旋流器值班級(jí)葉片安裝角對(duì)燃燒室燃燒性能的影響

(沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，沈陽 110136)

1 引言

高溫升、高比熱容、低污染是燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的重要發(fā)展方向。由于采用普通旋流器已很難滿足高油氣比下燃燒室具有低污染排放性能的要求，需研發(fā)一種新的燃燒室旋流器組合方案來保證燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室有較寬的工作范圍、高的燃燒效率[1-3]。為此已有很多專家開展了研究，如Mongia[4]對(duì)于溫升超過1 200 K 的燃燒室設(shè)計(jì)了一種中心分級(jí)組織燃燒模式的三級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)，能滿足燃燒室高效燃燒要求，拓寬穩(wěn)定燃燒工作范圍，且燃燒室各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，解決了一系列難題。

針對(duì)三級(jí)旋流器技術(shù)國(guó)外開展了大量的研究，并取得豐碩成果。如Lazik等[5]對(duì)三級(jí)旋流器燃燒室的流場(chǎng)性能進(jìn)行了研究，獲得了不同三級(jí)旋流器的流場(chǎng)特性，說明合理設(shè)計(jì)旋流器可以改善流場(chǎng)性能。Li 等[6]采用PIV 技術(shù)對(duì)頭部不同氣動(dòng)參數(shù)的三級(jí)旋流器下燃燒室的流場(chǎng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同氣動(dòng)參數(shù)旋流器對(duì)燃燒室回流區(qū)具有明顯的影響。Mansour 等[7]試驗(yàn)研究了三級(jí)旋流器燃燒室的油霧場(chǎng)分布，同時(shí)對(duì)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明三級(jí)旋流技術(shù)對(duì)燃燒室霧化后燃油分布及所形成流場(chǎng)具有重要作用。在國(guó)內(nèi)，王成軍等[8]數(shù)值模擬研究了三級(jí)旋流器燃燒室的貧油熄火特性，并采用PIV 技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明旋流器油氣比及所形成回流區(qū)對(duì)燃燒性能有重大影響。蔣波等[9]采用PIV 技術(shù)對(duì)三級(jí)旋流器所形成回流區(qū)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示回流區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)受內(nèi)級(jí)和外級(jí)旋流器旋流數(shù)共同作用影響，且存在最佳匹配方式。王智勇等[10]針對(duì)某型低污染燃燒室排放在不同預(yù)燃級(jí)結(jié)構(gòu)下展開試驗(yàn)，研究表明預(yù)燃級(jí)的合理組合設(shè)計(jì)對(duì)改善燃燒性能有重要作用。高偉偉等[11]采用數(shù)值模擬方法研究了高溫升燃燒室在不同旋流器特征參數(shù)下的燃燒性能，表明旋流器旋流數(shù)可以直接影響燃燒室的燃燒性能。趙自強(qiáng)等[12]試驗(yàn)研究了不同旋流數(shù)組合和不同進(jìn)口雷諾數(shù)下的流場(chǎng)特性，表明回流區(qū)形狀與旋流數(shù)組合方案有密切聯(lián)系。張中飛等[13]基于中心分級(jí)高溫升燃燒室在三級(jí)旋流器下對(duì)貧油熄火特性開展研究，得出旋流器葉片安裝角對(duì)貧油熄火性能影響顯著。劉愛虢等[14]開展了三級(jí)旋流器在不同葉片安裝角組合匹配方案下的燃燒性能試驗(yàn)，表明合理的旋流數(shù)匹配方案對(duì)燃燒室點(diǎn)火、排放與燃燒性能影響顯著。

綜上可發(fā)現(xiàn)，旋流器葉片安裝角對(duì)整個(gè)燃燒室燃燒性能起關(guān)鍵性作用。為進(jìn)一步研究旋流器葉片安裝角對(duì)燃燒室燃燒的影響，本文在前期研究[15]的基礎(chǔ)上，常壓下試驗(yàn)研究了不同油氣比時(shí)，旋流器值班級(jí)葉片安裝角對(duì)中心分級(jí)燃燒室貧油熄火特性、燃燒火焰特性、排放特性、出口溫度特性、燃燒效率特性的影響。

