一种贫油燃烧室进口温度和压力对污染物排放影响的试验研究

郭凯，马鑫，马存祥，邓远灏，徐华胜

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

一种贫油燃烧室进口温度和压力对污染物排放影响的试验研究

郭凯，马鑫，马存祥，邓远灏，徐华胜

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

以一种中心分级的贫油预混预蒸发单头部燃烧室为研究对象，通过模拟不同燃烧室进口温度和压力，研究其对污染物排放的影响。结果表明，燃烧室进口温度和压力升高对CO、UHC的生成影响相对较小，但对NOx的生成影响很大。通过对排放数据的最佳拟合，得到了NOx发散指数与进口温度和压力之间的预估关系式，并利用已有的单头部燃烧室返场与巡航状态及三头部扇形燃烧室爬升与起飞状态的NOx排放试验数据，对其进行了验证。

民用航空发动机；低排放燃烧室；贫油预混预蒸发燃烧室；进口工作参数；污染物发散指数；预估关系式

1 引言

随着全球航空运输事业的迅猛发展及人们环境保护意识的逐渐增强，民用航空发动机的污染物排放问题已越来越受到重视，国际民航组织(ICAO)对航空发动机污染物排放的限制也越来越严厉。就NOx而言，CAEP6标准对其排放的限制与CAEP1标准相比累计提高了48%[1]。为使民用航空发动机满足越来越严厉的污染物排放限制，国外一些学者和机构，已针对燃烧过程污染物生成影响因素及污染物排放预估关系式开展了研究，并取得一定成果。

Lafebvre[2，3]的早期研究结果表明，燃烧过程中NOx的生成绝大部分来源于高温高压下空气中氮气的氧化，其影响因素包括燃烧室进口空气温度和压力、在燃烧室的停留时间、燃油雾化颗粒度等，并给出了NOx、CO、UHC的发散指数关系式。Rizk等[4，5]改进了Lefebvre的预测关系式，提出了包含燃油液滴蒸发时间项的NOx发散指数关系式。Odgers等[6]提出了针对气动雾化喷嘴的NOx发散指数关系式。Lewis[7]提出了针对贫油均匀燃烧的NOx生成关系式。Tacina等[8]根据UEET计划对许多发动机进行了污染性能试验，通过对试验数据的综合分析和处理，得到了NOx与燃烧室工作状态的关系式。

以上的经验/半经验排放预估关系式，大多针对头部采用富油、扩散燃烧类型的燃烧室建立，因此对于中心分级的贫油燃烧室的污染物排放，预估精度不足。本文针对中心分级部分贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室，通过设计不同进口温度和压力条件下的试验，来研究燃烧室进口温度和压力对污染物排放的影响，最终建立针对该型燃烧室高进口温度和压力状态下预估精度较好的NOx排放关系式。

2 试验及测试方法

2.1 试验设备及试验件

试验在中国燃气涡轮研究院高温高压燃烧室试验器上进行。整个试验系统包括燃油系统、冷却器、电加温器和数据采集处理系统。该试验设备设计最大压力3.3 MPa，最高温度841 K。

单头部燃烧室试验件由前、中、后三段组成。试验件前段为燃烧室进气段，与气源连接；中段是燃烧段，主要由头部、火焰筒和机匣组成；后段为水冷测量段，主要用于压力、温度及燃气组分测量。该燃烧室属于带值班级和主燃级的贫油预混预蒸发燃烧室，头部值班级由单级涡流器和离心喷嘴组成，主燃级由两级涡流器和预膜式空气雾化喷嘴组成。图1为燃烧室头部照片。

2.2 测试方法及试验工况

图2所示为本试验所使用的燃气采样分析测试系统。该系统采用全成分法燃气采样分析测试方法对燃气中的污染物成分及含量进行采样分析，试验测试方法符合ICAO相关标准规定[9]。同时，试验件进口处设置两支总温总压复合测量耙及两个静压测点，用于测量燃烧室进口气流参数；燃烧室出口处设置总压测量耙、总温测量耙及燃气取样耙，分别用于燃气总压、总温测量及燃气取样。

为研究燃烧室进口温度和压力对污染物排放的影响，试验状态包含三个不同进口温度点，每个进口温度点又包含五个不同进口压力点，共十五个试验状态(表1)。为排除其它变量影响，各试验状态的油气比、副油百分数、燃烧室压降等参数固定不变。

3 试验结果分析

3.1 进口工作参数对燃烧效率的影响

图3示出了由试验结果得到的不同进口温度下燃烧效率与进口压力的关系，每个状态点下的燃烧效率均超过0.999 00。随着进口空气温度和压力的升高，燃烧效率仅小幅增大。以T3=600 K为例，当进口空气压力由995 kPa增加到1 798 kPa时，燃烧效率从0.999 57升高到0.999 86，仅增大了0.029%。由此可见，进口空气的温度和压力对燃烧效率的影响较小。因此可用降温降压模拟试验对大工况条件进行模拟。

3.2 进口工作参数对CO及UHC排放的影响

图4为不同进口温度下CO发散指数EICO和UHC发散指数EIUHC与进口压力的关系曲线。由于燃烧效率随进口空气温度和压力的升高有微小升高，所以EICO和EIUHC呈下降趋势。但由于各试验状态下的燃烧效率都在0.999 00以上，CO和UHC的绝对浓度都很低，因此温度和压力对二者的影响较小。由此可认为，高进口温度和压力下的EICO、EIUHC可通过降温降压模拟试验得到。

