超微型燃气轮机燃烧工艺的研究

超微型燃气轮机燃烧工艺的研究

0微型装置的创新硅和难溶陶瓷片材料为开发小型车辆、小型车辆、压力变换器、小型检测器等小型设备提供了基础。其中最有创新和挑战的是微型燃气轮机技术的发展。超微型燃气轮机的一个重要部件是燃烧器,因此研究燃烧器及其燃烧工艺是非常必要的。1超微型燃气轮机目前,超微型燃气轮机可以达到功率10～100W,而体积仅1cm3,每小时消耗约7g燃油。如果进一步发展完善,它的能量密度将会比目前最好的电池还要高10倍。Epstein和Groshenry(1995)对其进行了可行性研究、初期设计和性能估计。图1是一个超微型燃气轮机的例子。它的高度为3.7mm,底面直径为21mm,推动力为11g,透平的入口温度为1600K,转速为1.2×106r/min。装置由同轴的径向压缩机和径向透平以及分隔它们的燃烧器组成。可以看出燃烧器是整个装置中最大的部件。与传统的大型燃气轮机相比,这种超微型燃气轮机的尺度缩小500倍。Epstein在分析的过程中指出,如果该装置叶片的末梢速度为500m/s,压气机的增压比为4.5∶1,透平的入口温度为1600K,那么它就能够在每1mm2的入口面积上产生10～20W的能量。超微型燃气轮机与其他此类技术相同,并不是简单的在尺度上对原有技术进行改造。小尺度和在制造、测量方面的限制将会产生很多新的问题与挑战:表面积体积比增加,粘性效应更加明显,时间尺度缩短以及在三维形状制造方面受到的限制。所有这些均会直接或间接地影响超微型燃气轮机燃烧策略的选择和发展。2超微燃烧与空气燃烧的性能对比在超微型燃气轮机中,燃烧器所起的作用与传统的大型燃气轮机基本相同,即把燃料的化学能转化成燃气的热能和动能,同时要求高效,燃烧器中的压降要降到最小。燃烧过程需要导入混合燃料与空气,这要求燃烧器能够可靠稳定的点火,最好有较宽的可燃极限以便火焰在变工况时能够稳定燃烧,并且减少污染物排放、远离燃烧的不稳定区域。与大型燃气轮机30∶1的压比相比,超微型燃气轮机仅为4.5,但燃烧器的尺度减少了100倍,整个体积减少了106的量级。超微燃烧器的空间加热率是现有技术飞行器中燃烧器的10倍。由于一方面受到尺度缩小的影响,另一方面还受到燃烧器相对尺度、循环压比和材料的温度极限等因素的影响,超微燃气轮机的设计参数与大型燃气轮机参数不同。2.1燃料/空气停留时间在大型的燃烧室中,由于在燃烧过程中既要保证燃烧稳定,又要把排气温度降低到足够低(材料耐温极限),因此燃烧室被设计成两级送风的形式。首先加入一部分空气,在空气过量系数小于1的情况下进行燃烧,以使燃烧稳定进行,然后在燃烧室的中部再加入另一部分空气,一方面与未反应的燃料进行反应,另一方面与上游来的高温燃气混合,以便降低燃气温度,达到出口材料能够承受的温度。由于燃烧分成两个阶段,因此燃烧室中的停留时间一般为5～8s。由此可以看出在大型燃气轮机的燃烧室中,停留时间并不是由化学反应时间决定的,而是根据燃料/空气的混合时间以及掺混空气与高温燃气混合的速度确定。但是在超微型燃气轮机中,燃料/空气的停留时间就会受到很大的限制,只能根据反应时间来确定。这是因为气体在燃烧器中的停留时间基本与燃烧器容积和压比成正比,而在低压、容积在几何上大大减少的超微燃烧器中,其停留时间将会是传统的大型燃气轮机中燃烧室中停留时间的十分之一甚至百分之一。如果简单地把大型燃气轮机所有部件均按照比例进行缩小,那么在每单位面积质量流率相同的情况下,超微燃烧器中的停留时间大约会是0.05～0.1ms。这个时间与碳氢化合物/氧气的化学反应时间(0.01～0.1ms)是同一个量级,因此会造成燃料还未与氧气进行反应就已经流出燃烧器,而造成燃烧效率的大幅度降低。所以为解决停留时间短的问题,可以:(1)通过增加燃烧器的相对尺度,来延长燃料/空气的停留时间;(2)在燃料/空气进入燃烧器之前就进行混合,把需要在燃烧器中完成的混合过程提前进行,减少充分燃烧需要的时间。(3)选用氢气作为燃料(氢气的反应时间短)或者采用催化燃烧;燃烧器尺度增加多少可以通过压比和容积的变化计算出来,图1所示的超微燃气轮机燃烧器就在原有体积比的基础上增加了40倍。对燃料为氢的燃烧器,要求燃烧室尺度增加之后,在燃烧室中氢气/空气的停留时间可以达到0.5～1ms。