2 試驗(yàn)件模型及試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)件模型

圖1 中心分級(jí)燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Centrally-staged combustor structure

所研究燃燒室為單頭部矩形結(jié)構(gòu)，見圖1?；鹧嫱查L(zhǎng)288.0 mm、寬120.0 mm、高120.0 mm；火焰筒上下壁面各開設(shè)有3 個(gè)直徑19.0 mm 的摻混孔和均勻分布的900 個(gè)直徑1.5 mm 的冷卻孔；試驗(yàn)燃燒室具體尺寸見文獻(xiàn)[15]。燃燒室氣量分配為：頭部進(jìn)氣59%，摻混孔15%，其他26%。圖2給出了旋流器結(jié)構(gòu)特征及其剖面圖。值班級(jí)采用雙旋流等徑旋流杯式結(jié)構(gòu)，其中心處為單油路壓力霧化噴嘴；主燃級(jí)采用預(yù)混通道式結(jié)構(gòu)，共設(shè)置了30 個(gè)直射射流噴嘴，通過主燃級(jí)的氣流在預(yù)混通道中形成周向旋流。值班級(jí)第1、第2 級(jí)葉片流量分別為7.7%和11.0%，有效流通面積分別為134 mm2和181 mm2；主燃級(jí)流量分配為81.3%，有效流通面積為1 373 mm2。燃燒室試驗(yàn)段由火焰筒、冷卻通道和燃燒室頭部三部分組成?；鹧嫱脖诿嫜b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?？諝夥€(wěn)流室由進(jìn)氣腔、集氣腔和均流管等構(gòu)成。

圖2 旋流器結(jié)構(gòu)Fig.2 Swirler structure

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

燃燒室試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、測(cè)量控制系統(tǒng)和試驗(yàn)燃燒室等，見圖3。進(jìn)氣系統(tǒng)包括除濕過濾器、空氣壓縮機(jī)、加溫器與儲(chǔ)氣罐等，空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后，經(jīng)過除濕、過濾、穩(wěn)壓和加溫器等進(jìn)入燃燒室。供油系統(tǒng)包括油泵、油濾和各種控制閥門等，通過調(diào)節(jié)回路回油流量，以獲得穩(wěn)定測(cè)試所需的油量。供油系統(tǒng)的油路流量采用測(cè)量精度為讀數(shù)的i 5%的渦輪流量計(jì)計(jì)量。氣路流量測(cè)試采用精度為滿量程的i 5%的熱式氣體流量計(jì)計(jì)量。燃燒室進(jìn)口總壓采用精度為i 0.5%的壓力傳感器測(cè)量，進(jìn)口總溫采用精度小于i 2℃的電阻式熱電偶測(cè)量，燃燒室出口總壓采用精度為i 0.5%的水冷式壓力傳感器測(cè)量，出口溫度采用設(shè)置在燃燒室出口的9點(diǎn)溫度耙測(cè)量，取9點(diǎn)溫度的平均值，其精度小于i 2℃；使用Testo350 型煙氣分析儀測(cè)量燃燒室排放的CO、UHC、CO2、O2等；采用攝像技術(shù)對(duì)火焰進(jìn)行錄制，記錄火焰圖像。為了便于觀察，在矩形燃燒室側(cè)面開設(shè)了石英玻璃觀察窗。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過程中，只開值班級(jí)，不開主燃級(jí)，旋流器葉片角度具體方案見表1，且主要研究燃燒室的貧油熄火特性、燃燒火焰特性、排放特性、出口溫度特性和燃燒效率特性。油氣比通過改變?nèi)紵业娜加土靠刂?。試?yàn)點(diǎn)火燃燒后，緩慢減少供油量直至熄火，記錄熄火時(shí)的燃油質(zhì)量流量及空氣質(zhì)量流量，計(jì)算貧油熄火油氣比。為確保數(shù)據(jù)可信度，各個(gè)熄火點(diǎn)各測(cè)量三次。貧油熄火過程可通過玻璃窗觀察記錄。分析油氣比對(duì)燃燒性能影響時(shí)，進(jìn)氣溫度為473 K，進(jìn)氣速度為20 m/s。

