中心分級(jí)燃燒室燃燒性能試驗(yàn)研究

劉威 王成軍 于雷 鄭順 曾文

摘要：針對(duì)中心分級(jí)燃燒室在常壓下燃燒性能，分別進(jìn)行不同進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣速度和油氣比對(duì)值班級(jí)單獨(dú)工作以及值班級(jí)與主燃級(jí)共同工作時(shí)的燃燒性能試驗(yàn)，獲得在一定實(shí)驗(yàn)條件下的燃燒規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：值班級(jí)單獨(dú)工作時(shí)隨著進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣速度增加，點(diǎn)火特性更好;值班級(jí)與主燃級(jí)同時(shí)工作時(shí)，進(jìn)氣速度的增加對(duì)燃燒的影響不大;當(dāng)進(jìn)氣溫度增加時(shí)對(duì)燃燒較好;隨著油氣比的增加，CO和切IC排放有所增加，出口溫度增加。

關(guān)鍵詞：中心分級(jí)燃燒室;值班級(jí);主燃級(jí);油氣比;旋流器;燃燒性能

中圖分類號(hào)：V231.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）09-0149-07

收稿日期：2018-11-07;收到修改稿日期：2019-03-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51476106）

作者簡(jiǎn)介：劉威（1993-），男，遼寧葫蘆島市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)。

通信作者：王成軍（1967-），男，遼寧沈陽(yáng)市人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒科學(xué)與測(cè)試技術(shù)。

0 引言

隨著燃?xì)廨啓C(jī)的快速發(fā)展，高推重比高溫升燃燒室必將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。燃燒室的油氣比、溫升提高，這對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)提出更高的要求。傳統(tǒng)上提高燃燒室推重比直接的做法是保持其結(jié)構(gòu)不變，增加其燃油量，但燃油量升高就會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)的冒煙問(wèn)題，解決冒煙問(wèn)題可以重新分配燃燒室的流量比，讓主燃區(qū)的油氣比變小，但這又會(huì)使燃燒室的貧油熄火特性變差[1-3]。所以采用特定的多級(jí)旋流的頭部結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效燃燒的目的以及拓寬燃燒穩(wěn)定工作范圍，從近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展來(lái)看，采用中心分級(jí)旋流組織燃燒技術(shù)可以滿足設(shè)計(jì)需求，在1979～1993年間美國(guó)的Mongia研發(fā)了數(shù)個(gè)高溫升燃燒室，都使用多級(jí)旋流燃燒技術(shù)，且燃燒室各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求[4]。

美國(guó)GE公司研發(fā)的由離心噴嘴和雙級(jí)旋流器所組成的雙旋流霧化噴嘴已經(jīng)是一種相當(dāng)成熟的技術(shù)。在近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，國(guó)外學(xué)者比如EL-Kady等[5]從燃燒機(jī)理方面探究了雙級(jí)旋流器的性能及機(jī)理。Mansour等[6]進(jìn)行了多級(jí)燃燒室的油霧場(chǎng)的試驗(yàn)研究，并做了其相關(guān)冷態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值仿真。國(guó)內(nèi)大多數(shù)的研究都以工程運(yùn)用為目的，如林宇震等[7-8]分別研究了雙級(jí)旋流器的霧化、結(jié)構(gòu)和燃燒性能。何小民等[9-10]進(jìn)行三級(jí)旋流器在高溫升燃燒室相關(guān)燃燒性能試驗(yàn)，研究成果進(jìn)一步證明了雙級(jí)旋流器在高推重比燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的可行性。

中心分級(jí)燃燒室頭部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般為：頭部包含值班級(jí)與主燃級(jí)兩級(jí)，其結(jié)構(gòu)同軸布置。為了使燃油跟空氣更加均勻混合，在主燃級(jí)部分使用多點(diǎn)噴射方式供油，并在具有一定長(zhǎng)度的預(yù)混裝置中蒸發(fā)，與旋流空氣混合，充分霧化;值班級(jí)為一種雙旋流的空氣霧化噴嘴;研究設(shè)計(jì)火焰筒結(jié)構(gòu)并未開(kāi)設(shè)主燃孔。

