一種貧油燃燒室進口溫度和壓力對污染物排放影響的試驗研究

郭凱，馬鑫，馬存祥，鄧遠灝，徐華勝

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

一種貧油燃燒室進口溫度和壓力對污染物排放影響的試驗研究

郭凱，馬鑫，馬存祥，鄧遠灝，徐華勝

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

以一種中心分級的貧油預混預蒸發單頭部燃燒室為研究對象，通過模擬不同燃燒室進口溫度和壓力，研究其對污染物排放的影響。結果表明，燃燒室進口溫度和壓力升高對CO、UHC的生成影響相對較小，但對NOx的生成影響很大。通過對排放數據的最佳擬合，得到了NOx發散指數與進口溫度和壓力之間的預估關系式，并利用已有的單頭部燃燒室返場與巡航狀態及三頭部扇形燃燒室爬升與起飛狀態的NOx排放試驗數據，對其進行了驗證。

民用航空發動機；低排放燃燒室；貧油預混預蒸發燃燒室；進口工作參數；污染物發散指數；預估關系式

1 引言

隨著全球航空運輸事業的迅猛發展及人們環境保護意識的逐漸增強，民用航空發動機的污染物排放問題已越來越受到重視，國際民航組織(ICAO)對航空發動機污染物排放的限制也越來越嚴厲。就NOx而言，CAEP6標準對其排放的限制與CAEP1標準相比累計提高了48%[1]。為使民用航空發動機滿足越來越嚴厲的污染物排放限制，國外一些學者和機構，已針對燃燒過程污染物生成影響因素及污染物排放預估關系式開展了研究，并取得一定成果。

Lafebvre[2，3]的早期研究結果表明，燃燒過程中NOx的生成絕大部分來源于高溫高壓下空氣中氮氣的氧化，其影響因素包括燃燒室進口空氣溫度和壓力、在燃燒室的停留時間、燃油霧化顆粒度等，并給出了NOx、CO、UHC的發散指數關系式。Rizk等[4，5]改進了Lefebvre的預測關系式，提出了包含燃油液滴蒸發時間項的NOx發散指數關系式。Odgers等[6]提出了針對氣動霧化噴嘴的NOx發散指數關系式。Lewis[7]提出了針對貧油均勻燃燒的NOx生成關系式。Tacina等[8]根據UEET計劃對許多發動機進行了污染性能試驗，通過對試驗數據的綜合分析和處理，得到了NOx與燃燒室工作狀態的關系式。

以上的經驗/半經驗排放預估關系式，大多針對頭部采用富油、擴散燃燒類型的燃燒室建立，因此對于中心分級的貧油燃燒室的污染物排放，預估精度不足。本文針對中心分級部分貧油預混預蒸發(LPP)燃燒室，通過設計不同進口溫度和壓力條件下的試驗，來研究燃燒室進口溫度和壓力對污染物排放的影響，最終建立針對該型燃燒室高進口溫度和壓力狀態下預估精度較好的NOx排放關系式。

2 試驗及測試方法

2.1 試驗設備及試驗件

試驗在中國燃氣渦輪研究院高溫高壓燃燒室試驗器上進行。整個試驗系統包括燃油系統、冷卻器、電加溫器和數據采集處理系統。該試驗設備設計最大壓力3.3 MPa，最高溫度841 K。

單頭部燃燒室試驗件由前、中、后三段組成。試驗件前段為燃燒室進氣段，與氣源連接；中段是燃燒段，主要由頭部、火焰筒和機匣組成；后段為水冷測量段，主要用于壓力、溫度及燃氣組分測量。該燃燒室屬于帶值班級和主燃級的貧油預混預蒸發燃燒室，頭部值班級由單級渦流器和離心噴嘴組成，主燃級由兩級渦流器和預膜式空氣霧化噴嘴組成。圖1為燃燒室頭部照片。

2.2 測試方法及試驗工況

圖2所示為本試驗所使用的燃氣采樣分析測試系統。該系統采用全成分法燃氣采樣分析測試方法對燃氣中的污染物成分及含量進行采樣分析，試驗測試方法符合ICAO相關標準規定[9]。同時，試驗件進口處設置兩支總溫總壓復合測量耙及兩個靜壓測點，用于測量燃燒室進口氣流參數；燃燒室出口處設置總壓測量耙、總溫測量耙及燃氣取樣耙，分別用于燃氣總壓、總溫測量及燃氣取樣。

為研究燃燒室進口溫度和壓力對污染物排放的影響，試驗狀態包含三個不同進口溫度點，每個進口溫度點又包含五個不同進口壓力點，共十五個試驗狀態(表1)。為排除其它變量影響，各試驗狀態的油氣比、副油百分數、燃燒室壓降等參數固定不變。

3 試驗結果分析

3.1 進口工作參數對燃燒效率的影響

圖3示出了由試驗結果得到的不同進口溫度下燃燒效率與進口壓力的關系，每個狀態點下的燃燒效率均超過0.999 00。隨著進口空氣溫度和壓力的升高，燃燒效率僅小幅增大。以T3=600 K為例，當進口空氣壓力由995 kPa增加到1 798 kPa時，燃燒效率從0.999 57升高到0.999 86，僅增大了0.029%。由此可見，進口空氣的溫度和壓力對燃燒效率的影響較小。因此可用降溫降壓模擬試驗對大工況條件進行模擬。

3.2 進口工作參數對CO及UHC排放的影響

圖4為不同進口溫度下CO發散指數EICO和UHC發散指數EIUHC與進口壓力的關系曲線。由于燃燒效率隨進口空氣溫度和壓力的升高有微小升高，所以EICO和EIUHC呈下降趨勢。但由于各試驗狀態下的燃燒效率都在0.999 00以上，CO和UHC的絕對濃度都很低，因此溫度和壓力對二者的影響較小。由此可認為，高進口溫度和壓力下的EICO、EIUHC可通過降溫降壓模擬試驗得到。

