PDF《双旋流气体燃烧器冷态流动特性的实验研究》

收稿日期 :2006 -

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16 ;

修订日期 :2006 -

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07 作者简介 :贾琼(1982 - ) ,男 ,河北定州人 ,西安交通大学硕士研究生.

文章编号 :1001 - 2060(2006)

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0477 -

05 双旋流气体燃烧器冷态流动特性的实验研究 贾琼,刘 鸣 ,车得福 ,曹子栋 (西安交通大学 能源与动力工程学院 ,陕西 西安 710049) 摘要:利用 IFA300 型二维恒温热线风速仪系统对双旋流 气体燃烧器模型的冷态流场进行了实验研究 ,测量了流场内 不同位置瞬时速度分布及湍流强度特性.研究表明 ,该燃烧 器能够组织合理的空气动力场 ,对负荷变化有较好的适应 性.对比不同扩口结构下的流场 ,发现安装一定结构的缩放 扩口可以更好地促进燃料稳定、 高效、 清洁燃烧.异向旋转 射流不利于燃料与空气的均匀混合 ,还会使回流区长度大大 缩短 ,在设计燃烧器时应避免这种结构. 关键词:旋流燃烧器 ;

气体燃烧 ;

热线风速仪 ;

冷态 ;

缩放扩口 中图分类号 :TK16 文献标识码 :A

1 引言旋流燃烧器具有稳定、 高效、 清洁燃烧的特点 , 而且结构简单 ,具有良好的负荷适应能力 ,因此从

20 世纪

70 年代起受到了越来越多的制造商及发电 企业的重视和青睐 [1] . 国内外很多学者利用多种测量仪器和实验方法 对各种类型旋流燃烧器的空气动力场进行了大量的 研究 :Dixon 等人利用五孔探针研究了一次风不同旋 流强度下旋转射流的流动特性 [2] .Vu 等人利用球型 五孔探针和一维恒温热线风速仪测量了同轴共向和 反向旋转组合射流的时均流场及湍流特性参数 [3] ,发 现了这两种流动结构湍流能量的分布规律.李争起 利用相位多普勒激光测速仪 (PDA) 在径向浓淡旋流 煤粉燃烧器上研究了齿形中心扩口对气固两相流场 的影响 [4] ,得出了此结构下颗粒浓度的分布规律.周 屈兰利用双通道热线风速仪对两种径向浓淡燃烧器 的空气动力场特性和燃烧过程进行了详细的实验研 究[5] ,并建立了分别与之对应的数学模型. 气体旋流燃烧器分为中心进气和周向进气两 种 ,其燃料一般为单一煤气.随着旋流燃烧技术的 进步 ,气体旋流燃烧器正沿着适合多种可燃性气体 混合燃烧的方向发展.为了研究新型气体旋流燃烧 器的气流流动特性 ,建立了双旋流气体旋流燃烧器 的实验台.本文采用二维热线风速仪对其冷态流场 进行了测量 ,得出了在燃烧器出口安装不同扩口时 空气动力场的分布规律 ,并考察了安装缩放扩口时 燃烧器对负荷的适应能力 ,以期进一步了解安装缩 放扩口时燃烧器的稳燃特性 ,为多组分气体燃烧器 的设计提供详细的实验资料.

2 实验系统及方法 2.

1 实验设备及测量仪器 实验所采用的双旋流气体燃烧器模型与实物的 比例为 1∶ 2.

5 ,喷口外径为 d =

364 mm ,轴向旋流叶 片倾斜角为 60° ,其结构如图

1 所示.该燃烧器以焦 炉煤气和高炉煤气的混合气作为主燃料 ,结合多管 式天然气燃烧器的原理 ,将天然气作为二级燃料独 立燃烧.其中焦炉、 高炉混合煤气通过轴向旋流叶 片产生旋转 ,空气通过蜗壳产生旋转.采用美国 TSI 公司生产的 IFA300 型恒温热线风速仪对燃烧器出 口流场内的气流速度及湍流特征参量进行测量 ,通 过飘带示踪法确定空间气流的方向 ,利用

1240 型二 维探针同时测量旋转射流的轴向和切向速度分量 , 并由其配套软件计算出湍流强度. 2.

