燃烧过程中的质量平衡

燃烧过程中的能量平衡

燃烧室的工作过程

燃烧室特性

燃烧室的排气污染

§5 燃烧过程的计算、燃烧室工作过程的特性

§5-1 燃烧过程中的质量平衡一、平衡方程、理论空气量及热值

KmolKJCOOC /39580022 完全

KmolKJOHOH /242100(2

1222 气态）

完全

12 32 44

2 16 18

每公斤 C 的反应热 KgKJHUC /3298012

395800

每公斤 H2 的反应热 KgKJHUH /1210502

2421002

航空煤油的化学反应式：

kmolkJOHCOOHC /51028808812 222168

航空煤油的热值： kgkJH HUC /45560112

5102880168

112 384

理论空气量的计算：

氧气占空气的重量百分比： 23.2%

完全燃烧 1kg 煤油所需的理论空气量 L0 ：

燃油空气 kgkgL /7.142.23

100

112

3840

二、热离解

1 、热离解和热离解方程2 、离解的影响

§5-2 燃烧过程中的能量平衡一、燃烧过程的能量平衡、燃烧效率

qIQII fa *3

*2

即： *3

....*2

.

)( immqHmimim afufbffaa

cuf Hm .

))(()()( 0*3

...

0

.

0*2

.

iimmHmiimiim facuffffaaa

uf

fffaaafac

Hm

iimiimiimm.

0

.

0*2

.

0*3

..

)()())((

空气及燃料的热焓可由 Tci p 确定燃气的热焓确定：α ＞ 1 时：

1kg 燃料 +αL0kg 空气 （ 1+ αL0 ） kg

则燃气的总焓：*30

*130

*30 )1()1()1( aiLiLiL

两边乘以 ：.

fm

*30

.

0

.*

130

.*3

..

)()1()( afffaf iLmLmiLmimm

*3

.*30

*130

.

])1([ aaaf imiLiLm

*3H 等温燃烧焓差

一般形式： aiLiLH 010 )1(

等温燃烧焓差仅与温度有关，与 α 无关同样，对于 T0 温度的燃气总焓：

0

.*0

.*0

..

)( Hmimimm faaf

aiLiLH 001000 )1(

则： )()())(( 0*3

.

0*3

.

0*3

..

aaafaf iimHHmiimm

代入前面的燃烧效率公式得：

uf

ffaaac

Hm

iHHmiim.

0*3

.*2

*3

.

)()(

u

aac H

HHiiL )()( 0*3

*2

*30

因为 fff iii 0 较小，可忽略

ai 和 H 均为温度的函数，可查焓值表

发动机总体设计时，已知：ca TTm ,,, *

3*2

.

求： 或.

fm

由效率公式推得：

)( *2

*30

0*3

aa

uc

iiL

HHH

二、燃烧温度

近似计算公式：'

0

*2

*3

pg

uc

cL

HTT

影响 的因素：*3T

uH 0L，'pgc*2T

c

c *

3T

*3T

：：

精确求解用迭代法：

)( *2

*30

0*3

aa

uc

iiL

HHH

由

0*3

*2

*3

0

1

HHH

ii

Lm

mf

uc

aa

a

f

（ 1 ）任意给出一个 ，查表得 ，代入上式求出

（ 2 ）由 查 ，由 查出

（ 3 ）将 代入上式求 ，反复迭代，直到二次温度十分接近

*3T

*3H

*3ai

*3ai

*3T

*3T

*3H

*3H

*3ai

§5-3 燃烧室的工作过程一、燃烧室的气流流型

二、火焰筒各路进气的分配及功用

1 、旋流进气：占 5%-10% 空气量，这时 α=0.3-0.5

作用：造成旋转气流，形成回流区，同时对油膜破碎雾化和掺混起作用。

2 、主燃孔进气：占 20% 空气量，这时 α=1 左右作用：向头部主燃区恰当地供入新鲜空气，以补充旋流器空气与燃油配合的不足。

3 、补燃孔进气：占 10% 空气量

作用：补燃及掺混之间。

4 、掺混段进气，占 25%-30%

作用：将上游已燃高温气流掺冷、掺匀至合理温度分布

5 、冷却火焰筒壁面用气，占 35%

作用：隔热、吸热冷却

三、燃烧室中的燃料浓度分布

四、燃烧室的燃烧过程

§5-4 燃烧室特性一、燃烧效率特性

燃烧室的燃烧效率特性是指在一定的进口条件下，燃烧效率随余气系数 α 的变化关系。

1 、典型的燃烧效率特性

燃烧室进口空气压力、温度对 的影响：c

2 、燃烧效率的相似准则 — 参数基于表面燃烧理论

)(v

uf t

c

)(.

