预混燃烧

一、预混燃烧的基本介绍1.贫燃预混燃烧的介绍贫燃预混燃烧是在保证燃料充分燃烧的情况下，增大空气的供给量，从而降低燃烧室的温度，满足较低的污染物排放标准（可以做到低NOx的排放）。但是与常规的扩散燃烧技术相比，贫燃预混燃烧是在偏离正常化学当量比下进行的，这就会产生燃烧的不稳定性（主要包括回火以及振荡燃烧），严重阻碍了贫燃预混燃烧技术的发展。维持贫燃预混燃烧室内的正常燃烧，其关键就在于避免火焰的吹熄与振荡燃烧。火焰吹熄现象是因为燃烧室内当量比被控制在接近贫燃熄火极限，以便尽量降低火焰温度以及的排放，而在这种燃烧状况下，火焰传播速度很低，在相对高速的火焰流场中，会导致火焰的熄灭现象，这种现象发生的时间很短，被称为静态不稳定。因此要避免火焰吹熄，维持预混火焰的稳定燃烧，关键就在于保持火焰燃烧速度与流场速度的平衡，可从以下两种方法着手：①提高燃烧速度；②降低燃气供给速度。提高燃烧速度可使用端流产生器提高火焰瑞流强度，而降低燃气平均速度可以通过减少燃气供给做到，但是燃机的总效率也会下降，通常采用在燃烧室内安装钝体稳焰器或在燃烧室避免加工凹槽形成局部低速区域，使火焰燃烧速率与流场速率均衡，以便维持火焰的燃烧。另外除上述方法外，旋流因为其特殊的流动特性，也常用于稳定湍流火焰。预混燃烧的不稳定受燃料种类、进气温度、燃料一空气过量空气系数、燃烧室几何参数、燃烧室温度以及压力等众多参数的影响。按压力振荡频率可将燃烧不稳定分为：低频振荡、中频振荡、高频振荡。按照压力振荡涉及的燃烧系统部件可以将其定义为三类：燃烧系统不稳定、燃烧室腔体不稳定以及固有燃烧不稳定。根据燃烧系统内不同扰动间的相互关系，可将燃烧不稳定分为受迫燃烧不稳定和自激燃烧不稳定，也可称为受迫振荡和自激振荡。二、国内外研究现状及进展Lieuwen等人对预混燃烧室内的燃烧不稳定性进行了理论和实验研宄，将预混燃烧室分为进口区域、燃烧区域以及燃烧产物区域三个部分，用“完全撞拌反应器”模型（WSR）对当量比波动引起燃烧热释放波动的机理进行了描述和分析。Hirsch等人对旋流预混燃烧进行了研究并建立了火焰模型，流场模型结果如图1所示，将涡方程加入到火焰模型中，提出了一种新的预混旋流火焰的火焰传递函数描述方法，可以描述不同类型旋流燃烧室传热规律，并解释了热释放脉动与速度脉动间的关系。Russ等人对预混旋流燃烧的火焰模型进行了研究，分析了燃气温度、燃气混合当量比波动以及燃烧室压力脉动等因素与燃烧热释放脉动之间的关系，提出了稳定燃烧的范围。Cohen和Anderson以贫燃预混燃烧室为对象进行了实验研究。研究发现：预混气体当量比接近贫燃熄火极限时容易产生燃烧不稳定现象，对火焰的纹影图像发现此时火焰出现间歇性脉动，且脉动尺度较大。另外还发现，流场中旋润会在轴向发生周期性脱落，导致燃烧不稳定的产生，且随当量比的减小，燃烧不稳定性加剧。KTKim研究了贫燃预混旋流燃烧室（如图2所示）中瑞流火焰对进气速度的动态响应，建立火焰模型对不稳定燃烧进行了分析，预测了对应燃烧室热声振荡频率范围为220Hz和350Hz。图2贫燃预混旋流燃烧室示意图LeeHJ等人分别研究了燃烧室长度、当量比燃料喷射位置等对热声振荡特性的影响规律，研宄表明预混段长度对燃烧热释放强度影响很大，但是对声压脉动与速度脉动之间的相位关系影响不大，对压力信号及CH信号的分析处理确认了不稳定性机理的耦合。J.C.Broda,S.Seo等人对预混旋流燃烧器（如图3所示）进行了不同条件下的实验研究，研究表明燃烧热释放脉动与压力振荡存在某种联系，可能是导致燃烧不稳定的原因。图3实验装置示意图Hardalupas等研究了预混气当量比以及预混效果对燃烧不稳定性的影响规律，实验发现火焰基部化学当量比波动幅度很大，范围从0.2-1.8波动。