3.3 进口工作参数对NOx排放的影响

图5为不同进口温度下NOx发散指数EINOx与进口压力的关系曲线，图6为不同进口压力下EINOx与

进口温度的关系曲线。可见，随着进口空气温度和压力的升高，EINOx明显升高。以T3=600 K为例，当p3由995 kPa增加到1 798 kPa时，EINOx从8.64升高到12.19，增大了41.1%；以p3=1 800 kPa为例，当T3由600 K升高到800 K时，EINOx从12.19升高到18.70，增大了53.4%，因此T3、p3对NOx排放的影响不容忽视。降温降压模拟试验的NOx排放结果经过修正才能得到实际进口工作参数条件下的NOx排放数据，因此须构建EINOx与进口温度和压力的预估关系式。

3.4 EINOx拟合关系式

对试验数据进行分析和处理，构造EINOx与进口温度和压力的关系式，用于修正降温降压模拟试验的NOx排放数据，从而利用其对高温高压条件下的NOx排放特性进行合理预估。

本文采用最小二乘原理[10]对NOx排放数据进行拟合。由于数据总量较少，在参考国外已有研究成果[2～8]的基础上，选定拟合关系式的目标形式为：

通过运算，最终得到拟合预估关系式：

图7为最终得到的拟合预估关系式曲线。

为验证所拟合的综合预估关系式的准确程度，用已有的单头部燃烧室返场与巡航状态和三头部扇

形燃烧室爬升与起飞状态的NOx排放试验数据(图7中的红点)，与预估关系式的计算结果进行对比。结果显示，各状态点EINOx的预估误差分别为12.4%、20.9%、13.7%及3.3%。由此可见，所得的预估关系式对高进口温度和压力条件下的NOx排放具有较好的预估精度。

4 结论

(1)燃烧室进口工作参数对燃烧效率的影响较小，而CO和UHC主要来源于燃料的不完全燃烧，与燃烧效率关系密切，因此燃烧室进口工作参数对于这两种污染物的生成影响不大，可用降温降压模拟试验对大工况条件下的CO、UHC排放进行模拟。

(2)燃烧室内NOx的生成机理与燃烧室进口温度和压力的关系密切，随着进口温度和压力的提高，NOx的生成量显著增加。因此采用降温降压模拟大工况试验的NOx排放结果必须进行修正，才能获得较准确的大工况条件下的NOx排放数据。

(3)通过对十五个不同进口温度、压力条件下的NOx排放数据进行分析和最佳拟合，得到的NOx排放预估/修正关系式，对于高温高压状态下的NOx排放预测精度较好，具有一定的工程应用价值。

[1]Yamamoto T，Shimodairak，Kurosawa Y，et al.Investiga⁃tions of a Staged Fuel Nozzle for Aero-Engines by Multi-Sector Combustor Test[R].ASME GT2010-23206，2010.

[2]Lefebvre A H.Gas Turbine Combustion[M].New York：Hemisphere Publishing Corporation，1983.

[3]Lefebvre A H.Fuel Effects on Gas Turbine Combustion Liner Temperature,Pattern Factor,and Pollutant Emis⁃sions[J].Journal of Aircraft，1984，21(11)：887—898.

[4]Rizk N K，Mongia H C.Semi-Analytical Correlations for NOx,CO and UHC Emissions[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1993，115：612—619.

[5]Rizk N K，Mongia H C.Emissions Predictions of Different Gas Turbine Combustors[R].AIAA 94-0118，1994.

[6]Odgers J，Kretschmer D.The Prediction of ThermalNOxin Gas Turbines[R].ASME 85-1GT-126，1985.

[7]Lewis G D.A New Understanding ofNOxFormation[R].IS⁃ABE 91-7061，1991.

[8]Tacina R，Mao C P，Wey C.Experimental Investigation of a Multiplex Fuel Injector Module with Discrete Jet Swirl⁃ers for Low Emission Combustors[R].AIAA 2004-0135，2004.

[9]International Civil Aviation Organization，International Standards and Recommended Practices：Environment Pro⁃tection，Annex16-to the Convention on International Civil Aviation，Vol.II-Aircraft Engine Emissions[S].Third Edi⁃tion.2008.

[10]梁晋文，陈玲才，何贡.误差理论与数据处理[M].北京：中国计量出版社，2001.

Experimental Research of the Influence of Inlet Pressure and Temperature on Pollutant Emissions for an Inter-Staged Lean Combustor

GUO Kai，MA Xin，MA Cun-xiang，DENG Yuan-hao，XU Hua-sheng
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Experimental investigations were carried out to study the influence of inlet operation parameters (inlet temperature and pressure)on pollutant emissions for an inter-staged lean-premixed combustor by simulating different inlet temperature and pressure.The results show that the inlet temperature and pressure have little effect on CO and UHC emissions;however,they have great effect onNOxemission.Ultimately,by doing data reduction and analysis,one satisfactory correlations ofEINOxwith inlet temperature and pressure was got and was validated by theNOxemission data of take-off and climb conditions for sector combustor.

civil aero-engine；low emission combustor；lean premixed pre-vaporized(LPP)combustor；inlet operation parameters；pollutant emission index；correlations

V231.2+5

：A

：1672-2620(2014)01-0028-04

2013-06-06；

：2014-02-24

郭凯(1986-)，男，陕西宝鸡人，硕士，助理工程师，主要从事民用航空发动机低排放燃烧室的研发工作。