3.3 進口工作參數對NOx排放的影響

圖5為不同進口溫度下NOx發散指數EINOx與進口壓力的關系曲線，圖6為不同進口壓力下EINOx與

進口溫度的關系曲線。可見，隨著進口空氣溫度和壓力的升高，EINOx明顯升高。以T3=600 K為例，當p3由995 kPa增加到1 798 kPa時，EINOx從8.64升高到12.19，增大了41.1%；以p3=1 800 kPa為例，當T3由600 K升高到800 K時，EINOx從12.19升高到18.70，增大了53.4%，因此T3、p3對NOx排放的影響不容忽視。降溫降壓模擬試驗的NOx排放結果經過修正才能得到實際進口工作參數條件下的NOx排放數據，因此須構建EINOx與進口溫度和壓力的預估關系式。

3.4 EINOx擬合關系式

對試驗數據進行分析和處理，構造EINOx與進口溫度和壓力的關系式，用于修正降溫降壓模擬試驗的NOx排放數據，從而利用其對高溫高壓條件下的NOx排放特性進行合理預估。

本文采用最小二乘原理[10]對NOx排放數據進行擬合。由于數據總量較少，在參考國外已有研究成果[2～8]的基礎上，選定擬合關系式的目標形式為：

通過運算，最終得到擬合預估關系式：

圖7為最終得到的擬合預估關系式曲線。

為驗證所擬合的綜合預估關系式的準確程度，用已有的單頭部燃燒室返場與巡航狀態和三頭部扇

形燃燒室爬升與起飛狀態的NOx排放試驗數據(圖7中的紅點)，與預估關系式的計算結果進行對比。結果顯示，各狀態點EINOx的預估誤差分別為12.4%、20.9%、13.7%及3.3%。由此可見，所得的預估關系式對高進口溫度和壓力條件下的NOx排放具有較好的預估精度。

4 結論

(1)燃燒室進口工作參數對燃燒效率的影響較小，而CO和UHC主要來源于燃料的不完全燃燒，與燃燒效率關系密切，因此燃燒室進口工作參數對于這兩種污染物的生成影響不大，可用降溫降壓模擬試驗對大工況條件下的CO、UHC排放進行模擬。

(2)燃燒室內NOx的生成機理與燃燒室進口溫度和壓力的關系密切，隨著進口溫度和壓力的提高，NOx的生成量顯著增加。因此采用降溫降壓模擬大工況試驗的NOx排放結果必須進行修正，才能獲得較準確的大工況條件下的NOx排放數據。

(3)通過對十五個不同進口溫度、壓力條件下的NOx排放數據進行分析和最佳擬合，得到的NOx排放預估/修正關系式，對于高溫高壓狀態下的NOx排放預測精度較好，具有一定的工程應用價值。

[1]Yamamoto T，Shimodairak，Kurosawa Y，et al.Investiga?tions of a Staged Fuel Nozzle for Aero-Engines by Multi-Sector Combustor Test[R].ASME GT2010-23206，2010.

[2]Lefebvre A H.Gas Turbine Combustion[M].New York：Hemisphere Publishing Corporation，1983.

[3]Lefebvre A H.Fuel Effects on Gas Turbine Combustion Liner Temperature,Pattern Factor,and Pollutant Emis?sions[J].Journal of Aircraft，1984，21(11)：887—898.

[4]Rizk N K，Mongia H C.Semi-Analytical Correlations for NOx,CO and UHC Emissions[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1993，115：612—619.

[5]Rizk N K，Mongia H C.Emissions Predictions of Different Gas Turbine Combustors[R].AIAA 94-0118，1994.

[6]Odgers J，Kretschmer D.The Prediction of ThermalNOxin Gas Turbines[R].ASME 85-1GT-126，1985.

[7]Lewis G D.A New Understanding ofNOxFormation[R].IS?ABE 91-7061，1991.

[8]Tacina R，Mao C P，Wey C.Experimental Investigation of a Multiplex Fuel Injector Module with Discrete Jet Swirl?ers for Low Emission Combustors[R].AIAA 2004-0135，2004.

[9]International Civil Aviation Organization，International Standards and Recommended Practices：Environment Pro?tection，Annex16-to the Convention on International Civil Aviation，Vol.II-Aircraft Engine Emissions[S].Third Edi?tion.2008.

[10]梁晉文，陳玲才，何貢.誤差理論與數據處理[M].北京：中國計量出版社，2001.

Experimental Research of the Influence of Inlet Pressure and Temperature on Pollutant Emissions for an Inter-Staged Lean Combustor

GUO Kai，MA Xin，MA Cun-xiang，DENG Yuan-hao，XU Hua-sheng
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Experimental investigations were carried out to study the influence of inlet operation parameters (inlet temperature and pressure)on pollutant emissions for an inter-staged lean-premixed combustor by simulating different inlet temperature and pressure.The results show that the inlet temperature and pressure have little effect on CO and UHC emissions;however,they have great effect onNOxemission.Ultimately,by doing data reduction and analysis,one satisfactory correlations ofEINOxwith inlet temperature and pressure was got and was validated by theNOxemission data of take-off and climb conditions for sector combustor.

civil aero-engine；low emission combustor；lean premixed pre-vaporized(LPP)combustor；inlet operation parameters；pollutant emission index；correlations

V231.2+5

：A

：1672-2620(2014)01-0028-04

2013-06-06；

：2014-02-24

郭凱(1986-)，男，陜西寶雞人，碩士，助理工程師，主要從事民用航空發動機低排放燃燒室的研發工作。