一種貧油燃燒室進(jìn)口溫度和壓力對污染物排放影響的試驗(yàn)研究

郭凱，馬鑫，馬存祥，鄧遠(yuǎn)灝，徐華勝

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

一種貧油燃燒室進(jìn)口溫度和壓力對污染物排放影響的試驗(yàn)研究

郭凱，馬鑫，馬存祥，鄧遠(yuǎn)灝，徐華勝

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

以一種中心分級的貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)單頭部燃燒室為研究對象，通過模擬不同燃燒室進(jìn)口溫度和壓力，研究其對污染物排放的影響。結(jié)果表明，燃燒室進(jìn)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(shù)據(jù)的最佳擬合，得到了NOx發(fā)散指數(shù)與進(jìn)口溫度和壓力之間的預(yù)估關(guān)系式，并利用已有的單頭部燃燒室返場與巡航狀態(tài)及三頭部扇形燃燒室爬升與起飛狀態(tài)的NOx排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行了驗(yàn)證。

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)；低排放燃燒室；貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室；進(jìn)口工作參數(shù)；污染物發(fā)散指數(shù)；預(yù)估關(guān)系式

1 引言

隨著全球航空運(yùn)輸事業(yè)的迅猛發(fā)展及人們環(huán)境保護(hù)意識的逐漸增強(qiáng)，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的限制也越來越嚴(yán)厲。就NOx而言，CAEP6標(biāo)準(zhǔn)對其排放的限制與CAEP1標(biāo)準(zhǔn)相比累計(jì)提高了48%[1]。為使民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)滿足越來越嚴(yán)厲的污染物排放限制，國外一些學(xué)者和機(jī)構(gòu)，已針對燃燒過程污染物生成影響因素及污染物排放預(yù)估關(guān)系式開展了研究，并取得一定成果。

Lafebvre[2，3]的早期研究結(jié)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?dú)獾难趸溆绊懸蛩匕ㄈ紵疫M(jìn)口空氣溫度和壓力、在燃燒室的停留時(shí)間、燃油霧化顆粒度等，并給出了NOx、CO、UHC的發(fā)散指數(shù)關(guān)系式。Rizk等[4，5]改進(jìn)了Lefebvre的預(yù)測關(guān)系式，提出了包含燃油液滴蒸發(fā)時(shí)間項(xiàng)的NOx發(fā)散指數(shù)關(guān)系式。Odgers等[6]提出了針對氣動(dòng)霧化噴嘴的NOx發(fā)散指數(shù)關(guān)系式。Lewis[7]提出了針對貧油均勻燃燒的NOx生成關(guān)系式。Tacina等[8]根據(jù)UEET計(jì)劃對許多發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了污染性能試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析和處理，得到了NOx與燃燒室工作狀態(tài)的關(guān)系式。

以上的經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)排放預(yù)估關(guān)系式，大多針對頭部采用富油、擴(kuò)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(yù)估精度不足。本文針對中心分級部分貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒室，通過設(shè)計(jì)不同進(jìn)口溫度和壓力條件下的試驗(yàn)，來研究燃燒室進(jìn)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(jìn)口溫度和壓力狀態(tài)下預(yù)估精度較好的NOx排放關(guān)系式。

2 試驗(yàn)及測試方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件

試驗(yàn)在中國燃?xì)鉁u輪研究院高溫高壓燃燒室試驗(yàn)器上進(jìn)行。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、冷卻器、電加溫器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)最大壓力3.3 MPa，最高溫度841 K。

單頭部燃燒室試驗(yàn)件由前、中、后三段組成。試驗(yàn)件前段為燃燒室進(jìn)氣段，與氣源連接；中段是燃燒段，主要由頭部、火焰筒和機(jī)匣組成；后段為水冷測量段，主要用于壓力、溫度及燃?xì)饨M分測量。該燃燒室屬于帶值班級和主燃級的貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)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(yù)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(yàn)工況

圖2所示為本試驗(yàn)所使用的燃?xì)獠蓸臃治鰷y試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用全成分法燃?xì)獠蓸臃治鰷y試方法對燃?xì)庵械奈廴疚锍煞旨昂窟M(jìn)行采樣分析，試驗(yàn)測試方法符合ICAO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[9]。同時(shí)，試驗(yàn)件進(jìn)口處設(shè)置兩支總溫總壓復(fù)合測量耙及兩個(gè)靜壓測點(diǎn)，用于測量燃燒室進(jìn)口氣流參數(shù)；燃燒室出口處設(shè)置總壓測量耙、總溫測量耙及燃?xì)馊影?，分別用于燃?xì)饪倝骸⒖倻販y量及燃?xì)馊印?/p>

