航空煤油燃燒碳?xì)淙剂吓欧欧段?/h1>
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航空動(dòng)力學(xué)報(bào)》2014年第九期
1航空煤油組分分析
航空煤油的成分非常復(fù)雜，包括鏈烷烴、環(huán)烷烴以及芳香烴，而不同產(chǎn)地、不同批次的航空煤油在組分上存在差異［20］，差異組分將對其燃燒污染物排放造成影響．因此首先對本次試驗(yàn)所用的航空煤油RP－3進(jìn)行組分分析，如圖1所示為試驗(yàn)用航空煤油的烴類組成，圖中所示的百分比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)．其主要成分為鏈烷烴，占60．85％，其次為環(huán)烷烴，占32．35％，芳香烴占4．62％．采用色譜法對航空煤油進(jìn)行了碳數(shù)分布分析，圖2所示為航空煤油中烴類的碳數(shù)分布．從圖中可以看出，航空煤油的質(zhì)量分布集中在碳數(shù)為9～15的烴類中，占總質(zhì)量的75％以上．其中最多的為C10，占總質(zhì)量的18．85％；碳數(shù)為10～13的烴類超過10％，占總質(zhì)量的64．54％．碳數(shù)為10～13的烴類中，所占比例最大的是多甲基（multi－Bi）異構(gòu)烴，其次為單甲基（mono－Bi）異構(gòu)烴，正構(gòu)烴（normal）最少；碳數(shù)為14～15的烴類中，所占比例最大的是單甲基異構(gòu)烴．在測試中存在一些誤差：質(zhì)量較大的分子被擊碎成小分子，導(dǎo)致質(zhì)量大的分子偏少，而質(zhì)量小的分子偏多．但是依然認(rèn)為該圖給出了航空煤油各組分的大致分布情況．本文所使用的航空煤油的平均分子量為145．59，平均分子式為C10．35H20．83，碳?xì)?/a>摩爾比約為0．5．
2射流攪拌燃燒反應(yīng)器試驗(yàn)系統(tǒng)
本研究使用的射流攪拌燃燒反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)燃料與空氣均勻混合形成預(yù)混氣，并保證預(yù)混氣在一定壓力、溫度、當(dāng)量比、駐留時(shí)間的條件下穩(wěn)定燃燒．設(shè)計(jì)方案參考了美國Washington大學(xué)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)方案［21］，因?yàn)檫@種射流攪拌燃燒反應(yīng)器最為接近航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室主燃區(qū)的情況，試驗(yàn)結(jié)果有助于對燃燒室污染排放的分析．選用耐高溫、絕熱的材料氧化鋁作為射流攪拌燃燒反應(yīng)器核心腔體澆注料，最外層采用不銹鋼制成殼體固定住氧化鋁澆注體，中間空心處即為核心腔體．射流攪拌燃燒反應(yīng)器核心腔體的工作原理如圖4所示，空氣和燃料的預(yù)混氣從射流攪拌燃燒反應(yīng)器的下部中心以高速射流狀態(tài)豎直向上進(jìn)入核內(nèi)，射流沖擊到上部頂端壁后沿徑向回卷，在平直段與射流之間形成周向均勻的回流區(qū)。核心腔體上部約1／3處周向均布4個(gè)孔，用來點(diǎn)火、溫度測量及安裝高溫采樣探針．該高度與射流攪拌燃燒反應(yīng)器內(nèi)部回流區(qū)中心高度一致，燃燒場數(shù)值模擬結(jié)果表明，在回流區(qū)中心位置的燃燒溫度基本一致，另外采樣探針距離射流攪拌燃燒反應(yīng)器核心腔體壁面有3mm，從而對燃燒和產(chǎn)物排放造成的影響最小．核心腔體下部約1／3處周向均布4個(gè)排氣口．表1為射流攪拌燃燒反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)，表2為射流攪拌燃燒反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)．