火焰长度与喷嘴的配风以及燃烧室技术

火焰长度与喷嘴的配风以及燃烧室技术

一般燃烧器或喷嘴内的火焰长短、大小都受制于燃烧室(或炉膛)空间尺寸，特别是火焰长度对燃烧室后部构件的安全、可靠上作至关重要，如燃气轮机的涡轮部件、工业炉窑及锅炉的炉壁等。在工业炉及锅炉燃烧器上调整火焰尺寸和形状是为满足不同用户要求必须解决的问题。在高性能航空发动机上长期来开发的短环形燃烧室，实际上就是以短的燃烧室达到增大推重比。为此，人们对火焰长度的研究极为重视．只是它与太多因素有关．至今尚无准确的理论公式来决定火焰长度(特别是强制供风的喷嘴)，已有的研究结论是在各种型式和形状的喷嘴(包括喷嘴)的燃烧试验基础，归纳出经验公式。由这些经验关系式可以揭示影响火焰长度的主要因素，提供了调整火焰长度的主要措施。

1、不同燃料与喷嘴的火焰长度经验关系式我们摘录了部分文献中的强制供风(即流动气流)时，采用不同燃料与烧嘴(或喷嘴)在燃烧时的火焰长度的试验关系式度结果。由表可见，影响火焰长度的主要因素是：

1)燃料流量(或压力)或输出功率越大，火焰越长； 2)过量夺气系数A越小，火焰越长； 3)助燃空气旋流有利丁缩短火焰长度；

4)喷嘴喷雾角增大，火焰缩短；

5)内混式喷嘴的火焰长度比外混式的短；

6)气体燃料比燃油的火焰短，重质燃油比轻油的火焰长，煤粉火焰更长。

2、调整火焰长度的方法

一般火焰长度调整是在燃烧器输出功率(或燃料供给应量)及燃料种类不变的条件下，以及空气过量系数也不变(特别是有燃气气氛要求的)的前提下，进行火焰尺寸的调整。根据已有经验，以下方法是行之有效的。 (1)喷嘴方面

1)燃气喷嘴(或烧嘴)的助燃空气旋流比直流时的火焰短；经多扎喷头喷出燃气比单股射流的火焰短；燃料气与助燃空气都经过旋流的火焰更短。总之，促使燃气与宰气尽快均匀混合，有利于缩短火焰长度。

2)燃油喷嘴方面又有如下措施：

a．增大喷雾锥角是缩短火焰常用方法，如锅炉用全自动燃油燃烧器采用的压力雾化喷嘴的喷雾角由45°增至60~～90度，则可缩火焰100，200mm。但是必须注意燃油不可碰壁，否则产生严重冒烟和燃烧不完全。

b．采用宅气(蒸汽)雾化喷嘴比压力雾化喷嘴有利于缩短火焰长度。为发展高推重比的航空燃气轮机，所研制的短环形燃烧室采取了许多措施来缩短燃烧室长度，其中法国的三代燃烧室上采用了不同供油喷嘴，即由压力雾化喷嘴改为蒸发管和空气雾化喷嘴，对缩短燃烧室长度足很有效的。当然燃烧室的容积大幅度缩小，还与它们的容热强度提高有关，即燃烧室温度与压力增加，为此还必须在燃烧室火焰筒的冷却技术上采取相应的有力措施。 c．采用内混式比外混式空气(蒸汽)雾化喷嘴的火焰短，约为80％。b和c项的作用是减少燃烧准备的混合和蒸发过程所需要的空间和时间，因此改善喷嘴雾化质量(减小雾滴及煤粉直径)尤为重要。

(2)配风方面

1)增大一次风量，一般可使火焰变短。特别是对于挥发分少的煤燃料，以及重质燃油，增大一次风量是十分必要的。但是燃料喷雾喷嘴的根部风不可太大，或者煤粉与一次风混合物喷出速度要小。文献是在大型燃油燃烧器由烧柴油和烧重油时，将稳焰器上的中心孔结构及盘

