【《航空发动机污染物生成机理及影响因素分析》2400字】

-PAGE53-航空发动机污染物生成机理及影响因素分析目录TOC\o"1-3"\h\u14561航空发动机污染物生成机理及影响因素分析 1119081.1氮氧化物（NOx）生成机理及影响因素 1194791.2一氧化碳（CO）生成机理及影响因素 245661.3未燃碳氢（UHC）生成机理及影响因素 3223731.4碳烟（Soot）生成机理及影响因素 3112041.5小结 41.1氮氧化物（NOx）生成机理及影响因素燃气轮机中生成的NOx[5]主要有一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）及极少量的氧化亚氮（N2O），一般用他们的总量表示NOx的排放量，但最终在大气中不稳定的NO和N2O与氧气结合转化成稳定的NO2。在燃气轮机中根据NO生成机理的不同，将NO分为“热力型（Thermal）”NO、“瞬发型（Prompt）”NO和N2O转化型及“燃料型”NO。由于航空煤油中含有的氮成分极低，因此“燃料型”NO生成量很低，故在航空燃气轮机中可以不考虑“燃料型”NO的生成。1）热力型NO热力型NO的生成主要是在火焰和火焰后面的区域，该区域温度最高，将空气中的氮分子和氧分子离解成原子，氧原子与氮原子进行结合生成NO，该过程可由Zeldovich机理[6]表达。。热力型NO对温度很敏感，故如何控制燃气温度以降低NOx的排放是至关重要的技术。经过不断研究，人们发现可以通过两种方法来降低热力型NO生成，一种是采用贫燃或富燃降低平均的燃烧温度的方式；另一种是油气混合均匀，防止出现高温热点。2）瞬发型NO瞬发型NO是Fenimore通过试验发现的[7]，一般产生于火焰前低温区域，主要是由HCN基（活化能很小[8]）经一系列反应后生成的NO。。3）N2O转化型Nicol等人[9]研究了N2O反应历程在贫燃预混燃烧中NOx生成的重要性，也对N2O反应历程的经典Zeldovich机理（热力NO）作比较，进而提出了N2O转化型NO生成机理。影响氮氧化物形成的主要因素可以归结为两方面：一是燃烧室工况（燃烧室进口压力、温度；主燃区的当量比等）；二是燃料特性（燃油雾化细度、液雾分布及射流深度等；气态/液态燃料；预混燃烧中的混合率、蒸发率）。主要结论如下：1）一般压力对NOx的排放影响是幂指数关系，即EINOx∝Pn，n取值与当量比有较大关系[10][11]；图1.1所示，表示压力、当量比与NOx的排放的关系。2）进口温度升高，则化学反应速率增加，因此会使NOx的生成增加，如图1.2所示[11]。3）燃油雾化越细，蒸发快，容易与空气良好的混合，这类似于预混燃烧，因此NOx生成越少。4）当量比为0.6时，随蒸发率的升高，NOx的排放是降低的；当量比在0.7时，NOx排放随蒸发率基本不变[12]。5)定义了油气混合参数s=σ/∅；s[13]越小，混合越均匀；在主燃区当量比为0.8~1.2的范围内，随着混合参数s增大NO生成降低；反之，则降低。6）NOx生成速率受停留时间的影响很大[11]，在贫油低当量比下，停留时间对NOx生成的影响不明显；在贫油高当量比或富油低当量比条件下，停留时间越长，NOx生成越多。图1.1NOx生成量与当量比的关系[11]图1.2燃烧室进口温度对NOx排放的影响[6]1.2一氧化碳（CO）生成机理及影响因素CO的生成主要是在发动机低工况下，此时燃烧区温度较低，燃料不完全燃烧而生成CO。当燃烧室头部富油燃烧时，由于燃烧区氧气不足，而使头部燃料氧化不充分，导致生成CO；当燃烧室头部化学恰当比或稍贫燃烧时，CO的生成主要是由CO2高温离解形成；另外，火焰遇到头部冷空气或壁面气膜发生焠熄作用也将导致CO的生成[14]。其中，燃烧室进口空气压力、温度、油雾粒径及其分布等因素影响CO的生成，主要结论如下：。1）压力的升高会降低CO的排放，这是因为压力增大，化学反应速率提高[11]。2）空气温度升高，燃油蒸发速率提高，燃油温度升高，燃油不完全燃烧程度相对降低，因此CO的生成有所降低[1]。3）在一定的压力和当量比下，燃油雾化越细，CO的排放越低[1]。1.3未燃碳氢（UHC）生成机理及影响因素UHC是各种不同碳氢化合物的总称，主要由未燃烧完全的燃油液滴/蒸气以及其他成分。其产生主要有三方面的原因[1][11]：1）尽管燃烧室进气压力、温度很高，但是喷嘴燃油雾化不是很好，有些比较大的油珠，直到燃烧室出口都没有燃烧完全，故而产生UHC。2）壁面焠熄作用。当喷雾锥角、回流区过大，火焰末端容易被火焰筒壁面的冷却气膜卷吸，而导致化学反应被冻结，形成的中间产物流向下游，最后形成UHC。3）与碳烟的形成过程一致，但是最后没有经过脱氢碳化的过程。UHC的产生与CO的产生一样主要在燃气轮机低工况下生成的。由于未燃碳氢未经过脱氢，因此与碳黑（冒烟）的生成所需燃烧室工况不同。在燃烧室大工况下冒烟严重，而在小工况下，UHC大量的产生，主要是因为脱氢碳化需要在高温下进行，故才能生成烟粒子。UHC生成的影响因素与CO的基本一样。1.4碳烟（Soot）生成机理及影响因素航空发动机排气冒烟生成的烟粒子（大小为0.05~0.25μm）的主要成分为96％的碳、氢、氧及其他成分组成[1][11]。首先燃料从喷嘴喷出，燃油裂解成大分子燃油，进一步裂解、核化形成大碳烟粒子，进一步脱氢碳化及一系列反应，最后形成碳烟Soot。因此，扩散燃烧过程容易产生冒烟，而预混燃烧产生的冒烟较少。经研究表明，燃烧室产生冒烟主要是雾化和混合等物理因素的影响。主要结论如下：1）燃料的发烟点[15]越低，则燃料产生的碳烟趋势越严重，如图1.3所示[11]。2）当量比在1.2以下，压力的变化对碳烟生成影响甚微；当压力低于0.6MPa时，压力变化几乎对排气冒烟没影响。当量比大于1.2时，说明主燃区为富油燃烧，喷嘴附近就会聚集大量燃油，温度过低，导致较多碳烟生成，如图1.4[16]所示。3）燃油雾化颗粒度SMD越小，燃油颗粒蒸发的越快，类似于预混燃烧，排气冒烟就越少[11]。图1.3燃料的含氢量对某型发动机冒烟排放的影响图1.4燃烧室进口压力和当量比对碳烟生成的影响1.5小结虽然不同燃烧室的污染排放性能有差异，但从污染物生成的机理看，存在相同点，即在燃气轮机低工况时，CO和UHC排放量高，NOx和冒烟生成较少；而在高工况时，CO和UHC排放量很低，尤其在起飞/爬升状态下，CO和UHC几乎没有，而NOx和冒烟生成增加。因此，