基于驻涡稳定的无焰燃烧室实验研究-论文.pdf

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1、第27卷第3期《燃气轮机技术》Vol_27No．32014年9月GASTURBINETECHNoLoGYSep．，2014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)摘要：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

2、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。关键词：无焰燃烧；凹腔驻涡；燃烧特性；航空发动机；低排放中图分类号：V231．2文献标识码：A文章编号：1009—2889(2014)03—0014—05随着人类环保与健康意识的不断增强，蓬勃发实验研究和数值研究工作主要集中在工业炉领展的民航运输业排放的NO等高空污染物对于臭域。燃气轮机无焰燃烧技术的发展主要在氧层的破坏日益引起人们的重视，为此国际民航组2004年以后，并已经取得了显著的成果51J。织(InternationalCivilAviationOrganization，ICAO)无焰燃烧低污染

3、排放的特点特别适合应用于航于2006年公布了CAEP6标准⋯。与2002年公布空发动机领域，以满足越来越严格的排放标准，但是的CAEP2相比，CAEP6标准中NO的排放数值降以上研究主要是集中在气体燃料lIJ，针对以航空低了21％，针对民用航空发动机的NO排放标准日煤油为燃料的无焰燃烧技术的研究相对较少_l。益严格。因此，发展适用于民用航空发动机的低污本文通过将驻涡燃烧技术和无焰燃烧技术相结合，染燃烧技术越来越紧迫。目前，适用于航空发动机设计了驻涡稳定的无焰燃烧室，并开展了实验研究，的低污染燃烧技术主要包括：贫油预混预蒸发探讨了影响航空煤油无焰燃烧形成的关键因素，为(

4、LPP)，富燃-猝熄-贫油燃烧(RQL)-5]，贫油设计提供依据。直接喷射燃烧(LDI)j，双环腔旋流预混燃烧1燃烧室结构(TAPS)J，无焰燃烧(FC)和驻涡燃烧(TVC)。Wunning等人认为实现无焰燃烧需要满足以其中无焰燃烧是一种在高温、低氧浓度、低燃料下两个条件：1)反应物温度必须超过自燃温度；空气当量比条件下产生不可见火焰的燃烧技术J。2)新鲜可燃物和高温回流烟气必须实现充分掺混。这种技术通常是采用大量回流的高温燃气与新鲜的为满足以上条件，本文设计了针对航空煤油为燃料空气掺混，由于燃烧过程中氧气浓度低，掺混效果的凹腔驻涡无焰燃烧室。图1为本文模型燃烧室流好

5、，因此能够有效地降低NO的产生，是一种很有场组织形式图，与通常将高温烟气回注到空气中实发展前景的低污染燃烧技术。无焰燃烧最早源于英现二者充分混合以实现无焰燃烧的方法不同，该燃国帝国理工学院的Weinberg1971年提出的“超焓燃烧室通过将凹腔内产生的高温烟气与头部可燃物直烧”的概念J，自从1991年Wunning首先在工业炉接掺混来实现无焰燃烧，该方法有利于简化燃烧室中实现了无焰燃烧，国内外针对无焰燃烧的基础结构。数值模拟证明该结构具有实现无焰燃烧的可收稿日期：2013—09—16改稿日期：2013—10—24基金项目：国家自然科学基金项目“燃气轮机燃烧室中低热值富

6、氢燃料无焰燃烧特性研究”(资助号：50706054)作者简介：王昆(1987一)，男，河北昌黎人，博士，主要从事燃气轮机燃烧室研究。E-mail：wangkun@iet．cn。第3期基于驻涡稳定的无焰燃烧室实验研究17律。图8为保持的人口空气温度为560K，参考速度为12m／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的排蠡放持续下降，而NO的排放却基本没变化。当总当蠢量比大于0．28时，CO和NO的排放都可以维持在×一很低的水平，其体积分数为30×10(@15％0，)以菩Z3下。当燃烧室总当量比继续增加时，CO排放仍会继续下降，

7、但NO维持不变，这完全不同于典型的扩凹腔当量比散火焰污染物排放特性。这是由于高温烟气与主流图9凹腔当量比对污染物排放的影响的掺混在避免了温度峰值的同时降低了0的浓度，必要条件之一。无焰燃烧状态下燃烧室出口温度分抑制了NO生成，因此即使在高当量比时，CO和布必然非常均匀，因此燃烧室的出口径向温度分布NO排放都能维持在很低的水平，发挥了无焰燃烧情况可以从一个侧面反映出燃烧室内火焰是否达到的优势。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，实验中保持燃烧三室参考速度为12m／s和总