2 实验方法及参数 冷态实验中各入口处的气体均以空气代替 ,额 定负荷下各实验参数如表

1 所示 ,经计算各参数满 足相似模化的原则 [6] ,因此所得结论适用于实际流 场.在燃烧器出口处安装缩放扩口 ,通过调节各个 入口的风量研究不同负荷 (80 %、

100 %、

120 %) 下燃 烧器出口的流场特征 ,并在额定负荷条件下 ,研究不 同扩口结构(缩放扩口、 无扩口、 渐缩扩口) 及轴向旋 流叶片倾斜方向对流场的影响. 第21 卷第

5 期2006 年9月热能动力工程JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER Vol.

21 ,No.

5 Sep. ,

2006 图1双旋流燃烧器结构示意图 表1额定负荷下主要实验参数 气体 速度Π m・ s -

1 当量直 径Π m 流量Π m3 ・ h -

1 雷诺数 ( *

105 ) 动量 Π kg・ m-

2 ・ s -

1 焦炉煤气 14.

00 0.

020 158 0.

110 12.

57 高炉煤气 20.

00 0.

138 1

980 1.

84 24.

14 天然气 8.

67 0.

028 90.

5 0.

167 10.

46 空气 16.

88 0.

089 3

592 1.

00 20.

37 3 实验结果及分析 3.

1 负荷的影响 额定负荷下燃烧器出口速度分布如图

2 所示. 随着负荷的增加 ,轴向和切向速度的大小均会相应 增加 ,但其分布规律却基本相同.在一定的负荷变 化范围内 ,燃烧器出口流场的回流区形状几乎不发 生变化 ,始终保持合理的细长形状 ,使得足够的高温 烟气回流 ,为内层燃料气流的着火提供稳定的热源. 轴向速度衰减较慢 ,形成较长的火焰长度 ,有利于燃 烧后期的扰动和混合 ,使燃料燃尽.切向速度有一 定的张角 ,使空气环绕在火焰周围 ,形成氧化性气 氛 ,能够有效地防止水冷壁的高温腐蚀.在上述负 荷范围内均能合理地组织炉内空气动力场 ,这表明 双旋流气体燃烧器对负荷有着较好的适应性. 不同负荷下流场湍流强度的分布如图

3 所示. 随着负荷的增加 ,湍流强度也相应增加 ,各股气流之 间的混合能力也相应增强.在回流区顶部 ( Y≈ 117) ,湍流强度有不同程度的突降 ,且负荷越低 ,突 降程度越高 ,这说明负荷降低 ,在回流区边界上流场 分布趋于稳定 ,不利于各股气流之间的混合.在离 喷口较远处 ,当负荷高于额定负荷时 ,其湍流强度有 明显升高 ,因此适当增加负荷有利于燃料后期的燃 尽. I、 II、 III 表示

80 %、

100 %、

120 %的负荷 ,A、 B 表示轴向和切向 ,下同;

图中水平线表示各截面上的速度零值 ,各测点的速度大小与 方向对应右侧速度标尺 ,下同. 图2额定负荷的流场 图3负荷对湍流强度的影响 3.

2 扩口结构的影响 额定负荷时 ,将燃烧器出口处的缩放扩口去掉 及安装渐缩扩口时所得流场分别如图

4 和图

5 所示.对比图

2、 图4和图

5 ,去掉缩放扩口后射流轴 ・

8 7

4 ・ 热能动力工程2006 年 向速度增大 ,但衰减很快 ,安装渐缩扩口时 ,射流轴 向速度比无扩口时要小 ,衰减也更快 ,但燃烧器出口 的切向速度普遍较大 ,最大切向速度值几乎是前两 种结构的两倍 ,而且衰减也较慢.只是具有较高切 向速度的区域较为狭窄 ,基本上局限在 X≈0.

3 范 围内的环形带上. 图4无扩口时的流场 图5安装渐缩扩口时的流场 图6扩口结构对回流区及射流边界的影响 额定负荷下 ,不同扩口结构的回流区及射流边 界如图

6 所示.采用缩放扩口的回流区范围最大 , 其长度达到 Y≈1.

