民用航空发动机低排放燃烧室技术的研究

张词翔

【摘 要】随着国内外对于航空污染排放量的标准越来越高，对于低排放燃烧室的研究也越来越深入。基于此，本文首先分析了民用航空发动机低排放燃烧室，然后研究了民用航空发动机低排放燃烧室技术，以期能够深入使用低排放燃烧室技术，控制发动机污染物排放，促进我国可持续发展。

【关键词】民用航空；发动机；低排放燃烧室；低排放燃烧室技术

一、引言

民用航空发动机主要是指用于商业运营运输飞机的动力，如涡扇、活塞发动机，最典型的就是干线和支线的民航所广泛使用的涡扇发动机。民用航空发动机具有更高的安全性、环保性等要求，特别是环保的要求，发动机污染物一方面会影响到乘客、机组人员以及周围居民的健康，另一方面又会对全球气候产生影响。因此研究民用航空发动机低排放燃烧室技术具有重要的现实意义。

二、民用航空发动机低排放燃烧室

（一）低排放燃烧室定义

根据国内外发展目标和相关法规，根据氮氧化合物的减排程度，能够将民用航空发动机中低排放燃烧室分成三个等级，减少30%～50%的氮氧化合物排放量为低排放；减少50%～75%的氮氧化合物排放量为超低排放；减少75%的氮氧化合物排放量为超超低排放。在国外根据氮氧化合物的排放将低排放燃烧室进行了划分，第一代是常规的单环腔燃烧室；第二代则是使用RQL技术的低排放燃烧室；第三代则是指使用贫油燃烧技术的一些双环腔的燃烧室；第四代则是指比第三代降低40%氮氧化合物排放量的低排放燃烧室，例如TALON等[1]。

（二）民用航空发动机的污染物

国内外经常使用到的航空煤油事实上是一种具有复杂组分的碳氢燃料，这种燃料燃烧过程相对复杂，生成的污染物也比较复杂，容易受到物力因素和化学因素的影响，如热解、氧化等反应，都会影响到污染物的生成。在发动机中燃烧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。在燃烧室中首先产生的就是一氧化氮，如热力一氧化氮、瞬发一氧化氮、燃料一氧化氮等。在贫油低温的燃烧过程中，需要进行控制的就是一氧化二氮的转变。其他的污染物还有一氧化碳，一氧化碳的生成是由于碳氢燃料的燃烧，燃烧过程中，主要消耗反应就是一氧化碳和氢氧基，燃料裂解速率不会影响到燃烧速率，而活性基团才会影响到燃烧速率和污染物的排放。污染物中还包括未燃尽的碳氢化合物，包含大分子燃料裂解而形成的小分子碳氢和其他基团，也包含没有参加燃烧的燃油蒸汽等。

三、民用航空发动机低排放燃烧室技术

（一）低排放燃烧室技术

早在上个世纪七十年代，低排放燃烧室技术开始被使用，使用这项技术的最主要目的是控制可见冒烟情况，控制一氧化碳和未燃尽的碳氢化合物。其中最典型的是通过改变燃烧室中的空气流量分配以及喷嘴，实现控制可见烟的目的。到了上个世纪八十年代，低排放燃烧技术将重点放在了降低氮氧化合物的含量，首先经过对氮氧化合物生成机理的研究，从而提出了两种发展策略，一种是富油燃烧，另一种是贫油燃烧，在当时研发出了气动雾化的喷嘴技术，让燃油雾化的质量被大幅度提高，燃料能够和空气更加充分，能够得到充分燃烧。在民用航空发动机中被广泛使用的就是气动雾化喷嘴技术，其中最典型的就是CFM56的单环腔燃烧室。

在富油主燃区应用基础上，为了能够进一步减少氮氧化合物的含量，又提出了分级燃烧的方法，也就是在燃烧室中设计两个燃烧区域，一个燃烧区域是进行低工况和起动点火，另一个燃烧区域是进行高工况的燃烧。无论是高工况，还是低工况，燃烧室都能保持油气比在合理范围之内，能够保障燃烧室能够稳定启动，其中的染料能够进行完全燃烧，例如在GE90发电机中，双环腔燃烧室的应用，两个燃烧区域都能进行高效的燃烧，氮氧化合物产生量都能有所降低。

