R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)分級(jí)燃燒室NOx排放試驗(yàn)研究

包文飛，李 明，牟 影，王巍龍

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽110043）

R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)分級(jí)燃燒室NOx排放試驗(yàn)研究

包文飛，李 明，牟 影，王巍龍

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽110043）

R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)是中國(guó)第1臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重型燃?xì)廨啓C(jī)，其燃燒室按照干式低排放（D ry Low N O x，D LN）原理設(shè)計(jì)，采用燃料徑向分級(jí)的燃燒技術(shù)。燃燒室設(shè)計(jì)包括2種分級(jí)燃燒模式，第Ⅰ模式為常規(guī)燃燒模式，第Ⅱ模式主要是針對(duì)N OX排放問題而設(shè)計(jì)的。2種燃燒模式試驗(yàn)研究結(jié)果表明:第Ⅱ模式較第Ⅰ模式在污染物排放方面有顯著降低，但2種模式均未滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做簡(jiǎn)要的闡述及分析，提出可采取調(diào)整各燃燒區(qū)的燃料分配比例、改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)等措施和建議，以進(jìn)一步改善燃燒室N OX排放特性。

重型燃機(jī)；均勻預(yù)混；分級(jí)燃燒技術(shù)；N OX排放：航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和排放標(biāo)準(zhǔn)的制定要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)必須降低氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）、未燃碳?xì)浠衔铮║HC）的排放[1]。世界發(fā)達(dá)國(guó)家燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)較為成熟，在降低污染物排放方面成效顯著，其中分級(jí)燃燒技術(shù)尤其是低NOX燃燒技術(shù)應(yīng)用廣泛，現(xiàn)已成功應(yīng)用于多種燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組[2]。

R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為逆流環(huán)管式結(jié)構(gòu)，采用燃料徑向分級(jí)燃燒技術(shù)，通過向每級(jí)燃燒區(qū)供入一定量的空氣和燃料，燃燒過程按照均勻預(yù)混可燃?xì)怏w的火焰?zhèn)鞑シ绞竭M(jìn)行，使燃燒溫度被限定在1800 K以下，進(jìn)而控制高負(fù)荷下的NOX生成量[3-4]。R0110重型燃機(jī)第Ⅰ模式為常規(guī)燃燒模式，環(huán)形區(qū)在整個(gè)工作范圍內(nèi)不熄火；第Ⅱ模式為減排放燃燒模式，環(huán)形區(qū)在特定狀態(tài)熄火，作為燃料預(yù)混室使用。2種燃燒模式各燃燒區(qū)燃料特性基本保持一致。為驗(yàn)證其燃燒室的NOX真實(shí)排放特性，該燃?xì)廨啓C(jī)研制完成后，在2006～2011年先后進(jìn)行了和第Ⅰ、Ⅱ模式單管試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：第Ⅱ模式的污染物排放比第Ⅰ模式的顯著降低。

本文研究了R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)在2種燃燒模式下的試驗(yàn)過程，通過對(duì)2種燃燒模式污染物排放結(jié)果進(jìn)行比較分析，提出進(jìn)一步改善燃燒室特性的措施和建議。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)包括空氣系統(tǒng)、天然氣供氣系統(tǒng)、試驗(yàn)件和測(cè)量系統(tǒng)。天然氣供氣系統(tǒng)如圖1所示，來自加溫爐的天然氣通過過濾器、V錐流量計(jì)測(cè)量后分為4路進(jìn)入燃燒室各燃料進(jìn)口，其中的3條支路都有流量測(cè)量裝置和流量調(diào)節(jié)控制閥，用以控制供入不同燃燒區(qū)的燃料流量；預(yù)燃室點(diǎn)火由于流量小，可通過穩(wěn)壓閥控制天然氣的壓力來保證流量，不做單獨(dú)測(cè)量。

