超微型燃氣輪機燃燒工藝的研究

0微型裝置的創(chuàng)新硅和難溶陶瓷片材料為開發(fā)小型車輛、小型車輛、壓力變換器、小型檢測器等小型設備提供了基礎。其中最有創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的是微型燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展。超微型燃氣輪機的一個重要部件是燃燒器,因此研究燃燒器及其燃燒工藝是非常必要的。1超微型燃氣輪機目前,超微型燃氣輪機可以達到功率10～100W,而體積僅1cm3,每小時消耗約7g燃油。如果進一步發(fā)展完善,它的能量密度將會比目前最好的電池還要高10倍。Epstein和Groshenry(1995)對其進行了可行性研究、初期設計和性能估計。圖1是一個超微型燃氣輪機的例子。它的高度為3.7mm,底面直徑為21mm,推動力為11g,透平的入口溫度為1600K,轉(zhuǎn)速為1.2×106r/min。裝置由同軸的徑向壓縮機和徑向透平以及分隔它們的燃燒器組成?？梢钥闯鋈紵魇钦麄€裝置中最大的部件。與傳統(tǒng)的大型燃氣輪機相比,這種超微型燃氣輪機的尺度縮小500倍。Epstein在分析的過程中指出,如果該裝置葉片的末梢速度為500m/s,壓氣機的增壓比為4.5∶1,透平的入口溫度為1600K,那么它就能夠在每1mm2的入口面積上產(chǎn)生10～20W的能量。超微型燃氣輪機與其他此類技術(shù)相同,并不是簡單的在尺度上對原有技術(shù)進行改造。小尺度和在制造、測量方面的限制將會產(chǎn)生很多新的問題與挑戰(zhàn):表面積體積比增加,粘性效應更加明顯,時間尺度縮短以及在三維形狀制造方面受到的限制。所有這些均會直接或間接地影響超微型燃氣輪機燃燒策略的選擇和發(fā)展。2超微燃燒與空氣燃燒的性能對比在超微型燃氣輪機中,燃燒器所起的作用與傳統(tǒng)的大型燃氣輪機基本相同,即把燃料的化學能轉(zhuǎn)化成燃氣的熱能和動能,同時要求高效,燃燒器中的壓降要降到最小。燃燒過程需要導入混合燃料與空氣,這要求燃燒器能夠可靠穩(wěn)定的點火,最好有較寬的可燃極限以便火焰在變工況時能夠穩(wěn)定燃燒,并且減少污染物排放、遠離燃燒的不穩(wěn)定區(qū)域。與大型燃氣輪機30∶1的壓比相比,超微型燃氣輪機僅為4.5,但燃燒器的尺度減少了100倍,整個體積減少了106的量級。超微燃燒器的空間加熱率是現(xiàn)有技術(shù)飛行器中燃燒器的10倍。由于一方面受到尺度縮小的影響,另一方面還受到燃燒器相對尺度、循環(huán)壓比和材料的溫度極限等因素的影響,超微燃氣輪機的設計參數(shù)與大型燃氣輪機參數(shù)不同。2.1燃料/空氣停留時間在大型的燃燒室中,由于在燃燒過程中既要保證燃燒穩(wěn)定,又要把排氣溫度降低到足夠低(材料耐溫極限),因此燃燒室被設計成兩級送風的形式。首先加入一部分空氣,在空氣過量系數(shù)小于1的情況下進行燃燒,以使燃燒穩(wěn)定進行,然后在燃燒室的中部再加入另一部分空氣,一方面與未反應的燃料進行反應,另一方面與上游來的高溫燃氣混合,以便降低燃氣溫度,達到出口材料能夠承受的溫度。由于燃燒分成兩個階段,因此燃燒室中的停留時間一般為5～8s。由此可以看出在大型燃氣輪機的燃燒室中,停留時間并不是由化學反應時間決定的,而是根據(jù)燃料/空氣的混合時間以及摻混空氣與高溫燃氣混合的速度確定。但是在超微型燃氣輪機中,燃料/空氣的停留時間就會受到很大的限制,只能根據(jù)反應時間來確定。