天然氣低排放塔式同軸燃料分級燃燒特性

邵志強，王 賽，趙云科，任彤彤，褚澤豐，項 鵬，劉 瀟

(1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015；2.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

近年來傳統(tǒng)發(fā)展造成的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，邁入低污染可持續(xù)的新發(fā)展模式變得日益迫切.為了完成這一發(fā)展目標(biāo)，世界各國針對高排污量的熱力設(shè)備制定了一系列嚴(yán)苛的排污標(biāo)準(zhǔn)[1-3].在日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動下，燃?xì)廨啓C逐漸開始向低排放高性能發(fā)展過渡，并且在燃燒領(lǐng)域加大低排放污染研究的力度.現(xiàn)階段的低污染燃燒技術(shù)主要有貧燃預(yù)混預(yù)蒸發(fā)技術(shù)[4]、分級燃燒技術(shù)[5]、貧燃直噴技術(shù)[6-7]和富燃-淬熄-貧燃技術(shù)[8]等，在燃空比的選擇上無論是富燃燃燒還是貧燃燃燒在一定程度上都能夠使得NOx排放降低，但是采用富燃燃燒方式會使得燃燒不充分從而導(dǎo)致排放物中CO 的占比大幅上升[9-10].對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在降低排放量的選擇上采用貧燃燃燒效果會更好，氮氧化物和CO 的排放量在貧燃燃燒時能夠同時得到降低，繼續(xù)減小當(dāng)量比，可形成超稀薄燃燒進而達到氮氧化物和CO 的超低排放標(biāo)準(zhǔn).所以在降低排放量的燃燒領(lǐng)域，貧預(yù)混燃燒技術(shù)越來越受到重視.

雖然貧預(yù)混燃燒技術(shù)有很多優(yōu)勢尤其是在減少排放領(lǐng)域，但是要在實際的燃機燃燒室中采用貧預(yù)混燃燒技術(shù)還有很長的路要走.貧預(yù)混燃燒技術(shù)降低排放的優(yōu)勢在于能夠?qū)⑷紵覂?nèi)的中心燃燒區(qū)溫度降低，但是采用這一燃燒技術(shù)的燃燒室增加了燃燒的不穩(wěn)定性以及熄火概率的增加.此外，如果要滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的排放要求，就不得不進一步減小當(dāng)量比，進而燃燒室頭部的空氣進氣量不能低于空氣總量的70%，這無疑增加了燃燒室頭部配氣以及燃燒組織的難度.分析原因，預(yù)混燃燒是將燃料和空氣在燃燒前混合，如果燃料和空氣在燃燒前摻混程度達不到要求，在燃燒室內(nèi)就會出現(xiàn)當(dāng)量比不均勻的現(xiàn)象.在當(dāng)量比高的位置燃燒溫度明顯更高，產(chǎn)生更多的NOx，然而在當(dāng)量比低的部位小范圍的熄火和再燃發(fā)生概率顯著增加，這類波動的放熱耦合燃燒室壓力脈動后容易引發(fā)熱聲振蕩問題，會直接給燃機的穩(wěn)定運行帶來影響.針對以上出現(xiàn)的問題，采用將貧預(yù)混燃燒技術(shù)和分級燃燒技術(shù)相結(jié)合的貧預(yù)混同軸分級燃燒技術(shù)是一種受到廣泛認(rèn)同的解決方案，對貧預(yù)混燃燒進行分級和分區(qū)處理，不僅能夠增加燃燒火焰的穩(wěn)定性，而且能夠減少燃燒室內(nèi)熱聲振蕩和貧燃熄火發(fā)生的概率.

對于貧預(yù)混同軸分級燃燒技術(shù)的運用，最主要的是在燃燒室內(nèi)建立正確的流場組織以及燃料組分分布，達到燃燒室的基本性能標(biāo)準(zhǔn)，即滿足燃燒效率等性能參數(shù)的設(shè)計指標(biāo).在低排放燃燒的基本原理上，使燃燒的溫度保持在低排放溫度范圍內(nèi)，進而降低排放.燃料分級比例是同軸分級燃燒室燃燒性能和低排放水平的重要影響因素，本文將對燃料分級比例不同所產(chǎn)生的影響進行研究.

