大飞机发动机先进低排放燃烧室技术

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大飞机发动机先进低排放燃烧室技术
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newmaker    来源：航空制造技术

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/ v1 e% ?/ l0 f5 h随着环保与健康意识的不断增强，人类对大飞机发动机的CO2、H2O、SO2、冒烟、CO、UHC 排放要求，特别是对NOx的排放要求越来越严格。为此，国际民航组织多次修改民用航空发动机污染排放标准，分别于1986、1996、2004 和2008年发布了CAEP1、CAEP2、CAEP4 和CAEP6标准，不断提高对发动机污染排放的要求。以压缩比为36 的发动机为例，与CAEP2的NOx 排放值要求相比，CAEP4的降低了12％，CAEP6的降低了21％。低排放燃烧室已成为大飞机发动机进入国际市场的“门槛”技术。
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( f0 _/ q3 y: d: X9 k5 e20世纪90年代后期以来，美国和欧盟国家等独立（和/或）联合实施了超高效发动机技术、TECH56、LEAP56、经济可承受的近期低污染验证（ANTLE）、环境友好的航空发动机部件验证机验证（CLEAN）、环境友好的航空发动机（VITAL）、新型航空发动机方案（NEWAC）、革新的发动机结构系统验证（DREAM）和清洁天空（CLEANSKY）等研究计划，开发和验证双环腔预混预旋流（TAPS）、富油燃烧-猝熄- 贫油燃烧( R Q L )、贫油预混预蒸发（LPP）和驻涡（TVC）等低排放燃烧技术，以满足未来对大飞机发动机低排放的要求。这些先进的燃烧技术已经在不同程度上达到降低排放的效果，有的已经成功应用，有的正在深入验证。
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TAPS燃烧室

TAPS燃烧室由1个中心扩散火焰稳焰的预燃级和同心外旋流器预混燃烧的主燃级构成。预燃级采用扩散燃烧模式，由包括2个同转涡流器的高流量压力雾化装置组成，此装置辅助产生适于点火和低功率状态所需的雾化质量，有助于产生满足点火、起动、贫油燃烧稳定性和燃烧效率设计要求所需的流场特性。主燃级采用预混燃烧模式，燃油喷入主燃级旋转空气中，混合后再进入燃烧区燃烧，以降低NOx 排放值。该燃烧室能建立理想的预混环境，取得高的燃烧效率、较低且均匀的火焰温度，进而能降低NOx 排放值，也能明显延长下游部件的寿命；其空气完全由头部和混合器进入，无需在火焰筒上开稀释孔，避免了应力破坏，延长了火焰筒寿命。

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7 u- w5 v% [0 P' K: lTAPS燃烧室采用了以下关键技术：（1）预混旋流技术；（2）值班级燃烧技术；（3）贫油直接喷射燃烧技术；（4）径向燃油分级技术；（5）宏观分层燃油喷嘴技术；（6）先进的冷却与高温材料技术。TAPS燃烧室是GE公司以试验性的清洁燃烧研究计划和高效节能发动机研究计划验证的双环腔径向分级燃烧室为基础研发的。第一代TAPS燃烧室，在TECH56和先进亚音速运输机（AST）研究计划下，在CFM56发动机上进行了试验验证。结果表明：（1）燃烧室的压降、燃烧效率、头部/火焰筒壁温值与梯度、燃烧室出口温度品质（包括温度剖面和分布因子）、贫油熄火、点火特性、在关键设计点的火焰传输等都达到了预期的指标；（2）着陆/起飞状态NOx 排放值较当时生产型富油头部燃烧室的降低了50%左右，UHC排放值没有增加，CO排放值符合高压比发动机排放标准。2008年，该燃烧室已经成功地应用在B787飞机的GEnx发动机上。GEnx燃烧室。更低排放的第二代TAPS燃烧室由GE公司在LEAP56研究计划下开发，目标是使NOx 排放值较第一代的降低50%，耐久性由第一代的4000个循环增加到20000个循环。同时，GE公司还正在与NASA合作，以TAPS燃烧室为基础，开发更低排放的燃烧室，以达到在2025年将NOx 排放值较ICAO CAEP2的极限值降低80%的目标。
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驻涡燃烧室
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8 I% l0 {& G. J驻涡燃烧室是利用燃烧室内驻涡腔实现火焰稳定的一种创新性燃烧室。最典型的第三代驻涡燃烧室包括2个值班级和1个主燃烧级。值班级由插入燃烧室火焰筒内的驻涡腔组成。燃油和空气以适当的方式进入2个驻涡腔内，并在此形成涡流结构。驻涡腔的设计关键是使涡流结构驻留在驻涡腔中，使喷入的燃油与空气在驻涡腔内充分混合并燃烧，形成稳定的燃烧区。驻涡燃烧室通过在燃烧室壁内的腔体中捕捉涡流来稳定火焰，不受主气流的影响，因而回流区可以设计得比常规燃烧室的小且可操作性好。而小的回流区可以缩短驻留时间，使值班级对NOx排放值的影响较小。将值班级与主燃级平行放置，燃烧室长度还可缩短，质量减轻；高温区可缩小，NOx 排放值降低。因而，它具有在宽广的工作范围内稳定性强、地面/空中点火能力强、燃烧效率高、长度短、结构简单等特点。

