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谈谈低污染燃烧室技术成熟度划分目录
1.引言中国政府已经将研制大型飞机列入到国家的中长期发展规划中,并已经开始大型民用飞机和发动机的研制工作民用航空发动机的研制当中,如何保证研制出的发动机符合国际民航组织(ICAO)及其下属的环境保护委员会(CAEP)制定的污染排放规定,是一个关系到发动机能否取得适航认证的关键,而解决这一关键问题的主要任务之一是低污染燃烧室的研制本文从美国航空宇航局(NASA)的技术成熟度(TechnologyReadinessLevelSealeTRL)划分和管理概念,介绍民用飞机低污染燃烧室的研制阶段及各阶段的主要任务描述,作为我国制定低污染发动机研制规划的参考依据图1所示的TRL分级由美国航空宇航管理局提出,它可作为一个工具,来表征广泛应用范围的新技术发展水平,对象包括空间飞行器,飞机系统,飞机发动机以及各部件这里所用各项术语的定义相当通用,这样可以适用于很广的技术范围本文的目的是将这种方法具体化到一个具有新技术和新特点的发动机部件,即低污染燃烧室,并描述了为达到某一个低污染燃烧的TRL所必须的分析和试验图1说明了以下两个概念a.从新技术概念到产品(例如低污染燃烧)大体上三大步基本原理和技术概念(主要是大学教授们的工作),由政府部门(例如航宇局或能源部)组织技术研发,转到工业界进入产品(型号)发展;b.除了军用项目之外,政府在组织技术研发上的功用到某一阶段(例如第六阶段)为止.烟气再循环法降低NO*的效果与燃料品种和再循环率有关,NOx的降低率随再循环率的增加而增加.在再循环率为15〜25%时,煤粉炉的NOx排放浓度可降低〜25%.一般再循环率选用在10〜20%左右;.燃烧温度越高(如液态排渣炉)再循环率对NOx的降低影响越大;※采用烟气再循环要加装再循环风机,烟道等,增大了投资,系统也较复杂,需进行技术经济比较决定
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3.燃料分级燃烧L燃料分级燃烧也称为再燃技术,主要是利用烧类还原和破坏NOx的原理,将整个燃烧区划分为三个部分,郎凤娥介绍如下1)主燃区将80〜85%的燃料送入第一级燃烧区,在>1的条件下燃烧并生成NO.2)再燃区其余15〜20%的燃料送入主燃烧区上部的二级燃烧区,在1的条件下形成强烈还原性气氛将NOx还原成N2o3)燃尽区位于再燃区上方,送入燃尽风使未完全燃烧的产物燃尽
2.在再燃区中影响NOx降低值的因素有1)二次燃料的种类;2)二次燃料的比例;3)再燃区内的过量空气系数;4)再燃区的温度;5)烟气在再燃区内的停留时间等※采用再燃技术需要权衡考虑锅炉整体高度,保证再燃区燃料的燃尽率止匕外,目前国际上主流的低氮燃烧技术还包括浓淡燃烧、低主燃烧区过量空气、低NOx燃烧器等等NASA技术成熟程度水平TRL的分级»在相关的环境下系统/亚系统模型或初型行到物证或评估5在相关的环境下的部胃龄证4在试验室环境下的部件试验3从分析匕和试验上检验了关键性的功能或确定性的概念证明2技术做念和/或其应用已经形成候选者已选定I已经观察到的和已经报告的基A丁理图1NASA技术成熟程度TRL的分级
2.低污染燃烧室要求对民用飞机低污染燃烧室的要求,可以分为以下三个方面
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1.性能a.燃烧效率高具体要求是在最大起飞推力时一,效率>
99.9%;在高空最大巡航状态,效率>
99.5%;在地面慢车状况,效率>99%;b.污染排放少包括相应工况下NOx,COUHC要低,符合燃烧室设计目标ICAO规定,例如相对于CAEP4NOx降低多少,CO和HC降低多少;排气冒烟符合CAEP规定;c.总压损失符合要求从扩压器进口到燃烧室出口/P/P例如,7%;火焰筒/P/P4%;d.出口温度分布质量符合要求,例如出口温度热点指标<
