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燃烧振荡的驱动机理季俊杰,罗永浩,胡元(上海交通大学热能工程研究所,上海 200240)摘 要:针对热力系统中声耦合燃烧振荡问题,分析了强迫共振和热声自激两类声耦合燃烧振荡的机理,重点综述了热声自激振荡的若干驱动机制,并给出了防止声耦合燃烧振荡的措施。关 键 词:热力系统;强迫共振;热声振荡;声耦合;燃烧振荡中图分类号:TK16,O64312+1 文献标识码:A 文章编号:1009-2889(2006)03-0032-05 燃烧振荡是指与常规的稳态燃烧不同的周期性振荡的燃烧过程,其压力和燃烧放热等参数都是周期变化的,具有固定的频率。近代,人们利用有控燃烧振荡效率高、污染小的优点,发明了脉动燃烧器,达到节能环保的目的。但另一方面,在设计为稳态工作的热力系统,如燃气轮机1、电站锅炉2、家用锅炉3中却经常出现无控的燃烧振荡。它不仅伴随着强烈的噪声,还造成燃烧不稳定、结构部件疲劳损坏,甚至回火、熄火从而引发灾难性事故,它是设计为稳态工作的燃烧设备中的一种燃烧故障。本文结合具体实例分析了热力系统中具有破坏性的强迫共振和热声自激两类燃烧振荡的产生机制,重点研究了热声自激燃烧振荡的若干驱动机理,总结了排除燃烧振荡的措施。1 外部强迫共振燃烧系统中的烟气具有十分繁多的声学固有频率。它们主要是由声波在燃烧室内传播、反射叠加形成驻波而产生的,这与固体固有频率有所区别。但相同的是,如果外部激励源频率与其中一个频率吻合,则也会激发烟气分子共振,表现为燃烧压力大幅波动。这类燃烧振荡常见于带机械周期运行部件的燃烧设备中。较有代表性的是Ziada等人报道的火车机车中的燃烧振荡现象4。该机车示意图和声学简化如图1所示。活塞做功后的蒸汽废汽由废汽喷嘴喷入排气室,再经烟囱排入大气。同时,燃烧室的烟气经过换热器,也通过排气室和烟囱排入大气。该火车机车在时速超过14km/h时就出现强烈的燃烧振荡。研究发现,燃烧室实测的压力波动谱(图2)的基本波动频率为2015Hz,而机车时速在14km/h时,活塞的运行频率约为20Hz,恰好与压力波动频率吻合。根据声学简化模型进行的谐响应分析可知,燃烧室和烟道系统的声学固有频率正是21Hz(图3),与活塞激励频率吻合。由此可见,燃烧室的压力振荡是由活塞运动激励引起的。活塞的周期运动激发了燃烧室及烟道气体的共振,引起燃烧振荡。外部强迫振荡的机理比较简单,它有两个必要条件:一是存在外部周期性激励源并达到一定的强度;二是激励源频率与燃烧室烟气的固有频率吻合。因此,当燃烧设备发生强迫共振燃烧振荡时,可通过消除周期性激励源或者使燃烧室烟气固有频率与激励源频率错开来达到排除燃烧振荡的目的。当激励源无法消除时,可考虑通过错开烟气声学固有频率和激励源的频率来实现,一般可改变烟气的固有频率。此时必须首先确定未采取措施时燃烧室烟气的固有频率 它属于声学范畴,再通过声学有限元法结合实验模态分析求出。改变烟气声学固有频率的方法将在文末总结。收稿日期:2006203230 改稿日期:2006-05-08作者简介:季俊杰(1978-),男,上海人,上海交通大学博士研究生,主要从事锅炉燃烧不稳定性研究。第19卷 第3期2006年9月燃 气 轮 机 技 术GAS TURBINE TECHNOLOGYVol119No.3Sept.,2006 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图1 火车机车及其声学简化图4 图2 测点P1处的压力波动谱4 图3 根据声学简化进行的谐响应分析42 热声自激振荡热声自激振荡是由系统内部燃烧放热和声压波动互相激励产生的。其一般机理是:如果燃烧放热速率有一个微小的变化,则这个微小的变化会产生声压扰动。声在燃烧室内传播,遇到壁面或不同介质返回,反过来又影响燃料供应速度,使燃烧放热速度变化。这样燃烧放热和压力波动就互相影响,当相位恰当时能互相激励,构成正反馈回路。系统趋于不稳定,微小的扰动将在短时间内被放大,随后在非线性因素作用下建立起一定幅值和频率的振荡。相位是否恰当,可采用瑞利准则予以判断。瑞利准则5的基本叙述是:在气体处于最大压缩状态时加入热量,或在气体处于最大膨胀状态时抽走热量,意味着这两个过程是同相位的,气体的振动将被加热过程所激励和加强。反之,如果两者相位相反,则气体的振动将被阻尼。由此可见,热声自激振荡产生的条件是燃烧放热和声压波动的相位相同。由于稳定燃烧时,放热和声压的相位趋势是相反的,因此,从稳定燃烧趋向自激燃烧振荡转变,放热或声压相位须产生一定的时间延迟。各方研究显示,这个过程受到以下一些因素的驱动。