世界范圍內(nèi)很多相關(guān)人員在燃料分級比例領(lǐng)域進行了大量的試驗和數(shù)值模擬研究.

由西門子公司開發(fā)的HR3 型號燃燒器是一種在不同工況條件下能夠改變?nèi)紵鲀?nèi)燃料分配比例的新型燃燒裝置，在點火的時候中心值班級獨立工作，并且提升功率時中心級燃料比例維持穩(wěn)定；低負(fù)荷時中心級外側(cè)也開始向燃燒室內(nèi)供給燃料；高負(fù)荷時少量燃料與空氣預(yù)先混合后進入燃燒室內(nèi)，經(jīng)值班火焰引燃形成穩(wěn)定的預(yù)混火焰.Muruganandam 等[11-12]對燃燒室的熄火特性進行研究時發(fā)現(xiàn)，燃燒室內(nèi)火焰不穩(wěn)定并出現(xiàn)熄火先兆時，增加中心級燃料噴射量能夠增強火焰穩(wěn)定性，該手段增加燃燒室貧油熄火的極限，其本質(zhì)上是提高中心燃燒區(qū)的小范圍當(dāng)量比來獲得一個更穩(wěn)定的燃燒場.

李芳怡[13]通過數(shù)值模擬方法對某環(huán)形燃燒室設(shè)置不同的燃料分級比例，來分析研究該燃燒室在不同燃料分配的燃燒特性，由結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，相同燃料量下，降低中心級燃料比例，燃燒效率提升明顯，NOx排放下降，燃燒室出口處溫度也更加穩(wěn)定；當(dāng)中心級燃料量為總?cè)剂狭康氖种粫r，模擬的燃燒效率達到最高，NOx降到最低.周禹佳[14]研究了在不同的燃料分級類型下，燃料分級比例對某環(huán)管燃燒室溫度分布和出口溫度最大不均勻度的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)中心級噴射燃料為零時，燃燒室內(nèi)溫度波動不大，沒有形成明顯的高溫區(qū)和低溫區(qū).當(dāng)中心級噴射燃料占總?cè)剂系谋壤黾訒r，燃燒室內(nèi)出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)，高溫區(qū)的面積隨著中心級燃料占比增加而增加，并且中心截面上的高溫區(qū)域會隨中心級燃料占比增加經(jīng)歷一分為二的過程，燃燒室出口截面處的溫度波動也呈現(xiàn)增大的趨勢.王迪[15]對100 kW 干式低排放燃?xì)廨啓C燃燒室的污染物排放量隨燃料分配比例的變化規(guī)律進行深入研究，研究顯示：降低中心級噴射燃料占總?cè)剂系谋壤?，會?dǎo)致NOx和CO 排放量降低，當(dāng)中心級噴射燃料占總?cè)剂系谋壤种粫r，NOx和CO 排放量的變化隨中心級噴射燃料占總?cè)剂系谋壤兓厔葜饾u平緩.Fu 等[16]通過實驗研究了不同進場工況的燃料供給策略對燃燒的影響，研究發(fā)現(xiàn)，只從中心級噴射燃料時，燃燒效率較高，同時NOx排放量也較高；通過中心級和主燃級同時噴射燃料時，燃燒效率和NOx排放量均有所降低；主燃級周向供給燃料時，燃燒效率和NOx排放量均能達到目標(biāo)要求.

以上研究表明，燃料分級策略是在燃燒室不同工況下做出不同調(diào)整，保持燃料總量不變，通過調(diào)節(jié)值班級和主燃級間的燃料分級比例能夠?qū)θ紵覂?nèi)溫度分布和低排放性能產(chǎn)生較大影響，針對某些特定的燃燒室，存在臨界的燃料分級比例使燃燒效率、出口溫度分布系數(shù)等燃燒性能和低排放性能同時達到最優(yōu).

