民用航空發(fā)動機低排放燃燒室技術的研究

張詞翔

【摘 要】隨著國內外對于航空污染排放量的標準越來越高，對于低排放燃燒室的研究也越來越深入。基于此，本文首先分析了民用航空發(fā)動機低排放燃燒室，然后研究了民用航空發(fā)動機低排放燃燒室技術，以期能夠深入使用低排放燃燒室技術，控制發(fā)動機污染物排放，促進我國可持續(xù)發(fā)展。

【關鍵詞】民用航空；發(fā)動機；低排放燃燒室；低排放燃燒室技術

一、引言

民用航空發(fā)動機主要是指用于商業(yè)運營運輸飛機的動力，如渦扇、活塞發(fā)動機，最典型的就是干線和支線的民航所廣泛使用的渦扇發(fā)動機。民用航空發(fā)動機具有更高的安全性、環(huán)保性等要求，特別是環(huán)保的要求，發(fā)動機污染物一方面會影響到乘客、機組人員以及周圍居民的健康，另一方面又會對全球氣候產(chǎn)生影響。因此研究民用航空發(fā)動機低排放燃燒室技術具有重要的現(xiàn)實意義。

二、民用航空發(fā)動機低排放燃燒室

（一）低排放燃燒室定義

根據(jù)國內外發(fā)展目標和相關法規(guī)，根據(jù)氮氧化合物的減排程度，能夠將民用航空發(fā)動機中低排放燃燒室分成三個等級，減少30%～50%的氮氧化合物排放量為低排放；減少50%～75%的氮氧化合物排放量為超低排放；減少75%的氮氧化合物排放量為超超低排放。在國外根據(jù)氮氧化合物的排放將低排放燃燒室進行了劃分，第一代是常規(guī)的單環(huán)腔燃燒室；第二代則是使用RQL技術的低排放燃燒室；第三代則是指使用貧油燃燒技術的一些雙環(huán)腔的燃燒室；第四代則是指比第三代降低40%氮氧化合物排放量的低排放燃燒室，例如TALON等[1]。

（二）民用航空發(fā)動機的污染物

國內外經(jīng)常使用到的航空煤油事實上是一種具有復雜組分的碳氫燃料，這種燃料燃燒過程相對復雜，生成的污染物也比較復雜，容易受到物力因素和化學因素的影響，如熱解、氧化等反應，都會影響到污染物的生成。在發(fā)動機中燃燒室最主要的污染物排放是氮氧化合物，如一氧化氮、二氧化氮等。在燃燒室中首先產(chǎn)生的就是一氧化氮，如熱力一氧化氮、瞬發(fā)一氧化氮、燃料一氧化氮等。在貧油低溫的燃燒過程中，需要進行控制的就是一氧化二氮的轉變。其他的污染物還有一氧化碳，一氧化碳的生成是由于碳氫燃料的燃燒，燃燒過程中，主要消耗反應就是一氧化碳和氫氧基，燃料裂解速率不會影響到燃燒速率，而活性基團才會影響到燃燒速率和污染物的排放。污染物中還包括未燃盡的碳氫化合物，包含大分子燃料裂解而形成的小分子碳氫和其他基團，也包含沒有參加燃燒的燃油蒸汽等。

三、民用航空發(fā)動機低排放燃燒室技術

（一）低排放燃燒室技術

早在上個世紀七十年代，低排放燃燒室技術開始被使用，使用這項技術的最主要目的是控制可見冒煙情況，控制一氧化碳和未燃盡的碳氫化合物。其中最典型的是通過改變燃燒室中的空氣流量分配以及噴嘴，實現(xiàn)控制可見煙的目的。到了上個世紀八十年代，低排放燃燒技術將重點放在了降低氮氧化合物的含量，首先經(jīng)過對氮氧化合物生成機理的研究，從而提出了兩種發(fā)展策略，一種是富油燃燒，另一種是貧油燃燒，在當時研發(fā)出了氣動霧化的噴嘴技術，讓燃油霧化的質量被大幅度提高，燃料能夠和空氣更加充分，能夠得到充分燃燒。在民用航空發(fā)動機中被廣泛使用的就是氣動霧化噴嘴技術，其中最典型的就是CFM56的單環(huán)腔燃燒室。

在富油主燃區(qū)應用基礎上，為了能夠進一步減少氮氧化合物的含量，又提出了分級燃燒的方法，也就是在燃燒室中設計兩個燃燒區(qū)域，一個燃燒區(qū)域是進行低工況和起動點火，另一個燃燒區(qū)域是進行高工況的燃燒。無論是高工況，還是低工況，燃燒室都能保持油氣比在合理范圍之內，能夠保障燃燒室能夠穩(wěn)定啟動，其中的染料能夠進行完全燃燒，例如在GE90發(fā)電機中，雙環(huán)腔燃燒室的應用，兩個燃燒區(qū)域都能進行高效的燃燒，氮氧化合物產(chǎn)生量都能有所降低。

