基于驻涡稳定的无焰燃烧室实验研究

王 昆，臧 鹏，邢双喜，房爱兵，崔玉峰，聂超群

（1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100190；3.上海电气电站技术研究与发展中心，上海 201612）

基于驻涡稳定的无焰燃烧室实验研究

王 昆1，2，臧 鹏3，邢双喜1，房爱兵1，崔玉峰1，聂超群1

（1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100190；3.上海电气电站技术研究与发展中心，上海 201612）

本文通过将凹腔驻涡技术和无焰燃烧技术相结合，设计了一种基于凹腔驻涡的燃油无焰燃烧室，并对其进行了实验研究。重点关注了空气温度、空气流量、凹腔当量比和主当量比对无焰燃烧的形成和燃烧室污染物排放特性的影响。在实验基础上总结了航空发动机凹腔驻涡燃烧室形成无焰燃烧的条件，为该种燃烧室的设计提供依据。

无焰燃烧；凹腔驻涡；燃烧特性；航空发动机；低排放

随着人类环保与健康意识的不断增强，蓬勃发展的民航运输业排放的NOx等高空污染物对于臭氧层的破坏日益引起人们的重视，为此国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）于2006年公布了CAEP6标准［1］。与2002年公布的CAEP2相比，CAEP6标准中NOx的排放数值降低了21%，针对民用航空发动机的NOx排放标准日益严格。因此，发展适用于民用航空发动机的低污染燃烧技术越来越紧迫。目前，适用于航空发动机的低污染燃烧技术主要包括：贫油预混预蒸发（LPP）［2－3］，富燃-猝熄-贫油燃烧（RQL）［4－5］，贫油直接喷射燃烧（LDI）［6］，双环腔旋流预混燃烧（TAPS）［7－8］，无焰燃烧（FC）［9－12］和驻涡燃烧（TVC）［13－16］。

其中无焰燃烧是一种在高温、低氧浓度、低燃料空气当量比条件下产生不可见火焰的燃烧技术［17］。这种技术通常是采用大量回流的高温燃气与新鲜的空气掺混，由于燃烧过程中氧气浓度低，掺混效果好，因此能够有效地降低NOx的产生，是一种很有发展前景的低污染燃烧技术。无焰燃烧最早源于英国帝国理工学院的Weinberg1971年提出的“超焓燃烧”的概念［17］，自从1991年Wunning首先在工业炉中实现了无焰燃烧［18］，国内外针对无焰燃烧的基础实验研究和数值研究工作主要集中在工业炉领域［9－12］。燃气轮机无焰燃烧技术的发展主要在2004年以后，并已经取得了显著的成果［15，19］。

无焰燃烧低污染排放的特点特别适合应用于航空发动机领域，以满足越来越严格的排放标准，但是以上研究主要是集中在气体燃料［11，15］，针对以航空煤油为燃料的无焰燃烧技术的研究相对较少［19］。本文通过将驻涡燃烧技术和无焰燃烧技术相结合，设计了驻涡稳定的无焰燃烧室，并开展了实验研究，探讨了影响航空煤油无焰燃烧形成的关键因素，为设计提供依据。

1 燃烧室结构

Wunning［12］等人认为实现无焰燃烧需要满足以下两个条件：1）反应物温度必须超过自燃温度；2）新鲜可燃物和高温回流烟气必须实现充分掺混。为满足以上条件，本文设计了针对航空煤油为燃料的凹腔驻涡无焰燃烧室。图1为本文模型燃烧室流场组织形式图，与通常将高温烟气回注到空气中实现二者充分混合以实现无焰燃烧的方法不同，该燃烧室通过将凹腔内产生的高温烟气与头部可燃物直接掺混来实现无焰燃烧，该方法有利于简化燃烧室结构。数值模拟证明该结构具有实现无焰燃烧的可能［19］。大部分燃油和空气从头部喷入，同时在凹腔内喷入部分空气和燃油以产生高温烟气。凹腔内产生的高温烟气流出凹腔与头部空气和燃油掺混，在火焰筒后部形成无焰燃烧。

凹腔内部有4组（每组2根）周向空气喷杆，每根喷杆上有3个小孔，凹腔前壁上有4个燃油喷嘴，同时在凹腔后壁上开有12个轴向空气射流孔。中心体上开一个次凹腔，形成双凹腔结构。数值模拟证明，该结构相对于单凹腔结构更易实现无焰燃烧［19］。

燃烧室由进口流道、星体、中心体以及出口流道组成。如图2所示，燃油由入口周向均匀布置的4个燃油喷嘴喷入，在凹腔前流道中蒸发、掺混。中心体的作用主要是使燃油空气的混合物偏向凹腔，加强凹腔高温燃气与燃油空气的掺混。星体主要作用是使后部产生强烈的湍流，加强凹腔高温燃气与燃油空气的掺混。