0.25;径向温度分布指标<
0.10;e.燃烧室点火性能好,例如地面冷空气-29℃冷油-29℃下可以点着,点火油气比不影响发动机悬挂或失速;£高空点火能力强,例如在高度9144米30000英尺及在某个飞行M数下,能够点火成功并保证飞机拉起;g.火焰稳定,慢车状态下贫油熄火油气比不高于
0.006o
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2.燃烧室工作性能良好燃烧室的作用总结如下;燃烧室是燃料或推进剂在其中燃烧生成高温燃气的装置它是燃气涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机的重要部件,由扩压器、燃烧室壳体、火焰筒、燃料喷嘴、点火装置构成是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备燃烧室不能在高温、大负荷、变工况、具有腐蚀性的环境、燃烧在高速气流及贫油混合气情况下进行工作发动机燃烧室的主要作用是将来自压气机的高压空气与燃料喷嘴喷入的燃料混合并经过等压燃烧,将蕴储在燃料中的化学能转化为热能,形成高温燃气送入透平做功随着现代技术的发展,全球排放标准的限制和人类对于环境的要求越来越高,高效节能、低污染已成为现代汽车的发展趋势综合考虑发动机燃油经济性、功率和排放等指标,新型燃烧室在现在汽车中的应用也越来越广泛燃烧室主要部分位于气缸盖凹入的排气门下方,直径很小,结构紧凑,有一定的挤气面,可形成较强的挤气紊流同时,进气门浅凹坑处与主燃烧室有浅槽相通优点是可以燃烧非常稀薄的混合气,空燃比可达26降低了燃油消耗率其缺点是,必须用高辛烷值汽油,对积碳敏感,需严格控制压缩比
2.
3.经济性,加工性a.燃烧室一次性成本不能高于对应的非低污染燃烧室;b.大修寿命要长于对应的非低污染燃烧室与上一点综合起来,以总寿命计算的每小时运作的燃烧室成本降低;c.便于维护和修理;d.在加工性上,主要是没有特殊加工设备的要求对燃烧室的排放要求包括在一个起飞着陆LTO循环内氮氧化物NOx、一氧化碳CO、未燃碳氢化合物UHC和冒烟或特定尺寸范围内的微粒子的排放指标要求,同时还包括在巡航状态下的NOx和微粒子排放指标要求综上所述,为保证发动机安全和高效的运行,燃烧室必须满足一系列的关键性的性能、工作特性和寿命上的要求,表1总结了当代民用飞机低污染燃烧室的典型要求表1当代发动机燃烧室典型的性能和工作特性要求在每一个新燃烧室的研制过程当中,都必须要对燃烧室的排放、性能、工作特性和寿命进行验证和评估需要说明的是,并非对所有技术都要进行验证和评估,例如,对一个新的燃油分级的燃烧室概念,需要进行所有技术方面的验证与评估,而对一种采用新型高温材料以增加燃烧室寿命的低污染燃烧室,要求进行所有与寿命相关的试验,而不需要进行有关污染排放的试验.成熟度分级为验证和评估燃烧室的排放、性能、工作特性和寿命要求,要通过各种TRL水平上的试验验证,图2给出了低污染燃烧室研发过程的概括性描述图2表明,随着技术的更加成熟,要求的实验的复杂性也随之提高,这与技术成熟度是密不可分的例如,单管火焰筒的实验一般来说对应于TRL3水平的研发,扇形段实验对应于TRL4水平的研发,全环形实验对应于TRL5水平的研发,而发动机整机上的燃烧室实验对应于TRL6水平的研发在某种技术的研发过程当中,TRL6是起始点,而且在TRL6之前已经进行了关键性的污染排放、性能、工作和寿命方面的评估在TRL6水平,仍然在与最终产品相关的成本、适航性、环保性和技术这种等方面存在一定的不确定性,例如,在适航性方面,诸如在整个飞行范围的空中启动能力和稳定性等内容,在TRL6水平并未全部解决然而,如果TRL6水平的所有要求都成功地得以验证,那么可以非常有信心地保证通过TRL9阶段(这一阶段花费巨大)的飞行试验验证图2低污染燃烧室研发过程表2列出为验证低污染燃烧技术成熟性的典型要求TRL典型的要求