（二）貧油燃燒技術

貧油預混預蒸發(fā)燃燒方式有很大潛力降低發(fā)電機污染排放，能夠實現(xiàn)性能與排放的平衡，使用這項技術時是將大部分空氣通進燃燒室頭部，燃油能夠預先蒸發(fā)和空氣混合，從而能夠在燃燒區(qū)形成混合均勻的貧油混氣，能夠實現(xiàn)燃氣停留時間的控制，讓污染物維持在低生成量。

1.TAPS燃燒室

TAPS燃燒室應用的就是貧油燃燒技術，是聯(lián)合使用了分級分區(qū)和貧油預混的燃燒思想。在TAPS燃燒室中含有雙級旋流器和離心噴嘴構成，主燃級包含直射式噴嘴、徑向旋流器，這樣就能形成兩個燃燒區(qū)。值班級燃燒區(qū)是使用擴散模式，能夠保障發(fā)動機啟動點安全，提供給貧油熄火廣闊的邊界。主燃級燃燒區(qū)是使用貧油預混燃燒，在大工況中控制氮氧化合物的生成。主燃級使用橫向的射流霧化，形成能夠和空氣預混的油霧，隨后實施貧油燃燒。

2.Lean-Burn燃燒室

Lean-Burn燃燒室是一種采用中心分級的燃燒技術，通過噴嘴將富油路和主油路的火焰分級，和TAPS燃燒室存在一定的相似性，使用比較簡單的結構，來減少冷卻氣量，起到增加空氣量便于燃燒，來降低氮氧化合物的排放。

（三）富油燃燒技術

最根本的特征就是其主燃區(qū)的空氣量遠少于染料完全燃燒的空氣需求量，燃燒區(qū)處于富油燃燒時，燃燒不完全，燃氣的溫度比較低，氮氧化合物生成量也比較低。如果經(jīng)過富油燃燒，很大一部分燃油不能得到完全燃燒，跟隨燃氣流動而向下流動，燃氣溫度高的情況下，氮氧化合物大量產(chǎn)生在區(qū)域內，要想跳過這個區(qū)域，需要在富油燃燒區(qū)的末端加入大量空氣降低燃氣的溫度，可燃成分能夠在貧油區(qū)域中繼續(xù)燃燒，讓燃燒溫度一再降低[2]。

例如常見的富油燃燒技術中，惠普公司研發(fā)的RQL技術，使用RQL技術是在燃燒室頭部實施富油燃燒，溫度比較低，能夠產(chǎn)生少量的氮氧化合物，但是熱力氮氧化合物含量降低。燃氣在富燃段沒有完全燃燒，還需要通入空氣，在比例達到恰當比例時，燃氣停留時間加以控制，能夠抑制氮氧化合物的形成。如果在富燃區(qū)間，燃氣和空氣混合的速度太快，無法實現(xiàn)充分混合，未燃盡的碳氫化合物氧化不充分，一氧化碳的氧化也不充分。相反的，如果混合太慢，以恰當比例的混氣進行燃燒，就會增加氮氧化合物的生成，這也是RQL技術的關鍵設計。

如果將RQL燃燒技術應用在發(fā)動機上試驗，能夠發(fā)現(xiàn)氮氧化合物的排放量能夠達到標準的50%。惠普公司根據(jù)這樣的試驗結果，進行燃燒室研發(fā)，其中TALON燃燒室中主要是通過優(yōu)化油氣的混合，來降低氮氧化合物的情況，降低冒煙的情況，有效的改善了未燃盡的碳氫化合物的排放量，使用具備小冷卻空氣量的多段浮動壁筒結構，被應用到發(fā)動機中，并取得了良好的效果。目前低排放燃燒室技術的應用已經(jīng)起到了良好的效果，但是仍然需要進一步研究和創(chuàng)新，結合理論和實驗研究，才能有力推動低排放燃燒室技術發(fā)展。

四、結論

綜上所述，本文首先分析了民用航空發(fā)動機低排放燃燒室，分析了低排放燃燒室的定義以及民用航空發(fā)動機的污染物，然后研究了民用航空發(fā)動機低排放燃燒室技術，重點分析了低排放燃燒室技術中貧油燃燒技術，分析了TAPS燃燒室和Lean-Burn燃燒室工作原理，最后重點研究了富油燃燒技術，通過調整混氣比例，實現(xiàn)對污染物的控制。

【參考文獻】

[1]陳苗苗，袁汀，蔣榮偉，張險.火焰圖像技術在航空發(fā)動機燃燒室點/熄火試驗中的應用[J].燃氣渦輪試驗與研究，2018（01）：35-37+49.

[2]彭達（Kring Kristall）. 馬達西奇飛機發(fā)動機廠在加力燃燒室中增設核聚變第四區(qū)工程技術示范方案書[D].清華大學，2017.