研究中心分級(jí)燃燒室見(jiàn)文獻(xiàn)[11]，試驗(yàn)研究燃燒室在常壓下，不同進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣速度和不同油氣比條件下，燃燒室的火焰特性、點(diǎn)火特性、出口溫度特性、排放特性和燃燒效率特性。

1 試驗(yàn)件模型、試驗(yàn)系統(tǒng)及方案參數(shù)

1.1 試驗(yàn)件模型

試驗(yàn)燃燒室如圖1所示。為方便研究，將燃燒室簡(jiǎn)化為單頭部矩形結(jié)構(gòu)。旋流器基本結(jié)構(gòu)特征：值班級(jí)為旋流杯式結(jié)構(gòu)，采用一種文氏管與套筒相匹配的雙級(jí)徑向旋流器結(jié)構(gòu)，使用單油路壓力霧化噴嘴;主燃級(jí)則使用環(huán)形的預(yù)混通道式結(jié)構(gòu)，通過(guò)主燃級(jí)的氣流在預(yù)混通道中會(huì)形成旋流，能增強(qiáng)燃料蒸發(fā)及油氣混合。值班級(jí)和主燃級(jí)都屬于徑向旋流器，其結(jié)構(gòu)為同心軸排列，最外側(cè)直徑相等;中心分級(jí)旋流器試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其旋流器中的值班級(jí)第一、二級(jí)、主燃級(jí)流量分配分別為：7.7%，11%，81.3%，其有效流通面積分別為134mm²、181mm²、1373mm²。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，主要包括供油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、試驗(yàn)燃燒室和測(cè)量控制系統(tǒng)等。供油系統(tǒng)包括油泵、油濾和各種控制閥門(mén)等，通過(guò)調(diào)節(jié)回路回油流量，以獲得穩(wěn)定測(cè)試所需要的油量;進(jìn)氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、除濕過(guò)濾器、儲(chǔ)氣耀及加溫器等，空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后，經(jīng)過(guò)除濕、過(guò)濾、穩(wěn)壓和加溫器等進(jìn)入燃燒室試驗(yàn)件。

油路流量采用渦輪流量計(jì)來(lái)計(jì)量，測(cè)量精度為讀數(shù)的±5%;氣路流量測(cè)試采用熱式氣體流量計(jì)來(lái)計(jì)量，精度為滿量程的±5%;燃燒室進(jìn)口總壓采用精度為±0.5%壓力傳感器;燃燒室進(jìn)口總溫分采用精度小于±20C的電阻式熱電偶測(cè)得;燃燒室出口總壓采用水冷式壓力傳感器，其精度為±0.5%，出口溫度采用9點(diǎn)溫度耙，取9點(diǎn)的溫度平均值進(jìn)行計(jì)算，其精度小于±2℃;燃燒室出口的CO、UHC、CO₂等成分采用Testo350型煙氣分析儀進(jìn)行取樣測(cè)量;火焰圖像采用攝像進(jìn)行錄制，然后分析每一幀火焰特點(diǎn)。

為了便于試驗(yàn)觀察，將燃燒室簡(jiǎn)化成矩形結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)燃燒室由3部分組成，分別為火焰筒、冷卻通道和燃燒室頭部，如圖4所示。火焰筒壁面裝有點(diǎn)火電嘴，并設(shè)置若干排冷卻小孔，燃燒室頭部為中心分級(jí)旋流器和進(jìn)氣腔。空氣穩(wěn)流室由進(jìn)氣腔、集氣腔和均流管等構(gòu)成。

1.3 方案參數(shù)

試驗(yàn)探討的是基于中心分級(jí)燃燒室的旋流器值班級(jí)及主燃級(jí)對(duì)燃燒室燃燒性能的影響，文獻(xiàn)[12]優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)的匹配對(duì)燃燒性能的影響作用，最優(yōu)結(jié)構(gòu)值班級(jí)的1，2級(jí)旋流器分別采用順時(shí)針一逆時(shí)針旋向，主燃級(jí)采用逆時(shí)針旋向，其安裝角分別為45°、45°、60°。本文在上述結(jié)論基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，首先分析預(yù)燃級(jí)單獨(dú)工作時(shí)火焰燃燒特性、點(diǎn)火特性、燃燒效率及排放特性，之后分析值班級(jí)及主燃級(jí)共同工作時(shí)燃燒室的燃燒特性[13-16]。試驗(yàn)中的油氣比由改變?nèi)紵业娜加土縼?lái)控制，其中燃燒火焰及點(diǎn)火通過(guò)燃燒室側(cè)面的玻璃窗觀察記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 值班級(jí)單獨(dú)工作時(shí)燃燒性能