7 ,并且形状细而长 ,并具有适中 的射流扩展角度 ,可以使燃料更为集中 ,既有利于气 ・

9 7

4 ・ 第5期贾琼,等 :双旋流气体燃烧器冷态流动特性的实验研究 流的着火燃烧 ,又有利于防止火焰 飞边 贴墙.去 掉扩口后 ,回流区长度只有 Y≈1.

1 左右 ,而安装渐 缩扩口时 ,回流区长度降为 Y≈0. 4.通过计算各截 面上的回流率可以发现相同负荷下 ,安装缩放扩口 的截面回流率最大 ,而且衰减速率最慢 ,有利于卷吸 更多的高温介质 ,组织稳定的火焰燃烧. 额定负荷下 ,不同扩口结构对湍流强度的影响 如图

7 所示.去掉扩口后 ,湍流强度在出口处就达 到最大值 ,且湍流强度高于安装缩放扩口的情况 ,但 在其回流区内 ,衰减极为剧烈.安装渐缩扩口后 ,在 燃烧器出口附近其湍流强度整体较低 ,而在距出口 较远处( Y >

2. 5) ,其整体水平甚至高于安装缩放扩 口的情况.主要是由于在出口附近 ,其切向速度较 大 ,虽然也有衰减 ,但远离出口后 ,切向速度仍具有 相对轴向速度较高的数值 ,使得湍流强度较大 ,有利 于气流之间的混合和燃料的燃尽.值得注意的是安 装渐缩扩口后 ,燃烧器出口流场湍流强度的最大值 并非出现在回流区内 ,而是在气体远离回流区后 ( Y ≈0. 9) 才突然增大到最大值.这主要是因为回流区 很小 ,且回流速度值也很低的缘故. 图7扩口结构对湍流强度的影响 3.

3 异向旋转射流的影响 在额定负荷下 ,将轴向旋流叶片反向安装后 ,得 到燃烧器出口速度分布如图

8 所示.对比图

2 和图

8 可以发现 ,异向旋转使回流区长度大大缩短 ( Y≈ 0. 5) ,并且沿径向切向速度的方向变化了两次 ,说明 异向旋转的气流混合程度较差 ,抑制了两股气流之 间的扩散和混合. 两种旋转组合方式下湍流强度的分布如图

9 所示.同向旋转的湍流强度在回流区内普遍高于异向 旋转的情况 ,而在非回流区内 ,湍流强度大小情况恰 好相反.究其原因主要是异向旋转时 ,两股气流主 要在燃烧器出口附近混合程度较差 ,远离燃烧器出 口后才进行充分地混合 ,因此湍流程度衰减较慢 ,在 非回流区内还高于同向旋转的情况. 图8异向旋转的流场 图9旋转组合方式对湍流强度的影响

4 结论(1) 在一定范围内 ,负荷的变化对双旋流气体 燃烧器出口流场的影响不大 ,该燃烧器对负荷变化 ・

0 8

4 ・ 热能动力工程2006 年 的适应性较好 ;

(2) 安装一定结构的渐缩扩口会缩短回流区的 长度 ,使燃烧与空气的混合推后 ,而安装一定结构的 缩放扩口可以增加火焰和回流区的长度 ,并使燃料 与空气在回流区内均匀地混合 ,有利于火焰的稳定 和燃料的燃尽 ;

(3) 异向旋转射流将大大缩短回流区的长度 , 推迟燃料与空气的混合时间 ,降低两者的混合程度. 参考文献 : [1] 庄慧颖. 旋流燃烧器与直流燃烧器的特点比较及发展前景[J ]. 中国电力 ,1998 ,31(2) :35 - 37. [2] DIXON T F. Aerodynamic studies on swirled coaxial jets from nozzles with divergent quarls[J ]. Journal of Fluids Engineering ,1983 ,105 (6) :197 - 203. [3] BACH T VU. Flow measurement in a model swirl combustor[J ]. AIAA Journal ,1982 ,20(5) :642 - 651. [4] 李争起. 径向浓淡旋流煤粉燃烧器气固两相流动特性及应用 的研究[D]. 哈尔滨 :哈尔滨工业大学 ,1997. [5] 周屈兰. 径向浓淡式双调风旋流燃烧器的试验研究与数值模拟 [D]. 西安 :西安交通大学 ,2001. [6] 孙学信. 燃煤锅炉燃烧试验技术与........