上小孔数量进行修改，在燃烧1000kg/h油量时使火焰长度由5～6m缩短到3.5m左右的专利技术。

2)改变稳焰器上切向槽(或旋流器叶片角度)和二次风旋流片的倾斜角，以增大旋流度，可以大幅度缩短火焰长度．已为大量实践所汪实行之有效。但是必须适度，否则气流扩张角过大，引起燃油碰壁产生严重冒烟，另外也造成过大压力损失。该措施对燃气燃烧器也是凑效的。 3、强化燃烧的新型燃烧室方案 国内外在开发航空燃气轮机、工业炉及锅炉燃烧装置中，为缩短燃烧过程(即缩短火焰长度)，采用强化燃烧的原理，提出和研制了许多新型燃烧室方案。相应在燃料和空气供给方式，燃烧室内空气动力学等方面有所创新，启发和开阔了人们的思路。 (1)航空燃气轮机的新型短环燃烧室方案

美国NASA于20世纪70年代初提出几种短环形燃烧牵方案，在燃油喷嘴、气流组织及燃气掺混等方面采取创新方案，经历了广泛深入的发展研究，日臻完善，逐步被采用。 1)双环腔冲碰进气燃烧室，它采用诱导式扩版器方案，冲压式进气有效地利用了压气机出气流高的速度头以形成强的紊流燃烧区。经多次试验研究和完善，已成功地应用于P&W公司的F100-PW-100，F40l-PW-400等加力涡扇发动机上；GE公司的F3发动机也借鉴了该顾技术成果。

2)单侧进气短环燃烧室，它也是一种冲压进气燃烧室，在英国的RBl62—86助推涡喷发动机(用于“三叉戟”3B型客机)上的燃烧空采用了此方案。

3)涡流筒(罐)式燃烧室，它采用了大量小涡流筒使燃油预混并稳定燃烧，主燃区和掺混区几乎合二为一，因此燃烧室很短。美国的工业燃气轮机LM6000燃烧室头部采用了类似结构。 4)掺混静予燃烧室．它的主燃区采用带空气杯的蒸发式喷嘴，并将涡轮第一级导向叶片置于燃烧室掺混区，燃烧窜的掺混空气由导叶喷出，因此燃烧室也很短。由于目前对高温下掺混静子的冷却问题尚未完全解决，暂未实用。 (2)工业炉和锅炉的强化燃烧方案

迅速发展的能源工业也研究和开发了许多最新燃烧技术，它们借助多种强化燃烧方案，可以在很小空间内快速进行燃料与空气的混合、燃烧。主要原理足利用射流回流及强旋流技术以稳定和强化燃烧。

1)大速差同向射流 这是国内熟知的方案，射流与主流的速度之比为10：l，流量之比为1：10，利用高速差产生的高速射流强烈的卷吸作用，形成高紊流、大尺寸的中心回流区，有利于加快雾滴的蒸发及混合燃烧，或煤粉的预热干燥及挥发分着火燃烧。

2)扁平附壁射流 它也是在一个实扩比很大的燃烧室中，用扁平射流的附壁效应，形成其两侧大小不对称的两个回流区，在大同流区内有较高燃料浓度，在一定程度上提高了稳焰能力和强化了燃烧，并可克服了方案的高速射流要消耗较大能量。

3)相遇射流 它有别于早期航卒发动机加力燃烧室采用的中心逆向射流稳定火焰的方案，而是采用两股方向相反而平行的射流，可以在燃烧室中形成面积很大，强度很高的，几乎充满丁燃烧室内回流区。该方案无需高速射流，可使燃烧产物有充分返流，雾滴可以多次往返于流区以得到充分燃烧，而燃烧温度不会过高，可降低NO排放量。该方案已用于冲压发动机燃烧窜强化头部同流。在小型航空发动机燃烧窜头部也已采用逆向冷却气膜射流形成对涡头部气流结构。