2 实验台简介

本实验台能够提供压力为0.8 MPa，流量为0.5 kg／s，温度为670 K的压缩空气。实验台主要包括以下几个系统：空气供给系统，燃油供给系统，试验段以及测量系统。实验台总体结构如图3所示。空气经压缩机压缩进入换热器，在换热器内与燃烧室排出的高温烟气换热，预热后的空气经过燃烧室前的整流段整流后进入燃烧室试验段。燃油由柱塞泵单独供给，在进入燃烧室前分为两路，每路上安装一个高压调节阀控制该路的燃油流量。试验段由试验件、进气稳压腔、机匣、出口测量段与观察窗等组成，如图4所示，从换热器出来的预热空气，在进入试验件燃烧之前，先进入稳压腔。稳压腔的作用主要是降低预热空气速度，使进入燃烧室的空气速度场均匀。试验段后部为带观察窗的排烟段，通过观察窗能够观察到火焰筒内的情况。试验时，在观察窗后部放置数码摄像机，实时记录燃烧室内燃烧情况。

实验过程中，进口温度采用安装在稳压腔顶部的K型铠装热电偶测量。燃烧室出口温度的测量如图5所示，采用三只五点测温耙子，每个耙子上有五个测点。污染物排放采用Testo350加强型烟气分析仪测量，该分析仪CO和NO的体积分数量程皆为（0～5 000）×10－6（＠15%O2），精度均为±5× 10－6。本文中所有CO和NO数值皆为＠15%O2时的数据。

3 不同工况火焰形态变化

本文将空气入口温度视为混合物的温度。燃烧室点火成功后，打开头部喷嘴，保持凹腔的燃油量和总燃油量不变，通过改变入口空气的流量和温度研究参考速度和掺混温度对燃烧室火焰形态的影响规律，其中参考速度取燃烧室最大截面的平均速度，通过观察摄像机中火焰形态确定是否达到了无焰燃烧状态。

如上所述，无焰燃烧形成的前提条件是新鲜可燃物与高温烟气充分掺混且掺混后的温度高于燃料的自燃温度。本文实验过程中表现出了相似的现象，图6为燃烧室内火焰形态随入口空气温度和参考速度的变化。

当燃烧室入口空气温度低于450 K，参考速度低于10 m／s时，主燃区火焰以一个很低的频率（4～5 Hz）熄灭、再点燃，这是由于随着新鲜混合物被点燃导致空气速度增加，当大于火焰传播速度时导致火焰被吹熄，新鲜混合物在燃烧室中周期性地呈现这种现象，如图6所示，属于爆燃区。当入口空气温度低于450 K，参考速度高于10 m／s时主燃区火焰会被吹熄，不能被点燃，此时燃烧室只能工作在图6中所示的凹腔模式；随着入口空气温度的增加，燃烧室的燃烧状况逐步改善。

入口空气温度高于450 K时，燃烧室主燃区不再发生爆燃。由于入口空气温度升高，油雾快速蒸发，当燃烧室内参考速度低于10 m／s时，由于混合物在头部停留时间足够长以至于被点燃，主喷嘴油雾附着在燃烧室头部燃烧，火焰明显处于中心体和头部之间，见图中右下方火焰形态。当温度处于450～550 K之间，参考速度大于10 m／s时，混合物在头部停留时间过短，掺混后的油气混合物温度不够高到足以自燃，因此头部火焰不稳定，如图6所示，导致出现头部火焰被吹熄的现象。当入口空气温度高于550 K，参考速度高于10 m／s时，如图6所示，头部燃油在后部与凹腔高温烟气快速掺混燃烧，导致生成的火焰没有明显的火焰锋面，达到无焰燃烧状态。

4 参考速度对污染物排放的影响

燃烧室参考速度除了对压力损失有直接影响外，还会影响燃烧室污染物排放。通常燃烧室的参考速度为12～20 m／s，参考速度越高，意味着空气燃料在燃烧室内停留时间越短，可能会引起燃烧不稳定和燃烧不完全等问题。图7为保持入口空气温度560 K和当量比0.33不变，不同空气流量下燃烧室污染物排放特性。随着参考速度的增加，燃料在燃烧室内停留时间减小，NOx排放降低，CO排放增加。参考速度在16 m／s以下时，燃烧室CO和NOx的体积分数都控制在30×10－6（＠15%O2）以内；当参考速度超过16 m／s时，燃烧室CO排放急剧增加，燃烧变得不稳定。

