航空發(fā)動(dòng)機(jī)單頭部低污染燃燒室試驗(yàn)研究

賈林培，羅謙

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中三大核心部件之一，功能是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成燃?xì)獾臒崮埽湫阅艿暮脡闹苯佑绊懞娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能[1]，因此研制出一種燃燒效率高、流動(dòng)阻力小、工作狀態(tài)穩(wěn)定、點(diǎn)火可靠、低污染排放、出口溫度高且分布合理的高熱容、高性能燃燒室是當(dāng)今航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中一項(xiàng)十分重要的任務(wù)[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的排放與燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、噴嘴的霧化與蒸發(fā)、燃燒情況、燃料種類和燃燒室的運(yùn)行工況等參數(shù)密切相關(guān)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用航空煤油作為燃料，其燃燒污染物含塵量和含硫量都可以忽略不計(jì)，所以，航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要燃燒污染物有未燃碳?xì)浠衔?UHC)、CO、NOx和冒煙等[3-4]。這些有害物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)與燃燒室內(nèi)氣流溫度、燃油霧化摻混以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等有關(guān)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)下各種污染物排放情況如圖1所示，其中在低功率狀況下CO和UHC體積分?jǐn)?shù)最大，隨著推力的增加，燃燒效率逐漸增加，CO和UHC體積分?jǐn)?shù)下降；相反，氧化氮NOx體積分?jǐn)?shù)在低功率時(shí)較小，而在大狀態(tài)時(shí)，隨著燃燒溫度的增加，NOx達(dá)到最大值[5-7]。因此污染物CO和NOx的體積分?jǐn)?shù)是一對(duì)矛盾體，同時(shí)獲得較低CO和NOx排放需要綜合考慮，因此對(duì)于單頭部燃燒室的污染物排放必須要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染特性

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本文對(duì)某一單頭部矩形燃燒室進(jìn)行燃燒性能試驗(yàn)研究。該單頭部矩形燃燒室主要結(jié)構(gòu)有擴(kuò)壓器、燃燒室機(jī)匣、電嘴、雙路燃油噴嘴、火焰筒以及旋流器等。

為了測(cè)量某單頭部矩形燃燒室燃燒性能與污染物排放特性，首先設(shè)計(jì)了單頭部燃燒室高溫高壓燃燒試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)[8]，如圖2所示，并進(jìn)行了相應(yīng)的加工與裝配，實(shí)物如圖3所示。整套試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括前測(cè)量段、燃燒試驗(yàn)段、后測(cè)量段、水冷段、噴水冷卻段、高溫高壓閥門(mén)以及波紋管等。從壓氣機(jī)出來(lái)的高壓氣體先經(jīng)高壓氣罐進(jìn)行穩(wěn)壓后，經(jīng)高壓管道分別流經(jīng)渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)，經(jīng)流量校準(zhǔn)測(cè)量后，進(jìn)入電加溫器，由電加溫器直接加熱到試驗(yàn)所需求的進(jìn)口總溫。高溫高壓空氣進(jìn)入前測(cè)量段，通過(guò)前測(cè)量段上布置的單點(diǎn)熱電偶、單點(diǎn)靜壓管及3個(gè)單點(diǎn)總壓管分別測(cè)量其進(jìn)口總溫、進(jìn)口靜壓和進(jìn)口總壓，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口空氣高壓閥門(mén)開(kāi)度，滿足進(jìn)口空氣流量要求；接著高溫高壓氣體進(jìn)入燃燒試驗(yàn)室進(jìn)行噴油燃燒，通過(guò)調(diào)節(jié)燃油閥門(mén)開(kāi)度，滿足進(jìn)口噴入的燃油流量。燃燒后的高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)入后測(cè)量段，經(jīng)后測(cè)量段上的取樣耙和總溫耙，分別測(cè)量得到出口截面上的4點(diǎn)出口總壓、1個(gè)出口總溫和8點(diǎn)出口燃?xì)獬煞帧Ｈ細(xì)饬鹘?jīng)水冷段和噴水冷卻段降溫到600℃以下，從而滿足后面高溫高壓閥門(mén)長(zhǎng)期工作溫度的要求。通過(guò)調(diào)節(jié)高溫高壓閥門(mén)的開(kāi)關(guān)來(lái)建立燃燒室中所需的工作壓力，經(jīng)過(guò)高壓閥門(mén)后的燃?xì)庋杆俳禐槌海偻ㄟ^(guò)一段高溫波紋管和一個(gè)偏心法蘭連接段與大氣罐相連，在大氣罐中經(jīng)過(guò)噴水冷卻與處理后，流經(jīng)煙窗，排入大氣。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

