均匀使温度场均化，所以火焰筒混合区的气孔开得也较大。,21:15:12,32,三、燃烧室的结
9、构和型式,（一）结构 壳体 扩压器 火焰筒 旋流器 燃油喷嘴 点火装置 联焰管 燃气收集器,21:15:12,33,（二）型式 顺流式 逆流式 圆筒型 分管型 环型 环管型,（一）燃烧室的结构,1、壳体,21:15:12,34,燃烧室壳体构成二股气流的通道，是燃气轮机的主要承力件，在设计上必须保证壳体具有足够的强度、刚性。在环管和环型燃烧室中，燃烧室壳体由内、外壳体组成。为了减低燃烧区对外的热辐射，达到提高燃烧区的温度和降低外壳的温度的目的，有时在外壳内还村有一层遮热衬套。,2、扩压器,21:15:12,35,扩压器是由燃烧室内、外壳和火焰街头部构成的一个扩压通道，用它来降低速度，提高压力，保
10、证燃烧的顺利进行和减少压力损失,3、火焰筒,21:15:12,36,火焰筒是燃烧室的核心构件。火焰筒筒体的结构应保证合理进气与燃料混合，形成回流区，便于点火和稳定燃烧。筒体壁面上设置一次空气和二次空气射流孔。火焰筒受高温燃气辐射和对流换热的影响，应注意筒壁的冷却问题和火焰简各组成部分之间的热变形协调问题。,3、火焰筒,21:15:12,37,4、旋流器,21:15:12,38,旋流器位于火焰筒的头部，大多为环状围绕燃料喷嘴安装，可多个使用，也可以多个并列或同心组合应用，以改善燃烧过程或缩短火焰长度。旋流器可使一次空气沿火焰筒内壁作螺旋状的旋转运动，有的旋流器能把一部分空气射入雾化油锥内，可以减
11、少积炭。 叶片式旋流器在结构上又分为：（a）平面旋流器；（b）径向旋流器；（c）包角旋流器,（a） 平面旋流器,21:15:12,39,（b） 径向旋流器,21:15:12,40,（c）包角旋流器,21:15:12,41,其特点是叶片在出口处的外径逐渐减小，即叶片径向高度逐渐减小，使流出的旋转气流呈向内包的趋势，对燃用重油较为有利。,5、燃料喷嘴,液体燃料的雾化 燃油喷嘴 影响喷嘴喷雾特性的因素,21:15:12,42,21:15:12,43,A 液体燃料的雾化,雾化机理,21:15:12,44,B 燃油喷嘴,21:15:12,45,直射式喷嘴,离心式喷嘴,21:15:12,46,21:15:
12、12,47,离心喷嘴的油膜运动,气动雾化喷嘴（空气雾化喷嘴）,21:15:12,48,21:15:12,49,蒸发管式喷嘴,21:15:12,50,21:15:12,51,甩油盘式喷嘴,C 影响喷嘴喷雾特性的因素,喷嘴的结构特点 喷油压降 燃油物理性质 喷雾空间中气体介质参数,21:15:12,52,6、点火装置,点火装置的作用是在启动时向燃烧室提供初始点火炬。当燃烧室主燃区能连续、稳定地燃烧时，点火装置即停止工作。 点火设备要位于气体流速较低，油气浓度较合适处，并要能提供足够的能量才能点着。,21:15:12,53,电站燃气轮机常用的点火器 （1）电火花塞点火器 利用电极高压放电或半导体表面
13、放电，点燃燃料空气混合物。,21:15:12,54,电站燃气轮机常用的点火器 （2）火焰点火器 用电火花点燃点火燃料（如汽油、煤油、柴油等），形成火炬，喷入燃烧室点燃主喷嘴。这种装置，点火能量大，反应迅速，工作可靠，各种类型燃烧室均可采用。,21:15:12,55,由于燃料的物理化学性能是影响点火性能的主要因素，挥发性好的燃料点火容易，所以，燃用重质燃料的燃烧室，点火时先用轻质燃料，着火后再切换成重油。,21:15:12,56,7、联焰管,在分管和环管燃烧室中装有联焰管，用来传递火焰筒燃烧区之间的火焰，并均衡各火焰筒间的压力。,21:15:12,57,联焰管,传焰管的轴向位置应设置在回流区直径
14、最大的地方，因为这里容易点火。传焰管的直径应足够大，以保证传焰的可靠性，但又不能过分的大，因为贯穿在二股气流中的大尺寸传焰管会在其下游产生强烈的旋涡，影响火焰筒壁面的冷却。分管燃烧室的联焰管伸出燃烧室外套，因此，必须解决好联焰管同外套的密封和联焰管本身的冷却问题。环管燃烧室的联焰管包围在二股气流中，因此结构较简单。,21:15:12,58,8、燃气收集器,在设计中应保证燃气收集器具有一定的强度和刚度，使能承受热冲击应力和振动负荷而不致开裂。 燃气收集器出口流场的均匀性将随收集器如收敛度之增大而得到改善。收敛度的增大虽然可以缩短收集器的长度，但是却会使型面的变化比较剧烈，在热冲击下容易产生较大的
15、内应力。,21:15:12,59,在分管型和环管型燃烧室中，需要用燃气收集器（又称燃气过渡段）把火焰简出口的圆形截面过渡并转变为透平喷嘴前的扇形截面。,21:15:12,60,为了提高燃气收集器的工作可靠性，在型面变化剧烈的地方，可以局部地开启一些冷却小孔，使壁面获得冷却保护，并适当减弱一些这个部位的刚度，以消除一部分内应力。,21:15:12,61,（二）燃烧室的型式,联管燃烧室,21:15:12,62,燃烧室分类,按气流流程,顺流式,逆流式,按布置方式,圆筒燃烧室,单（分）管燃烧室,环型燃烧室,A 顺流式燃烧室,21:15:12,63,空气自燃烧室的前端流入，燃烧后燃气直接由后端排出，这时
16、压力损失较小。,按气流流程,B 逆流式燃烧室,21:15:12,64,逆流分管燃烧室通常布置在压气机或透平外围。圆筒型逆流式燃烧室布置在机组上，其形式可为顶立、顶卧、侧立、切向等，机组轴向长度较短，还能使燃烧空气得到火焰筒内燃气的预热，有利于燃烧，但因气流往返而压力损失较大。,单（分）管燃烧室、联管燃烧室、环型燃烧室、圆筒燃烧室,21:15:12,65,按布置方式,1、圆筒型燃烧室 圆筒型燃烧室指一个或两个分置于燃气轮机机组近旁或直接座于机体之上的燃烧室。圆筒形燃烧室在工业燃气轮机中被广泛应用。,21:15:12,66,1、圆筒型燃烧室 圆筒型燃烧室最大优点是结构简单，机组的全部空气在一个或两个燃烧室中完成燃烧加热过程，装拆容易。由于在工业型机组中空间限制并不很严，燃烧室可以做得大些，因而燃烧过程比较容易组织，燃烧效率高，流阻损失小，还宜于燃用重质燃料。它的缺点是：燃烧热强度低，金属材料消耗量较大，而且难于做全尺寸燃烧室的全参数试验，致使设计和调整比较困难。,21:15:12,67,ABB公司GT1