5 总当量比对污染物排放的影响

在典型的扩散火焰中，CO和NOx的排放总是一对矛盾。在比较高的温度下，有利于CO的完全燃尽，而高的燃烧温度却会导致热力型NOx急剧增加。然而，对于无焰燃烧却表现出了完全不同的规律。图8为保持的入口空气温度为560 K，参考速度为12 m／s不变，污染物随主当量比的变化曲线。如图8所示，随着当量比从0.22逐渐增加，CO的排放持续下降，而NOx的排放却基本没变化。当总当量比大于0.28时，CO和NOx的排放都可以维持在很低的水平，其体积分数为30×10－6（＠15%O2）以下。当燃烧室总当量比继续增加时，CO排放仍会继续下降，但NOx维持不变，这完全不同于典型的扩散火焰污染物排放特性。这是由于高温烟气与主流的掺混在避免了温度峰值的同时降低了O2的浓度，抑制了NOx生成，因此即使在高当量比时，CO和NOx排放都能维持在很低的水平，发挥了无焰燃烧的优势。

6 凹腔当量比对污染物排放影响

高温燃气与主流可燃物的有效掺混对于无焰燃烧具有重要影响，本文中的燃烧室利用凹腔中产生的高温烟气实现无焰燃烧，因此凹腔当量比对污染物排放和无焰燃烧形成极其重要。当凹腔当量比太低时，高温烟气不足，在凹腔下游形成传统的扩散燃烧；当凹腔当量比过高时，凹腔内火焰温度过高，会导致生成大量的“热力型”NOx，不能充分发挥无焰燃烧的优势。因此凹腔当量比必须处于一定的区间之内才能实现无焰燃烧。如图9所示，在保持总当量比0.26，空气温度为560 K，参考速度为12 m／s时，随着凹腔当量比的增加，燃烧室出口NOx排放先增大后减小，CO排放减少，燃烧室内的燃烧状况得到改善。当凹腔当量比处于0.4～0.5之间时NOx排放量最低，这与数值模拟结果一致［19］。

7 入口空气温度对无焰燃烧影响

如上所述，通过摄像机观察火焰形态证明，入口空气温度大于550 K是燃烧室能够达到无焰燃烧的必要条件之一。无焰燃烧状态下燃烧室出口温度分布必然非常均匀，因此燃烧室的出口径向温度分布情况可以从一个侧面反映出燃烧室内火焰是否达到无焰燃烧状态。由于实验条件限制，本文利用五点温度探针耙子测量燃烧室出口温度分布情况，近似表示出口温度分布。如图10所示，实验中保持燃烧室参考速度为12 m／s和总当量比0.26不变，随着燃烧室入口空气温度的增加，燃烧室出口温度分布更加均匀。燃烧室径向出口温度分布随着入口空气温度的变化趋势，进一步说明了随着入口空气温度的升高，燃烧室达到了无焰燃烧状态。

8 结论

本文基于驻涡稳定的无焰燃烧室进行了实验研究，重点关注了燃烧室参考速度、入口空气温度、总当量比、燃油在主燃区和凹腔之间的分配比例对无焰燃烧性能以及污染物排放的影响。研究了基于驻涡稳定的无焰燃烧室产生无焰燃烧的条件，为该种形式的燃烧室设计提供了依据并得到了以下结论：

1）基于驻涡稳定的无焰燃烧形成的条件：在保持合理的凹腔当量比前提下，燃烧室入口空气温度高于550 K，燃烧室参考速度大于10 m／s。

2）驻涡稳定的无焰燃烧室能够在降低CO排放的同时，保持NOx排放基本不变，其污染物排放特性完全不同于扩散燃烧技术。

3）随着凹腔当量比的增加，NOx排放先增大后减小，这是主燃区火焰温度与氧气浓度先后作用的结果。因此凹腔驻涡稳定的燃烧室的NOx排放同时受到火焰温度和氧气浓度的影响。

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Experimental Study of Flameless Combustor based On Trapped-Vortex

WANG Kun1，2，ZANG Peng3，XING Shuang-xi1，FANG Ai-bing1，CUIYu-feng1，NIE Chao-qun1
（1.Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；3.Shanghai electric power technology research and Development Center，Shanghai201612，China）

In this paper，experimental study is carried outon a liquid flameless combustor，which is designed based on the idea ofmaking use ofboth trapped-vortex technology and flameless combustion technology.During the experiment，emphasis is placed on the influence of inlet air temperature，air flow rate，equivalence radio of reentrant and main equivalence，aiming to study the condition under which flameless combustion will take place and the combustion characteristic of the combustor.The conclusionmay be useful for designing a flameless combustor.

flameless combustion；trapped-vortex；combustion characteristic；aircraft engine；low emission

V231.2

A

1009-2889（2014）03-0014-05