1) 數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)需要同時(shí)測(cè)量燃燒室的進(jìn)口氣流參數(shù)和出口燃?xì)鈪?shù)。主要包括3個(gè)進(jìn)口總壓、1個(gè)進(jìn)口總溫、1個(gè)進(jìn)口靜壓、4個(gè)出口總壓、1個(gè)出口總溫和8個(gè)出口燃?xì)獬煞帧Ｔ趯?duì)前5個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都是將熱電偶或壓力變送器的信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)PCI-1002板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在計(jì)算機(jī)中使用自編程軟件將溫度和壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成實(shí)際的溫度和壓力，并進(jìn)行儲(chǔ)存(1秒鐘存儲(chǔ)3個(gè)數(shù)據(jù))。而出口燃?xì)獬煞衷跍y(cè)量?jī)x器前要通過(guò)相應(yīng)的閥門(mén)轉(zhuǎn)換，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同取樣點(diǎn)燃?xì)獬煞莸臏y(cè)量。

為了保證燃燒室出口燃?xì)獾娜訙囟葷M足CAEP標(biāo)準(zhǔn)要求，在取樣氣體的管路上布置了1個(gè)K型熱電偶，對(duì)取樣氣體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)燃?xì)鉁囟炔粷M足CAEP樣氣溫度要求時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)取樣耙上冷卻水的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)樣氣溫度低于60℃，則減少取樣耙上冷卻水流量，從而提高樣氣溫度；當(dāng)樣氣溫度高于160℃，則增大取樣耙上冷卻水流量，從而降低樣氣溫度，最終保證燃?xì)馊託怏w的溫度滿足CAEP標(biāo)準(zhǔn)要求。

2) 出口燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)

經(jīng)取樣耙取出的燃?xì)猓紫冗M(jìn)入帶保溫的樣氣流通管道，以保證取出的樣氣在流通管道中溫度基本保持不變。如果是中間取樣耙取出的燃?xì)馐紫纫?jīng)過(guò)三通閥門(mén)：一股進(jìn)入總壓測(cè)量的壓力變送器，另外一股接入保溫管道，而1/4處取樣耙取出的樣氣則直接進(jìn)入保溫管道，分別流入兩段電加溫保溫段。該保溫段通過(guò)電加溫方式，能夠?qū)θ〕龅臉託膺M(jìn)行加溫，如圖4所示。UHC氣體分析要求的保溫溫度為160℃，而氣體分析要求的保溫溫度為65℃，樣氣通過(guò)保溫管道和兩條電加溫保溫段，從而保證了進(jìn)入氣體分析儀的樣氣溫度滿足CAEP6標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)量要求。

圖4 樣氣保溫系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)中使用的煙氣分析儀為XGF-404型氣體分析儀，其中核心模塊為德國(guó)西門(mén)子公司的U23紅外氣體連續(xù)分析模塊、F6測(cè)定碳?xì)浠衔锟偤康臍怏w分析模塊和C6熱導(dǎo)氣體分析模塊。U23可以測(cè)定被測(cè)氣體中CO、CO2、O2、NO、CH4的體積分?jǐn)?shù)，F(xiàn)6可以測(cè)定UHC的體積分?jǐn)?shù)，C6可以測(cè)定H2的體積分?jǐn)?shù)。其中由于CO、NO和UHC的體積分?jǐn)?shù)很小，因此氣體分析儀中這兩種氣體成分的單位為‰，即體積分?jǐn)?shù)的千分之一。但是CO、NO和UHC的體積分?jǐn)?shù)表示該進(jìn)口條件下試驗(yàn)結(jié)果，為使試驗(yàn)結(jié)果更具意義，將其試驗(yàn)測(cè)量得到的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為EI指標(biāo)。具體的轉(zhuǎn)換關(guān)系根據(jù)CAEP6標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)成的計(jì)算公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體公式為：

EI(CO)=

EI(HC)=

EI(NO)=

式中：

其中：MHC=16.043g；MCO=28.011g；MNO=30.008g；Mc=12.001g；MH=1.008g；T=0.0003；x=1；y=4；n=12；m=23。

根據(jù)上述計(jì)算公式，把從氣體分析儀測(cè)量得到的CO、NO和UHC的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為EI值。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)階段，調(diào)節(jié)進(jìn)口總壓和進(jìn)口總溫，并且保證進(jìn)口空氣流量比較小時(shí)，控制油氣比0.02左右進(jìn)行噴油點(diǎn)火。待點(diǎn)火成功后，穩(wěn)定燃燒，然后再調(diào)節(jié)空氣流量、進(jìn)口總壓、進(jìn)口總溫和燃油流量。當(dāng)進(jìn)口參數(shù)均穩(wěn)定并且滿足某一個(gè)試驗(yàn)工況的進(jìn)口參數(shù)時(shí)，進(jìn)行燃燒室該工況條件下的進(jìn)口參數(shù)(進(jìn)口空氣流量、進(jìn)口總壓、進(jìn)口靜壓、進(jìn)口總溫以及進(jìn)口燃油流量)、出口參數(shù)(出口總壓)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，而污染物排放數(shù)據(jù)通過(guò)氣體分析儀進(jìn)行測(cè)量。該工況測(cè)量全部完成后，關(guān)油熄火，并關(guān)電加溫器開(kāi)始降溫，試驗(yàn)系統(tǒng)的溫度冷卻到一定范圍后，再關(guān)閉氣源以及相關(guān)的冷卻水，從而完成一個(gè)試驗(yàn)工況的污染排放測(cè)量。同時(shí)本文對(duì)單頭部矩形燃燒室在不同狀態(tài)下的污染物排放特性的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