211涡脱落涡脱落是流体动力学不稳定性的典型代表。由于涡脱落自身具有周期不稳定性,当其发生在火焰前沿时,就可能与燃烧室的声压波动耦合在一起,产生自激燃烧振荡。这种不稳定燃烧常发生在火箭发动机突扩燃烧室6或钝体稳定火焰7的燃烧中。由于回流区的存在,突扩台阶或钝体下游发生周期性的涡脱落。涡卷起时将部分未燃烧气体卷入涡内,在高应变率作用下形成局部“熄灭”状态,涡内气体燃烧变缓,压力降低。随着涡长大破裂,大涡结构形成小尺度涡,反应加速,产生放热脉冲,形成声压扰动。声波在燃烧室内向前传播,遇墙壁或出口返回到涡脱落处,如果相位恰当,则调制新的涡产生,从而完成了一个反馈耦合过程(图4)。这样的周期性涡脱落破裂产生的放热脉动,就相当于在系统内部存在一个周期热激励源,为燃烧振荡加入能量。这种驱动机理多见于火箭发动机、燃气轮机等燃烧系统中,在一些工业燃烧设备中也存在,如原油加热器中的振动即是由于涡脱落激发燃烧室烟气固有频率所致8。这里,涡实际上起了延迟放热相位的作用。可燃气体在进入燃烧室时由于被卷入涡内而无法立刻燃尽,在涡破裂时才燃烧放热。这样,燃烧放热相位就被涡的脱落过程延迟了,从而使放热和压力波动同相,发生自激燃烧振荡。212旋流旋流具有较好的火焰稳定作用,但旋流过程中的旋进涡核(Processing Vortex Core)却存在周期不稳33第3期燃烧振荡的驱动机理 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/定性10。在采用旋流燃烧器的燃烧设备中,旋进涡核频率一旦与系统声学固有频率吻合,则使两个过程耦合在一起,引发自激燃烧振荡。研究显示,旋流燃烧器的旋进涡核频率随雷诺数线性增长11,因此随着负荷的改变,旋进涡核频率会在一定范围内变动,而燃烧室烟气自身又具有很多声学固有频率。这样,旋进涡核频率和燃烧室烟气固有频率吻合的概率就较大,易引起燃烧振荡。图5所示的180t/h燃气锅炉12在负荷为88t/h时发生的24Hz的燃烧振荡,正是由于旋流燃烧器不稳定性激发炉膛高度方向的半波长驻波模态,引发了热声自激的燃烧振荡(图5中根据半波长驻波计算的振荡频率为25Hz,与实测值24Hz较为接近)。据研究,在燃气轮机13中也存在类似的旋流驱动燃烧振荡现象。图4 火箭发动机中的涡脱落和反馈回路9213燃料与空气比例变化Hantschk研究了图6所示的燃烧系统14。左端闭口右端开口的直管中间加装节流孔板,燃料喷嘴伸至节流孔处,空气供入节流孔板左侧的腔室,经节流孔与燃料喷嘴喷出的燃料混合。该系统在燃烧过程中,发生了394Hz的燃烧振荡,测量发现直管内存在5/4波长的驻波(图6),左端闭口端为声压波腹,右端开口端为声压波节。图6中的燃烧振荡主要是由于燃料与空气的比例周期性变化引起的。其驱动机理是:声压波动引起流过节流孔的空气流量周期性变化,而燃烧喷嘴的燃料流量基本是恒定的,这样燃料与空气混合时,两者的比例也将发生周期性变化,引起燃烧放热的波动。燃烧放热的波动引起声压波动,从而驱动起热与声的耦合过程。图5 旋流引发燃气锅炉中的燃烧振荡12图6 带节流孔板燃烧腔中的燃烧振荡14214雾化不均匀性在雾化燃烧设备中,常有由于雾化液滴分布不均匀而导致的热声自激振荡15。由于液体雾化燃烧时,小的液滴容易被空气流携带,而大的液滴则以相对固定的轨迹运动。这样,雾化燃烧器头部就产生了燃料不均匀性,引起火焰锋面的摆动,产生声压扰动,而声压波动又影响液滴分布,这样就构成了自激反馈回路,使雾化过程与系统声学模态相互耦合。由此可见,在使用雾化燃烧器的设备中应尽量提高雾化的均匀度以减少燃烧振荡发生的概率。43燃气轮机技术第19卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/215当量比在空间上周期分布Lieuwen研究了图7所示的低NOx燃气轮机燃烧室试验台16,燃料和空气混合后经旋流混合段进入燃烧室燃烧,尾气由出口喷嘴排出。研究发现,由于声压的波动影响燃料的供应速度,使当量比在空间上呈周期变化(图8),这个周期变化使预混气流燃烧时发生燃烧振荡,产生声压波动。声压波动传播到燃料入口引起燃料供应的波动,从而构成反馈回路。图7 燃气轮机燃烧室模型及其热声耦合回路16图8 当量比和声压随空间的分布163 解决燃烧振荡的措施燃烧振荡对于设计为稳态燃烧的设备来说是一种故障。从目前研究来看,燃烧振荡的控制方法可分为主动控制(Active Control)和被动控制(PassiveControl)。主动控制是监测燃烧系统内的声压波动,通过仪器调制燃料供应或外接扬声器,使热量输入与声压相位不同步或使输入声场与原始声场抵消,从而起到减小或消除燃烧振荡的作用。