這是因為氣體在燃燒器中的停留時間基本與燃燒器容積和壓比成正比,而在低壓、容積在幾何上大大減少的超微燃燒器中,其停留時間將會是傳統(tǒng)的大型燃氣輪機中燃燒室中停留時間的十分之一甚至百分之一。如果簡單地把大型燃氣輪機所有部件均按照比例進行縮小,那么在每單位面積質(zhì)量流率相同的情況下,超微燃燒器中的停留時間大約會是0.05～0.1ms。這個時間與碳氫化合物/氧氣的化學反應時間(0.01～0.1ms)是同一個量級,因此會造成燃料還未與氧氣進行反應就已經(jīng)流出燃燒器,而造成燃燒效率的大幅度降低。所以為解決停留時間短的問題,可以:(1)通過增加燃燒器的相對尺度,來延長燃料/空氣的停留時間;(2)在燃料/空氣進入燃燒器之前就進行混合,把需要在燃燒器中完成的混合過程提前進行,減少充分燃燒需要的時間。(3)選用氫氣作為燃料(氫氣的反應時間短)或者采用催化燃燒;燃燒器尺度增加多少可以通過壓比和容積的變化計算出來,圖1所示的超微燃氣輪機燃燒器就在原有體積比的基礎上增加了40倍。對燃料為氫的燃燒器,要求燃燒室尺度增加之后,在燃燒室中氫氣/空氣的停留時間可以達到0.5～1ms。2.2超微燃燒與燃料點火超微燃燒器的表面積與體積之比為500m-1,而大型燃燒室中僅有3～5m-1。因此在大型燃燒室中,由于表面損失的熱量非常小,設計時基本不考慮。而在超微燃燒器中,表面的熱量損失很高,因此熱量損失就成為設計中必須考慮的重要問題。在預混火焰當中,火焰穩(wěn)定燃燒的條件是:燃燒產(chǎn)生的熱量減去氣體由于導熱損失的熱量大于預混燃料著火需要的能量。研究管內(nèi)燃燒還發(fā)現(xiàn),若火焰管的直徑小于某一臨界尺寸,從火焰前鋒傳向管壁的熱量將會遏制反應的進行。在這一尺度之下。燃燒波只能通過管壁外部加熱來維持穩(wěn)定。由于熱量損失的相對增加,超微燃燒器的性能會受到幾個方面的影響:1)不可能獲得大型燃燒室99.9%的效率;2)有可能由于火焰熄滅而影響燃料著火極限;3)降低火焰穩(wěn)定區(qū)的溫度,使得化學反應時間增加。熱量損失增加的好處是可以使燃燒器的冷卻問題得到一定程度的緩解,因此與耐高溫的材料配合之后,超微燃燒器基本上不需要特殊的冷卻裝置。為了減少熱量損失,在超微型燃氣輪機設計的時候,把未反應的預混燃料的流道布置在燃燒器的周圍,這樣可以通過換熱提高預混火焰的入口溫度,提高整體效率。2.3化學當量比率的確定除了停留時間和熱量損失,制造中對復雜結(jié)構(gòu)的限制也會影響微型燃燒器參數(shù)的選擇。圖2是超微型燃燒器中火焰在各種限制條件下的穩(wěn)定區(qū)域,采用的燃料是氫氣。從中看出燃燒器的點火極限分別受到上游著火限制(回火)、結(jié)構(gòu)限制和吹熄條件的限制。要想使火焰穩(wěn)定區(qū)域較大,以保證變工況情況下火焰能夠穩(wěn)定,那么化學當量比率應該選在0.5～0.6。因此,目前所有的超微燃燒器均采用過氧燃燒。3陶瓷片材料高溫力學性能目前在不冷卻的情況下大型燃氣輪機能夠承受的最高溫度是1200K,而在超微型燃氣輪機燃燒器中使用的難熔的陶瓷片材料可以承受1600～1700K的溫度。材料承受溫度的升高和熱量損失的增加,使得超微燃燒器的冷卻要求降低。陶瓷片材料的耐高溫性質(zhì)很早就被人們發(fā)現(xiàn)。但是其晶格會在制造過程中不可避免地產(chǎn)生缺陷,而使材料變得很脆,無法應用在傳統(tǒng)的燃氣輪機高溫部件。但在超微燃氣輪機中,由于超微燃燒器尺度很小,有利于制造過程中消除材料晶格的缺陷,使其不易斷裂,從而得到很好的應用。4火炬燃燒過程回收利用在討論微型燃燒器的時候必須基于三點普遍適用的概念:1)增加燃燒器的相對尺度以延長氣體的停留時間;2)火焰預混;3)貧燃料燃燒。