等离子化学强化燃烧技术研究

Study of Plasma Chemistry Strengthen-combustion Technology◎王东杰 郑洪涛 刘国库/沈阳黎明航空发动机有限责任公司介绍了一种在航空发动机燃烧室中对燃料强化燃烧有效的方法,该方法的特点及其应用前景。在航空发动机燃烧室中,燃料的不完全燃烧将导致装置的效率、工作可靠性和寿命的降低,同时也将导致环境污染的加剧。因此,国内的航空发动机,,十分需要研究新的和更有效的燃料燃烧装置与设备,以便解决低工况燃料燃烧不完全这个复杂的问题。为提高航空发动机燃烧室的性能,对燃料燃烧的强化方法进行研究与分析具有重要的意义。等离子化学强化燃烧的技术特点和研究现状燃烧室中燃烧过程的强化可以用燃料液滴存在的时间、涡的扩散时间、点火和燃烧的迟滞时间、碳化颗料燃尽时间以及形成氮氧化物的动力学时间等特征时间来衡量。特征时间实际上取决于当地温度、燃烧区中气流的速度与紊流度、混合物的组分、所用燃料的质量、燃料的雾化品质等因素。燃料燃烧的强化方法就是要降低特征时间,从而改善燃烧质量。用空气等离子技术来强化燃烧是一种较为新异的方法,电离的气体能够使燃烧达到高度稳定。由于高温等离子体所固有的活化特点,在点火和稳定燃烧的情况下,可以预料得到等离子反应产物对油气混合物的燃烧具有更大的强化作用。此时,活性物质的浓度取决于多种因素,包括燃料与等离子体接触的时间与程度、接触区域中的空气过量系数、空气等离子体的温度、燃料的种类等。假设没有总压和散热损失,俄罗斯有人通过对空气等离子体射流中甲烷高温燃烧的动力学计算得出了结论,原子氢的浓度基本取决于等离子体的初始温度和燃料在等离子化学发生器中的停留时间。这样,当等离子体的温度为3000K时,如果过量空气系数 α=0.6~0.7,则停留时间为0.5ms即可使氢原子浓度达到最大值,如果α =0.1,则停留时间为0.8ms即可使氢原子浓度达到最大值。 有人提出了一种用于气体燃料燃烧的装置,在该装置中设置了补充惰性气体的通道,用以降低可燃混合物对钨阴极的化学影响,并防止在喷嘴内部出现火的可能性。在等离子发生器中,当弧电流为0.6A、功率为350W时,丙烷-混合物的燃烧效率提高了200%。一种利用少量电能以提高与电弧直接接触的油气混合气燃烧稳定性的装置被人提出,其缺点是由于存在碳氢化合物热裂解产物在反应室壁面的沉积,从而破坏了燃烧状态的稳定。还有人提出的一种装置可以保证油气混合气与生成等离子体的气体在反应区中的相互扩散掺混,并提高火焰的稳定性(特别是在利用氮气时)。此时,在高温作用下,等离子流中产生的大量原子态的氮与分子态的氧发生反应,生成的原子态的氧在火焰传播过程中起到了重要作用,并促进油气混合气的强化燃烧。俄罗斯研究人员在实验中记录到了等离子发生器射流中的活性粒子总含量的最大值为1.2×1017 cm-3 ,超过了平衡态的值一个数量级以上。该值是在过量空气系数 α=0.4~0.7的情况下得到的,这表明活性粒子的浓度基本依赖于混合物在发生器中的停留时间。按照该化学分析的结果,当过量空气系数α =0.1时,碳氧化物和分子态的氢的浓度分别是12.9%和13.81%,当过量空气系数 α=0.25时,碳氧化物和分子态的氢的浓度分别是15.0%和10.79%。通过对装在航空发动机模型的燃烧室上的等离子发生器的研究表明,这是一种高效的强化燃烧的方法。在模型燃烧室中,该等离子发生器可以进行燃料的点火,直到进入稳定燃烧状态。此时,在实验工况的全部范围内都实现了可靠的起动,燃料等离子流功率不大于额定热功率的1.3%,这个指标实际上低于传统的用于起动系统的功率。发动机模型燃烧室的研究表明,在启动工况和低负荷工况下,等离子化学作用可以使燃料燃烧的完全度提高1.8%~9.6%。在俄罗斯已经采用的各种型号的燃料等离子点火和化学强化燃烧系统对航空发动机进行的试验和运行表明,等离子点火与强化燃烧系统可在发动机装置部分负荷工况下作为值班喷嘴使用,使得航机在低工况下的工作性能得到很大的改善和提高。等离子化学作用可以使过量空气系数 α=5~20时的燃料燃烧效率提高1.8%~9.6%,一氧化碳排入量降低1.2~1.6倍。空气流速低于50~60m/s时可以对燃料进行可靠的点火,使出口截面温度场的径向不均匀度下降5%~9%,使点火工况时燃料的燃烧效率提高2.2~2.5倍。燃料等离子火炬的功率大于燃烧室额定热值的1.3%,比通常使用的点火和值班火炬功率小1.5~3倍。等离子化学强化燃烧技术的实现可以采用等离子点火器、等离子化学发生器、等离子燃料喷嘴、等离子化学模件和等离子化学燃烧器等设备实现等离子化学强化燃烧。等离子化学发生器是一种特别有效和通用的元件,它通过燃料和空气等离子射流的反应获得高活性粒子,并将这种高活性的粒子引入预备区与燃烧区。该发生器的阴极带有热离子发射嵌入物,并在阴极和阳极之间产生电弧。通过与电弧进行热交换,等离子化学发生器中的空气被加热到离子化温度。把燃油掺混到空气等离子流中,则在出口喷嘴的流道中将发生等离子化学反应,反应产物含有稳定且高度活化的组分H2和CO原子团及其他化学活性粒子,并以很高的速度进入燃烧装置中对基本燃料进行强化燃烧。如果掺混过程不完全,则一部分燃料在等离子化学反应器中来不及完全反应。为了改善燃料的等离子化学处理的品质,则增加等离子化学反应器的反应容积,这样可以使燃料能够被完全蒸发、气化和部分发生等离子化学裂解。等离子化学处理的产物是含氢的气体,这种气体主要由H2、CO、CO2、水蒸气和燃油蒸气组成。结束语可以认为,空气体与碳氢燃料相互作用时产生的等离子化学反应结果形成了高湍流度的等离子燃料流。这种等离子燃料流具有很高的温度,并在化学关系上具有远超过平衡数量的活化产物。这种等离子燃料流降低了基本油气混合物的活化能,提高了燃料燃烧的完全度和燃料燃烧的速度,可以直接或间接地强化燃烧过程对改善发动机的点火性能具有重要的作用。因此,等离子化学强化燃烧技术将在航空领域具有广阔的应用前景。

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