2.1.1 常溫與預(yù)熱時(shí)火焰特性

圖5為在常壓下，常溫與預(yù)熱實(shí)驗(yàn)條件下的燃燒火焰圖像?？汕逦闯觯诔貙?shí)驗(yàn)下，燃燒火焰發(fā)暗，而在空氣經(jīng)過(guò)預(yù)熱后火焰發(fā)亮區(qū)域明顯較大。燃燒火焰較暗說(shuō)明在燃燒的過(guò)程中有大量的炭黑生成，反應(yīng)不充分。可以得出在值班級(jí)單獨(dú)工作時(shí)進(jìn)氣溫度較高條件下燃燒更好。

2.1.2 點(diǎn)火特性

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室點(diǎn)火特性是燃燒室燃燒的重要性能[17-19]，點(diǎn)火油氣比的計(jì)算公式如下：其中m_fuel為點(diǎn)火時(shí)燃油質(zhì)量，m_air為點(diǎn)火時(shí)空氣質(zhì)量。

圖6為點(diǎn)火油氣比隨進(jìn)氣速度的變化曲線?？梢钥闯?，在進(jìn)口溫度為298K時(shí)，隨著進(jìn)氣速度從10m/s增加到40m/s，點(diǎn)火油氣比從0.024降低到0.021，減少了0.003：在進(jìn)口溫度為473K時(shí)，隨著進(jìn)氣速度從10m/s增加到40m/s，點(diǎn)火油氣比從0.021減少到0.016。得出進(jìn)氣速度增加，燃燒室的點(diǎn)火油氣比減小，但減小的幅度不大。在進(jìn)口溫度為298 K時(shí)點(diǎn)火油氣比在0.024左右，在進(jìn)口溫度473K時(shí)，點(diǎn)火油氣比0.020左右;相同進(jìn)氣速度時(shí)，當(dāng)進(jìn)氣溫度從298K增加至473K，點(diǎn)火油氣比均降低，降低的幅度大約為20%，可以看出進(jìn)氣溫度的增加對(duì)點(diǎn)火性能有明顯的影響，即進(jìn)氣溫度的增加有利于燃燒室的點(diǎn)火，并且試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)進(jìn)氣速度從10m/s增至40m/s時(shí)，燃燒室總壓損失從3%增加到5%，說(shuō)明隨著進(jìn)氣速度的增加，燃燒室總壓損失變大，由于燃燒室頭部進(jìn)氣氣流量對(duì)點(diǎn)火性能有重要作用，進(jìn)氣速度增加，通過(guò)頭部氣流量變大，這對(duì)旋流器霧化有增強(qiáng)作用，同時(shí)總壓損失變大，說(shuō)明燃燒室內(nèi)油氣混合性也在變好，對(duì)于點(diǎn)火有利，但是進(jìn)氣速度增加，頭部局部油氣當(dāng)量比降低，對(duì)點(diǎn)火不利，所以導(dǎo)致當(dāng)進(jìn)氣速度增加點(diǎn)火性能會(huì)變好，但是變好趨勢(shì)不明顯的重要原因。

2.1.3 油氣比變化對(duì)燃燒性能影響

試驗(yàn)中采用燃?xì)夥治龇ㄐｒ?yàn)燃燒室燃燒效率。其原理為燃料燃燒時(shí)理論發(fā)熱量減去燃燒時(shí)產(chǎn)物中未完全燃燒可燃成分的化學(xué)能，再比上理論發(fā)熱量。計(jì)算公式為：其中，[]內(nèi)為各成分容積濃度。