試驗(yàn)研究了6種進(jìn)口油氣比對(duì)單頭部燃燒室燃燒性能的影響，試驗(yàn)中保證進(jìn)口空氣溫度為145℃，空氣質(zhì)量流量為160g/s，進(jìn)口空氣壓力為200kPa，進(jìn)口油氣比分別為0.007、0.01、0.014、0.018、0.022、0.025。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在污染物排放試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量燃燒室的出口燃?xì)庵蠳Ox、CO、CO2、UHC、H2、O2、CH4等氣體的體積分?jǐn)?shù)、進(jìn)出口總壓與靜壓、進(jìn)口總溫、進(jìn)口燃油流量和進(jìn)口空氣流量，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出總壓損失系數(shù)、燃燒效率以及污染物EI指標(biāo)等參數(shù)。

在給定進(jìn)口空氣流量和進(jìn)口空氣溫度條件下，通過(guò)改變?nèi)加土髁縼?lái)調(diào)節(jié)進(jìn)口油氣比。本文分別研究了6種不同油氣比對(duì)單頭部燃燒室燃?xì)獬煞趾腿紵实鹊挠绊?圖5-圖11)。

圖5 EICO與油氣比的關(guān)系圖

圖6 EINO與油氣比的關(guān)系圖

圖7 NO體積分?jǐn)?shù)與油氣比的關(guān)系圖

圖8 EIUHC與油氣比的關(guān)系圖

圖9 CO2體積分?jǐn)?shù)與油氣比的關(guān)系圖

圖10 O2體積分?jǐn)?shù)與油氣比的關(guān)系圖

圖11 燃燒效率與油氣比的關(guān)系圖

由圖5可以看出，隨著油氣比的增大，EICO的變化趨勢(shì)為先減小后增加再減小。因?yàn)樵谛∪加土髁織l件時(shí)，只打開(kāi)了副油路，隨著油氣比的增加，燃油霧化效果逐漸變好，燃燒更充分，燃燒效率提高，CO轉(zhuǎn)換為CO2，因此CO占比逐漸減小。當(dāng)燃油流量上升到一定值后，主油路打開(kāi)，此時(shí)主油路燃油流量很少，霧化很差，燃燒效率較差，因此CO體積分?jǐn)?shù)較高。隨著油氣比的繼續(xù)增大，主油路的燃油流量逐漸增加，霧化逐漸變好， CO體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始逐漸降低。由圖6和圖7可知，隨著油氣比的增加，EINO逐漸降低，而NO體積分?jǐn)?shù)升高。因?yàn)殡S著油氣比增加，燃燒溫度增加，熱力NO生成量增大，因此生成的NO體積分?jǐn)?shù)逐漸增加；雖然出口中NO的體積分?jǐn)?shù)在逐漸升高，但是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入燃燒室的燃油量也在增多，因此單位燃油量產(chǎn)生的EINO反而降低。圖8中的EIUHC逐漸降低，因?yàn)殡S著油氣比的增大，燃燒室內(nèi)燃油反應(yīng)更加充分，所以UHC量逐漸降低。由圖9和圖10可知，CO2的體積分?jǐn)?shù)上升，而O2的體積分?jǐn)?shù)下降。因?yàn)殡S著油氣比的增大，燃燒室內(nèi)的燃油量逐漸增多，燃燒所消耗的O2量逐漸增大，而進(jìn)口空氣量不變，所以CO2的體積分?jǐn)?shù)上升，O2的體積分?jǐn)?shù)下降。圖11為根據(jù)燃?xì)夥治龇ㄓ?jì)算出的燃燒效率，燃燒效率隨油氣比的變化規(guī)律與CO的變化規(guī)律相反，因?yàn)槲慈紵a(chǎn)物中CO體積分?jǐn)?shù)相比UHC和CH4等，要大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此燃燒效率主要受CO體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律的影響，所以燃燒效率的變化規(guī)律與CO體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律相反。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)單頭部矩形燃燒室高壓條件下燃燒性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了不同的油氣比對(duì)污染物排放的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在給定進(jìn)口空氣壓力、進(jìn)口空氣流量和進(jìn)口溫度的條件下， CO、NO和未燃碳?xì)涞奈廴疚锱欧胖笜?biāo)隨著油氣比的增大而降低，但是NO體積分?jǐn)?shù)由于燃燒溫度的增加越來(lái)越大，燃燒效率隨著油氣比變化規(guī)律與CO的變化規(guī)律基本一致。