1 燃燒室頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 旋流器設(shè)計

本文設(shè)計的氣態(tài)燃料-低排放塔式同軸分級燃燒室(low emission tower-type coaxial-staged combustor for gaseous fuel，LETCC-GF)，主燃級葉片采用兩級旋流曲葉片，其母型為NACA 葉片.為達到葉片的彎曲效果，曲線的中軸線設(shè)計為拋物線.調(diào)整曲線的彎曲程度并將其按比例放大或縮小，可以確保葉片安裝角的正切值等于葉片中軸線的斜率值，因而使得葉片的設(shè)計角度與真實角度一樣.圖1 展示出了頭部多級旋流器及燃料孔角度的示意圖.葉片上布有燃料噴孔，使主燃級燃料能通過其進入空氣旋流流道.葉片上的燃料噴孔直徑設(shè)計為1 mm，初始角設(shè)計為90°，且每個葉片上的燃料口數(shù)量采用4 個.經(jīng)由值班級燃料管，值班級燃料借以噴進值班級空氣流道，值班級旋流器和文氏管被布置在值班級的空氣流道里.在其后的模擬計算中，忽略各級燃料管路，同時對頭部旋流器內(nèi)部的中空燃料通道進行填充，以達到提高計算效率的目的.

圖1 頭部多級旋流器及燃料孔布置Fig.1 Multi-stage swirler and fuel hole arrangement in the head

1.2 火焰筒設(shè)計

由于后續(xù)需要通過進行實驗以測量流場，故而在先前的機理研究中選取了矩形火焰筒，并保證其橫截面面積與原型火焰筒相同.本文選擇的矩形火焰筒，其尾部為四面均過渡的收縮段，這相似于實際燃燒室.壁面冷卻孔常常被布置在真實火焰筒上，但通常忽略掉數(shù)值模擬中的壁面冷卻孔，同樣部分光學(xué)診斷試驗也通常不計冷卻孔.因此為實現(xiàn)提高計算效率的目的，本文火焰筒上布置的壁面冷卻孔同樣忽略不計[17-18]，然而火焰筒頭部的冷卻孔卻仍舊保留.圖2展示了本文進行數(shù)值模擬所應(yīng)用的貧預(yù)混中心分級模型燃燒室的示意圖.其中矩形火焰筒總長度為496 mm，前部長方體段的火焰筒尺寸設(shè)計為長350 mm、寬150 mm、高150 mm，收縮段火焰筒的軸向長度選取為125 mm，出口段火焰筒的設(shè)計尺寸分別為長150 mm、寬73 mm.

圖2 同軸分級模型燃燒室示意Fig.2 Schematic diagram of the coaxial staged model combustion chamber

1.3 監(jiān)測線設(shè)置

在模型燃燒室的中截面上選取徑向監(jiān)測線共3條，如圖3 所示，以更準(zhǔn)確地將燃燒室內(nèi)溫度以及其它參數(shù)的大小進行比較.如圖在值班級、主燃1 級、主燃2 級這3 處的出口處分別設(shè)置了3 條監(jiān)測線L1、L2、L3，表1 展示了這3 條監(jiān)測線分別歸一化后的軸向位置.

表1 各監(jiān)測線的軸向位置Tab.1 Axial position of each monitoring line

圖3 燃燒室監(jiān)測線位置示意Fig.3 Location map of combustion chamber monitoring line

2 設(shè)計工況下燃料分級比例的影響

設(shè)主燃級第1 級當(dāng)量比與第2 級當(dāng)量比的比值為主燃級燃料分級比，本節(jié)在同軸分級模型燃燒室設(shè)計工況下，保證總?cè)剂狭坎蛔?，首先固定兩級主燃級燃料分級比?.00，將值班級當(dāng)量比分別設(shè)置為0.55、0.70、0.85、1.00.然后，保證總?cè)剂狭坎蛔?，將值班級?dāng)量比分為設(shè)置為0.55、0.70、0.85，在以上3個值班級當(dāng)量比下，分別改變兩級主燃級的燃料分級比，對燃料組分、燃燒產(chǎn)物空間分布進行了對比研究.同時，對以上各個方案的燃燒性能評價參數(shù)和低排放性能進行了比較.表2 給出了同軸分級模型燃燒室在設(shè)計工況下的燃料分級配比情況.在本章中，所有方案統(tǒng)一以“值班級當(dāng)量比-兩級主燃級燃料分級比”的形式命名，如“0.55-0.78”表示在設(shè)計工況下，值班級當(dāng)量比為0.55、兩級主燃級燃料分級比為0.78 的燃料分級方案.

