賈林培，羅謙

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

燃燒室是航空發(fā)動機中三大核心部件之一，功能是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成燃氣的熱能，其性能的好壞直接影響航空發(fā)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(tài)穩(wěn)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(fā)動機研制中一項十分重要的任務(wù)[2]。

發(fā)動機污染物的排放與燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計、噴嘴的霧化與蒸發(fā)、燃燒情況、燃料種類和燃燒室的運行工況等參數(shù)密切相關(guān)。航空發(fā)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(fā)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(zhì)體積分數(shù)與燃燒室內(nèi)氣流溫度、燃油霧化摻混以及發(fā)動機工作狀態(tài)等有關(guān)。航空發(fā)動機在不同工作狀態(tài)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(shù)最大，隨著推力的增加，燃燒效率逐漸增加，CO和UHC體積分數(shù)下降；相反，氧化氮NOx體積分數(shù)在低功率時較小，而在大狀態(tài)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(shù)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(fā)動機排氣污染特性

1 試驗系統(tǒng)與試驗方案

1.1 試驗系統(tǒng)

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(jié)構(gòu)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(shè)計了單頭部燃燒室高溫高壓燃燒試驗測量系統(tǒng)[8]，如圖2所示，并進行了相應(yīng)的加工與裝配，實物如圖3所示。整套試驗系統(tǒng)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(jīng)高壓氣罐進行穩(wěn)壓后，經(jīng)高壓管道分別流經(jīng)渦街流量計和孔板流量計，經(jīng)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(jīng)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(jīng)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(diào)節(jié)高溫高壓閥門的開關(guān)來建立燃燒室中所需的工作壓力，經(jīng)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(jīng)過噴水冷卻與處理后，流經(jīng)煙窗，排入大氣。

圖3 試驗系統(tǒng)實物圖

1) 數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)

試驗需要同時測量燃燒室的進口氣流參數(shù)和出口燃氣參數(shù)。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(shù)進行測量時，都是將熱電偶或壓力變送器的信號接入數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)PCI-1002板卡進行數(shù)據(jù)采集。在計算機中使用自編程軟件將溫度和壓力信號轉(zhuǎn)變成實際的溫度和壓力，并進行儲存(1秒鐘存儲3個數(shù)據(jù))。而出口燃氣成分在測量儀器前要通過相應(yīng)的閥門轉(zhuǎn)換，來實現(xiàn)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(jiān)測，當燃氣溫度不滿足CAEP樣氣溫度要求時，通過調(diào)節(jié)取樣耙上冷卻水的流量來實現(xiàn)。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(tǒng)

經(jīng)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(jīng)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?qū)θ〕龅臉託膺M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(tǒng)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(xù)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(dǎo)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(shù)，F(xiàn)6可以測定UHC的體積分數(shù)，C6可以測定H2的體積分數(shù)。其中由于CO、NO和UHC的體積分數(shù)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(shù)的千分之一。但是CO、NO和UHC的體積分數(shù)表示該進口條件下試驗結(jié)果，為使試驗結(jié)果更具意義，將其試驗測量得到的體積分數(shù)轉(zhuǎn)換為EI指標。具體的轉(zhuǎn)換關(guān)系根據(jù)CAEP6標準中現(xiàn)成的計算公式進行轉(zhuǎn)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(jù)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(shù)轉(zhuǎn)換為EI值。

1.2 試驗方案

試驗階段，調(diào)節(jié)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(wěn)定燃燒，然后再調(diào)節(jié)空氣流量、進口總壓、進口總溫和燃油流量。當進口參數(shù)均穩(wěn)定并且滿足某一個試驗工況的進口參數(shù)時，進行燃燒室該工況條件下的進口參數(shù)(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(shù)(出口總壓)等數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)采集，而污染物排放數(shù)據(jù)通過氣體分析儀進行測量。該工況測量全部完成后，關(guān)油熄火，并關(guān)電加溫器開始降溫，試驗系統(tǒng)的溫度冷卻到一定范圍后，再關(guān)閉氣源以及相關(guān)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(tài)下的污染物排放特性的試驗測量結(jié)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(zhì)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(jié)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(shù)、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(jù)試驗數(shù)據(jù)計算出總壓損失系數(shù)、燃燒效率以及污染物EI指標等參數(shù)。

在給定進口空氣流量和進口空氣溫度條件下，通過改變?nèi)加土髁縼碚{(diào)節(jié)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(guān)系圖

圖6 EINO與油氣比的關(guān)系圖

圖7 NO體積分數(shù)與油氣比的關(guān)系圖

圖8 EIUHC與油氣比的關(guān)系圖

圖9 CO2體積分數(shù)與油氣比的關(guān)系圖

圖10 O2體積分數(shù)與油氣比的關(guān)系圖

圖11 燃燒效率與油氣比的關(guān)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(zhuǎn)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(shù)較高。隨著油氣比的繼續(xù)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(shù)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(shù)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(shù)逐漸增加；雖然出口中NO的體積分數(shù)在逐漸升高，但是單位時間內(nèi)進入燃燒室的燃油量也在增多，因此單位燃油量產(chǎn)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(nèi)燃油反應(yīng)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(shù)上升，而O2的體積分數(shù)下降。因為隨著油氣比的增大，燃燒室內(nèi)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(shù)上升，O2的體積分數(shù)下降。圖11為根據(jù)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(guī)律與CO的變化規(guī)律相反，因為未燃燒產(chǎn)物中CO體積分數(shù)相比UHC和CH4等，要大一個數(shù)量級以上，因此燃燒效率主要受CO體積分數(shù)變化規(guī)律的影響，所以燃燒效率的變化規(guī)律與CO體積分數(shù)的變化規(guī)律相反。

3 結(jié)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(guī)律。試驗結(jié)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(shù)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(guī)律與CO的變化規(guī)律基本一致。