基于駐渦穩(wěn)定的無焰燃燒室實驗研究

王 昆，臧 鵬，邢雙喜，房愛兵，崔玉峰，聶超群

（1.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100190；3.上海電氣電站技術(shù)研究與發(fā)展中心，上海 201612）

基于駐渦穩(wěn)定的無焰燃燒室實驗研究

王 昆1，2，臧 鵬3，邢雙喜1，房愛兵1，崔玉峰1，聶超群1

（1.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100190；3.上海電氣電站技術(shù)研究與發(fā)展中心，上海 201612）

本文通過將凹腔駐渦技術(shù)和無焰燃燒技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種基于凹腔駐渦的燃油無焰燃燒室，并對其進行了實驗研究。重點關(guān)注了空氣溫度、空氣流量、凹腔當量比和主當量比對無焰燃燒的形成和燃燒室污染物排放特性的影響。在實驗基礎(chǔ)上總結(jié)了航空發(fā)動機凹腔駐渦燃燒室形成無焰燃燒的條件，為該種燃燒室的設(shè)計提供依據(jù)。

無焰燃燒；凹腔駐渦；燃燒特性；航空發(fā)動機；低排放

隨著人類環(huán)保與健康意識的不斷增強，蓬勃發(fā)展的民航運輸業(yè)排放的NOx等高空污染物對于臭氧層的破壞日益引起人們的重視，為此國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）于2006年公布了CAEP6標準［1］。與2002年公布的CAEP2相比，CAEP6標準中NOx的排放數(shù)值降低了21%，針對民用航空發(fā)動機的NOx排放標準日益嚴格。因此，發(fā)展適用于民用航空發(fā)動機的低污染燃燒技術(shù)越來越緊迫。目前，適用于航空發(fā)動機的低污染燃燒技術(shù)主要包括：貧油預混預蒸發(fā)（LPP）［2－3］，富燃-猝熄-貧油燃燒（RQL）［4－5］，貧油直接噴射燃燒（LDI）［6］，雙環(huán)腔旋流預混燃燒（TAPS）［7－8］，無焰燃燒（FC）［9－12］和駐渦燃燒（TVC）［13－16］。

其中無焰燃燒是一種在高溫、低氧濃度、低燃料空氣當量比條件下產(chǎn)生不可見火焰的燃燒技術(shù)［17］。這種技術(shù)通常是采用大量回流的高溫燃氣與新鮮的空氣摻混，由于燃燒過程中氧氣濃度低，摻混效果好，因此能夠有效地降低NOx的產(chǎn)生，是一種很有發(fā)展前景的低污染燃燒技術(shù)。無焰燃燒最早源于英國帝國理工學院的Weinberg1971年提出的“超焓燃燒”的概念［17］，自從1991年Wunning首先在工業(yè)爐中實現(xiàn)了無焰燃燒［18］，國內(nèi)外針對無焰燃燒的基礎(chǔ)實驗研究和數(shù)值研究工作主要集中在工業(yè)爐領(lǐng)域［9－12］。燃氣輪機無焰燃燒技術(shù)的發(fā)展主要在2004年以后，并已經(jīng)取得了顯著的成果［15，19］。

無焰燃燒低污染排放的特點特別適合應(yīng)用于航空發(fā)動機領(lǐng)域，以滿足越來越嚴格的排放標準，但是以上研究主要是集中在氣體燃料［11，15］，針對以航空煤油為燃料的無焰燃燒技術(shù)的研究相對較少［19］。本文通過將駐渦燃燒技術(shù)和無焰燃燒技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了駐渦穩(wěn)定的無焰燃燒室，并開展了實驗研究，探討了影響航空煤油無焰燃燒形成的關(guān)鍵因素，為設(shè)計提供依據(jù)。

1 燃燒室結(jié)構(gòu)