主动控制需要一整套精密控制调制系统,耗资较大,一般多用于航空航天领域,目前尚处于实验室研究阶段17。相比而言,被动控制投资较小,在工业热力系统中的适用性较好。根据研究,可采用如下方法:(1)对于流体动力学不稳定性因素(涡脱落、旋流等)激励或参与的燃烧振荡,可改变设备关键部位的几何形状,以消除流体动力学激励源。如图9所示的气体燃烧器18,初始设计燃烧器头部存在台阶回流区,引起了燃烧振荡。通过改进设计去除台阶后,燃烧振荡消失;(2)加入声阻抗,如吸声材料,使燃烧室产生的压力扰动被吸收,从而切断了反馈回路;(3)改变燃烧室和相关烟道、管道的声学固有频率,如加装隔板19、开通风孔20甚至改变尺寸等使系统声学固有频率与激励源频率错开,实现排除燃烧振荡的目的;(4)加装共振式消声器,如Helmholtz共振器或四分之一波长管,起到声阻效果。值得注意的是,这种方法对高频振荡比较有效,对低频振荡效果不大,而且在用于低频时,共振器体积必须设计得比较庞大。图9 气体燃烧器的初始设计和改进设计184 结语热力系统中的无控燃烧振荡是一种具有破坏性的燃烧故障。由于传统的热力系统设计很少考虑声耦合的燃烧振荡问题(事实上,由于燃烧振荡的复杂性,即使事先考虑也很难保证实际运行中不会发生),因此在实际运行中常会出乎意料地发生燃烧振荡现象,直接造成燃烧不稳定甚至设备的损坏。本文总结了两类燃烧振荡的机理,重点分析了热声自激振荡的驱动机制。结合实例说明了热声作用的反馈回路,并给出了控制燃烧振荡的方法。当设计为稳态的燃烧设备发生燃烧振荡时,应首先通过声压测量结合理论分析判断被激起的声学模态,确定驱动机制,再根据实际情况采用适用性较好的控制措施。参考文献:1Lieuwen,T.,Combustion driven oscillations in gas turbinesJ.Turboma2chinery 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words:thermal system;forced resonance;thermoacoustic oscillation;acoustically coupled;combustion oscillation;(上接第31页)Study on 3D finite element analytic method for vibrationcharacteristics of cooling blade with thermal fieldXIAO Jun-feng1,ZHU Bao-tian2,FENG Zhen-ping1,ZHANG Y ong-hai2(1.School of Energy and Power Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;2.Thermal Power Research Institute,Xian 710032,China)Abstract:In this paper,by using 3D-4node element model,the analytic methodfor thermal field and thermal stressfield in gas turbine coolingblade were set up,and based on the thermal field and thermal stress field calculation model,the 3D finite element analytic method for vibrationcharacteristics of gas turbine cooling blade was set up as well.The results of analysis for vibration characteristics of the cooling blade of somegas turbine shows that the model and the method in this paper are reasonable and accurate.Key words:gas turbine;cooling blade;thermal field;thermal stress;vibration characteristic;finite element63燃气轮机技术第19卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/