富油燃烧-猝熄-贫油燃烧燃烧室技术分析

李 杰

(中航工业西安航空动力股份有限公司，西安 710021)

1 引言

富油燃烧-猝熄-贫油燃烧室技术是1种较为先进的航空发动机燃烧技术，是实现低氮氧化物（NOx)排放的最基本策略之一。RQL燃烧室的关键区域是猝熄区，其贫油熄火边界宽，对氮氧化物排放的控制简单有效，并在一定程度上代表了现代航空发动机燃烧室工程技术进展的成就与方向。美国PW公司在RQL燃烧技术基础上创新开发了广泛用于其商用航空发动机的先进低氮氧化物排放燃烧室-TALON燃烧室。

2 RQL燃烧室的先进性

2.1 贫油熄火边界

贫油熄火边界是航空发动机安全可靠工作的最重要指标之一。由于低污染的要求，现代民用航空发动机的设计倾向于向贫油预混方向发展，燃烧前的油气混合越均匀，油气比低为贫油，则污染物越少，但贫油熄火性能也越差，燃烧室头部燃烧组织越复杂。

RQL燃烧室前部是富油燃烧，有相对大的油气当量比，贫油熄火边界相对较宽。

2.2 氮氧化物排放的控制

在富油燃烧区，控制油气比范围（通常控制当量比为1.2～1.6），降低火焰温度和减少氧气量，从而减少NOx和CO生成量。在猝熄区，通过引入大量空气，完成由富油向贫油的瞬间过渡，并防止出现接近理想当量比的NOx生成量大的区域。在贫油燃烧区，选择满足所有排放要求的当量比（典型值为0.5～0.7），以控制燃烧温度，使NOx、CO和HC排放都低，从而满足国际民航组织对污染物的排放要求。

3 RQL燃烧室的发展

3.1 RQL燃烧室与TALON燃烧室

RQL技术是实现现代航空发动机减少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃烧策略之一，发展了30多年。

目前，美国PW公司在商用发动机上广泛应用的先进低氮氧化物排放（TALON）燃烧室是在RQL基础上，利用浮壁式燃烧室技术，结合气动雾化喷嘴、单排2股气流进气孔等技术开发的。

TALON燃烧室的关键改进是优化了气动雾化喷嘴，使得燃料-空气混合当量比更合理，燃料-空气的混合更充分，可在全工作范围内使燃料在很短的时间内充分雾化并在主燃烧区内快速燃烧。它不但很好地传承了RQL燃烧室贫油熄火边界宽的优点，同时使污染物的排放更低，是对RQL燃烧室的进一步发展与创新。

由于燃料-空气混合当量比更合理，燃料-空气的混合更加充分，所以TALON燃烧室不再需要更多的补燃空气，各型TALON燃烧室均只有1排降温和补充空气进气孔（如图1所示）。

由于气动雾化喷嘴可使燃料在很短时间内充分雾化并完全燃烧，使得TALON燃烧室的燃焰分区与RQL燃烧室相比已不十分明显，如图2所示。

3.2 各型TALON燃烧室的排放标准

用于PW4090基本型发动机的RQL燃烧室的排放可满足国际民航组织的CAEP/2标准；用于PW4098发动机的TALON I燃烧室的排放水平低于CAEP/2标准的要求，但还不能完全满足CAEP/4标准的要求；用于PW4158、PW4168和PW6000发动机的TALONII燃烧室，大大降低了氮氧化物的排放，不但远低于CAEP/2和CAEP/4排放标准的要求，而且能完全满足CAEP/6标准的要求；TALON III燃烧室和TALON IV燃烧室进一步降低了氮氧化物的排放，可以完全满足CAEP/6标准的要求，还有相当大的裕度。RQL燃烧室和各型TALON燃烧室所能达到的排放标准如图3所示。

为赢回逐渐失去的民用发动机市场，PW公司研发了先进大推力高涵道比齿轮传动涡扇发动机，即清洁动力（PurePowerTM）PW1000G发动机，其所使用的燃烧室也是可以达到更低排放标准的TALON燃烧室。

4 启迪与思考

RQL技术和TALON燃烧技术是目前较为先进的航空发动机组织燃烧技术，是1种特殊的分级燃烧室技术，是减少氮氧化物（NOx）排放的最基本的策略之一。RQL燃烧室的贫油熄火边界宽，控制氮氧化物新，关键在创新。在保证发动机应有性能的前提下，更低热点和更均匀的燃烧室出口温度场，可以大大改善所有下游部件的工作环境。燃烧室出口热点温度的降低可使下游部件的选材和设计具有更大裕度，使涡轮导向器叶片和涡轮叶片的冷却方式相对简单。这不但简化了发动机燃烧室下游零部件的结构，还可延长发动机的寿命、降低运营成本和维护费用，可谓一举多得。

5 结束语

综上所述，像RQL和TALON这样好的燃烧室设计理念，不但可以保证燃烧室功能的实现和优化，还可以简化燃烧室结构，从而使燃烧室的加工工艺难度降低，为发动机带来高效率、低排放、长寿命和低运营成本的诸多益处。

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