為研究燃燒室進(jìn)口溫度和壓力對污染物排放的影響，試驗(yàn)狀態(tài)包含三個(gè)不同進(jìn)口溫度點(diǎn)，每個(gè)進(jìn)口溫度點(diǎn)又包含五個(gè)不同進(jìn)口壓力點(diǎn)，共十五個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)(表1)。為排除其它變量影響，各試驗(yàn)狀態(tài)的油氣比、副油百分?jǐn)?shù)、燃燒室壓降等參數(shù)固定不變。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 進(jìn)口工作參數(shù)對燃燒效率的影響

圖3示出了由試驗(yàn)結(jié)果得到的不同進(jìn)口溫度下燃燒效率與進(jìn)口壓力的關(guān)系，每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)下的燃燒效率均超過0.999 00。隨著進(jìn)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(dāng)進(jìn)口空氣壓力由995 kPa增加到1 798 kPa時(shí)，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(jìn)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(yàn)對大工況條件進(jìn)行模擬。

3.2 進(jìn)口工作參數(shù)對CO及UHC排放的影響

圖4為不同進(jìn)口溫度下CO發(fā)散指數(shù)EICO和UHC發(fā)散指數(shù)EIUHC與進(jìn)口壓力的關(guān)系曲線。由于燃燒效率隨進(jìn)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(yàn)狀態(tài)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(rèn)為，高進(jìn)口溫度和壓力下的EICO、EIUHC可通過降溫降壓模擬試驗(yàn)得到。

3.3 進(jìn)口工作參數(shù)對NOx排放的影響

圖5為不同進(jìn)口溫度下NOx發(fā)散指數(shù)EINOx與進(jìn)口壓力的關(guān)系曲線，圖6為不同進(jìn)口壓力下EINOx與

進(jìn)口溫度的關(guān)系曲線?？梢?，隨著進(jìn)口空氣溫度和壓力的升高，EINOx明顯升高。以T3=600 K為例，當(dāng)p3由995 kPa增加到1 798 kPa時(shí)，EINOx從8.64升高到12.19，增大了41.1%；以p3=1 800 kPa為例，當(dāng)T3由600 K升高到800 K時(shí)，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(yàn)的NOx排放結(jié)果經(jīng)過修正才能得到實(shí)際進(jìn)口工作參數(shù)條件下的NOx排放數(shù)據(jù)，因此須構(gòu)建EINOx與進(jìn)口溫度和壓力的預(yù)估關(guān)系式。

3.4 EINOx擬合關(guān)系式

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，構(gòu)造EINOx與進(jìn)口溫度和壓力的關(guān)系式，用于修正降溫降壓模擬試驗(yàn)的NOx排放數(shù)據(jù)，從而利用其對高溫高壓條件下的NOx排放特性進(jìn)行合理預(yù)估。

本文采用最小二乘原理[10]對NOx排放數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。由于數(shù)據(jù)總量較少，在參考國外已有研究成果[2～8]的基礎(chǔ)上，選定擬合關(guān)系式的目標(biāo)形式為：

通過運(yùn)算，最終得到擬合預(yù)估關(guān)系式：

圖7為最終得到的擬合預(yù)估關(guān)系式曲線。

為驗(yàn)證所擬合的綜合預(yù)估關(guān)系式的準(zhǔn)確程度，用已有的單頭部燃燒室返場與巡航狀態(tài)和三頭部扇

形燃燒室爬升與起飛狀態(tài)的NOx排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖7中的紅點(diǎn))，與預(yù)估關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，各狀態(tài)點(diǎn)EINOx的預(yù)估誤差分別為12.4%、20.9%、13.7%及3.3%。由此可見，所得的預(yù)估關(guān)系式對高進(jìn)口溫度和壓力條件下的NOx排放具有較好的預(yù)估精度。

4 結(jié)論

(1)燃燒室進(jìn)口工作參數(shù)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(guān)系密切，因此燃燒室進(jìn)口工作參數(shù)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(yàn)對大工況條件下的CO、UHC排放進(jìn)行模擬。

(2)燃燒室內(nèi)NOx的生成機(jī)理與燃燒室進(jìn)口溫度和壓力的關(guān)系密切，隨著進(jìn)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(yàn)的NOx排放結(jié)果必須進(jìn)行修正，才能獲得較準(zhǔn)確的大工況條件下的NOx排放數(shù)據(jù)。

(3)通過對十五個(gè)不同進(jìn)口溫度、壓力條件下的NOx排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和最佳擬合，得到的NOx排放預(yù)估/修正關(guān)系式，對于高溫高壓狀態(tài)下的NOx排放預(yù)測精度較好，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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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(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室的研發(fā)工作。