Wunning［12］等人認為實現(xiàn)無焰燃燒需要滿足以下兩個條件：1）反應(yīng)物溫度必須超過自燃溫度；2）新鮮可燃物和高溫回流煙氣必須實現(xiàn)充分摻混。為滿足以上條件，本文設(shè)計了針對航空煤油為燃料的凹腔駐渦無焰燃燒室。圖1為本文模型燃燒室流場組織形式圖，與通常將高溫煙氣回注到空氣中實現(xiàn)二者充分混合以實現(xiàn)無焰燃燒的方法不同，該燃燒室通過將凹腔內(nèi)產(chǎn)生的高溫煙氣與頭部可燃物直接摻混來實現(xiàn)無焰燃燒，該方法有利于簡化燃燒室結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬證明該結(jié)構(gòu)具有實現(xiàn)無焰燃燒的可能［19］。大部分燃油和空氣從頭部噴入，同時在凹腔內(nèi)噴入部分空氣和燃油以產(chǎn)生高溫煙氣。凹腔內(nèi)產(chǎn)生的高溫煙氣流出凹腔與頭部空氣和燃油摻混，在火焰筒后部形成無焰燃燒。

凹腔內(nèi)部有4組（每組2根）周向空氣噴桿，每根噴桿上有3個小孔，凹腔前壁上有4個燃油噴嘴，同時在凹腔后壁上開有12個軸向空氣射流孔。中心體上開一個次凹腔，形成雙凹腔結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬證明，該結(jié)構(gòu)相對于單凹腔結(jié)構(gòu)更易實現(xiàn)無焰燃燒［19］。

燃燒室由進口流道、星體、中心體以及出口流道組成。如圖2所示，燃油由入口周向均勻布置的4個燃油噴嘴噴入，在凹腔前流道中蒸發(fā)、摻混。中心體的作用主要是使燃油空氣的混合物偏向凹腔，加強凹腔高溫燃氣與燃油空氣的摻混。星體主要作用是使后部產(chǎn)生強烈的湍流，加強凹腔高溫燃氣與燃油空氣的摻混。

2 實驗臺簡介

本實驗臺能夠提供壓力為0.8 MPa，流量為0.5 kg／s，溫度為670 K的壓縮空氣。實驗臺主要包括以下幾個系統(tǒng)：空氣供給系統(tǒng)，燃油供給系統(tǒng)，試驗段以及測量系統(tǒng)。實驗臺總體結(jié)構(gòu)如圖3所示?？諝饨?jīng)壓縮機壓縮進入換熱器，在換熱器內(nèi)與燃燒室排出的高溫煙氣換熱，預熱后的空氣經(jīng)過燃燒室前的整流段整流后進入燃燒室試驗段。燃油由柱塞泵單獨供給，在進入燃燒室前分為兩路，每路上安裝一個高壓調(diào)節(jié)閥控制該路的燃油流量。試驗段由試驗件、進氣穩(wěn)壓腔、機匣、出口測量段與觀察窗等組成，如圖4所示，從換熱器出來的預熱空氣，在進入試驗件燃燒之前，先進入穩(wěn)壓腔。穩(wěn)壓腔的作用主要是降低預熱空氣速度，使進入燃燒室的空氣速度場均勻。試驗段后部為帶觀察窗的排煙段，通過觀察窗能夠觀察到火焰筒內(nèi)的情況。試驗時，在觀察窗后部放置數(shù)碼攝像機，實時記錄燃燒室內(nèi)燃燒情況。

實驗過程中，進口溫度采用安裝在穩(wěn)壓腔頂部的K型鎧裝熱電偶測量。燃燒室出口溫度的測量如圖5所示，采用三只五點測溫耙子，每個耙子上有五個測點。污染物排放采用Testo350加強型煙氣分析儀測量，該分析儀CO和NO的體積分數(shù)量程皆為（0～5 000）×10－6（＠15%O2），精度均為±5× 10－6。本文中所有CO和NO數(shù)值皆為＠15%O2時的數(shù)據(jù)。

3 不同工況火焰形態(tài)變化

本文將空氣入口溫度視為混合物的溫度。燃燒室點火成功后，打開頭部噴嘴，保持凹腔的燃油量和總?cè)加土坎蛔?，通過改變?nèi)肟诳諝獾牧髁亢蜏囟妊芯繀⒖妓俣群蛽交鞙囟葘θ紵一鹧嫘螒B(tài)的影響規(guī)律，其中參考速度取燃燒室最大截面的平均速度，通過觀察攝像機中火焰形態(tài)確定是否達到了無焰燃燒狀態(tài)。

