航空發動機單頭部低污染燃燒室試驗研究

賈林培，羅謙

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

燃燒室是航空發動機中三大核心部件之一，功能是將燃料的化學能轉換成燃氣的熱能，其性能的好壞直接影響航空發動機的總體性能[1]，因此研制出一種燃燒效率高、流動阻力小、工作狀態穩定、點火可靠、低污染排放、出口溫度高且分布合理的高熱容、高性能燃燒室是當今航空發動機研制中一項十分重要的任務[2]。

發動機污染物的排放與燃燒室的結構設計、噴嘴的霧化與蒸發、燃燒情況、燃料種類和燃燒室的運行工況等參數密切相關。航空發動機使用航空煤油作為燃料，其燃燒污染物含塵量和含硫量都可以忽略不計，所以，航空發動機主要燃燒污染物有未燃碳氫化合物(UHC)、CO、NOx和冒煙等[3-4]。這些有害物質體積分數與燃燒室內氣流溫度、燃油霧化摻混以及發動機工作狀態等有關。航空發動機在不同工作狀態下各種污染物排放情況如圖1所示，其中在低功率狀況下CO和UHC體積分數最大，隨著推力的增加，燃燒效率逐漸增加，CO和UHC體積分數下降；相反，氧化氮NOx體積分數在低功率時較小，而在大狀態時，隨著燃燒溫度的增加，NOx達到最大值[5-7]。因此污染物CO和NOx的體積分數是一對矛盾體，同時獲得較低CO和NOx排放需要綜合考慮，因此對于單頭部燃燒室的污染物排放必須要通過試驗來進行分析。

圖1 發動機排氣污染特性

1 試驗系統與試驗方案

1.1 試驗系統

本文對某一單頭部矩形燃燒室進行燃燒性能試驗研究。該單頭部矩形燃燒室主要結構有擴壓器、燃燒室機匣、電嘴、雙路燃油噴嘴、火焰筒以及旋流器等。

為了測量某單頭部矩形燃燒室燃燒性能與污染物排放特性，首先設計了單頭部燃燒室高溫高壓燃燒試驗測量系統[8]，如圖2所示，并進行了相應的加工與裝配，實物如圖3所示。整套試驗系統主要包括前測量段、燃燒試驗段、后測量段、水冷段、噴水冷卻段、高溫高壓閥門以及波紋管等。從壓氣機出來的高壓氣體先經高壓氣罐進行穩壓后，經高壓管道分別流經渦街流量計和孔板流量計，經流量校準測量后，進入電加溫器，由電加溫器直接加熱到試驗所需求的進口總溫。高溫高壓空氣進入前測量段，通過前測量段上布置的單點熱電偶、單點靜壓管及3個單點總壓管分別測量其進口總溫、進口靜壓和進口總壓，通過調節進口空氣高壓閥門開度，滿足進口空氣流量要求；接著高溫高壓氣體進入燃燒試驗室進行噴油燃燒，通過調節燃油閥門開度，滿足進口噴入的燃油流量。燃燒后的高溫高壓燃氣進入后測量段，經后測量段上的取樣耙和總溫耙，分別測量得到出口截面上的4點出口總壓、1個出口總溫和8點出口燃氣成分。燃氣流經水冷段和噴水冷卻段降溫到600℃以下，從而滿足后面高溫高壓閥門長期工作溫度的要求。通過調節高溫高壓閥門的開關來建立燃燒室中所需的工作壓力，經過高壓閥門后的燃氣迅速降為常壓，再通過一段高溫波紋管和一個偏心法蘭連接段與大氣罐相連，在大氣罐中經過噴水冷卻與處理后，流經煙窗，排入大氣。

圖3 試驗系統實物圖

1) 數據測量系統

試驗需要同時測量燃燒室的進口氣流參數和出口燃氣參數。主要包括3個進口總壓、1個進口總溫、1個進口靜壓、4個出口總壓、1個出口總溫和8個出口燃氣成分。在對前5個參數進行測量時，都是將熱電偶或壓力變送器的信號接入數據采集卡，經PCI-1002板卡進行數據采集。在計算機中使用自編程軟件將溫度和壓力信號轉變成實際的溫度和壓力，并進行儲存(1秒鐘存儲3個數據)。而出口燃氣成分在測量儀器前要通過相應的閥門轉換，來實現不同取樣點燃氣成份的測量。

為了保證燃燒室出口燃氣的取樣溫度滿足CAEP標準要求，在取樣氣體的管路上布置了1個K型熱電偶，對取樣氣體的溫度進行實時監測，當燃氣溫度不滿足CAEP樣氣溫度要求時，通過調節取樣耙上冷卻水的流量來實現。當樣氣溫度低于60℃，則減少取樣耙上冷卻水流量，從而提高樣氣溫度；當樣氣溫度高于160℃，則增大取樣耙上冷卻水流量，從而降低樣氣溫度，最終保證燃氣取樣氣體的溫度滿足CAEP標準要求。

2) 出口燃氣分析系統

經取樣耙取出的燃氣，首先進入帶保溫的樣氣流通管道，以保證取出的樣氣在流通管道中溫度基本保持不變。如果是中間取樣耙取出的燃氣首先要經過三通閥門：一股進入總壓測量的壓力變送器，另外一股接入保溫管道，而1/4處取樣耙取出的樣氣則直接進入保溫管道，分別流入兩段電加溫保溫段。該保溫段通過電加溫方式，能夠對取出的樣氣進行加溫，如圖4所示。UHC氣體分析要求的保溫溫度為160℃，而氣體分析要求的保溫溫度為65℃，樣氣通過保溫管道和兩條電加溫保溫段，從而保證了進入氣體分析儀的樣氣溫度滿足CAEP6標準中的測量要求。

