预混/扩散双火焰的燃烧不稳定特性研究

预混/扩散双火焰的燃烧不稳定特性研究

于丹1,,*，窦彦超1，郭志辉2

1. 中国航发湖南动力机械研究所 湖南 株洲 412002     2. 北京航空航天大学能源与动力工程学院 北京 100080

摘要：为了研究特定头部结构下的预混/扩散双层火焰在常温常压下的燃烧不稳定特性，搭建自激振荡试验台测量了预混/扩散同心分层火焰在不同空气流量下不同分级比时的热释放脉动与压力脉动变化规律，采用傅里叶分析法分析不同工况下的不稳定频率和幅值。结果表明：1）同心分层火焰的燃烧不稳定特性受不同来流空气量以及内外燃气分级比的影响； 2）当空气流量为36 Nm3/h时，热释放脉动幅值随分级比的增加而单调减小，说明随着预燃级供应甲烷量的增加，火焰结构越来越稳定。当空气流量为45Nm3/h时，热释放脉动幅值随分级比先增加后减小，最后又呈现上升的趋势，表明随着分级比的增加，火焰结构由逐渐稳定变得不稳定，应该将分级比控制在合适的范围内降低燃烧不稳定性；3）无论哪一种空气流量下，随着预燃级甲烷供应量的增加，不稳定热释放脉动幅值都会有一个下降的过程，这就表明预燃级非预混火焰在一定范围内能起到稳定主燃级火焰的作用，稳定范围的大小与很多因素有关。

关键词：预混/扩散双层火焰；燃烧不稳定特性；自激振荡；分级比

0  引  言

为了满足日趋严格的NOx排放标准，现代的燃气轮机普遍采用贫油预混燃烧技术，虽然满足了新的环境保护标准，但却带了新的运行问题：吹熄、回火以及燃烧不稳定[[]1]。

燃烧不稳定性，也称作振荡燃烧，是燃气轮机燃烧室、航空发动机加力燃烧室、液体固体火箭发动机和工业锅炉等各种燃烧装置所经常遇到的问题。化学反应产生的热释放成为了驱动声场脉动的主要能量源，当热释放脉动与压力脉动同相时，化学反应产生的能量便传递给了周期性脉动的流动区域[[]2]。这是一种自激振荡，并无外界的激振源[3]。燃烧不稳定性是一个多机理、多尺度的现象。和其相关的机理主要包括：声速脉动[[]4][[]5]，当量比脉动[[]6]，以及由前者引发的旋流强度脉动[[]7]，连续大尺度结构[[]8]以及进动涡核（PVC）[[]9]。不稳定燃烧的发展主要基于两种主要现象：a) 燃烧室几乎完全封闭，其内部可以用来削弱非稳态行为的能力非常弱；b) 驱动非稳态行为所需的能量仅须燃烧热释放的一小部分。

预混扩散双火焰采用分级燃烧模式，中心为非预混的预燃级，有利于点火启动和火焰稳定，外环为部分预混的主燃级，处于贫油状态，在高工况下有利于降低火焰温度。此种燃烧方式在降低污染物排放的同时，在一定程度上降低了燃烧不稳定性，成为主流的发展方向。

国内外机构在贫油预混燃烧室燃烧不稳定性预测和预防方面进行了大量的实验和数值研究，但对预混扩散同心分层双火焰的燃烧不稳定性研究较少。本文搭建自激振荡试验台，采用了动态压力测量系统，对同心分层双火焰在不同空气流量下不同分级比时的燃烧不稳定特性进行了研究。

1  试验系统

试验台安装示意图如图1所示，实验台主要包括供气系统、供油系统、实验段和测量系统等。

1.1供气和供油系统

实验用空气来自稳压气源（0.6MPa），经过截止阀和节流阀进入涡轮流量计（Nm3/h，参考温度为15℃），涡轮流量计之后设置有最小直径为7mm的渐缩型音速喷口。实验用燃料选用纯度为99.9%的瓶装甲烷气体，主燃级和预燃级分别由两套独立的供应系统进行甲烷供应，主、预燃级的甲烷经过减压阀后压力分别为0.4MP、0.2MP左右。

图 1自激试验台示意图

1.2 试验段

如图1所示，实验段主要包括渐缩型音速喷口、进气段、双旋流头部以及燃烧段，燃烧段右侧与大气相通。甲烷经旋流头部中的燃气喷注点喷入与进气段来流空气混合后进入燃烧段中燃烧，燃烧段横截面为矩形，长560mm。石英玻璃观察窗尺寸为100mm╳100mm，边缘与头部出口突扩面对齐。

本文的主要研究内容是同心分层火焰，同心分层火焰外环是主燃级预混火焰，其中心是值班级非预混火焰，有利于启动和火焰稳定。双环旋流头部通过调整内外燃气分配即分级比，可以改变火焰结构，一方面能拓宽稳定工作范围，一方面能有利于减少燃烧不稳定性的发生。图2为双环旋流头部简图，上下游分别连接进气段与燃烧段，主燃级甲烷气由主燃级旋流器上游周向均布的16个直径0.6mm的燃油喷注孔进入主燃级通道内，与上游来流空气充分混合，形成预混气。预燃级甲烷则由预燃级旋流器下游头部出口处周向均布的8个直径0.6mm的小孔与轴向呈45°角喷入预燃级来流空气中，在头部出口处形成非预混燃烧。主燃级旋流数0.57，预燃级旋流数0.8，预燃级通道气量分配占总空气流量的18%。

1.3测量系统

试验台中测试系统包括稳态和动态测量两个部分。动态测量包括四个PCB动态压力传感器和一个光电倍增管。动态压力传感器1、2分别位于燃烧室头部上游460mm和100mm处，动态压力传感器