進(jìn)氣溫度為473K，進(jìn)氣速度為20m/s條件下，改變值班級(jí)油氣比f(wàn)分別為0.015、0.018、0.019、0.020。圖7～圖9分別給出了旋流器值班級(jí)單獨(dú)工作時(shí)不同油氣比時(shí)火焰圖像、CO成分、UHC成分、燃燒效率和出口溫度的變化曲線。從圖中可看出，隨著油氣比的增加，火焰長(zhǎng)徑比在變大，并且火焰發(fā)亮區(qū)域在變大，說(shuō)明在增加油氣比的過(guò)程中組織燃燒在變好;燃?xì)庵蠧O成分、UHC成分的變化趨勢(shì)都在相應(yīng)增加，在燃燒室中生成UHC、CO的影響因素基本相同，分析其主要原因?yàn)樵诖嗽O(shè)計(jì)的工況下，雖然隨著燃油量的增大，燃燒室內(nèi)燃燒有變好的趨勢(shì)，但隨著燃燒室燃油繼續(xù)增加，其主燃區(qū)的油氣比狀態(tài)會(huì)變?yōu)楦挥蜖顟B(tài)，增加的燃油會(huì)吸收燃燒的熱量，降低燃燒溫度，導(dǎo)致燃燒速率和效率下降，產(chǎn)生較多的CO、UHC;出口溫度變化趨勢(shì)相應(yīng)的也在增加，不過(guò)增加的范圍很小，其溫度值大約在690K左右;燃燒效率則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，這是由于在燃燒室進(jìn)口參數(shù)一定時(shí)，燃燒的充分程度主要是取決于其油氣比，燃油量較多或較少都會(huì)導(dǎo)致燃燒效率降低。

2.2 值班級(jí)與主燃級(jí)同時(shí)工作時(shí)對(duì)燃燒性能的影響

2.2.1 進(jìn)氣速度變化對(duì)燃燒性能的影響

圖10～圖11分別給出在油氣比為0.025，進(jìn)氣溫度為473K時(shí)，值班級(jí)與主燃級(jí)共同工作，進(jìn)氣速度為20m/s、25m/s、30m/s和35m/s時(shí)CO成分、UHC成分、燃燒效率和出口溫度的變化曲線。從這些圖中可看出，隨著進(jìn)氣速度增加，燃?xì)庵蠧O成分和UHC成分兩者趨勢(shì)不同，CO成分遠(yuǎn)大于UHC成分，燃燒效率（介于93%～96%）和出口溫度（介于800～900K）都較高但是都呈下降的趨勢(shì)。原因是一方面進(jìn)氣速度的增加，雷諾數(shù)增加，氣流湍流強(qiáng)度增加，油氣混合效果增加，同時(shí)氣流速度的增加也增加了作用在油珠表面的氣流的氣動(dòng)力，以及流經(jīng)值班級(jí)1，2級(jí)兩級(jí)旋向相反的的氣流剪切力增強(qiáng)，均會(huì)增強(qiáng)旋流器霧化強(qiáng)度，這有助于提高燃燒效率，使得燃燒更充分。另一方面隨著進(jìn)氣速度的增加燃料在燃燒室中停留的時(shí)間變短，一部分燃料在能夠完全燃燒之前就被排出，這對(duì)燃燒室的燃燒是不利的。

2.2.2 進(jìn)氣溫度變化對(duì)燃燒性能的影響

當(dāng)油氣比為0.025，進(jìn)氣速度為25m/s，改變進(jìn)氣溫度分別373K、473K、573K和673K。如圖12～圖13所示為CO成分、UHC成分、燃燒效率和出口溫度的變化曲線。從圖中可看出，隨著進(jìn)氣溫度增加，燃?xì)庵蠧O成分和UHC成分都有所減少，兩者變化趨勢(shì)相似;燃燒效率有所增加，從92.5%增加到95.2%;出口溫度也相應(yīng)增高，大約從860K增加到1000K。這是由于進(jìn)氣溫度增加，有利于噴嘴與文示管處燃油霧化蒸發(fā)，更加有助于旋流器氣流與燃油進(jìn)行霧化摻混，從而增加了燃油燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度及火焰?zhèn)鞑ニ俣?，有助于燃油的充分燃燒從而抑制CO的生成，也會(huì)使得未完全燃燒的燃料排出燃燒室的機(jī)率變小，UHC的排放減少，燃燒效率增加，出口溫度增高。