圖4 樣氣保溫系統示意圖

試驗中使用的煙氣分析儀為XGF-404型氣體分析儀，其中核心模塊為德國西門子公司的U23紅外氣體連續分析模塊、F6測定碳氫化合物總含量的氣體分析模塊和C6熱導氣體分析模塊。U23可以測定被測氣體中CO、CO2、O2、NO、CH4的體積分數，F6可以測定UHC的體積分數，C6可以測定H2的體積分數。其中由于CO、NO和UHC的體積分數很小，因此氣體分析儀中這兩種氣體成分的單位為‰，即體積分數的千分之一。但是CO、NO和UHC的體積分數表示該進口條件下試驗結果，為使試驗結果更具意義，將其試驗測量得到的體積分數轉換為EI指標。具體的轉換關系根據CAEP6標準中現成的計算公式進行轉換，具體公式為：

EI(CO)=

EI(HC)=

EI(NO)=

式中：

其中：MHC=16.043g；MCO=28.011g；MNO=30.008g；Mc=12.001g；MH=1.008g；T=0.0003；x=1；y=4；n=12；m=23。

根據上述計算公式，把從氣體分析儀測量得到的CO、NO和UHC的體積分數轉換為EI值。

1.2 試驗方案

試驗階段，調節進口總壓和進口總溫，并且保證進口空氣流量比較小時，控制油氣比0.02左右進行噴油點火。待點火成功后，穩定燃燒，然后再調節空氣流量、進口總壓、進口總溫和燃油流量。當進口參數均穩定并且滿足某一個試驗工況的進口參數時，進行燃燒室該工況條件下的進口參數(進口空氣流量、進口總壓、進口靜壓、進口總溫以及進口燃油流量)、出口參數(出口總壓)等數據的實時數據采集，而污染物排放數據通過氣體分析儀進行測量。該工況測量全部完成后，關油熄火，并關電加溫器開始降溫，試驗系統的溫度冷卻到一定范圍后，再關閉氣源以及相關的冷卻水，從而完成一個試驗工況的污染排放測量。同時本文對單頭部矩形燃燒室在不同狀態下的污染物排放特性的試驗測量結果進行了對比分析。

試驗研究了6種進口油氣比對單頭部燃燒室燃燒性能的影響，試驗中保證進口空氣溫度為145℃，空氣質量流量為160g/s，進口空氣壓力為200kPa，進口油氣比分別為0.007、0.01、0.014、0.018、0.022、0.025。

2 試驗結果分析

在污染物排放試驗過程中，測量燃燒室的出口燃氣中NOx、CO、CO2、UHC、H2、O2、CH4等氣體的體積分數、進出口總壓與靜壓、進口總溫、進口燃油流量和進口空氣流量，并根據試驗數據計算出總壓損失系數、燃燒效率以及污染物EI指標等參數。

在給定進口空氣流量和進口空氣溫度條件下，通過改變燃油流量來調節進口油氣比。本文分別研究了6種不同油氣比對單頭部燃燒室燃氣成分和燃燒效率等的影響(圖5-圖11)。

圖5 EICO與油氣比的關系圖

圖6 EINO與油氣比的關系圖

圖7 NO體積分數與油氣比的關系圖

圖8 EIUHC與油氣比的關系圖

圖9 CO2體積分數與油氣比的關系圖

圖10 O2體積分數與油氣比的關系圖

圖11 燃燒效率與油氣比的關系圖

由圖5可以看出，隨著油氣比的增大，EICO的變化趨勢為先減小后增加再減小。因為在小燃油流量條件時，只打開了副油路，隨著油氣比的增加，燃油霧化效果逐漸變好，燃燒更充分，燃燒效率提高，CO轉換為CO2，因此CO占比逐漸減小。當燃油流量上升到一定值后，主油路打開，此時主油路燃油流量很少，霧化很差，燃燒效率較差，因此CO體積分數較高。隨著油氣比的繼續增大，主油路的燃油流量逐漸增加，霧化逐漸變好， CO體積分數開始逐漸降低。由圖6和圖7可知，隨著油氣比的增加，EINO逐漸降低，而NO體積分數升高。因為隨著油氣比增加，燃燒溫度增加，熱力NO生成量增大，因此生成的NO體積分數逐漸增加；雖然出口中NO的體積分數在逐漸升高，但是單位時間內進入燃燒室的燃油量也在增多，因此單位燃油量產生的EINO反而降低。圖8中的EIUHC逐漸降低，因為隨著油氣比的增大，燃燒室內燃油反應更加充分，所以UHC量逐漸降低。由圖9和圖10可知，CO2的體積分數上升，而O2的體積分數下降。因為隨著油氣比的增大，燃燒室內的燃油量逐漸增多，燃燒所消耗的O2量逐漸增大，而進口空氣量不變，所以CO2的體積分數上升，O2的體積分數下降。圖11為根據燃氣分析法計算出的燃燒效率，燃燒效率隨油氣比的變化規律與CO的變化規律相反，因為未燃燒產物中CO體積分數相比UHC和CH4等，要大一個數量級以上，因此燃燒效率主要受CO體積分數變化規律的影響，所以燃燒效率的變化規律與CO體積分數的變化規律相反。

3 結語

本文對單頭部矩形燃燒室高壓條件下燃燒性能進行了試驗研究，研究了不同的油氣比對污染物排放的影響規律。試驗結果表明：在給定進口空氣壓力、進口空氣流量和進口溫度的條件下， CO、NO和未燃碳氫的污染物排放指標隨著油氣比的增大而降低，但是NO體積分數由于燃燒溫度的增加越來越大，燃燒效率隨著油氣比變化規律與CO的變化規律基本一致。