3、4则分别位于燃烧室头部出口下游60mm和360mm处。光电倍增管位于燃烧室头部出口下游60mm处用于测量燃烧室的全局热释放。

图 2双环旋流头部简图

2  试验方案

本文主要研究特定头部结构同心分层火焰在不同来流空气量以及燃油总流量下的燃烧室自激振荡特性。每种空气流量和燃油总流量下改变主、预燃级燃油分配，主要实验参数如表 1所示。

表 1自激实验参数表

3  试验结果与分析

本文研究不同工况下，同心分层火焰的热释放脉动与燃烧室腔内压力脉动之间的关系。图3为空气流量36Nm3/h，总当量比0.7时，燃烧室以及进气段内压力脉动幅值和频率随分级比（即预燃级甲烷流量与总甲烷流量的比值）的变化情况，进气段内动态压力信号来源于传感器2，燃烧室内压力脉动信号来源于动态压力传感器3，燃气分级比的变化范围从0到37%，总量保持不变。

（a）进气段和燃烧室压力脉动幅值

（b）压力脉动频率

图 3总空气量36 Nm3/h，总当量比0.7，压力脉动随分级比变化情况

从图中可以看出，随着分级比的增加，燃烧室腔和进气段管道内的压力脉动逐渐降低，最后稳定在一个较低的范围内，说明预燃级部分预混火焰能达到稳定主燃级预混火焰的作用，大幅降低了不稳定压力脉动幅值。从图中还可以看出当分级比由0变化到0.15时，进气段内不稳定脉动幅值大于燃烧室腔内的压力脉动幅值，而随着分级比的继续增加，进气段内压力脉动变弱，略小于燃烧室腔内压力脉动。燃烧室和进气道内压力脉动频率为同一值，当分级比小于0.3时，频率范围稳定在160~180Hz之间，当分级比大于0.3时，频率突增到270Hz，但压力脉动幅值接近于0。

图 4 总空气量36 Nm3/h,总当量比0.7，燃烧室热释放和压力脉动频率随分级比变化

上图4为燃烧室内热释放脉动频率以及压力脉动频率随分级比的变化，随着分级比的增加，两者变化规律一致，两条曲线基本重合。说明在燃烧不稳定性现象中，热释放脉动和压力脉动是相互耦合的过程。燃烧室内热释放引起的压力脉动会向上游传播，使来流空气和甲烷流量产生波动，从而导致当量比的脉动传播到火焰面引起热释放的脉动，如此循环。而且压力脉动还会引起火焰长度、局部燃烧速率、涡脱落等的变化引起热释放不稳定脉动。

图5所示为空气流量45Nm3/h，总当量比0.7时，燃烧室以及进气段内压力脉动幅值和频率随分级比的变化情况。从图中可以看出，当总当量比相同，不同的空气流量时，压力脉动呈现不同的变化规律。随着分级比的增加，压力脉动幅值先减小后增加，说明预燃级火焰在一定分级比范围内能起到抑制燃烧不稳定性的作用。当分级比大于0.08时，燃烧室和进气段压力脉动幅值相对大小发生转变，此转折点所对应的分级比远小于空气流量为36 Nm3/h时所对应的值。压力脉动频率随着分级比的增加而不断增加。

（a）进气段和燃烧室压力脉动幅值

（b）压力脉动频率

图 5总空气量45 Nm3/h,总当量比0.7，压力脉动幅值和频率随分级比变化图

4  结论

自激实验主要研究了不同空气流量下，燃烧室腔内同心分层火焰的热释放脉动以及压力脉动随分级比的变化规律：

1）同心分层火焰的燃烧不稳定特性受不同来流空气量以及内外燃气分级比的影响。

2）不同来流空气量时，无量纲热释放脉动幅值随分级比的变化趋势也不同。当空气流量为36 Nm3/h时，热释放脉动幅值随分级比的增加而单调减小，说明随着预燃级供应甲烷量的增加，火焰结构越来越稳定。当空气流量为45Nm3/h时，热释放脉动幅值随分级比先增加后减小，最后又呈现上升的趋势，表明随着分级比的增加，火焰结构由逐渐稳定变得不稳定，应该将分级比控制在合适的范围内降低燃烧不稳定性。

3）无论哪一种空气流量下，随着预燃级甲烷供应量的增加，不稳定热释放脉动幅值都会有一个下降的过程，这就表明预燃级非预混火焰在一定范围内能起到稳定主燃级火焰的作用，稳定范围的大小与很多因素有关。

参考文献：

[[]1] J.A.Ranalli*,C.R.Martin. Measurement of Flame Transfer Function in Swirl-Stabilized Lean-Premixed Combustion. JOURNAL OF PROPULSION AND POWER,Vol.25,No.6,November-December 2009

[[]2] Ying Huang, Vigor Yang*.Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion. Progress in Energy and Combustion Science 35(2009) 293-364

[3]D.T. 哈杰，F.H. 里尔登 液体推进剂火箭发动机不稳定燃烧, 国防工业出版社, 1980.

[[]4] T. Schuller, D. Durox, S. Candel, A unified model for the prediction of laminar flame transfer functions: comparisons between conical and V-flame dynamics[J]. Combustion and Flame,2003, 134 (1-2) :21–34.

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[[]7] V. Acharya, D.H. Shreekrishna, Tim Lieuwen, et al. Swirl effects on harmonically excited, premixed flame kinematics[J]. Combustion and Flame ,2012,159 (3):1139–1150.

[[]8] S.K. Dhanuka, J.E. Temme, J.F. Driscoll, et al. Vortex-shedding and mixing layer effects on periodic flashback in a lean premixed prevaporized gas turbine combustor[C]. Proceedings of the Combustion Institute,2009,32(2):2901–2908.

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