22

a

cc

m

TFpf

由实验数据总结得出： )(.

)300/(75.12

2

a

Tcc

c

m

eDFpf

.

)300/(75.12

2

a

Tcc

m

eDFp令

相似准则参数

燃烧室确定后，这时 )(.

)300/(75.12

2

a

T

c

m

epf

)f(θηc 曲线反映出不同工况下的效率高低

综合现代各型燃烧室的燃烧效率的试验数据，可得现有燃烧室 范围的极限：)( fc

二、火焰稳定特性

指在进口气流参数一定的条件下，混气能稳定燃烧的油气范围

典型的火焰稳定特性曲线

三、燃烧室的流阻特性

1 、燃烧室的压力损失及表示方法

a 、总压损失分为两类：

流阻损失

热阻损失

b、总压损失常用两种参数来表示：

总压恢复系数

流阻系数（阻力系数）

*2

*3

* / ppc

)2

1/()( 2*

3*2 mmc cpp

222

*

21 Mk

cc

2 、燃烧室压力损失的组成

（ a ）扩压器中的流体损失

（ b）火焰筒进气产生的损失

（ b）火焰筒内的总压损失

（ c）附加损失

3 、燃烧室的流阻特性

),()(2 2

2

.

2

2

2

.

*2

*23

CMM

a

M

aCM Fp

Tmf

Fp

Tm

g

R

p

p

22

22

2

2

.

)/(

TR

C

Fp

TCFRTP

Fp

TmM

M

MM

M

a

这两个参数与 的关系构成了燃烧室的流阻特性c

燃烧室阻力特性曲线

§5-5 燃烧室的排气污染一、排气污染概述

不同状态排气污染物的含量（单位： g/kg 燃油）

工作状态 CO 可燃烃 NOx 碳粒

起飞 1 ＜ 1 25 多

慢车 100 10 21 少

二、排气污染生成机理及影响因素1 、 CO的生成

64502

122 OCOCO

当温度高于 1673K时，就会产生离解

当温度高于 1000℃时， CO的消失主要为：HCOOHCO K 2

1

当温度接近 500℃时， CO的消失主要为：

222 HCOOHCO

2 、未燃碳氢化合物的生成 3 、 CO和未燃碳氢化合物的形成的影响因素

多种发动机在地面慢车时 CO和 CxHy 与 ηc 的关系 CO和 CxHy 与 ηc 的关系

4 、 NOX 的生成

（ 1 ）、热力NO

（ 2 ）、瞬发 NO

OO 22 T ＞ 1538℃时，

T ＞ 816℃时，

NNOON 2

ONONO 2

（ 3 ）、燃料 NO

HNOOHN

HCNNCHN

影响 NO生成的主要因素：

起飞状态各种发动机的 NOX排放与综合参数的关系

5 、冒烟

（ 1 ）、烟形成机理

（ 2 ）、冒烟的影响因素

三、污染物排放特性

四、控制污染的方法1 、降低 CO和 CXHY（ a ）控制主燃区和掺混区的油气比，及在区内滞留时间 抽取或放出在慢车时压气

机流出的空气量包括：良好的燃油喷雾

（ b）、分级供油技术

2 、降低 NOX

2 、降低冒烟

主燃区内良好的油气混合气动雾化喷嘴的采用可减少局部富油区，掺混均匀贫油主燃区的设计采用冒烟小的燃油

五、低污染燃烧室的设计

1 、分区燃烧

GE公司设计的径向双环腔燃烧室P&W公司设计的轴向分级燃烧室

2 、研究中的其它燃烧室

旋涡混合式燃烧室主燃区，采用旋涡混合燃烧方案可变几何燃烧室贫油预混预蒸发燃烧室催化燃烧室