Meier和Stopper等采用天然气为燃料对贫燃预混燃烧进行了实验研究，从不同当量比、燃烧热功率、燃烧室压力等条件进行研究，通过PIV技术观测到在剪切层层存在有不同尺寸的旋祸，并通过OH-PLIF手段对火焰面形状、位置进行分析，研究表明燃烧中主要过程在剪切层进行，反应区域受流场参数的影响，表明热声振荡燃烧时燃烧热释放脉动与预混气当量比、燃烧室压力、进气速度等参数的脉动有一定联系。Barlow等对贫燃料预混条件下的燃烧特性进行了研究，研究表明控制空气与燃料的掺混比例可以有效调节燃烧温度，从而可以控制热力型NOx的形成，但是降低温度的同时又会增加CO的产生，温度控制1670K-1900K在左右时，NOx和CO的排放都比较低。OTuncer等人以常压下的预混旋流燃烧室为研究对象，对冷态流场与火焰稳定间的关系以及贫燃媳火极限与当量比之间的关系进行了实验研宄，实验过程旋流数为0.74，研究发现，冷态流场也出现了中心回流区，表明反应流场与非反应流场具有相似性。另外在接近贫燃极限，熄火-再燃的过程持续发生。曹红加对预混火焰燃烧不稳定特性及其控制技术进行了研究（如图4），研究表明燃烧不稳定特性与预混燃气当量比有相当大的关系压力振荡的特征频率随当量比的增大而减小；而燃烧不稳定特性与进气流量的关系较为复杂，燃烧室内的平均压力对压力振荡的特征频率也有较大大的影响其特征频率随燃烧室平均压力的增大而减小。图4实验装置和测量系统简图李国能以Rijke预混燃烧器为实验研究对象进行了实验研究，研究表明预混气当量比对热声不稳定特性有重要影响，表明贫氧条件条更容易激发燃烧不稳定问题。赵震等人对模型燃烧室在贫油预混条件下的燃烧不稳定性进行了实验研究。实验主要研究了预混气当量比、喷射速度及燃烧室出口面积等因素对不稳定燃烧的频率和幅值的影响。实验表明：在很宽的当量比和速度范围内，均出现了燃烧不稳定现象，压力振荡的频率集中在之间；且随着预混气速度的增加，频率和幅值都随之增加；而随燃烧室出口面积的减小，压力振荡幅值增加而频率却随之减小。郭志辉，王帅等人研究了常温和常压条件下贫燃预混燃烧的不稳定性，研究表明，随当量比的提高，燃烧经历了从稳定到不稳定的状态，并达到有限循环脉动状态。流动脉动和火焰的相互稱合作用是激发和维持自激振荡燃烧的主要原因。柳伟杰等人通过实验和数值模拟的方法研究了甲烷/空气预混低旋流燃烧的流场结构及当量比对甲焼低旋流燃烧的影响，研究表明，甲烧空气预混低旋流气流在喷嘴出口处扩张，形成有利于燃烧稳定的低速区；预混火焰“悬浮”于喷嘴上方。刘联胜，李志勇等人利用噪声分析仪对预混燃烧的热声振荡进行了声场分析，实验结果表明预混气的组分浓度变化是火焰低频振荡产生的主要原因。三、实验系统1.系统组成实验系统流程如图5所示，主要由空气进气系统、燃料进气系统、点火系统、燃烧系统、测量系统、数据采集系统组成。图5贫燃预混旋流燃烧室实验装置示意图空气和丙烧分别经过减压阀、流量计计量后通入到预混段进行混合，在旋流器的作用下混合均勾后通入到燃烧室内进行点火燃烧，同时开始各部分数据采集及记录，燃烧产生的产物经过喷管段后排放到室外。2.燃烧室的设计燃烧室设计主要内容包括：预混及燃料喷射部分设计、主燃烧室设计以及燃烧室出口喷管设计。其中预混管和主燃烧室都为圆筒形结构，且与旋流器、中心钝体保持同心。燃烧室中旋流器及预混段主要作用是使空气和燃烧充分预混，并在燃烧室入口处形成一个带有中心回流区和角回流区的稳定火焰。为方便观测火焰形态变化，以及PIV观测流场，部分预混段和主燃烧室采用耐高温的石英玻璃制作，承受温度可达1300C，基本满足实验需要。在燃烧室侧壁为压力传感器接口测量燃烧室内动态压力信号，以及两支热电偶，测量燃烧火焰温度变化。2.1预混及燃料喷射部分预混组件主要是为燃烧室提供充分预混的预混气，并以一定速度通入到燃烧室内点火燃烧，预混组件可分为燃料掺混，旋流器、音速喷嘴以及预混通道四个部分。图6燃料喷射示意图2.2旋流器图7旋流器3.参数测量系统动态压力测量燃烧压力测量方法是指测量燃烧室中压力随时间的变化并将测得的压力曲线经过分析处理，目前仍是预混瑞流燃烧研究领域中一种不可或缺的重要实验手段，燃烧内压力波动直接表征燃烧室的不稳定性，因此压力信号的采集至关重要。