如上所述，無焰燃燒形成的前提條件是新鮮可燃物與高溫煙氣充分摻混且摻混后的溫度高于燃料的自燃溫度。本文實驗過程中表現(xiàn)出了相似的現(xiàn)象，圖6為燃燒室內(nèi)火焰形態(tài)隨入口空氣溫度和參考速度的變化。

當燃燒室入口空氣溫度低于450 K，參考速度低于10 m／s時，主燃區(qū)火焰以一個很低的頻率（4～5 Hz）熄滅、再點燃，這是由于隨著新鮮混合物被點燃導致空氣速度增加，當大于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r導致火焰被吹熄，新鮮混合物在燃燒室中周期性地呈現(xiàn)這種現(xiàn)象，如圖6所示，屬于爆燃區(qū)。當入口空氣溫度低于450 K，參考速度高于10 m／s時主燃區(qū)火焰會被吹熄，不能被點燃，此時燃燒室只能工作在圖6中所示的凹腔模式；隨著入口空氣溫度的增加，燃燒室的燃燒狀況逐步改善。

入口空氣溫度高于450 K時，燃燒室主燃區(qū)不再發(fā)生爆燃。由于入口空氣溫度升高，油霧快速蒸發(fā)，當燃燒室內(nèi)參考速度低于10 m／s時，由于混合物在頭部停留時間足夠長以至于被點燃，主噴嘴油霧附著在燃燒室頭部燃燒，火焰明顯處于中心體和頭部之間，見圖中右下方火焰形態(tài)。當溫度處于450～550 K之間，參考速度大于10 m／s時，混合物在頭部停留時間過短，摻混后的油氣混合物溫度不夠高到足以自燃，因此頭部火焰不穩(wěn)定，如圖6所示，導致出現(xiàn)頭部火焰被吹熄的現(xiàn)象。當入口空氣溫度高于550 K，參考速度高于10 m／s時，如圖6所示，頭部燃油在后部與凹腔高溫煙氣快速摻混燃燒，導致生成的火焰沒有明顯的火焰鋒面，達到無焰燃燒狀態(tài)。

4 參考速度對污染物排放的影響

燃燒室參考速度除了對壓力損失有直接影響外，還會影響燃燒室污染物排放。通常燃燒室的參考速度為12～20 m／s，參考速度越高，意味著空氣燃料在燃燒室內(nèi)停留時間越短，可能會引起燃燒不穩(wěn)定和燃燒不完全等問題。圖7為保持入口空氣溫度560 K和當量比0.33不變，不同空氣流量下燃燒室污染物排放特性。隨著參考速度的增加，燃料在燃燒室內(nèi)停留時間減小，NOx排放降低，CO排放增加。參考速度在16 m／s以下時，燃燒室CO和NOx的體積分數(shù)都控制在30×10－6（＠15%O2）以內(nèi)；當參考速度超過16 m／s時，燃燒室CO排放急劇增加，燃燒變得不穩(wěn)定。

5 總當量比對污染物排放的影響

在典型的擴散火焰中，CO和NOx的排放總是一對矛盾。在比較高的溫度下，有利于CO的完全燃盡，而高的燃燒溫度卻會導致熱力型NOx急劇增加。然而，對于無焰燃燒卻表現(xiàn)出了完全不同的規(guī)律。圖8為保持的入口空氣溫度為560 K，參考速度為12 m／s不變，污染物隨主當量比的變化曲線。如圖8所示，隨著當量比從0.22逐漸增加，CO的排放持續(xù)下降，而NOx的排放卻基本沒變化。當總當量比大于0.28時，CO和NOx的排放都可以維持在很低的水平，其體積分數(shù)為30×10－6（＠15%O2）以下。當燃燒室總當量比繼續(xù)增加時，CO排放仍會繼續(xù)下降，但NOx維持不變，這完全不同于典型的擴散火焰污染物排放特性。這是由于高溫煙氣與主流的摻混在避免了溫度峰值的同時降低了O2的濃度，抑制了NOx生成，因此即使在高當量比時，CO和NOx排放都能維持在很低的水平，發(fā)揮了無焰燃燒的優(yōu)勢。