验证污染排放性能工作寿命以下就低污染燃烧技术说明从TRL1到TRL9的各阶段的任务描述TRL1这个阶段可以简单到一个研究报告,说明采用何种方法可以减少污染排放例如20世纪70年代,有若干个基本试验表明贫油-预蒸发-预混合燃烧可以明显的降低NOx的排放这样美国航空宇航管理局召开一次燃烧专家会议,由政府、研究所、学术单位以及工业界来的燃烧专家们,经讨论大家同意,飞机发动机的贫油-预蒸发-预混合燃烧室LPP是应该研发的技术这样一次专家会议,确定一种可以采纳予以研发新技术工作会议TRL1水平的耗费少于10万欧元;TRL2这个阶段涉及上述概念如何在某个特定的用途和场合下应用,例如,如何将这个概念在一个现存的发动机中结合进去这就需要有一张发动机的总的简图,有一些简化分析,对污染排放,性能,工作特性及寿命的原始性的要进行评估在TRL2阶段,一个主要的目标是要明确在哪些领域还要做进一步的基本研究,这些基本研究可以给设计者提供必要的数据和分析的能力,来确定上述新技术概念是否具有合理的机会以满足一个发动机燃烧室的实际要求对低污染燃烧LPP中有关预蒸发和自燃auto-ignition的基本研究是典型例子用以评估LPP燃烧室的TRL2水平的研究参见参考文献和TRL2水平的设计研究耗费典型地在几百万欧元的水平这里需要指出的是,中国的低污染燃烧技术的研发,不必从TRL1和TRL2起步,这可以借鉴国外的成功经验,完全可以直接从TRL3开始TRL3在有关TRL3水平的试验上,有很大的发展和变化在最初航宇局的看法是TRL3的试验典型地在理想化的“火焰筒”中进行,随着低污染燃烧技术研发的进展,发现这个火焰筒的单管燃烧试验完全可以,也应该接近于发动机上实际燃烧情况来进行没有必要用陶瓷的正方形的火焰筒,完全应该用圆形的,金属的,带空气冷却的火焰筒来做实际上TRL3是解决低污染燃烧技术研发中的气动热力一燃烧设计的主要一步经验证明,在研发人员的知识,技术和经验水平可以符合要求情况下,TRL3的试验与分析耗费大概在五百万至一千万欧元之间TRL4TRL4试验典型地在一个扇形段燃烧室试验台上做,这个扇形段是环形燃烧室的一部分(典型的为90°扇形段)一般在真实的发动机燃烧室进口温度和进口压力下来做试验,用扇形段可以减小尺寸,并减少要求的空气流量,但扇形段有两个侧壁是不利因素TRL4试验的耗费要比TRL3的试验高出很多,同样在研发人员水平符合要求的情况下,大致在一千万至二千万欧元之间TRL5这一阶段中典型地是全环形燃烧室试验这个全环形燃烧室可以完全装进一个现存的发动机(产品)或者可以装进新设计的发动机在TRL5中有一些气动热力设计,例如燃烧室扩压器设计,火焰筒头部空气流动设计(从扩压器出口至预混模进口)等等,但TRL5是燃烧室机械设计中主要的一步例如燃烧室机匣,喷嘴的安装,火焰筒定位,热胀,燃烧室偏气向问题等等全环形燃烧室试验是必不可少的重要一步,要验证点火传焰能力,测量全环形出口温度分布,并且测量动态压力,因为全环形提供了接近于发动机燃烧室的流场条件及声学边界条件有的情况下由于受到实验设备能力的限制,只能进行降压力的全环形燃烧室试验也可以在TRL5阶段包括更多的高压扇形段,来评估在发动机最严厉工况下的壁温来评估寿命,以及了解压力对污染排放的影响TRL5试验的耗费,同样在研发人员水平符合要求的情况下,为TRL4的2一4倍这也取决于是否把全环形燃烧室装入发动机,进行发动机上的全环形燃烧室试验的情况(TRL6)TRL3到TRL5是低污染燃烧技术研发的主要阶段TRL6从TRL3到TRL5这几个阶段的燃烧试验,除了点火试验及慢车状态贫油熄火之外,都是稳态的试验,要验证TRL6的水平,要进行工厂发动机台架试车这是研发中燃烧室第一次在实际的过渡状态下进行评估,包括起动过程,发动机加速和减速过程这也是第一次有机会来评估燃烧室和压气机、涡轮以及燃油系统之间的相互影响在发动机台架上通过一系列模拟循环的开车,可以评估寿命以及一些特殊的工作特性问题,例如失速后的恢复、雷雨熄火特性