旋流式单封闭涡旋燃烧器中的燃烧与排放特性：燃料分级效应

《Energy》：Combustion and emission characteristics in a swirling-flow single trapped vortex combustor: Fuel staging effect

燃烧效率提升至99.9%的涡街复合燃烧器设计与实验研究。

　　

郭宇曦|毛向晨|桂涛|段飞|何晓敏

南京航空航天大学能源与动力工程学院，江苏南京，210016，中国

摘要

航空发动机的排放问题日益受到环境污染方面的关注。在新型燃烧室中采用的分级燃烧技术被认为是一种实现低排放的有效方法。旋流单捕集涡流燃烧室（SSTVC）结合了旋流燃烧的优异混合能力和捕集涡流燃烧的宽广工作范围。通过对SSTVC的实验研究，验证了在不同工作条件下燃料分级的作用。使用三圆顶实验装置系统地收集了火焰结构、出口温度分布、燃烧效率以及一氧化碳、未燃烃和氮氧化物排放指标的数据。研究发现，在仅使用燃烧室模式（Only Cavity Mode）时，随着燃烧室当量比的增加，燃烧效率逐渐提高，当燃烧室当量比接近1.4时达到96.8%的最大值。在双阶段模式（Two Stage Mode）下，燃烧效率进一步提高至99.9%，即使在最高的燃料空气比下，氮氧化物排放指数也仅为7.2克/千克。燃料分级显著影响火焰传播和温度均匀性，燃烧室当量比约为1.4时被认为是实现稳定燃烧和低排放的最佳值。最后，建立了两种模式下氮氧化物排放的经验关联式，这些关联式可用于设计低排放的航空发动机燃烧室。

引言

全球变暖要求各个行业降低排放量[1]，尤其是碳排放[2]。航空工业在低碳控制方面面临诸多挑战。氢燃料、氨燃料和电池作为替代能源也各有难题，包括能量密度[3]、火焰稳定性、氮氧化物排放[4]以及经济成本[5]等方面。目前，可持续航空燃料（SAFs）是最具经济可行性和快速部署性的脱碳途径，相比传统喷气燃料可减少高达80%的碳排放[6]。SAFs由于表面张力较低，雾化效果更好，其较高的氢碳比使得单位质量的热释放量更大[7]，但这也会导致高温区域的形成，从而增加热氮氧化物排放。因此，优化现有的燃烧组织方式并建立燃烧结构与排放之间的关联关系至关重要。

分级燃烧是目前解决这些问题的最有效方法。常见的低排放燃烧方案包括搅拌旋流燃烧[8]、双环预混旋流器[9]以及Rich-Quench-Lean燃烧技术[10],[11],[12]。这些设计大多通过增加旋流器级数并在每个级数使用不同的燃料空气比（FAR）来实现空气动力分离[13]。20世纪90年代，徐某提出了一种基于腔体结构的几何分级方法[14]：腔体作为初始燃烧阶段，负责低工况下的燃烧和火焰稳定；主燃烧区则在高工况下保证高效燃烧。这种配置被称为捕集涡流燃烧室（TVC）[15]。TVC因其简单的设计、轻量化的结构、良好的燃烧稳定性和高效率而受到广泛关注[15],[16],[17],[18]。然而，在高工况下，尤其是流量较大时，主流速度会显著增加，导致火焰过长，出口温度分布不均匀[7]。为改善主流混合效果，虽然设计了一种倾斜支柱来增强初始区域的混合，但未能有效降低主流速度[19]。

旋流具有较高的湍流能量，从而显著提高混合效率[20]。陈某通过增强TVC中进入气流的旋流强度，证明了混合特性的显著提升[21]。在此基础上，研究人员结合了传统旋流器和TVC设计，提出了旋流单捕集涡流燃烧室（SSTVC）[22,23]：腔体保留了TVC的传统结构，同时通过旋流器-支柱圆顶配置增强了主流旋转，使火焰减速并延长了气体在腔体内的停留时间，从而提高了燃烧效率[24]。SSTVC保持了TVC的宽稳定性范围，主流旋流并未影响腔体内的稳定流动结构[22]。

无论是采用旋流分级燃烧室还是TVC，其基本原理都是分阶段输送燃料和空气[25]。各阶段之间的相互作用并非简单的叠加，而是存在很强的相互依赖性。因此，设计燃料分级比单纯调整局部当量比为1要复杂得多[26]。尽管已经研究了分级燃烧室中的氮氧化物排放和燃烧效率，但燃料分级的具体影响尚未得到全面探讨[27]。先前的研究主要关注了单圆顶贫燃分级燃烧室的点火和排放行为，但相关数据集不足以进行综合分析[28]。刘某的研究表明燃料分级对燃烧性能有显著影响，并确定了最小化氮氧化物生成的最佳初始当量比。遗憾的是，这些研究未涉及燃烧效率[26]。李某进行了大量实验，研究了不同条件下的燃料分级对排放和效率的影响，并建立了氮氧化物生成的经验关联式[29]。

基于以往的研究，燃料分级对燃烧性能和氮氧化物排放起着关键作用。然而，目前的认识主要基于旋流燃烧室的研究，SSTVC或其他类型TVC中燃料分级的影响尚不明确。缺乏专门的实验数据限制了对SSTVC内腔体与主燃烧区之间相互作用以及最佳分级策略的明确评估，这也限制了TVC的实际应用潜力，尽管它具有许多优势。本研究使用液态RP-3煤油探索了低排放的SSTVC配置，通过大量实验探讨了不同燃料分级策略对燃烧性能和排放的影响，确定了最佳燃烧室当量比，并建立了氮氧化物排放的经验关联式，为未来混合SAFs燃料时的氮氧化物控制提供了依据。

燃烧室模型

图1展示了SSTVC的二维流动示意图。气流进入燃烧室后分为五股独立的流道，分别进入不同的燃烧室壁。在主燃烧区中部，由于腔体前部空气、腔体后部空气和主燃烧空气的共同作用，形成了双涡流结构。主涡流位于腔体中心，用于在初始燃烧阶段稳定火焰。

结果与讨论

对SSTVC在不同燃料分级条件下的火焰结构、出口温度分布、排放特性和燃烧效率进行了实验研究。火焰结构由高速摄像机记录，所有实验条件下的光学参数保持一致。

出口温度分布以无量纲形式表示，每个测量点的温度（T₄）均通过平均出口温度（T_avg）进行了归一化。

结论

通过对SSTVC进行的大量实验，研究了燃料分级对不同工作条件下燃烧性能和污染物排放的影响。研究基于控制良好的实验条件，涵盖了广泛的工作范围。主要结论如下：

Ⅰ.

在仅使用燃烧室模式（OCM）时，随着燃烧室当量比（Φ_cavity）的增加，燃烧效率提升至96.8%，当Φ_cavity = 1.4时达到最高值。

作者贡献声明

郭宇曦：撰写初稿、进行正式分析、数据整理、概念构思。毛向晨：数据验证、数据整理。桂涛：进行正式分析、数据整理。段飞：撰写、审稿与编辑、监督工作。何晓敏：撰写、审稿与编辑、监督工作以及资金筹集。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点科技项目的支持。