由于停留時間縮短,因此需要把燃料/空氣混合的過程從燃燒器當中分離出來。為實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒可以采用兩個方法:采用低化學當量的氫氣燃料;采用表面催化的碳氫化合物催化燃燒。以下就這兩個方法進行討論。4.1自動點燃區(qū)域的選擇氫氣是一種性質(zhì)很好的燃料:熱值高、揮發(fā)速度快、擴散速度較快,化學反應時間較短,火焰?zhèn)鞑ニ俣认喈斂?著火極限寬,點火能量較低等等。特別是它的著火極限很寬,所以可以省去在燃燒碳氫化合物時經(jīng)常采用的燃料高濃度區(qū)之后跟隨稀釋區(qū)的方法。例如在透平入口溫度為1600K的氫氣/空氣反應中,需要的化學當量比為0.34(假定沒有熱量散失),遠遠超過氫氣的點火極限0.1。在考慮大型燃燒室的時候必須考慮吹熄、回火和高入口溫度下的自動點燃。但是在微型燃氣輪機當中,由于氫氣的著火極限很寬,吹熄不會發(fā)生。而由于整個循環(huán)的壓比為4.5,入口溫度為500K,因而也不會發(fā)生高入口溫度下自動點燃。因此在超微燃燒器的上部引入氫氣和空氣的混合是可以實現(xiàn)的。4.2火炬停留時間的減少催化劑的優(yōu)點在于能夠使均勻氣體在遠低于著火極限的情況下穩(wěn)定燃燒,而且可以加速化學反應的速度,特別適合使用在停留時間特別短、著火極限不是很寬的燃用碳氫化合物的燃燒器中。在提高占整個透平的體積分數(shù)之后,盡管超微型燃氣輪機燃燒器停留時間提高了10倍,但仍然僅有0.5ms,比任何一個催化燃燒系統(tǒng)需要的時間小一個數(shù)量級。另外超微燃燒器的入口溫度為460～500K,低于催化燃燒的著火極限溫度。在超微燃燒器當中,氣體停留時間的減少可以很大程度上通過高的表面積體積比的效果抵消。這就說明碳氫化合物的催化燃燒在減少流道半徑(比大型燃燒室的減少一個數(shù)量級)的條件下,可以在1ms的流動停留時間內(nèi)完成。這樣在超微燃燒器中催化燃燒通道直徑將會接近100μm。為了解決燃燒器入口溫度的問題,可以考慮采用換熱器把透平出口氣體中的熱量(1200K)傳送到燃燒器入口的氣體中去。5超微型燃氣輪機目前世界上微型機械研究最早、也是最活躍的地方就是麻省理工學院,已經(jīng)有了許多研究成果。他們的研究主要分成三個階段:六陶瓷片組成的超微型燃氣輪機;雙區(qū)域燃燒器;催化燃燒器。下面就分別加以描述。5.1超微型發(fā)電機的三維建模最初發(fā)展的六陶瓷片微型燃氣輪機,其透平是由六個陶瓷片組成的,為單軸結(jié)構(gòu),壓氣機和透平都是徑向的,空氣從上部進入燃氣輪機按照箭頭所指的方向流動,先與燃料混合,然后進入燃燒室發(fā)生化學反應,之后通過透平做功,經(jīng)過出口排出燃氣輪機。把透平分片是制造工藝的要求。由于透平的尺度太小,而目前的制造工藝僅能實現(xiàn)一維的加工,即在一個片上加工槽或是鉆孔,因此為了完成微型透平二維的結(jié)構(gòu),把透平分成六片進行制造加工,然后合并到一起構(gòu)成完整的結(jié)構(gòu)。針對整個超微型燃氣輪機進行了二維的數(shù)值模擬計算,計算得到的內(nèi)部溫度分布如圖4。從中可以看出整個燃燒室的溫度分布并不很均勻,有較大的空間沒有得到充分利用,為此又發(fā)展了雙區(qū)域超微燃燒器。5.2滿負荷工況下的燃燒模擬所謂雙區(qū)域超微燃燒器就是為了克服六陶瓷片燃氣輪機中燃燒室空間利用效率不高的缺點,對其進行改造。