2.2.3 油氣比變化對(duì)燃燒性能影響

當(dāng)進(jìn)氣溫度473K，進(jìn)氣速度為25m/s條件下，改變油氣比f(wàn)分別為0.018、0.025、0.029、0.032。如圖14～圖16所示分別為火焰燃燒圖像、CO成分、UHC成分、燃燒效率、出口溫度變化曲線?？梢钥闯?，油氣比增大條件下，火焰長(zhǎng)徑比增大，與值班級(jí)單獨(dú)工作時(shí)相比，火焰要大一些，而且顏色明顯不同，黃色變亮區(qū)域范圍增加，說(shuō)明試驗(yàn)研究下隨主燃級(jí)燃油流量的增加燃燒越來(lái)越充分，這主要是由于主燃級(jí)進(jìn)行擴(kuò)散燃燒時(shí)的燃油量在增加，產(chǎn)生較高的油氣比，使燃油通過(guò)旋流器的油氣混合性、霧化效果更強(qiáng)，燃燒室內(nèi)油氣分布較為均勻?qū)е?燃?xì)庵蠻HC成分隨著燃油量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而CO則呈現(xiàn)一直增加的趨勢(shì)，這是由于在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室進(jìn)行燃燒時(shí)，隨其燃油工況的增加，所進(jìn)行的擴(kuò)散燃燒與預(yù)混燃燒的燃油比重不同，也有可能CO與UHC受冷卻氣粹息的影響不同導(dǎo)致的。出口溫度隨油氣比變化有所增加，從燃燒的火焰圖中也明顯的看出隨著油氣比的增加燃燒更充分必會(huì)導(dǎo)致出口溫度的增加;燃燒效率一直在增加但增加的趨勢(shì)變化不大，大約在91%，而傳統(tǒng)燃燒室燃燒效率高達(dá)99.9%，本試驗(yàn)明顯較低，其主要因?yàn)槿r下的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒是高溫高壓下進(jìn)行的，而本次研究的設(shè)計(jì)工況則在常溫常壓下進(jìn)行，所以致使本次試驗(yàn)的研究結(jié)果較低。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)單.頭部矩形中心分級(jí)燃燒室燃燒性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得了不同進(jìn)氣參數(shù)及油氣比分別對(duì)值班級(jí)單獨(dú)工作時(shí)和值班級(jí)與主燃級(jí)共同工作時(shí)燃燒性能影響，主要結(jié)論如下：

1）值班級(jí)單獨(dú)工作時(shí)，隨著進(jìn)氣速度和溫度的增加，燃燒室點(diǎn)火油氣比變小，說(shuō)明點(diǎn)火范圍變寬，進(jìn)口溫度為298K和473K時(shí)，各速度下的油氣比分別為0.024和0.020左右，進(jìn)氣溫度越高越有助于燃燒室點(diǎn)火;燃?xì)庵蠧O、UHC隨著燃油流量的增加都在相應(yīng)的增加，出口溫度也一直在增加，燃燒效率有所降低。

2）值班級(jí)與主燃級(jí)共同工作時(shí)，當(dāng)進(jìn)氣溫度增加時(shí)對(duì)燃燒影響效果明顯，溫度越高，各性能越好，燃燒充分;進(jìn)氣速度增加，UHC成分、出口溫度、燃燒效率都在降低;隨著油氣比的增加，火焰長(zhǎng)徑比在增大，相比于值班級(jí)單獨(dú)工作時(shí)燃燒火焰較好，并且燃?xì)釩O成分在增加，UHC成分略微降低，出口溫度與燃燒效率都在增大，燃燒性能較好。

3）試驗(yàn)中將燃燒室扇形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成矩形結(jié)構(gòu)，這對(duì)燃燒室的流場(chǎng)及燃燒性能都會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)還存在單頭部燃燒室側(cè)壁的影響，在實(shí)際情況中應(yīng)當(dāng)采用三頭部環(huán)形燃燒室進(jìn)行研究效果更好。

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（編輯：商丹丹）