表2 頭部燃料分級比例Tab.2 Head fuel grading ratio table

2.1 值班級當(dāng)量比的影響

保持該型燃燒室各工況下燃料條件不變，雙主燃級燃料分級比等于1.00 時，值班級當(dāng)量比等于0.55、0.70、0.85 和1.00 時燃料組分在中截面的分布情況如圖4 所示.當(dāng)值班級當(dāng)量比由0.55 上升至1.00 時，文氏管出口燃料含量增加，導(dǎo)致當(dāng)量比也隨之增加.值班級當(dāng)量比從0.55 上升至0.70 時，在值班級出口與主燃1 級出口之間的區(qū)域當(dāng)量比由0.5～0.6增大為0.6～0.7；值班級當(dāng)量比從0.70 上升至1.00時，使得值班級出口與主燃2 級出口之間當(dāng)量比為0.6～0.7，所占空間縮小，而當(dāng)量比為0.7～0.8 時所占空間增大，形狀從“八”向“V”轉(zhuǎn)化.在貧預(yù)混條件下，燃燒的溫度由當(dāng)量比來決定，當(dāng)值班級當(dāng)量比由0.55 上升至1.00 時，主燃區(qū)的溫度上限將會升高，高溫區(qū)域所占空間也增加，使得值班級當(dāng)量比不同時，污染物生成也不同，這將導(dǎo)致總壓損失、燃燒效率以及其他性能參數(shù)受到影響.

圖4 分級比為1.00時的局部當(dāng)量比分布Fig.4 Distribution of local equivalence ratio when the fractionation ratio is 1.00

圖5 所示為值班級當(dāng)量比從0.55 上升至1.00 時溫度分布，由圖可以看出，當(dāng)值班級當(dāng)量比上升，燃燒室主燃區(qū)溫度上限以及高溫空間都增加了.當(dāng)值班級當(dāng)量比等于0.55，燃燒室高溫區(qū)上限為1 800～1 900 K.當(dāng)值班級當(dāng)量比等于0.70，燃燒室主燃區(qū)頭部為高溫區(qū)上限為1 900 K 以上，對比與當(dāng)量比等于0.55 時1 800～1 900 K 的高溫區(qū)當(dāng)量比等于0.70 相同溫度范圍的區(qū)域較大.當(dāng)值班級當(dāng)量比大于0.70時，主燃區(qū)溫度上限以及高溫空間不斷增大.在1 950 K 以上時，熱力型NOx排放急速增加，由此可知，NOx排放量隨著值班級當(dāng)量比的升高而升高.

圖5 分級比為1.00時的溫度分布Fig.5 Temperature profile at a grading ratio of 1.00

CH2O 中間截面組分分布如圖6 所示，其所在空間為預(yù)熱區(qū)，該區(qū)化學(xué)反應(yīng)速度小，主要用于加熱反應(yīng)物.可以看出，該組分在主回流區(qū)前部和燃燒室壁面處較為集中，當(dāng)值班級當(dāng)量比從0.55 上升到1.0時，主回流區(qū)前端組分越來越少，該現(xiàn)象和溫度場分布相關(guān)聯(lián).隨著值班級當(dāng)量比增大，溫度上限以及高溫空間隨之增大，這使得在狹小區(qū)域燃料預(yù)熱和分解變?yōu)榭赡?

圖6 分級比為1.00時的CH2O 分布Fig.6 CH2O distribution map when the fractionation ratio is 1.00

OH 在中截面的組分分布如圖7 所示，該組分所在區(qū)域甲烷燃燒化學(xué)反應(yīng)最劇烈，該組分所在空間為氧化反應(yīng)發(fā)生區(qū)，所占空間大小反映了火焰體積.值班級當(dāng)量比上升越高，該組分越聚集，這表明值班級當(dāng)量比的升高，將使得火焰反應(yīng)所占空間越小.

圖7 分級比為1.00時的OH分布Fig.7 OH distribution map when the fractionation ratio is 1.00

圖8 至圖11 為4種表示燃燒室性能的參數(shù)隨值班級當(dāng)量比的變化.如圖8 所示，燃燒效率隨著值班級當(dāng)量比升高一同升高，最小值大于99.8%.如圖9所示，總壓損失系數(shù)隨值班級當(dāng)量比升高而減小，數(shù)值在0.033 8 附近波動.