2 j  q5 f2 ~7 o4 i4 h! N% B驻涡燃烧室是一种分级燃烧室，在所有低功率（包括起动和重新点火）状态下，只是驻涡腔工作（燃油不喷入主气流），可获得较低的CO和UHC排放，同时获得良好的点火性能和大的贫油熄火裕度；在较高功率(约30%功率) 状态下，所需的附加燃油分级从驻涡腔引入到主燃气流中，驻涡腔在低于化学恰当比状态下工作，而主燃气流在更低的化学恰当比状态下工作，以获得低NOx 排放值。

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驻涡燃烧室是20世纪90年代初期，由美国空军研究与试验室（AFRL）与GE公司联合作为高性能低排放燃烧室提出。20世纪90年代中期，在经过第一代单外腔驻涡燃烧室和第二代单管轴对称驻涡燃烧室的探索与研究后，GE公司与空军研究试验室联合开发了环形燃烧室结构的第三代驻涡燃烧室：双通道扩压器双驻涡腔（2P-2V）结构；三通道扩压器双驻涡腔（3P-2V）结构；三通道扩压器单驻涡腔（3P-1V）结构；双通道扩压器单驻涡腔（2P-1V）结构。90 年代后期，GE公司对2P-2V和3P-2V驻涡燃烧室进行了累计300h的试验验证。结果表明：（1）地面点火特性、高空点火特性和贫油熄火裕度比目前常规涡流稳定燃烧室改善约50% ；（2）NOx 排放值较1996年ICAO 标准降低40%～60% ；（3）保持99% 以上的有效燃烧效率的工作范围较常规燃烧室扩宽40% ；（4）在压力为3.4个大气压、温度为533K的工作状态下，驻涡腔内最高温升仅1489K；（5）在压力为14.6个大气压，温度为811K的工作状态下，驻涡腔和主燃级最高温升达到1669K；（6）在总化学恰当比工作状态下，有效燃烧效率为94.5%。


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5 r8 _% A/ N: T1 ]  V* O3 u1 K由于试验结果比较成功，美国空军、海军、能源部、NASA等都在探索将驻涡燃烧室技术移植到可能的军用小涵道比涡扇发动机、商用大涵道比涡扇发动机、组合循环涡轮冲压发动机、工业/舰船燃气轮机和高速燃烧领域中。
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超紧凑燃烧室

超紧凑燃烧室(UUC)是GE公司在驻涡燃烧室的基础上研发的更低排放的燃烧室方案。其目的是通过缩短主气流的驻留时间来进一步降低排放，同时通过缩短发动机的长度( 进而减轻质量) 来辅助降低排放。其中的一个方案是将压气机出口导向叶片、燃烧室与涡轮进口导向叶片一体化，如图5 所示。从功能上讲，环形腔为主燃区，径向腔构成中间区，周向支板火焰稳定器作为掺混区。该方案在标准大气压试验装备上的试验表明：（1）在较宽工作范围内，燃烧效率较高（≥99%）；（2）与常规燃烧室设计相比，火焰长度较短（约50%）；（3）与常规燃烧室设计相比，热释放率较高(约2倍) ；（4）在常规燃烧室的2～3倍的负荷下，工作仍稳定高效；（5）径向叶片腔（RVC）有效地将混合物从腔传输到主气流。该燃烧系统有潜力应用于低排放发动机燃烧室，或作为回热循环发动机的涡轮间燃烧室（ITB）。
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(续楼上)

