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》GASTURBINETECHNOLOGYVol119No.3Sept.,2006©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net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[4]2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...