改造的關(guān)鍵是:在燃料混合后,便將其一部分引入燃燒器當中,另外一部分燃料將繼續(xù)按照原來的流程進行混合和燃燒(圖5)。對改造后的超微型燃氣輪機進行了內(nèi)部溫度場三維數(shù)值模擬,結(jié)果如圖6。從中可以看出燃燒器的空間基本上得到較好的利用。此外,還對滿負荷工況下改造前后的燃燒效率進行了比較(圖7)。從中可以看出:改造之后,燃燒器的效率可以在較寬的質(zhì)量流率范圍里維持較高的燃燒效率。5.3燃燒效率與碳氫化合物的比較為了在超微型燃氣輪機中使用碳氫化合物,又對催化劑輔助燃燒進行了實驗,結(jié)果如圖8。從中可以看出:(1)氫氣的燃燒效率比碳氫化合物高很多;(2)氫氣的燃燒效率隨化學當量的改變而變化不大,且其質(zhì)量流量也比碳氫化合物大;(3)碳氫化合物整體催化燃燒效率較低,且隨化學當量比的增加而降低。總之,麻省理工學院在超微型燃燒器和超微型透平方面的研究是非常深入的,而且為后面的研究奠定了很好的基礎。下面就其中存在的問題以及今后的主要研究方向進行討論。6現(xiàn)在，主要研究方向是超級燃燒和未來的6.1超微發(fā)電機的測量和組織(1)從化學反應動力學的角度出發(fā),大型燃燒和微型燃燒沒有任何區(qū)別,因為燃燒反應本身就是產(chǎn)生在分子層的微觀過程。但是從小尺度的角度考慮,可能會由于與傳統(tǒng)大型燃燒室不同,而在宏觀現(xiàn)象和整體效果上產(chǎn)生差異。著眼點應在考慮尺度的減小對流動產(chǎn)生的影響,流體(燃料/空氣)是在怎樣的一種流態(tài)下進行化學反應的,是層流還是紊流。另外由于尺度的減少,流體粘度的影響將會大大增加,邊界層的影響會很突出。(2)由于超微燃氣輪機的尺度很小,在進行實驗研究的過程中,對測量手段提出了很高的要求。由于熱電偶本身的探頭就在毫米量級,因此它的加入會影響微型透平的流場。而且由于尺度小、結(jié)構(gòu)復雜,熱電偶也很難加入。因此測量是實驗研究當中一個非常重要的問題。(3)正確的組織超微型燃氣輪機中氣體的流動。由于粘性作用的增大,氣體在流動過程中損失的能量也會隨之增加,因此怎樣合理地組織氣體在透平內(nèi)部的流動,一方面達到傳熱和氣體燃料混合的要求,另一方面又要盡量減少流道長度和回轉(zhuǎn)減少能量損失,是一個有待解決的問題。6.2超微dg的發(fā)展針對現(xiàn)有研究中存在的問題,目前主要的研究方向有:(1)仔細研究超微型燃氣輪機當中氣體的流態(tài)以及粘性的影響,深入分析超微型透平中氣體的流動特性。為今后的超微型燃氣輪機設計打下理論基礎。(2)從微尺度燃燒的發(fā)展過程來看,微尺度燃燒是在微型機械,特別是超微型燃氣輪機的發(fā)展要求之下發(fā)展起來的,它是整個超微型燃氣輪機的關(guān)鍵技術(shù)之一。可以說超微型燃氣輪機的發(fā)展是與超微燃燒器相輔相成的。而且目前超微燃燒器的尺寸相對于透平的其它部分而言是很大的,因此超微燃氣輪機要想在尺寸上進一步縮小,就需要在燃燒器和整個系統(tǒng)的整體化上下功夫,爭取有所突破。(3)加強對催化燃燒的研究,研究催化效果在尺度縮小的時候,由于粘性和流動特性的改變而引起的變化。由于粘性作用的加強和尺度的減少,估計催化劑表面的氣體將會處于層流狀態(tài),這樣就會不同于目前常規(guī)條件下催化劑表面的紊流工況。這種不同如何影響催化劑的催化效果,如何在超微燃燒器當中更好地發(fā)揮催化燃燒的優(yōu)勢,都是亟待解決的問題。(4)微尺度傳熱方面的研究。種種事實表明尺度的減小會顯著改變傳熱的效果,那么在超微燃燒器中熱量傳遞機理會不會發(fā)生改變?如