表1 旋流器葉片角度試驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme of swirler blade angle

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 貧油熄火特性

圖4給出了不同值班級(jí)葉片安裝角時(shí)的貧油熄火過程。圖中，(a)為穩(wěn)定燃燒時(shí)的火焰圖像，(b)、(c)為燃油流量逐漸減少時(shí)的熄火過程圖像，(d)為熄火瞬間火焰圖像。可見，穩(wěn)定燃燒時(shí)，火焰顏色明亮、體積較大、無藍(lán)色火焰區(qū)域，且不同葉片安裝角下火焰不同。隨著燃油流量減少，火焰明亮區(qū)域和體積逐漸減小，火焰顏色由明亮變至淡藍(lán)色直至熄滅。根據(jù)熄火瞬間圖像，值班級(jí)第1、第2 級(jí)旋流器葉片角度為60h時(shí)的火焰體積和亮度均比各自方案葉片角度為30h、45h時(shí)的小。同時(shí)從表2貧油熄火油氣比可以看出，值班級(jí)第1級(jí)葉片角度為30h時(shí)熄火油氣比為0.006 8，角度為45h時(shí)為0.006 6，角度增加到60h時(shí)為0.006 5，可得出值班級(jí)第1級(jí)葉片安裝角增加(30h～60h范圍)，貧油熄火油氣比略微減小。當(dāng)?shù)? 級(jí)葉片安裝角相同時(shí)，第2 級(jí)葉片安裝角為30h時(shí)熄火油氣比為0.007 3，角度為45h時(shí)熄火油氣比為0.006 6，角度為60h時(shí)熄火油氣比減小至0.006 2。試驗(yàn)測(cè)得貧油熄火油氣比呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說明熄火性能變好，且隨著葉片安裝角增加，第2級(jí)葉片角度變化對(duì)貧油熄火油氣比的影響比第1級(jí)葉片角度變化的明顯，減小幅度也比1 級(jí)葉片的大。這主要是由于第2級(jí)葉片在影響霧化和組織燃燒方面綜合作用較第1級(jí)的強(qiáng)，且第2級(jí)葉片主要作用是形成低壓回流區(qū)，因此在進(jìn)行油氣混合及穩(wěn)定燃燒時(shí)的作用更強(qiáng)[16]。值班級(jí)第1、第2級(jí)葉片安裝角度增加熄火特性均變好的主要原因是，當(dāng)值班級(jí)第1、第2 級(jí)葉片安裝角從30h增加至60h時(shí)會(huì)使氣體切向動(dòng)量增加，霧化質(zhì)量提高，燃油顆粒直徑變小，有助于霧化燃油燃燒；葉片安裝角增大還將導(dǎo)致回流區(qū)變大，使整個(gè)主燃區(qū)油氣混合分布均勻，增加回流量等，這也有利于提高燃燒室貧油熄火性能[15]。

圖3 燃燒室試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Test system of combustor

圖4 各方案的貧油熄火過程Fig.4 Flameout process for each scheme

表2 貧油熄火油氣比Table 2 The fuel-air-ratio for lean blow-out

綜合上述分析，增加值班級(jí)葉片安裝角有利于拓寬整個(gè)燃燒室的貧油熄火邊界。為保證形成較好的穩(wěn)定回流區(qū)，各級(jí)旋流器葉片安裝角應(yīng)略大，但不能過大。旋流器值班級(jí)第1級(jí)、第2級(jí)葉片角度不應(yīng)達(dá)到60h，否則流量系數(shù)太小，會(huì)造成通過葉片通道的氣流流動(dòng)產(chǎn)生分離，增大氣流流動(dòng)壓力損失，不利于形成回流區(qū)，從而導(dǎo)致燃燒室性能變差。綜合考慮穩(wěn)定燃燒和拓寬貧油熄火邊界，安裝角在45h～60h之間較為合理。

