低污染燃烧室点火熄火特性试验研究

徐 丽，孙丽艳(.沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 0034；.沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司 燃机产品制造部，沈阳 005))

燃气轮机的发展正朝着高温、高效、低污染的方向发展。在日益严格的排放标准要求下，燃气轮机燃烧室设计重心正在转向全工况下如何降低氮化物(NOx)、一氧化碳(CO)和未燃碳氢化合物(UHC)等燃烧产物[1-4]。其中氮氧化物是污染控制的主要产物，根据泽尔多维奇理论，燃烧温度超过1900K，热力型NOx 生成将急剧增加。据此原理，燃烧室设计思路集中在保证充分、稳定燃烧的基础上如何降低燃烧区温度。自20世纪70年代起，美国GE、P&W等公司发展了分级燃烧室、贫油预混预蒸发燃烧室及变几何燃烧室等[5]，英国的RR公司和德国宝马公司也发展了相应的贫燃燃烧室[6]。到80 年代初，P&W公司又发展了富油燃烧/淬熄/贫油燃烧室[7]。90年代双环预混旋流(Twins Annular Premixing Swirler，TAPS)燃烧室在GE 公司得到应用。目前在CFM56-7、GE90和GEnx发动机上都取得了良好的效果，其NOx、碳烟、UHC和CO 的排放只有CAEP标准的45%、10%、5%和30%，是一种前景广阔的低污染燃烧技术[8-12]。三旋流贫预混设计通过燃烧室头部3个旋流器既实现了高燃油雾化质量，又实现油气的均匀混合，配合合理供气可以实现主燃区预混、贫油燃烧，进而降低燃烧区温度，达到控制NOx含量的目的。在此领域，中国工程热物理研究所、北京航空航天大学、南京航空航天大学等单位都进行了较深入的研究，并进行了相关的试验研究，初步证明了三旋流燃烧室在控制污染排放方面的优势[13-16]。

而贫油预混燃烧的缺点在于点火较困难，点火油气比高，贫油熄火油气比大，稳定工作区间窄。因此，贫油预混燃烧室的设计关键点也在于头部，即头部进气量设计、旋流角设计及燃油供给方式设计[17-18]。

本文以三旋流预混燃烧室为研究对象，重点研究各级旋流器旋流角组合对燃烧室点火、熄火特性的影响，优选性能良好的旋流角组合，为三旋流燃烧室设计提供参考(试验中以0号柴油为燃料)。

1 试验系统及试验件

1.1 试验系统

本文试验系统简图如图1所示。

试验系统包括供气系统、供油系统、加温系统、点火系统及测试系统。供气系统由两台螺杆压缩机及300立方、1MPa压力容器组成，可提供稳定供气，经电加温器加热到最高850K供入燃烧室入口。供油系统由变频控制叶片泵，经燃油喷嘴供入燃烧室；点火系统采用航空发动机专用高能点火器DHZ22，点火能量2～3J。测试系统包括：供油量采用涡轮流量计，误差≯0.5%，供气量采用孔板流量计，误差≯1%，燃烧室进口温度k型单点热电偶，出口温度采用双铂铑3点热电偶耙，误差≯1%。

图1 燃烧试验系统

1.2 试验件

本文所研究的燃烧室区别于常规形式的大孔进气燃烧掺混，小孔气膜冷却的结构。采用头部三旋流结构，不设大孔，燃烧及掺混用气均由头部进入，火焰筒筒身布满直径0.8 mm斜向发散冷却槽，相比于传统环带气膜孔冷却，可减少40%冷却气量，很好缓解了高温升燃烧室中冷却用气量与燃烧用气量之间的矛盾。头部结构示意图如图2所示。

三旋流结构具体为：内旋流器为轴向旋流器，3个叶片与中心喷嘴(值班路)加工为一体；中旋流器为文氏管内轴向旋流器，与内旋流器同向；外旋流器为径向旋流器。其中内、中旋流器主要针对值班级点火及小工况。值班级由直射喷嘴、两级轴向旋流器、文氏管、套筒组成。值班级喷嘴为头部锥面上周向均布的3个直径为Φ=0.4 mm的喷孔组成，且与锥面成90°角，喷出的燃油在文氏管表面形成油膜，在内旋流器和中旋流器剪切作用下实现良好的燃油雾化，在中旋流器出口形成扩散燃烧，保证了稳定点火源；外旋流器针对大工况状态，由24个叶片组成的径向旋流器，燃油喷嘴为径向喷射的直射喷嘴。三旋流及火焰筒结构见图3所示。

图2 头部结构示意图

图3 试验件

本文研究了8种不同角度旋流器组合，内旋流器30°、35°,中旋流器35°、45°，外旋流器45°、55°，副油路喷嘴喷射角度90°。其中，内中旋流器同向，顺进气方向顺时针，外旋流器顺进气方向逆时针，具体组合见表1所示。