圖8 燃燒效率隨值班級當(dāng)量比的變化Fig.8 Variation of combustion efficiency with duty equivalence ratio

圖9 總壓損失系數(shù)隨值班級當(dāng)量比的變化Fig.9 Variation of total pressure loss coefficient with duty class equivalence ratio

圖10 出口NOx 隨值班級當(dāng)量比的變化Fig.10 Variation of outlet NOx with duty equivalence ratio

圖11 出口CO隨值班級當(dāng)量比的變化Fig.11 Variation of outlet CO with duty equivalence ratio

2.2 主燃級燃料分級比的影響

確定總?cè)剂狭恳欢ǎ来卧谥蛋嗉壆?dāng)量比為0.55、0.70 和0.85 的工況下，設(shè)置不同的兩級主燃級的燃料分級比，圖12 為各工況的中截面燃料組分分布.值班級當(dāng)量比設(shè)置為0.55 時，提高兩級主燃級燃料分級比，值班級文氏管出口處的混氣當(dāng)量比看不到改變，位于值班級出口面(監(jiān)測線L1 處)與第2 級主燃級出口面(監(jiān)測線L3 處)里面，當(dāng)量比為0.5～0.6的區(qū)域不斷收縮，而當(dāng)量比為0.7～0.8 的區(qū)域不斷擴展，并開始由 “八”型向“V”型過度.當(dāng)值班級當(dāng)量比為0.70 時，值班級文氏管出口處的當(dāng)量比改變比較小，幾乎穩(wěn)定在0.7～0.8 的范圍內(nèi)，而當(dāng)量比為0.6～0.7 的范圍以及0.7～0.8 的范圍都發(fā)生了一定的擴展，且當(dāng)量比為0.6～0.7 的范圍開始從第2 級主燃級出口面(監(jiān)測線L3 處)向頭部下游發(fā)展.值班級當(dāng)量比設(shè)置為0.85 時，在監(jiān)測線L1 與L3 之間當(dāng)量比為0.6～0.7 和0.7～0.8 的范圍改變形式與值班級當(dāng)量比為0.70 時相差不多，都出現(xiàn)了范圍擴展和向旋流器下游發(fā)展的情勢.根據(jù)前面的研究可以判斷出，隨著兩級主燃級燃料分級比的增大，主燃區(qū)最高溫度和高溫區(qū)范圍會逐漸增大，NOx排放量也會呈現(xiàn)出增大的趨勢.

圖12 各方案下燃料分布對比Fig.12 Comparison chart of fuel distribution under each scheme

各分級比下的溫度分布如圖13 所示，當(dāng)值班級當(dāng)量比為0.55，燃料分級比在0.78 時的溫度分布情況與當(dāng)量比為0.70 時的溫度分布幾乎一樣，燃燒室整體溫度都不高于1 800 K.在這兩種工況之外，燃料分級比的提高，主燃區(qū)高溫區(qū)的面積和最高溫度都會隨著出現(xiàn)不一樣的提高.這是因為主燃級燃料分級比越大，第1 級主燃級的當(dāng)量比越高，燃燒釋放出的熱量更強烈造成的.

圖13 各方案下溫度分布對比Fig.13 Comparison chart of temperature distribution under each scheme

CH2O 在中截面上的分布如圖14 所示，在值班級當(dāng)量比為0.55 和0.70 時，在主燃級燃料分級比的提高的同時，CH2O 的分布范圍面積會變窄，這是由于燃燒溫度，高溫區(qū)范圍的提高使得燃料的預(yù)熱和分解在更加短的時間和更加窄的范圍內(nèi)完成.在值班級當(dāng)量比為0.85 時，CH2O 組分分布一定程度上的變化與分級比的變化無關(guān)，這是由于這里的值班級當(dāng)量比增加的很高，分級比改變對主燃區(qū)內(nèi)溫度分布的影響相對另外兩個值班級當(dāng)量比下的高，較高的燃燒溫度使得燃料的預(yù)熱和分解都能在較短時間和較窄的范圍內(nèi)實現(xiàn).