圖1 天然氣供氣系統(tǒng)流程

圖2 采樣耙安裝位置

為了測(cè)量燃燒室排氣污染物的排放量，在試驗(yàn)件后端安裝了6支7點(diǎn)采樣耙，安裝位置如圖2所示。所需的樣氣通過采樣耙取得后混為1點(diǎn)，經(jīng)過保溫管引到測(cè)量?jī)x器即燃?xì)夥治鰞x，具體燃?xì)夥治隽鞒倘鐖D3所示。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 燃燒室結(jié)構(gòu)

R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)剖面如圖4所示。該燃燒室主要由環(huán)形區(qū)、均勻區(qū)、擴(kuò)散區(qū)，以及中心區(qū)、1級(jí)回流區(qū)和2級(jí)回流區(qū)等組成，火焰筒軸向布置2道文丘里式節(jié)流環(huán)，用于收緊火焰和產(chǎn)生回流，防止火焰筒壁溫超標(biāo)和環(huán)形區(qū)回火。

圖4 R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)剖面

環(huán)形區(qū)位于火焰筒頭部外側(cè)，其前壁板上裝有8個(gè)微型渦流器?；鹧嫱驳膬?nèi)、外壁和1級(jí)文丘里式節(jié)流環(huán)所組成的空間形成了環(huán)形區(qū)，燃料與空氣在該預(yù)混室內(nèi)充分混合，后經(jīng)1級(jí)文丘里式節(jié)流環(huán)產(chǎn)生回流后，與擴(kuò)散區(qū)的值班火焰相遇燃燒。均勻區(qū)位于火焰筒頭部?jī)?nèi)側(cè)，由中心旋流器、火焰筒內(nèi)壁和前壁板等組成。燃料在均勻區(qū)內(nèi)與空氣進(jìn)行短暫混合后，經(jīng)過中心旋流器的攪拌，與擴(kuò)散區(qū)的值班火焰相遇燃燒。

1.2.2 燃料分配過程

燃燒室點(diǎn)火成功后，隨著相對(duì)功率的升高，供入火焰筒不同燃燒區(qū)的燃料量也進(jìn)行調(diào)整。R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃料特性如圖5所示。燃燒室2種燃燒模式各區(qū)燃料流量配比，在整個(gè)升功率過程中基本一致，都需要2次調(diào)節(jié)燃料分配比例，分別為相對(duì)功率Ne＝0.3和0.7。2種燃燒模式區(qū)別在于第Ⅱ模式在相對(duì)功率Ne＝0.4之后的過程中，環(huán)形區(qū)熄火作為預(yù)混室使用，下面主要以第Ⅱ模式為例，介紹各燃燒區(qū)燃料在整個(gè)功率范圍內(nèi)的變化特性，具體如下：

圖3 燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)流程

圖5 R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃料特性

（1）相對(duì)功率Ne＝0～0.3：燃料全部進(jìn)入環(huán)形區(qū)，此時(shí)，僅環(huán)形區(qū)工作，燃燒方式為擴(kuò)散燃燒。

（2）相對(duì)功率Ne＝0.3。均勻預(yù)混區(qū)和擴(kuò)散區(qū)開始工作，此時(shí)，進(jìn)行第1次燃料分配，將3%的燃料供入擴(kuò)散區(qū)，35.3%的燃料供入均勻預(yù)混區(qū)，61.7%的燃料供入環(huán)形區(qū)，環(huán)形區(qū)和擴(kuò)散區(qū)均為擴(kuò)散燃燒，擴(kuò)散區(qū)火焰實(shí)質(zhì)是值班火焰，為功率進(jìn)一步提高做好準(zhǔn)備。

（3）相對(duì)功率Ne＝0.4。環(huán)形區(qū)熄火，作為燃料和空氣的預(yù)混室使用。此時(shí)，燃料分配比例保持不變，混合氣經(jīng)第1級(jí)文丘里式節(jié)流環(huán)產(chǎn)生回流后，由擴(kuò)散區(qū)值班火焰點(diǎn)燃，在中心區(qū)進(jìn)行燃燒，燃燒室開始由擴(kuò)散燃燒向預(yù)混燃燒轉(zhuǎn)換。