和吞冰熄火特性在某些情况下,不得不对新的燃烧技术作某些妥协,以把它装在一个现存发动机上去试验这时分两种情况某些妥协是允许的,可以接受的,其影响也容易估计例如,现存发动机上无法提供新燃烧室所需的最佳长度和容积,燃烧效率会受到一些影响;而有些妥协是不能接受的,例如新的燃烧室喷嘴数目与原来发动机上喷嘴数目很大不同;或者现存发动机控制系统没有能力来控制燃烧室所有的功能这会导致低污染燃烧技术在TRL6阶段的结果有不确定性TRL6的耗费,取决于要试验的发动机大小和技术水平;取决于这个发动机为了接纳新的燃烧室技术所要做的改动程度单个的TRL6发动机试车(仅就低污染燃烧而言),与TRL5系列试验的耗费相当TRL6已经不完全是技术研发了,相当程度上属于型号研发一般技术研发可以至TRL5就算终止了TRL7TRL7的试验有两种做法一是在高空模拟试验台上进行,二是在飞行试验台上进行这些试验第一次提供机会来评估在发动机中燃烧室的高空起动及其“拉起”过程以及真实高空巡航状态下的性能及工作其耗费比TRL6要大很多TRL7属于型号研发TRL8TRL8试验用来满足发动机和飞机定型的要求要将一个新燃烧室技术用到一个现存发动机上直到定型,要求投资大致在1亿欧元一个全新的发动机研发到定型通过,代表一个数目大致为10亿欧元的投资TRL9过去的发动机型号经验表明,在一个现存的发动机上对燃烧室设计做了重大修改之后,可以导致燃烧室和(或者)涡轮寿命上一开始有所下降寿命问题在带有新部件设计的发动机投入运行后,有几个月或更长时间(短则可能在工厂中连续长时间的寿命试验中)暴露出来如果出现严重的寿命问题,要修改设计,重新定型,生产线更新,在现场服役的机组更新,这一系列的耗费可以比第一次研发的各TRL阶段的总投资还多.主流低氮燃烧技术介绍
1.空气分级燃烧空气分级燃烧技术是目前国内外最普遍使用的低NOx燃烧技术之一山西蓝天环保设备有限公司郎凤娥介绍说.基本原理将燃料燃烧所需的空气分成两级或更多级送入炉膛,使煤的燃烧过程在保持总体过量空气系数不变的基础上分阶段完成1)第一阶段为富燃料燃烧,使al将燃烧所需的总空气量的70〜80%从主燃烧区送入,以保证燃料在缺氧条件下燃烧,构建还原性气氛,抑制燃料型NOx的生成;2)第二阶段为富氧燃烧,将剩余空气(燃尽风)从主燃烧区上方的燃尽区送入炉膛,完成煤粉的燃尽过程尽管燃尽区空气量多,会再次生成一部分NOx,但是总体来讲炉内NOx生成量是减少的.影响空气分级燃烧降低NOx效果的因素1)两级燃烧的过量空气系数分配;2)燃烧温度;3)停留时间等;※空气分级燃烧要防止富燃料燃烧区内的结渣和腐蚀
2.烟气再循环.原理从空气预热器后抽取一部分燃烧后的烟气直接供入炉内,或者先送入风箱中与热风混合后再供入炉内,以降低燃烧温度和氧的浓度,从而降低NOx生成量;烟气再循环率=(再循环烟气量)/(无再循环时烟气量)x100%表2验证低污染燃烧技术成熟性的典型要求TRL典型的要求验证污染排放性能工作寿命1基本原理专家意见专家意见专家意见专家意见2概念形成简单数据关系一元和三元CFD分析简单数据关系式一元简单的传热分析3关键性功能火焰筒火焰筒火焰筒火焰筒4实验室试验扇形段试验三元CFD由扇扇形段试验扇形段试验一低压CO/HC形段试验数据一低压贫油熄一单喷嘴高压试验一单个喷嘴高压NOx/微粒子试验验证火一低于大气压高空起动试验结构温度5部件试验一环形试验台一全环形试验一全环形试验—4到5喷嘴测CO/HC一扩压器模型包括低于大气的高压扇形段-4到5喷嘴高压扇形段试验NOx/微粒子试验压的试验试验6系统试验一地面发动机地面发动机试地面发动机试地面发动机试试验测起落循验一试验单位验(包括失速,验一飞行循环环污染排放—全环形试验决定巡航状态修正燃油消耗率雷雨,冰雹吸入试验)考验7飞行试验一飞行的真实一高空起动包8飞行定型硬件重复飞行试验一噪音测量依据定型要求线确定一快速加速,快速减速9飞行经验绝大部分现场出现的问题都在几台发动机超过3000小时的飞行后暴露出来。