TALON 燃烧室
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' f3 \% _4 f- u* `TALON燃烧室是RQL燃烧室，是一种特殊的分级燃烧室，前面是一个富油燃烧级，中间为一个快速猝熄级，后面为一个贫油燃烧级。在富油燃烧级，控制油/气比（通常控制在1.2～1.6 的当量比内），降低火焰温度，从而降低NOx 和CO的排放值；在快速猝熄级，通过引入大量空气，完成由富油级向贫油级的快速过渡，同时避免出现接近理想当量比的NOx 生成量大的高温区；在贫油燃烧级，选择满足所有排放物要求的当量比（典型值为0.5～0.7），以控制燃烧温度，使NOx、CO和UHC的排放值都低。
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20世纪90年代中期以来，PW公司与NASA格林研究中心合作，在先进亚声速技术(AST) 研究计划的降低排放项目下，采用技术成熟度管理方法开发了TALON燃烧室。
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# ]& G0 W) p7 v; J3 h+ K4 O! g& f/ P为了进一步降低NOx排放值，PW公司在UEET研究计划下，研发了更低排放的TALON燃烧室。目前，TALON燃烧室已经发展到第四代，前两代已经取得应用，后两代正在深入验证中。第二代、第三代TALON燃烧室排放指标。
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4 s* L, M. M' C1 g2 q- B贫油分级单环腔低排放燃烧室

/ J, G3 h2 _! g- P9 o+ h" Q贫油分级单环腔低排放燃烧室以TRENT556、TRENT772和TRENT977、TRENT970等发动机的RR公司第五阶段燃烧室为基础，在经济可承受的近期低排放研究计划下研制。该计划具体目标是：燃油消耗降低12%；CO2 排放值降低12%；NOx 排放值较CAEP/96的降低60% ；CO排放值较CAEP/96的降低10%；拥有费用降低20%；可靠性提高60% ；投入市场时间缩短50%；寿命期费用降低30%。

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该燃烧室采用贫油分级和单环腔结构，包括短且深的头部、简单的瓦片结构和对心的分级喷嘴等。其喷嘴能够提供大量的空气，从而降低燃烧室峰值温度，降低NOx 的排放值。2002～2005年进行的全环形燃烧室试验、发动机排放试验、发动机耐久性试验，验证了其性能和排放特性。
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/ C8 K8 k. u7 r0 e; r: t4 _双头超低NOx贫油预混预蒸发燃烧室
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双头超低NOx 贫油预混预蒸发燃烧室由SNECMA公司等在环境友好的航空发动机部件验证计划下开发和验证。该计划的具体目标是：燃油消耗量降低20%；CO2 排放值降低20%；NOx 排放值较ICAN CAEP/96的降低80% ；CO排放值较ICANCAEP/96的降低15%～20%；拥有费用降低30%；可靠性提高60%；投入市场时间缩短50% ；寿命期费用降低30%。预计该计划开发与验证的技术在2015 年左右投入使用。

其验证的燃烧室( 由SNECMA公司与VOLVE公司联合研制，采用轴向分级结构。值班级按低功率状态下性能最优设计，采用常规燃油喷射系统，充分利用SNECMA公司在外场、使用以及试验研究计划中积累的经验；对主燃级，为确保其在大功率下NOx 的排放值低，根据在LOWNOX 3 EC框架下研制的贫油预混预蒸发燃油喷射系统设计，选择了贫油预混预蒸发技术，包括位于燃油喷射系统出口的1个圆形/收敛管和使油气混合物预混、预蒸发的涡流器；其气动设计将保证在贫油预混预蒸发单元体中有足够低的局部油气比，以使NOx 的排放值降到足够低的程度。

结束语

随着双环腔预混旋流、富油燃烧-猝熄-贫油燃烧、贫油预混预蒸发和驻涡等新型燃烧室技术的不断发展和成熟，未来大飞机发动机的排放水平将达到甚至超过国际排放标准要求，甚至会取得突破性进展。(end)