圖14 各方案下CH2O 分布對比Fig.14 Comparison chart of CH2O distribution under each scheme

燃燒室中截面上的OH 組分分布如圖15 所示，可以觀察到，在值班級當(dāng)量比為0.55 時，OH 分布開始由主回流區(qū)頭部向下游延伸，由“V”型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍恕毙?，這是因為這里的值班級當(dāng)量比不太高，隨著燃料分級比開始提高，第一級主燃級的當(dāng)量比由0.46 提高至0.79 左右，說明在該提高過程中，燃燒釋熱的主要區(qū)域由值班級文氏管出口下游位置逐漸變化至第1 級主燃級旋流器下游兩側(cè).在值班級當(dāng)量比為0.70 時，提高燃料分級比由0.78 到1.00，主回流區(qū)頭部位置處的OH 分布區(qū)域逐漸變窄，而當(dāng)燃料分級比從1.00 逐漸增大時，OH 分布區(qū)域逐漸向第1級主燃級旋流器下游兩側(cè)位置移動，OH 分布區(qū)域的面積也逐漸變大.在值班級當(dāng)量比為0.85 時，隨著燃料分級比的提高，OH 分布區(qū)域的坐標(biāo)和范圍與值班級當(dāng)量比為0.70 時相差不多，當(dāng)燃料分級比由0.78提高至0.86 時，OH 分布范圍縮減，可是值班級文氏管出口下游位置的OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，當(dāng)燃料分級比從0.86 開始提高時，OH 分布區(qū)域逐漸向第1 級主燃級旋流器下游兩側(cè)移動，OH 分布范圍也不斷提高.

圖15 各方案下OH分布對比Fig.15 Comparison chart of OH distribution under each scheme

圖16 給出了中截面上HCO 的分布，在值班級當(dāng)量比為0.55 時，HCO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著燃料分級比的增大而增大，這表明燃燒反應(yīng)隨著燃料分級比的增大而更加劇烈，且從圖中可以看出HCO 主要呈“八”字狀分布在第1 級主燃級旋流器出口下游的兩側(cè)，說明該位置處是火焰鋒面.在值班級當(dāng)量比為0.70 時，隨著燃料分級比的增大，HCO 逐漸從值班級文氏管出口位置移動至第1 級主燃級旋流器出口下游兩側(cè)位置，表明火焰鋒面發(fā)生了位移，在移動過程中，火焰鋒面變得更加扁平.在值班級當(dāng)量比為0.85 時，隨著燃料分級比的增大，值班級文氏管出口位置出的HCO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，而第1 級主燃級旋流器出口下游兩側(cè)位置處的HCO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，這同樣表明火焰鋒面的位置會隨著燃料分級比的改變而移動，火焰鋒面逐漸向外側(cè)延伸.

圖16 各方案下HCO分布對比Fig.16 Comparison chart of HCO distribution under each scheme

由圖17 可知，在0.78 至1.60 的燃料分級比區(qū)間內(nèi)，3 種值班級當(dāng)量比的燃燒效率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且3 種值班級當(dāng)量比的最大值均出現(xiàn)在分級比為1.00 附近.出現(xiàn)這種趨勢的原因是因為模型燃燒室頭部的當(dāng)量比在0.55 左右，接近貧燃熄火極限，在燃料分級比小于1.00 時，模型燃燒室的主燃級第1 級當(dāng)量比較小，使得燃燒溫度較低，進而導(dǎo)致燃燒不充分，燃燒效率較低；在燃料分級比大于1.00時，主燃級第2 級當(dāng)量比較小，即使此時燃燒溫度相對較高，但是在主燃級第2 級中的部分氣體仍會因為當(dāng)量比較小的原因造成燃燒不完全，使得燃燒效率較低.在燃料分級比小于1.00 時，同一燃料分級對比可以看出，燃燒效率在值班級當(dāng)量比為0.85 時最高，在值班級當(dāng)量比為0.55 時最低，原因是此時值班級當(dāng)量比比兩級主燃級的當(dāng)量比高，值班級在燃燒中占據(jù)主導(dǎo)，而值班級當(dāng)量比相較于其他方案釋放的熱量更強，燃燒效率因此增強；在燃料分級比大于1.00 時，對同一燃料分級比進行對比，3 種值班級當(dāng)量比的燃燒效率幾乎一樣，原因是此時主燃級第一級的當(dāng)量比大于0.55，主燃級第一級空氣量也遠高于值班級空氣量，使得主燃級第一級在燃燒過程中占據(jù)主導(dǎo)，而在分級比相同時，3 種值班級當(dāng)量比下的主燃級第一級 當(dāng)量比差別不大，故燃燒效率相近.