試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，試驗(yàn)所需空氣通過限流孔控制流量，精度為±3％．在空氣路通過加熱器對空氣加熱，使航空煤油蒸發(fā)與空氣混合．使用雙柱塞流量泵平穩(wěn)連續(xù)地向射流攪拌燃燒反應(yīng)器提供航空煤油，流量測量精度為±1．5％．根據(jù)誤差傳遞，進(jìn)入射流攪拌燃燒反應(yīng)器的混合氣當(dāng)量比精度為±3．3％．飽和蒸汽壓表征了液態(tài)燃料在一定溫度下的蒸發(fā)或者凝結(jié)能力，本試驗(yàn)航空煤油當(dāng)量比最大為1．2，最高壓力為3×105Pa，根據(jù)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)算得的分壓值遠(yuǎn)小于溫度為650K時(shí)的航空煤油飽和蒸汽壓，說明此時(shí)航空煤油完全蒸發(fā)是可能的．同時(shí)，為使液態(tài)航空煤油迅速霧化，并與熱空氣混合蒸發(fā)，設(shè)計(jì)了主要由毛細(xì)管噴嘴構(gòu)成的煤油蒸發(fā)裝置．最后通過采樣探針將燃?xì)鈱?dǎo)入燃?xì)夥治鰞x中，采樣探針配以冷卻水以保證迅速終止反應(yīng)，并且保溫使燃?xì)庵兄饕煞志S持氣態(tài)．
3試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證本研究所使用的射流攪拌燃燒反應(yīng)器的合理性，需要對其進(jìn)行驗(yàn)證．驗(yàn)證用的燃料選擇了甲烷，它是已知的最簡單的氣體碳?xì)淙剂希瑖鴥?nèi)外對其開展了深入的研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較全面．Washington大學(xué)［21］采用射流攪拌燃燒反應(yīng)器對甲烷的燃燒產(chǎn)物NOx開展了研究，駐留時(shí)間為1～4ms，進(jìn)口溫度Tin為300～573K，反應(yīng)器內(nèi)壓力p為1×105～6．5×105Pa，反應(yīng)器內(nèi)燃燒溫度為1800～1950K，測量了NOx的變化規(guī)律．得出NOx在不同壓力下當(dāng)量比φ為0．68～0．72時(shí)隨駐留時(shí)間的變化規(guī)律．如圖6所示為本研究建的射流攪拌燃燒反應(yīng)器試驗(yàn)系統(tǒng)在3×105Pa壓力下甲烷燃燒NOx排放結(jié)果與Rutar試驗(yàn)結(jié)果［21］的對比．可見，隨駐留時(shí)間的增大，NOx也增多，而文獻(xiàn)［21］只給出了駐留時(shí)間最大為3．5ms的數(shù)據(jù)，此時(shí)本研究得到的NOx排放數(shù)據(jù)在該文獻(xiàn)的誤差范圍內(nèi)．而本研究的射流攪拌燃燒反應(yīng)器在長駐留時(shí)間下的NOx排放也符合其發(fā)展趨勢．除了進(jìn)行射流攪拌燃燒反應(yīng)器燃燒產(chǎn)物的驗(yàn)證外，還進(jìn)行了碳平衡驗(yàn)證和徑向溫度分布驗(yàn)證．射流攪拌燃燒反應(yīng)器碳平衡驗(yàn)證通過比較進(jìn)口空氣、燃料中碳的總量與燃?xì)夥治鼋Y(jié)果中碳的總量進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果偏差小于5％，對于射流攪拌燃燒反應(yīng)器而言，碳平衡偏差小于5％是可以接受的．射流攪拌燃燒反應(yīng)器內(nèi)溫度沿徑向分布比較均勻，如圖7所示（τ為駐留時(shí)間，ro為外徑，r為徑向環(huán)面距離）．射流攪拌燃燒反應(yīng)器內(nèi)溫度沿徑向分布以無量綱徑向環(huán)面距離（r2／r2o）作為橫坐標(biāo)．在橫坐標(biāo)小于0．1時(shí)，由于射流作用溫度稍低；在橫坐標(biāo)大于0．1直至壁面的范圍內(nèi)，溫度下降了70K左右，溫度沿徑向分布較均勻，所以溫度不均勻性對燃燒產(chǎn)物的影響較小．而試驗(yàn)測量得到的溫度小于絕熱火焰溫度，主要是由于燃?xì)馀c壁面的對流和輻射作用，熱電偶本身也有輻射熱損失．通過以上3個(gè)方面的試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)，其產(chǎn)物受徑向溫度分布影響較小．