3.2 燃燒火焰特性

圖5 不同油氣比時(shí)各方案的火焰圖像Fig.5 Flame image of each scheme with different fuel-air-ratio

圖5 為進(jìn)氣溫度473 K、進(jìn)氣速度20 m/s 條件下，值班級(jí)油氣比θ分別為0.018、0.025、0.029、0.032時(shí)A～E 方案的火焰圖像?？梢姡S著燃油流量的增加，各方案藍(lán)色火焰區(qū)域減小，火焰明亮區(qū)域變大，火焰長(zhǎng)徑比也變大。說明各方案隨著燃油流量增加，工況變大，燃燒性能變好。A～C方案中，隨著值班級(jí)第1 級(jí)葉片安裝角由30h增加到45h，火焰燃燒狀況變好；而從45h增加至60h時(shí)火焰明亮區(qū)域變小，且藍(lán)色火焰區(qū)域變大。說明值班級(jí)第1 級(jí)葉片角度并不是越大越好，應(yīng)小于60h。A、D、E方案中，隨著第2級(jí)葉片角度的增加，火焰明亮區(qū)域變大，但是從45h增至60h時(shí)火焰明亮區(qū)域增大不明顯，反而藍(lán)色區(qū)域有一定的增大，這說明燃燒性能最好時(shí)第2級(jí)葉片角度應(yīng)小于60h。據(jù)此，值班級(jí)葉片角度增至45h時(shí)燃燒性能最好，繼續(xù)增加反而對(duì)火焰起消極作用。這是由于隨著葉片安裝角的增加，旋流數(shù)也增加，旋流強(qiáng)度變大，燃油霧化更好，燃燒性能變好。但是隨著葉片安裝角繼續(xù)增大，切向動(dòng)量也繼續(xù)增大，這會(huì)增加流體流動(dòng)特性的不穩(wěn)定，致使火焰失穩(wěn)，影響燃燒性能；同時(shí)，安裝角過大會(huì)造成流經(jīng)旋流器值班級(jí)的氣流流動(dòng)分離，增加壓力損失，使旋流器所形成的回流區(qū)變長(zhǎng)，導(dǎo)致燃燒性能較差。此外，值班級(jí)第2 級(jí)葉片角度變化對(duì)火焰燃燒性能的影響比第1級(jí)葉片角度變化的明顯。

3.3 排放特性

圖6為A～E方案CO排放隨油氣比的變化曲線?？梢?，隨著油氣比增加，各方案CO排放均呈增加趨勢(shì)。這是由于隨著供油量增大，值班級(jí)油壓增加，會(huì)對(duì)其霧化產(chǎn)生影響；且供油量增加，參與燃燒的燃油增多，工況變大，致使排放有所增加。對(duì)比各曲線，B方案總排放最高(1 370～1 525 mg/m3)，C方案、D方案、E 方案次之，A 方案排放最低(1 000～1 290 mg/m3)。從排放特性可分析出，當(dāng)值班級(jí)第1、第2 級(jí)葉片角度從30h增加到45h時(shí)，各方案排放均明顯降低；但角度從45h增加至60h時(shí)，其CO 排放明顯增加。造成上述現(xiàn)象，可從旋流器葉片形成回流區(qū)特征分析得出[16]。

圖6 CO排放隨油氣比的變化Fig.6 CO emission varies with fuel-air-ratio

3.4 出口溫度特性

圖7 為各方案出口溫度隨油氣比的變化曲線。可看出，各方案出口溫度均隨油氣比增加而增大。其中，B 方案總體出口溫度最低，在580～665 K 之間；C、D、E 方案相似，約在600～680 K 之間；A 方案最高，在590～700 K之間。這是由于隨著油氣比不斷增加，主燃區(qū)平均油氣比趨向近化學(xué)恰當(dāng)比狀態(tài)，燃燒湍流強(qiáng)度增大，導(dǎo)致油氣混合較劇烈，使得燃油燃燒完全，溫度增高。