图8压力测量结构四、贫燃预混火焰形态及熄火极限分析4.1火焰传播机理及火焰结构形态气体燃料的燃烧根据燃烧前燃料和空气混合状态的不同和流动速度范围的不同，可以分为预混燃烧和扩散燃烧，层流火焰和溫流火焰。传统的扩散燃烧方式，燃料燃烧所需要的氧化剂依靠空气扩散来提供，且燃料与空气的混合过程占据大部分燃烧时间，火焰面位于燃料与氧化剂的交界面上，燃烧较为缓慢，火焰温度很高，且稳定燃烧范围很宽。与此不同，预混燃烧或部分预混燃烧方式为空气与燃料进入到燃烧室之前会进行部分预混或完全预混，部分预混火焰可分为两个部分：内焰的预混火焰和外焰的扩散火焰。经过部分预混的可燃气在内焰燃烧，剩余的未燃燃料则在外焰与外围空气进行燃烧。随预混程度增加，内外焰体积和火焰也随之发生变化。与层流火焰相比，由于湍流涡团脉动的影响，湍流火焰前锋不再光滑、规则，而是新鲜可燃气涡团、燃烧着的涡团与燃尽涡团交替存在着。依然可以将火焰简单分为三个区域：核心区域、燃烧区域以及燃尽区域，如图9所示。核心区域内是新鲜的未参与反应的可燃预混气体；燃烧区即化学反应区，为可见的火焰前锋，可燃物大部分在此区域反应；剩余的可燃物在燃尽区域内被燃尽。图9湍流火焰示意图如图10所示，旋转射流的内外卷吸作用会使喷嘴出口处下游轴心位置的静压降低，在压差的作用下，会形成中心回流区。其形成过程为：当旋转射流进入筒状燃烧室时，形成空心的圆椎射流，存在内、外两个边界，外边界卷吸周围预混气体，而内边界抽吸下游高温烟气，产生回流。回流的气体是燃烧后形成的高温产物，当新鲜预混燃气进入燃烧室时被回流的高温烟气加热，然后被点燃。因此，可以利用此回流区作为持续点火源，使新鲜的预混可燃气体能够持续稳定的燃烧，起到稳焰的作用。图10旋转射流流场示意图图11旋流预混火焰图像与结构旋流预混火焰也分为三个部分，如图11所示。区域1为中心回流区，火焰颜色为蓝色，可用肉眼很明显的区分开来，左侧的黄色火焰的产生是向旋流火焰中投入细小的可燃物（如木块）用以观察回流区域；区域2为角回流区，位于中心回流区外侧下部的区域，火焰颜色呈更明亮的蓝色，火焰其余的部分为区域3。而燃烧反应主要在中心回流区域1进行。4.2当量比对火焰形态的影响固定空气流量不变，调节燃料进气流量以达到改变预混气体当量比。图12预混旋流火焰形态第一幅图片中，当量比较小，火焰呈祸团状，隐约可见回流区轮廓，当量比继续增大到0.67时，明显出现回流区稳焰结构，在0.72时火焰图片中可以明显看到火焰有强烈的旋转，火焰为中空；继续增大当量比。直至出现类似图11的结构，此时当量比为0.8，由图中可知回流区呈明亮的蓝色，上方区域由于高温显红色。实验过程中当量比均小于1，可看出，在整个实验过程中，火焰均为蓝色，且燃烧过程无燃烧冒烟现象产生，火焰温度整体保持在较低的水平，说明燃气混合效果较好，且燃烧较为充分。在增大当量比的过程中，燃烧火焰有如下变化：1)当量比较低时，火焰传播速度较低，火焰很难维持在钝体周围，随当量比增加，火焰稳定性改善，能够稳定在钝体周围，且燃烧火焰变短，且火焰颜色越来越亮；继续增大当量比，火焰将维持在钝体周围，由于钝体的存在，燃烧室内未产生回火；2)燃烧室内开始出现噪声，且随当量比的增大噪声加强，当量比增大到一定程度时，燃烧室内轰鸣的噪音己达到人耳难以忍受的程度，分贝值由62db增长到96db。此时火焰很短，主要维持在钝体周围；3)随当量比的增加，温度逐渐升高，温度未经福射修正，最高温度达1200C。在当量比接近贫燃熄火极限时，继续减少燃料的供应，火焰变得极为狭长，完全脱离中心钝体，如图13所示。此种现象仅在燃烧室长度足够的情况下产生.图13接近贫燃熄火极限时火焰图像4.2中心钝体的稳焰作用钝体结构广泛用于航空发动机的加力燃烧室，用以提高火焰的稳定性，避免发生吹熄以及回火现象的发生。中心钝体的存在扩大了旋流燃烧室的工作弹性，因为中心钝体能够阻止涡破碎诱发的回