4)沸腾一旋风组合燃烧 它利用了沸腾炉具有大的“蓄热池”，上下循环翻腾混合，增加了燃烧停留时间；利用了旋风炉的极强旋流以获得燃料与空气充分混合的特性。最终促使强化燃烧。

以上诸疗法主要是针对煤粉燃尽时问长，即火焰长的问题采取的强化燃烧方案，如果借鉴这些构思，移植到其他燃料燃烧装置上，也许可以获得很好效果。

(3)其他强化燃烧方案

1)旋流燃烧 在前面文章中的燃烧装置采用斜叶片、螺旋槽或切向叶片使燃料、气流旋转，以增强湍流脉动和混合，强化传热性质，增大燃气回流，延K燃料颗粒停留时间，从而强化燃烧。

2)超声速燃烧 一般燃烧通常发生于亚声速条件下。在超岛速(M=6～25)飞行器用发动机，如超燃冲压发动机上吧的燃料在超声速气流中进行燃烧。它的燃烧窀足一个自由通道，在燃烧窀内部的支板壁面(或空腔壁谢)上．沿发动机轴向设置许多喷嘴．燃料以平行、垂直或一与来流成一定角度喷人气流中，与来流空气进行混台、燃烧。可燃混合物在燃烧室停留时问极短(为ms量级)，而要达到可靠点火启动、稳定高效燃烧、不产生振动等要求。同内外在大力研究，其中包括爆震燃烧、超声速体外燃烧、管内超声速燃烧等。

3)脉动燃烧与脉冲爆震燃烧 前文中介绍过的脉冲燃烧(即脉动燃烧)，它是一种在声振条件下发生的周期性燃烧过程，也是一种强化燃烧的方式。它可心获得很高的燃烧效率、燃烧强度和换热强度。目前，人们将脉动燃烧器作为一个燃气发生器，产生一定压力、一定速度的高温气体，用在加温、干燥等设备上。而冲爆震燃烧(PDC)与脉动燃烧一样也足以一定周期性方式循环工作：可燃物进入、点火燃烧、燃烧产物排出。但是脉冲爆震燃烧的燃烧波是以每秒几千米的速度向末燃混合物传播，即为爆震波。爆震波有几个重要特点：一是爆震波以超声速传播，其后的燃烧过程接近等容燃烧过程(一般燃烧足等雁过程)，有利于提高热循环效率，比等压缩环的高30％～50％；二是爆震波能产牛极高的燃气K力比(大于1.5～

5.5MPa)，能增压(脉动燃烧增压很小，若用于吸气式发动机，则可省去压气机／涡轮部什；三是爆震燃烧快，效率高，产物在高温区停留时间短，因此排气污染物少，特别是NO少。脉冲爆震燃烧方式在固防、能源、动力、化工、加工等领域均有广阔应用前景。国内外主要集中在国防上的应用研究，主要利用脉冲式爆震波产生强大的推力，作为一类新慨念发动一吸气式脉冲爆震波发动机和脉冲爆震火箭发动机(PDRE)。另外PDE也可构成混合循环和组合循环发动机，将可用于无人机、靶机、战斗机、高超声速隐身侦察机、战略轰炸机、运程导弹等，对2l世纪牵间和大气飞行器将产生深刻影响。

4)探索中的强化方法在某些燃烧装置如烧煤的磁流体发电机燃烧室中，用高温燃烧方法将煤粉喷入1700度左右的预热空气中燃烧，可产牛2700℃左右的高温。高炉的喷吹煤粉也有类似效果。用电场或磁场控制雾化或改变火焰形状，或在火焰中利用小能量放电来强化燃烧或扩大火焰稳定范围，并控制NO的生成等。

更多地了解各地强化燃烧方法，也为燃料喷射装置拓宽了应用范围，更为与各种先进燃烧装置的特殊工况下相匹配的喷嘴喷射，雾化，惨混的燃料喷射装置提出了更多研究课题。