（4）相對(duì)功率Ne＝0.4～0.7。燃燒室按燃料特性曲線繼續(xù)提升相對(duì)功率，環(huán)形區(qū)的燃料量占主導(dǎo)地位。

（5）相對(duì)功率Ne＝0.7～1.0。燃料再次進(jìn)行重新分配，降低環(huán)形區(qū)燃料量的同時(shí)，增加均勻區(qū)的燃料量，保持燃料總量不變，最終完成整個(gè)燃燒方式的轉(zhuǎn)換。

從燃燒室的整個(gè)工作過程可知，在大功率狀態(tài)下，燃燒室是以大比例（預(yù)混占97%，擴(kuò)散占3%）的預(yù)混燃燒進(jìn)行工作，燃料和空氣的良好混合可使燃燒更加充分，燃?xì)饨?jīng)第1、2級(jí)文丘里式節(jié)流環(huán)產(chǎn)生回流后，增加了在火焰筒內(nèi)的駐留時(shí)間，有效地控制了污染物CO的生成；環(huán)形區(qū)的燃料與空氣的混合氣經(jīng)第1級(jí)文丘里式節(jié)流環(huán)產(chǎn)生回流后，與擴(kuò)散區(qū)值班火焰相遇燃燒，并與均勻預(yù)混區(qū)火焰共同組成中心火焰炬，在第Ⅱ模式下，環(huán)形區(qū)是熄火狀態(tài)，因此,其混合氣溫度較低，對(duì)中心火焰炬起到了冷卻的作用，使中心火焰炬燃燒溫度控制在特定的溫度區(qū)間內(nèi)，有效抑制污染物NOX的生成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 2種燃燒模式污染物排放結(jié)果及分析

燃燒室第Ⅰ、Ⅱ模式試驗(yàn)污染物排放結(jié)果見表1、2。從表中可見，第Ⅰ模式在整個(gè)功率范圍內(nèi)，燃燒效率都較高，CO、UHC等排放較低，在設(shè)計(jì)點(diǎn)基本檢測(cè)不到，但是NOX排放量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)為94.3 mg/N·m3（O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%折算法）；第Ⅱ模式燃燒效率在相對(duì)功率Ne＝0.4～0.5小功率狀態(tài)下較低，NOX的排放也較低，CO、UHC的排放較高，在Ne＝0.7以上功率狀態(tài)下燃燒效率較高，CO、UHC排放明顯降低，但是NOX的排放隨之升高，設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)為55.99 mg/N·m3（O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%折算值）。

表1 第Ⅰ模式燃燒室排氣污染試驗(yàn)結(jié)果

表2 第Ⅱ模式燃燒室排氣污染試驗(yàn)結(jié)果

從燃燒室整個(gè)工作過程分析，在小功率工作狀態(tài)下，燃料與空氣預(yù)混后在主燃區(qū)分布比較均勻，燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，從化學(xué)反應(yīng)速率角度來講，燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度減慢（即燃燒速率降低），因此，部分燃料還未來得及燃燒就離開了燃燒室，使燃燒效率下降，CO、UHC的排放較高[6]。對(duì)于NOx排放特性，在第Ⅱ模式下，除相對(duì)功率Ne＝0.7的燃料調(diào)整外，其余狀態(tài)基本符合DLN燃燒室的工作準(zhǔn)則。而試驗(yàn)結(jié)果表明：在相對(duì)功率Ne＝0～0.7的過程中，NOx排放較小。正是因?yàn)橄鄬?duì)功率Ne＝0.7的燃料調(diào)整后，才導(dǎo)致了NOx排放的逐步升高，最終超出設(shè)計(jì)要求，這與環(huán)形區(qū)和均勻區(qū)燃料量的改變有直接關(guān)系。

