燃烧室设计：解决有害气体问题

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：因此，由式指向的燃烧室不包含出口温度和出口速度项，因而可以看成燃烧气体会急速稀，在燃烧室下游不生成NOx的燃烧室。

燃气涡轮燃烧室所排放的污染物质有未燃烧成分的碳氢化合物（THC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO_x）和炭烟。这些污染物质排放影响因素有主燃区的温度、当量比（或燃空比）、混合率、滞留时间、燃烧室火焰筒的淬火等。

1.污染物质发生原因和对策

HC和CO主要在怠速运转等低负荷运转状态下因不完全燃烧生成，NO_x和炭烟主要在高转速高负荷状态下生成。炭烟在局部性燃料喷油器附近过浓混合气区域生成，NO_x主要在理论混合比附近的高温火焰区域生成。

HC和CO多在低负荷运转状态下生成的原因是，在低负荷状态运转时，燃料的喷射压力低，使燃料的平均粒径大，导致难以完全燃烧，此外进入的空气温度和内筒壁面的温度低，使燃料不能充分蒸发气化。

HC、CO和炭烟在燃烧室主燃区的浓混合气条件下生成。随之这些成分在次燃区通过两股空气的氧化反应逐步减少。通常，主燃烧区域（主燃区）的当量比略小于理论空燃比的微稀薄混合气状态。微稀薄混合气状态CO排放量较高的原因是，较低的氧化率和较短的滞留时间。在理论空燃比附近，CO的排放量较少，这是因为在高温状态下反应率较快。HC生成的主要是燃料雾化不充分。尤其是，使用压力喷油器的燃烧室更换为双流体喷油器，可以提高燃料的微粒化特性，能降低CO和HC的生成量。

NO_x的生成条件与CO和HC的生成条件正好相反。因此，在降低这些有害气体排放量方面具有相互权衡关系。NO_x生成的最主要因素是温度，且随负荷的增大而增加。要降低NO_x的生成量，应尽可能降低燃烧温度，并要缩短高温燃烧气体在燃烧室中的滞留时间。

2.低NO_x燃烧室

（1）NO_x排放倾向航空用燃气涡轮发动机中NO_x的排放量与燃烧室进口空气温度或燃烧气体温度有密切的关系，具有线性正比关系。

航空用燃气涡轮燃烧室制造商所提示的NO_x生成指数经验式，均为温度与压力的函数：

GE公司： EI（NO_x）∝p^0.3₁exp（T₁/194）（12.81）

P&W公司： EI（NO_x）∝p^0.5₁T₂exp（T₁/288）/V₂ （12.82）式中，下标1、2分别表示燃烧室进口和出口条件；V₂为燃烧室出口的燃烧气体速度，表示燃烧气体在燃烧室内的滞留时间。因此，由式（12.81）指向的燃烧室不包含出口温度和出口速度项，因而可以看成燃烧气体会急速稀，在燃烧室下游不生成NO_x的燃烧室。相反，由式（12.82）指向的燃烧室包含有出口燃气温度T₂和燃气速度V₂，因而可以看成燃烧气体温度较高、随着滞留时间的增加会持续生成NO_x的燃烧室。

NO_x的排放量与燃烧效率η_b或不完全燃烧率（100-η_b）之间的对比很重要。如果燃烧效率低，火焰温度也低，未燃烧成分会增加，即He和CO的排放量会增加，但NO_x的排放量会减少。因此，时常会发生把各种燃烧效率低的燃烧看成NO_x燃烧的错误。因此，对于燃烧室NO_x排放量的评价，必须与燃烧效率或CO等未燃烧成分排放量一起分析。

（2）低氮氧化物航空发动机航空器对环境（污染物质排放量和噪声）污染的规定通常仅考虑机场周边的环境影响，因此仅对起飞和着陆时的状态做出规定，但最近随着航空器的增加也开始考虑废气排放绝对量的增加，开始研究巡航飞行时的废气排放量限制规定。但是对9000m以上的飞行条件还没有做出规定。

航空发动机开始启动实用性的废气排放量降低是美国的E³（读为E立方）和欧洲气候变化计划（ECCP）项目。这是由P&W公司和GE公司各自在主轴方向和半径方向分成燃烧领域，并分化其功能，以降低NO_x的排放量。在此研究开发的双环形燃烧室采用在大型低NO_x排放量发动机上。此类型单独配备了在低负荷状态下使用的引燃燃烧室，以确保在所有的运行领域稀薄混合气的稳定燃烧。其结构简图如图12-31所示。图12-31a所示为由GE公司在波音777飞机配备的GE90发动机上采用的，在半径方向分成燃烧室，并配备20个喷油器的类型，内径侧为主燃烧室，外径侧为引燃燃烧室。此类型引燃燃烧室的容积较大，因此能容易应付空气负荷率较大的慢车转速或高空再着火条件。在A321空客上配备的CFM-5B发动机也采用此类型发动机燃烧室。另外，图12-31b所示为由P&W公司生产的V2500-A5发动机所采用的燃烧室，为在主轴方向不同位置配置燃料供给位置的类型，接近主轴的内侧为引燃燃烧室。因进入空气温度低，在火焰不易雾化混合的低负荷条件下，能充分利用较长的燃烧室。在燃烧负荷较大的设计点附近，通过外侧燃烧室可以容易调整涡轮所需的温度较高的火焰。

图12-31 低NO_x用环形燃烧室

燃烧室设计：解决有害气体问题

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