（二）贫油燃烧技术

贫油预混预蒸发燃烧方式有很大潜力降低发电机污染排放，能够实现性能与排放的平衡，使用这项技术时是将大部分空气通进燃烧室头部，燃油能够预先蒸发和空气混合，从而能够在燃烧区形成混合均匀的贫油混气，能够实现燃气停留时间的控制，让污染物维持在低生成量。

1.TAPS燃烧室

TAPS燃烧室应用的就是贫油燃烧技术，是联合使用了分级分区和贫油预混的燃烧思想。在TAPS燃烧室中含有双级旋流器和离心喷嘴构成，主燃级包含直射式喷嘴、径向旋流器，这样就能形成两个燃烧区。值班级燃烧区是使用扩散模式，能够保障发动机启动点安全，提供给贫油熄火广阔的边界。主燃级燃烧区是使用贫油预混燃烧，在大工况中控制氮氧化合物的生成。主燃级使用横向的射流雾化，形成能够和空气预混的油雾，随后实施贫油燃烧。

2.Lean-Burn燃烧室

Lean-Burn燃烧室是一种采用中心分级的燃烧技术，通过喷嘴将富油路和主油路的火焰分级，和TAPS燃烧室存在一定的相似性，使用比较简单的结构，来减少冷却气量，起到增加空气量便于燃烧，来降低氮氧化合物的排放。

（三）富油燃烧技术

最根本的特征就是其主燃区的空气量远少于染料完全燃烧的空气需求量，燃烧区处于富油燃烧时，燃烧不完全，燃气的温度比较低，氮氧化合物生成量也比较低。如果经过富油燃烧，很大一部分燃油不能得到完全燃烧，跟随燃气流动而向下流动，燃气温度高的情况下，氮氧化合物大量产生在区域内，要想跳过这个区域，需要在富油燃烧区的末端加入大量空气降低燃气的温度，可燃成分能够在贫油区域中继续燃烧，让燃烧温度一再降低[2]。

例如常见的富油燃烧技术中，惠普公司研发的RQL技术，使用RQL技术是在燃烧室头部实施富油燃烧，温度比较低，能够产生少量的氮氧化合物，但是热力氮氧化合物含量降低。燃气在富燃段没有完全燃烧，还需要通入空气，在比例达到恰当比例时，燃气停留时间加以控制，能够抑制氮氧化合物的形成。如果在富燃区间，燃气和空气混合的速度太快，无法实现充分混合，未燃尽的碳氢化合物氧化不充分，一氧化碳的氧化也不充分。相反的，如果混合太慢，以恰当比例的混气进行燃烧，就会增加氮氧化合物的生成，这也是RQL技术的关键设计。

如果将RQL燃烧技术应用在发动机上试验，能够发现氮氧化合物的排放量能够达到标准的50%。惠普公司根据这样的試验结果，进行燃烧室研发，其中TALON燃烧室中主要是通过优化油气的混合，来降低氮氧化合物的情况，降低冒烟的情况，有效的改善了未燃尽的碳氢化合物的排放量，使用具备小冷却空气量的多段浮动壁筒结构，被应用到发动机中，并取得了良好的效果。目前低排放燃烧室技术的应用已经起到了良好的效果，但是仍然需要进一步研究和创新，结合理论和实验研究，才能有力推动低排放燃烧室技术发展。

四、结论

综上所述，本文首先分析了民用航空发动机低排放燃烧室，分析了低排放燃烧室的定义以及民用航空发动机的污染物，然后研究了民用航空发动机低排放燃烧室技术，重点分析了低排放燃烧室技术中贫油燃烧技术，分析了TAPS燃烧室和Lean-Burn燃烧室工作原理，最后重点研究了富油燃烧技术，通过调整混气比例，实现对污染物的控制。

【参考文献】

[1]陈苗苗，袁汀，蒋荣伟，张险.火焰图像技术在航空发动机燃烧室点/熄火试验中的应用[J].燃气涡轮试验与研究，2018（01）：35-37+49.

[2]彭达（Kring Kristall）. 马达西奇飞机发动机厂在加力燃烧室中增设核聚变第四区工程技术示范方案书[D].清华大学，2017.