從燃燒室的結(jié)構(gòu)上分析，R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室雖然采用了燃料分級(jí)和稀相預(yù)混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但在來流空氣湍流度、預(yù)混距離等方面存在不足。第Ⅱ模式環(huán)形區(qū)雖然有了足夠的空間來實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的均勻預(yù)混，但是，8個(gè)微型旋流器位于燃料噴嘴的下游，且與燃料噴嘴距離很近，這對(duì)來流空氣湍流度的強(qiáng)化和預(yù)混距離的延長(zhǎng)很不利。均勻區(qū)有著同樣的弊端，并且預(yù)混空間比GE公司的DLN燃燒室的小很多，很難實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的完美混合，第2次的燃料切換加重了此因素的負(fù)面影響。

2.2 改善NOx排放的措施和建議

通過分析認(rèn)為，調(diào)整好各區(qū)之間的燃料比例是降低NOx排放的首選措施。從燃料分配中可見，R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室在模式Ⅱ下，相對(duì)功率Ne＝1.0時(shí)，擴(kuò)散區(qū)的值班燃料、預(yù)混較差的均勻區(qū)燃料和環(huán)形區(qū)的稀相預(yù)混燃料比例分別為3%、58%和39%，而結(jié)構(gòu)與之相似的GE公司DLN-1燃燒室的3部分燃料比例則為2%、15%和83%，預(yù)混較差的均勻區(qū)燃料比例僅為15%，才實(shí)現(xiàn)了NOx排放<25 mg/N· m3（15%余氧狀態(tài)）的要求。R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室均勻區(qū)的燃料比例比DLN-1燃燒室的高3～4倍，使均勻區(qū)過量空氣系數(shù)過低，而變成預(yù)混室的環(huán)形區(qū)過量空氣系數(shù)又顯得過高。二者均偏出DLN燃燒室所要求的過量空氣系數(shù)為1.5～1.6的范圍。顯然，如將均勻區(qū)的部分燃料供給環(huán)形區(qū)，使2區(qū)的過量空氣系數(shù)相互接近或基本一致，有望進(jìn)一步降低NOx排放。此外，適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)均勻區(qū)的預(yù)混段，提高預(yù)混均勻性，增強(qiáng)環(huán)形區(qū)和均勻區(qū)的擾流進(jìn)而增加來流空氣的湍流強(qiáng)度，有望進(jìn)一步改善NOx排放特性。

3 結(jié)束語

在設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)，2種燃燒模式NOX排放量均超標(biāo)，雖然第Ⅱ模式NOX排放量比第Ⅰ模式的有明顯降低，但是仍然不能達(dá)到小于25 mg/N·m3（15%余氧狀態(tài)）的設(shè)計(jì)要求。這說明燃燒室的設(shè)計(jì)存在缺陷，除了要重新調(diào)整各燃燒區(qū)的燃料分配比例，在結(jié)構(gòu)上，環(huán)形區(qū)和均勻區(qū)的旋流器安裝位置不當(dāng)，造成燃燒室的來流空氣湍流強(qiáng)度與預(yù)混距離不夠等問題也是需要重新考慮的因素。

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Experimental Research on NOXEmission of Staged Combustor for R0110 Heavy-duty Gas Turbine

BAO Wen-fei,LI Ming,MOU Ying,WANG Wei-long
（AVIC Shenyang Limnig Aero-engine(Group)Co.Ltd.,Shenyang 110015,China）

The R0110 heavy-duty gas turbine is the first self-developed in China,which the combustor is designed according to the Dry Low NOx (DLN)principle.The fuel of the gas turbine was staged radially.Two kinds of staged combustion mode were included in combustor design,the modeⅠwas the routine mode and the modeⅡwas mainly designed for resolving the NOx emission.Test results for two kinds of combustion mode show that the modelⅡwas significantly reduced in pollutant emissions than the mode,but both modes did not meet the design requirements.Based on analysis of the test results briefly,the further measures and suggestions on reducing NOx emission are put forward that fuel distribution ratio in the various stages are adjusted and combustor structure is improved.

heavy-duty gas turbine;uniform premixed;staged combustion technology;NOx emission;aeroengine

包文飛（1971），男，高級(jí)工程師，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)整體性能及試驗(yàn)工作。

2012-12-18