2.2超微燃烧与燃料点火超微燃烧器的表面积与体积之比为500m-1,而大型燃烧室中仅有3～5m-1。因此在大型燃烧室中,由于表面损失的热量非常小,设计时基本不考虑。而在超微燃烧器中,表面的热量损失很高,因此热量损失就成为设计中必须考虑的重要问题。在预混火焰当中,火焰稳定燃烧的条件是:燃烧产生的热量减去气体由于导热损失的热量大于预混燃料着火需要的能量。研究管内燃烧还发现,若火焰管的直径小于某一临界尺寸,从火焰前锋传向管壁的热量将会遏制反应的进行。在这一尺度之下。燃烧波只能通过管壁外部加热来维持稳定。由于热量损失的相对增加,超微燃烧器的性能会受到几个方面的影响:1)不可能获得大型燃烧室99.9%的效率;2)有可能由于火焰熄灭而影响燃料着火极限;3)降低火焰稳定区的温度,使得化学反应时间增加。热量损失增加的好处是可以使燃烧器的冷却问题得到一定程度的缓解,因此与耐高温的材料配合之后,超微燃烧器基本上不需要特殊的冷却装置。为了减少热量损失,在超微型燃气轮机设计的时候,把未反应的预混燃料的流道布置在燃烧器的周围,这样可以通过换热提高预混火焰的入口温度,提高整体效率。2.3化学当量比率的确定除了停留时间和热量损失,制造中对复杂结构的限制也会影响微型燃烧器参数的选择。图2是超微型燃烧器中火焰在各种限制条件下的稳定区域,采用的燃料是氢气。从中看出燃烧器的点火极限分别受到上游着火限制(回火)、结构限制和吹熄条件的限制。要想使火焰稳定区域较大,以保证变工况情况下火焰能够稳定,那么化学当量比率应该选在0.5～0.6。因此,目前所有的超微燃烧器均采用过氧燃烧。3陶瓷片材料高温力学性能目前在不冷却的情况下大型燃气轮机能够承受的最高温度是1200K,而在超微型燃气轮机燃烧器中使用的难熔的陶瓷片材料可以承受1600～1700K的温度。材料承受温度的升高和热量损失的增加,使得超微燃烧器的冷却要求降低。陶瓷片材料的耐高温性质很早就被人们发现。但是其晶格会在制造过程中不可避免地产生缺陷,而使材料变得很脆,无法应用在传统的燃气轮机高温部件。但在超微燃气轮机中,由于超微燃烧器尺度很小,有利于制造过程中消除材料晶格的缺陷,使其不易断裂,从而得到很好的应用。4火炬燃烧过程回收利用在讨论微型燃烧器的时候必须基于三点普遍适用的概念:1)增加燃烧器的相对尺度以延长气体的停留时间;2)火焰预混;3)贫燃料燃烧。由于停留时间缩短,因此需要把燃料/空气混合的过程从燃烧器当中分离出来。为实现稳定燃烧可以采用两个方法:采用低化学当量的氢气燃料;采用表面催化的碳氢化合物催化燃烧。以下就这两个方法进行讨论。4.1自动点燃区域的选择氢气是一种性质很好的燃料:热值高、挥发速度快、扩散速度较快,化学反应时间较短,火焰传播速度相当快,着火极限宽,点火能量较低等等。特别是它的着火极限很宽,所以可以省去在燃烧碳氢化合物时经常采用的燃料高浓度区之后跟随稀释区的方法。例如在透平入口温度为1600K的氢气/空气反应中,需要的化学当量比为0.34(假定没有热量散失),远远超过氢气的点火极限0.1。在考虑大型燃烧室的时候必须考虑吹熄、回火和高入口温度下的自动点燃。但是在微型燃气轮机当中,由于氢气的着火极限很宽,吹熄不会发生。而由于整个循环的压比为4.5,入口温度为500K,因而也不会发生高入口温度下自动点燃。因此在超微燃烧器的上部引入氢气和空气的混合是可以实现的。4.2火炬停留时间的减少催化剂的优点在于能够使均匀气体在远低于着火极限的情况下稳定燃烧,而且可以加速化学反应的速度,特别适合使用在停留时间特别短、着火极限不是很宽的燃用碳氢化合物的燃烧器中。在提高占整个透平的体积分数之后,尽管超微型燃气轮机燃烧器停留时间提高了10倍,但仍然仅有0.5ms,比任何一个催化燃烧系统需要的时间小一个数量级。另外超微燃烧器的入口温度为460～500K,低于催化燃烧的着火极限温度。在超微燃烧器当中,气体停留时间的减少可以很大程度上通过高的表面积体积比的效果抵消。这就说明碳氢化合物的催化燃烧在减少流道半径(比大型燃烧室的减少一个数量级)的条件下,可以在1ms的流动停留时间内完成。这样在超微燃烧器中催化燃烧通道直径将会接近100μm。为了解决燃烧器入口温度的问题,可以考虑采用换热器把透平出口气体中的热量(1200K)传送到燃烧器入口的气体中去。5超微型燃气轮机目前世界上微型机械研究最早、也是最活跃的地方就是麻省理工学院,已经有了许多研究成果。