圖17 燃燒效率隨分級比的變化Fig.17 Combustion efficiency as a function of classification ratio

由圖18 可以看出，隨著主燃級分級比的增大，燃燒室總壓損失系數(shù)變化不大，說明總壓損失系數(shù)基本不受燃料分級比的影響.由圖19 可以看出，3 種值班級當(dāng)量比下的出口NOx的排放量均隨著主燃級燃料分級比的增大而增大，原因是主燃區(qū)內(nèi)的高溫區(qū)域面積和最高溫度均會隨著主燃級燃料分級比的增大而增大，而這兩者會造成與溫度相關(guān)的熱力型NOx排放量增大.而在同一燃料分級比處對比3 種值班級當(dāng)量比下的NOx排放量發(fā)現(xiàn)，值班級當(dāng)量比越高，出口NOx排放量也越高，原因是越高的值班級當(dāng)量比，其高溫區(qū)域面積和最高溫度也越大.

圖18 總壓損失系數(shù)隨分級比的變化Fig.18 Variation of total pressure loss coefficient with classification ratio

圖19 出口NOx 隨分級比的變化Fig.19 Variation of outlet NOx with classification ratio

由圖20 可以看出，3 種值班級當(dāng)量比下的CO排放量均隨燃料分級比的增大而呈先減小后增大的趨勢，且都是在燃料分級比為1.0 處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折.將圖17 和圖20 對比可以發(fā)現(xiàn)，出口CO 排放量的變化趨勢與燃燒效率恰好相反，即當(dāng)燃燒效率增大時CO 排放量減小，當(dāng)燃燒效率減小時CO 排放量增大.在燃料分級比小于1.0 時，相同的燃料分級比處CO 排放量隨值班級當(dāng)量比的增大而減??；在燃料分級比大于1.0 時，相同的燃料分級比處CO 的排放量與值班級當(dāng)量比的數(shù)值基本無關(guān)，CO 排放量基本一致.此外，除了頭部燃料分級比例可以影響燃燒室內(nèi)燃料組分分布以外，燃料與空氣在各級預(yù)混通道內(nèi)的摻混均勻性也是重要影響因素，故為了降低污染物排放量，在合理的燃料分級比例下，還需增強燃料與空氣的摻混均勻性，降低燃燒室局部熱點，從而減小高溫區(qū)面積.隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的推進，能源行業(yè)在排放方面的要求日漸提高.高效、低排放的燃燒技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)燃機在新時代的發(fā)展方向.

圖20 出口CO隨分級比的變化Fig.20 Variation of outlet CO with classification ratio

3 結(jié)論

改變設(shè)計工況下值班級和兩級主燃料的燃料分級配比，燃燒室內(nèi)燃料分布和溫度分布也會隨之改變，因此可得出如下結(jié)論：

(1)總?cè)剂狭坎蛔儯?dāng)主燃級兩級燃料分級比小于1.00 時，在相同的分級比處，燃燒效率會隨著值班級當(dāng)量比的增大而增大，CO 排放量會隨著值班級當(dāng)量比的增大而減小；當(dāng)燃料分級比大于1.00 時，在相同的分級比處，燃燒效率和出口CO 排放量基本不受當(dāng)量比改變的影響.在相同的分級比處，NOx排放量會隨著值班級當(dāng)量比的增大而增大；而燃燒室總壓損失基本不受值班級當(dāng)量比改變的影響，總壓損失保持恒定.

(2)總?cè)剂狭坎蛔儯O(shè)置3 種不同的值班級當(dāng)量比0.55、0.70 和0.85，當(dāng)主燃級燃料分級比從0.78 增大至1.60 時，3 種值班級當(dāng)量比下的燃燒效率均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且均在分級比為1.00 附近出現(xiàn)拐點；隨著主燃級燃料分級比的增大，出口NOx排放量增大，CO 排放量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且CO 排放量均在分級比為1.00 附近取得最小值；主燃級燃料分級比對燃燒室總壓損失基本無影響.