4航空煤油試驗(yàn)結(jié)果及分析
基于射流攪拌燃燒反應(yīng)器試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行的航空煤油燃燒NOx排放的試驗(yàn)選取狀態(tài)如下：預(yù)混氣總流量m•為1．3×10－3kg／s，駐留時(shí)間為4．4～12ms，進(jìn)口溫度控制在650K，當(dāng)量比為0．5～1．2，攪拌器內(nèi)壓力分別為3×105Pa和2×105Pa．如圖8所示為煤油燃燒NOx排放的試驗(yàn)結(jié)果．在相同進(jìn)口溫度、相同反應(yīng)器內(nèi)壓力下，NOx排放在當(dāng)量比為0．95～1．0達(dá)到最大；在當(dāng)量比大于1．0的范圍內(nèi)，NOx排放隨著當(dāng)量比增加而減少，減少幅度相對較小；在當(dāng)量比小于0．95的范圍內(nèi)，NOx排放隨著當(dāng)量比的減少而減少，減少幅度相對較大．相同進(jìn)口溫度下，比較3×105Pa和2×105Pa兩種壓力狀態(tài)下NOx的排放情況．NOx隨壓力增大而增大，峰值都出現(xiàn)在當(dāng)量比為0．95～1．0范圍內(nèi)．隨著壓力從2×105Pa到3×105Pa，當(dāng)量比在0．5～1．0范圍內(nèi)，NOx排放增加2～3倍；當(dāng)量比為1．0～1．2時(shí)，NOx排放增大較少．目前已知在燃燒中NOx的排放機(jī)理主要有熱機(jī)理、瞬時(shí)機(jī)理和燃料型機(jī)理等［23］．其中熱機(jī)理指的是空氣中的N2在高溫下氧化成NOx，這是高溫時(shí)產(chǎn)生NOx最主要的途徑．本試驗(yàn)駐留時(shí)間超過4ms，文獻(xiàn)［9］指出在2ms以上時(shí)NOx的排放主要受熱力NOx主導(dǎo)．對于壓力的影響，由于壓力增高，燃燒效率相應(yīng)增高，燃燒的溫度增高；另一方面壓力增大，相同流量下，駐留時(shí)間增大，提供燃燒反應(yīng)的時(shí)間增長，所以壓力升高NOx排放隨之增大．對于當(dāng)量比的影響，理論上當(dāng)量比為1．0時(shí)，絕熱火焰溫度最高，無論當(dāng)量比增加或者減少，都會(huì)導(dǎo)致絕熱火焰溫度降低．
5結(jié)論與展望
本研究利用經(jīng)過驗(yàn)證的射流攪拌燃燒反應(yīng)器試驗(yàn)系統(tǒng)對航空煤油RP－3燃燒的NOx排放進(jìn)行試驗(yàn)研究，工況為預(yù)混氣總流量為1．3×10－3kg／s，進(jìn)口溫度為650K，當(dāng)量比為0．5～1．2，得出以下主要結(jié)論：1）相同駐留時(shí)間和進(jìn)口溫度，航空煤油燃燒的NOx排放隨著壓力的增大而增多．2）相同駐留時(shí)間和進(jìn)口溫度，航空煤油燃燒的NOx排放在當(dāng)量比為0．95～1．0時(shí)達(dá)到最大值．3）在當(dāng)量比為0．5～0．95（貧油）的范圍內(nèi)，NOx排放隨著當(dāng)量比的增大而增多；在當(dāng)量比為1．0～1．2（富油）的范圍內(nèi)，NOx隨著當(dāng)量比的增大而減少．下一步將利用射流攪拌燃燒反應(yīng)器研究不同壓力、不同進(jìn)口溫度和駐留時(shí)間情況下的航空煤油燃燒NOx和CO等污染物排放，并對煤基合成和生物燃料等航空替代燃料的污染排放進(jìn)行研究，構(gòu)建并驗(yàn)證其反應(yīng)機(jī)理．致謝：感謝天津大學(xué)化工學(xué)院提供了航空煤油試驗(yàn)用油及其組分分析數(shù)據(jù)。
作者：張弛田野薛鑫林宇震許全宏單位：北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