他们的研究主要分成三个阶段:六陶瓷片组成的超微型燃气轮机;双区域燃烧器;催化燃烧器。下面就分别加以描述。5.1超微型发电机的三维建模最初发展的六陶瓷片微型燃气轮机,其透平是由六个陶瓷片组成的,为单轴结构,压气机和透平都是径向的,空气从上部进入燃气轮机按照箭头所指的方向流动,先与燃料混合,然后进入燃烧室发生化学反应,之后通过透平做功,经过出口排出燃气轮机。把透平分片是制造工艺的要求。由于透平的尺度太小,而目前的制造工艺仅能实现一维的加工,即在一个片上加工槽或是钻孔,因此为了完成微型透平二维的结构,把透平分成六片进行制造加工,然后合并到一起构成完整的结构。针对整个超微型燃气轮机进行了二维的数值模拟计算,计算得到的内部温度分布如图4。从中可以看出整个燃烧室的温度分布并不很均匀,有较大的空间没有得到充分利用,为此又发展了双区域超微燃烧器。5.2满负荷工况下的燃烧模拟所谓双区域超微燃烧器就是为了克服六陶瓷片燃气轮机中燃烧室空间利用效率不高的缺点,对其进行改造。改造的关键是:在燃料混合后,便将其一部分引入燃烧器当中,另外一部分燃料将继续按照原来的流程进行混合和燃烧(图5)。对改造后的超微型燃气轮机进行了内部温度场三维数值模拟,结果如图6。从中可以看出燃烧器的空间基本上得到较好的利用。此外,还对满负荷工况下改造前后的燃烧效率进行了比较(图7)。从中可以看出:改造之后,燃烧器的效率可以在较宽的质量流率范围里维持较高的燃烧效率。5.3燃烧效率与碳氢化合物的比较为了在超微型燃气轮机中使用碳氢化合物,又对催化剂辅助燃烧进行了实验,结果如图8。从中可以看出:(1)氢气的燃烧效率比碳氢化合物高很多;(2)氢气的燃烧效率随化学当量的改变而变化不大,且其质量流量也比碳氢化合物大;(3)碳氢化合物整体催化燃烧效率较低,且随化学当量比的增加而降低。总之,麻省理工学院在超微型燃烧器和超微型透平方面的研究是非常深入的,而且为后面的研究奠定了很好的基础。下面就其中存在的问题以及今后的主要研究方向进行讨论。6现在，主要研究方向是超级燃烧和未来的6.1超微发电机的测量和组织(1)从化学反应动力学的角度出发,大型燃烧和微型燃烧没有任何区别,因为燃烧反应本身就是产生在分子层的微观过程。但是从小尺度的角度考虑,可能会由于与传统大型燃烧室不同,而在宏观现象和整体效果上产生差异。着眼点应在考虑尺度的减小对流动产生的影响,流体(燃料/空气)是在怎样的一种流态下进行化学反应的,是层流还是紊流。另外由于尺度的减少,流体粘度的影响将会大大增加,边界层的影响会很突出。(2)由于超微燃气轮机的尺度很小,在进行实验研究的过程中,对测量手段提出了很高的要求。由于热电偶本身的探头就在毫米量级,因此它的加入会影响微型透平的流场。而且由于尺度小、结构复杂,热电偶也很难加入。因此测量是实验研究当中一个非常重要的问题。(3)正确的组织超微型燃气轮机中气体的流动。由于粘性作用的增大,气体在流动过程中损失的能量也会随之增加,因此怎样合理地组织气体在透平内部的流动,一方面达到传热和气体燃料混合的要求,另一方面又要尽量减少流道长度和回转减少能量损失,是一个有待解决的问题。6.2超微dg的发展针对现有研究中存在的问题,目前主要的研究方向有:(1)仔细研究超微型燃气轮机当中气体的流态以及粘性的影响,深入分析超微型透平中气体的流动特性。为今后的超微型燃气轮机设计打下理论基础。(2)从微尺度燃烧的发展过程来看,微尺度燃烧是在微型机械,特别是超微型燃气轮机的发展要求之下发展起来的,它是整个超微型燃气轮机的关键技术之一。可以说超微型燃气轮机的发展是与超微燃烧器相辅相成的。而且目前超微燃烧器的尺寸相对于透平的其它部分而言是很大的,因此超微燃气轮机要想在尺寸上进一步缩小,就需要在燃烧器和整个系统的整体化上下功夫,争取有所突破。(3)加强对催化燃烧的研究,研究催化效果在尺度缩小的时候,由于粘性和流动特性的改变而引起的变化。由于粘性作用的加强和尺度的减少,估计催化剂表面的气体将会处于层流状态,这样就会不同于目前常规条件下催化剂表面的紊流工况。这种不同如何影响催化剂的催化效果,如何在超微燃烧器当中更好地发挥催化燃烧的优势,都是亟待解决的问题。(4)微尺度传热方面的研究。种种事实表明尺度的减小会显著改变传热的效果,那么在超微燃烧器中热量传递机理会不会发生改变?如