表1 旋流器组合

2 试验及结果分析

2.1 点火试验

燃烧室的点火过程取决于点火器的火花能量、火花时间长短、紊流度、压力、火花附近区域的空气流速及空气和燃油蒸汽的混合比[19]。其中火花附近的空气和燃料蒸汽的混合比非常重要。如果这个混合比超过或达不到着火范围，即便很大的点火能量也无法成功点火。

试验状态为空气总温为300K，空气总压为0.11 MPa下不同进口空气量，燃料为0号柴油，试验状态见表2所示。

表2 点火试验状态

试验过程要求：

(1)燃烧室出口安装涡轮喷嘴环模拟件，以保证真实工作状态；

(2)每次点火前都应冷吹试验系统，不低于30s，以保证燃烧室处于冷启动状态。

(3)采用先供油后点火试验程序，通过逐步减少油量得到贫油点火边界。

(4)点火时间为5 s，点燃后火焰稳定时间20s 以上。着火判别标准为燃烧室温升超过80℃，同时借助燃烧室观察窗,试验结果见图4。

图4 点火油气比

试验结果表明：在内、中旋流角同为35°时，外旋流角无论45°、55°均无法点火，说明内、中旋流角35°时无法达到适合的点火油气混合比。内中旋流器同为35°，此时内中旋流数接近，两股气流剪切掺混性较弱，燃油雾化质量变差，进而影响到点火油气比。同时可以看出内中旋流器对点火起关键作用，外旋流角不决定点火是否成功，但会影响点火性能，匹配不合适将极大减小点火极限。

由图4可以看出，各种成功点火旋流角度组合下，贫油点火油气比处于0.052 36～0.089 59之间。随进口空气量的增加点火油气比迅速减小，至空气量0.102 5 kg/s后略有提升。主要是由于气量的增加，利于燃油雾化掺混，降低点火能，进而有利于点火燃烧。对应常规非预混燃烧室贫油点火油气比可以达到0.035甚至更低，说明预混燃烧点火极限较窄，不易点火。

各工况下点火性能最好的组合为4号组合，即内中外旋流角依次增加10°。

针对点火性能最好的4号组合，进行了不同进气温度下点火特性试验，试验结果见图5所示。

由图5可以看出，随进口温度的增加，各工况下点火油气比均有降低趋势。一是因为加温降低了着火所需能量，二是由于加温降低了燃油粘度，提高了雾化质量，利于点火。因此常温得到的点火边界是偏保守的。

图5 不同温度下点火性能

2.2 熄火试验

熄火试验是考查燃烧室的工作稳定性重要指标。通常是在燃烧室进口压力一定，温度一定下改变空气量或供油量进行熄火试验，从而得到进口速度与油气比之间的熄火边界。熄火边界通常包括贫富、油熄火边界，即保持燃烧室进口压力一定，改变油气比，直至熄火。由于富油试验有安全性和烧坏火焰筒问题，而且贫油熄火边界比富油更重要，因而常常着重做贫油熄火试验[20]。

本文采用进口总压不变，改变进气流量，逐步减油直至熄火的方法获得贫油熄火边界。试验中进气温度由电加温器加热至512K(设计工况燃烧室进口温度)，空气总压为0.252 MPa,贫油熄火边界试验工况见表3所示。不同旋流组合下各状态熄火油气比见图6所示。

表3 贫油熄火试验状态

由图6可以看出，在总压一定的情况下，熄火油气比随空气流量增加而减小并逐渐趋缓。分析原因：随着空气流量的增加气动力增强，燃油雾化粒度减小，利于保持燃烧，熄火油气比减小；进气量增加到一定程度，燃油雾化粒度趋于稳定，此时熄火油气比也趋于稳定,其中空气流量0.25 kg/s对应设计状态。各旋流组合中，4号旋流组合具有较好的熄火性能，即贫油熄火极限最低，熄火油气比0.006 7～0.004 78，而6号、2号组合相对较差，达到了0.007 99～0.005 19。说明火焰筒三旋流结构中，内中外旋流器应保持较大的旋流角差值，相同旋流角不利于降低熄火油气比。常规非预混燃烧室熄火油气比可以达到0.005以内，反映预混燃烧贫油熄火极限较高。对比图4可以发现，点火极限与熄火极限有一定相关性，即点火油气比较低的组合熄火油气比也较低，这对设计选用有利。

图6 熄火油气比

3 结论

本文应用燃烧试验台对8种旋流组合的三旋流预混低污染燃烧室进行了点火熄火试验研究，得到以下主要结论：

(1)三旋流贫预混燃烧室贫油点火油气比最低为0.052 36，高于非预混燃烧室的0.035标准。熄火油气比最低为0.004 78，大部分高于非预混燃烧室0.005的标准；

(2)三旋流中，内旋流、中旋流角度组合决定了点火成功与否，而外旋流对点火、熄火极限有影响；

(3)三旋流中，采用内、中、外旋流角依次增加10度的组合方式有较好的点火、熄火性能。本文中内中外旋流角依次为35°、45°、55°，各工况下均具有最低的点火、熄火油气比。

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