6 凹腔當量比對污染物排放影響

高溫燃氣與主流可燃物的有效摻混對于無焰燃燒具有重要影響，本文中的燃燒室利用凹腔中產(chǎn)生的高溫煙氣實現(xiàn)無焰燃燒，因此凹腔當量比對污染物排放和無焰燃燒形成極其重要。當凹腔當量比太低時，高溫煙氣不足，在凹腔下游形成傳統(tǒng)的擴散燃燒；當凹腔當量比過高時，凹腔內(nèi)火焰溫度過高，會導致生成大量的“熱力型”NOx，不能充分發(fā)揮無焰燃燒的優(yōu)勢。因此凹腔當量比必須處于一定的區(qū)間之內(nèi)才能實現(xiàn)無焰燃燒。如圖9所示，在保持總當量比0.26，空氣溫度為560 K，參考速度為12 m／s時，隨著凹腔當量比的增加，燃燒室出口NOx排放先增大后減小，CO排放減少，燃燒室內(nèi)的燃燒狀況得到改善。當凹腔當量比處于0.4～0.5之間時NOx排放量最低，這與數(shù)值模擬結(jié)果一致［19］。

7 入口空氣溫度對無焰燃燒影響

如上所述，通過攝像機觀察火焰形態(tài)證明，入口空氣溫度大于550 K是燃燒室能夠達到無焰燃燒的必要條件之一。無焰燃燒狀態(tài)下燃燒室出口溫度分布必然非常均勻，因此燃燒室的出口徑向溫度分布情況可以從一個側(cè)面反映出燃燒室內(nèi)火焰是否達到無焰燃燒狀態(tài)。由于實驗條件限制，本文利用五點溫度探針耙子測量燃燒室出口溫度分布情況，近似表示出口溫度分布。如圖10所示，實驗中保持燃燒室參考速度為12 m／s和總當量比0.26不變，隨著燃燒室入口空氣溫度的增加，燃燒室出口溫度分布更加均勻。燃燒室徑向出口溫度分布隨著入口空氣溫度的變化趨勢，進一步說明了隨著入口空氣溫度的升高，燃燒室達到了無焰燃燒狀態(tài)。

8 結(jié)論

本文基于駐渦穩(wěn)定的無焰燃燒室進行了實驗研究，重點關(guān)注了燃燒室參考速度、入口空氣溫度、總當量比、燃油在主燃區(qū)和凹腔之間的分配比例對無焰燃燒性能以及污染物排放的影響。研究了基于駐渦穩(wěn)定的無焰燃燒室產(chǎn)生無焰燃燒的條件，為該種形式的燃燒室設(shè)計提供了依據(jù)并得到了以下結(jié)論：

1）基于駐渦穩(wěn)定的無焰燃燒形成的條件：在保持合理的凹腔當量比前提下，燃燒室入口空氣溫度高于550 K，燃燒室參考速度大于10 m／s。

2）駐渦穩(wěn)定的無焰燃燒室能夠在降低CO排放的同時，保持NOx排放基本不變，其污染物排放特性完全不同于擴散燃燒技術(shù)。

3）隨著凹腔當量比的增加，NOx排放先增大后減小，這是主燃區(qū)火焰溫度與氧氣濃度先后作用的結(jié)果。因此凹腔駐渦穩(wěn)定的燃燒室的NOx排放同時受到火焰溫度和氧氣濃度的影響。

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Experimental Study of Flameless Combustor based On Trapped-Vortex

WANG Kun1，2，ZANG Peng3，XING Shuang-xi1，F(xiàn)ANG Ai-bing1，CUIYu-feng1，NIE Chao-qun1
（1.Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；3.Shanghai electric power technology research and Development Center，Shanghai201612，China）

In this paper，experimental study is carried outon a liquid flameless combustor，which is designed based on the idea ofmaking use ofboth trapped-vortex technology and flameless combustion technology.During the experiment，emphasis is placed on the influence of inlet air temperature，air flow rate，equivalence radio of reentrant and main equivalence，aiming to study the condition under which flameless combustion will take place and the combustion characteristic of the combustor.The conclusionmay be useful for designing a flameless combustor.

flameless combustion；trapped-vortex；combustion characteristic；aircraft engine；low emission

V231.2

A

1009-2889（2014）03-0014-05