圖7 出口溫度隨油氣比的變化Fig.7 Outlet temperature varies with fuel-air-ratio

表3給出了各方案在不同油氣比時(shí)平均出口溫度分布系數(shù)(OTDF)。分析發(fā)現(xiàn)，第2 級(jí)葉片角度不變，第1級(jí)葉片角度增加時(shí)OTDF減小，其角度從45h增加到60h時(shí)OTDF增加了0.04。第1級(jí)葉片角度不變，第2 級(jí)葉片角度從30h增至45h時(shí)OTDF 減小，角度從45h增加60h時(shí)OTDF增加，但幅度較第1級(jí)葉片的小，只有0.02。說明值班級(jí)葉片安裝角在合理范圍內(nèi)，出口溫度特性會(huì)較好，最優(yōu)的角度組合為A方案。這是由于當(dāng)值班級(jí)第1、第2 級(jí)葉片角度為45h時(shí)，相較于為30h、60h時(shí)，其主燃區(qū)所形成的回流區(qū)特性更好[13]。相比于第1級(jí)葉片角度，值班級(jí)第2級(jí)葉片角度對(duì)出口溫度的調(diào)節(jié)性更強(qiáng)。

表3 出口溫度分布系數(shù)Table 3 Outlet temperature distribution coefficient

3.5 燃燒效率特性

圖8 為A～E 方案燃燒效率隨油氣比的變化曲線。可以看出，A方案燃燒效率最高，B方案最小，即值班級(jí)第1、第2級(jí)均為45h時(shí)燃燒效率最高，兩級(jí)角度為60h時(shí)比30h時(shí)的效率高。這是由于所形成回流區(qū)特性不同造成的，回流區(qū)流動(dòng)特性好，燃燒充分完全，必然會(huì)導(dǎo)致燃燒效率高。隨著油氣比增加各方案效率緩慢增大，說明此時(shí)燃油流量的增加對(duì)整個(gè)燃燒過程影響較小。這主要是由于油氣比增加會(huì)增大此時(shí)的燃油流量，使主燃區(qū)內(nèi)的油氣比接近合理的恰當(dāng)比，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率以及火焰?zhèn)鞑ニ俾首兇?，可燃混合氣比例大幅度提高，燃燒?qiáng)度增強(qiáng)，進(jìn)而使得燃燒效率提高。但是當(dāng)油氣比持續(xù)增加時(shí)，主燃區(qū)內(nèi)油氣比會(huì)趨向富油狀態(tài)，影響值班級(jí)點(diǎn)火性能及燃燒室內(nèi)燃油均勻分布，同時(shí)還會(huì)對(duì)火焰燃燒有一定焠熄作用，吸收燃燒釋放的熱量，降低主燃區(qū)溫度[17]，導(dǎo)致排放有一定增加，最終使得效率增加不明顯。

圖8 燃燒效率隨油氣比的變化Fig.8 Combustion efficiency varies with fuel-air-ratio

4 結(jié)論

在常壓下試驗(yàn)研究了中心分級(jí)燃燒室旋流器不同值班級(jí)葉片安裝角組合對(duì)燃燒室燃燒性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)旋流器值班級(jí)葉片安裝角增加，燃燒室的貧油熄火性能變好，且第2 級(jí)葉片安裝角對(duì)貧油熄火性能的影響更顯著。

(2)根據(jù)火焰燃燒性能、CO 排放特性、出口溫度特性以及燃燒效率特性，旋流器值班級(jí)第1、第2級(jí)葉片角度均為45h是最優(yōu)角度組合。

(3)試驗(yàn)在常壓下進(jìn)行與試驗(yàn)在高壓下進(jìn)行，試驗(yàn)值有明顯差別，為進(jìn)一步研究值班級(jí)葉片安裝角對(duì)燃燒性能的影響，后續(xù)將開展高壓試驗(yàn)研究。