民用航空发动机雾化喷水技术的研究

孙震宇 甘露

摘要：氮氧化物（NOx）的排放指标在民用航空飞机发动机的设计中成为越来越重要的考虑因素。除了对低排放燃烧室技术的研究外，波音公司和罗罗公司的格伦研究中心与NASA针对在发动机中注入雾化水的技术开展了大量的研究，重点解决在飞机起飞及爬升阶段的污染排放问题。该方法在显著降低NOx排放的同时，也可进一步降低发动机高温部件的热应力，对发动机的寿命以及维护成本起到有利作用。本文对比论证了雾化喷水技术在发动机不同部件位置（低压压气机、高压压气机和燃烧室）应用的可行性和优缺点以及对发动机性能的影响程度。

Abstract： Nitrogen oxide （NOx） emissions are an increasingly important consideration in the design of civil aviation aircraft engines. In addition to research on low-emission combustor technology， Boeing and Rolls-Royce Glenn Research Center and NASA have conducted extensive research on the technology of injecting atomized water into engines， focusing on solving pollution emissions issues during take-off and climb phases. The method can further reduce the thermal stress of the high-temperature components of the engine while significantly reducing the NOx emissions， and has an advantageous effect on the life of the engine and the maintenance cost. This paper demonstrates the feasibility， advantages and disadvantages of atomized water spray technology in different parts of the engine （low pressure compressor， high pressure compressor and combustion chamber） and the impact on engine performance.

關键词：民用航空发动机;雾化喷水技术;氮氧化物;减排;性能影响

Key words： civil aviation engine;atomized water spray technology;nitrogen oxides;emission reduction;performance impact

中图分类号：V231.2+3                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）18-0145-04

1  NOx的产生

NOx的生成与燃烧室内温度密切相关，而发动机的总压比对燃烧室的温度也有着直接影响（图1（a））。随着航空发动机技术和材料技术的不断成熟，发动机的总压比和燃烧室温度也在不断提高。这一方面通过降低耗油率一定程度减少了NOx的排放，但同时也提高了燃烧室温度，增加了单位耗油量的氮氧化物排放。根据ICAO公布的某型号发动机数据（图1（b）），当总压比提高15%时，耗油率降低3.5%而NOx的排放指标则增大16%。

根据NASA研究结果，通高压压气机出口压力和温度可较通用性的预测NOx的排放指标，其经验公式为：

其中：

EINOx为排放指标，每g氮氧化物/每kg燃油;

P3为压气机的出口总压[Pa];

T3为压气机的出口总压[K]。

对于民用航空，95%以上的NOx的产生集中在起飞及爬升阶段（图2）。因此，在该两阶段可引入定量的雾化水以降低氮氧化物的排放。当飞机进入巡航后，需刚好将蓄水耗尽以降低多余负载。

2  航空发动机雾化喷水技术

对于商用航空领域，发动机雾化喷水技术早在上世纪60-70年代已有应用。在波音707-120的PW JT3C-6发动机，以及后来的大型客机波音747-100/-200和747的JT9D-3AW&-7AW发动机上均使用该技术，当时主要用于在高温天气起飞时增加发动机推力。但随着大涵道比涡扇发动机技术的发展，用于增加推力的目的逐渐被放弃。针对雾化喷水技术，新的研究方向聚焦在如何降低NOx的排放。

2.1 压气机雾化喷水技术

图3（a）所示为雾化水与两个不同的注射点：低压压气机进口、高压压气机机进口以及高压压气机出口扩压器。考虑雾化水进入流道后无法迅速与空气均匀混合，因此，水滴的大小必须足够小以防止在离心力和气动力的作用下附着在流道壁面，使机匣产生不均匀的热膨胀。根据NASA的研究结果，如图3（b）所示，随着水滴直径的减小，更容易随气流到达压气机末级，当水滴直径低于25um后，其运动轨迹未再发生明显变化。

当雾化水注入压缩部件时，理论上相当于级间降温（图4），根据Joule-Brayton循环减少了压缩部件的消耗从而提高发动机的有用功。

其中：

Lc为压气机等熵压缩单位质量气体所消耗功[J];

h为各工况点单位质量气体的焓[J]。

因此，虽然在压气机中注入雾化水会降低燃烧室温度影响发动机的热效率，但同时也增加了更多有用功，所以总体上使得发动机的耗油率有所降低（图6）。

此外，根据雾化水注入压缩部件位置的不同，对上下游部件的工作稳定性也有不同程度的影响。图5（a）为低压压气机特性线，图5（b）为高压压气机特性线，A点为无雾化水时工况点，当在低压压气机进口注入时（C点）其工况点远离喘振边界，高压压气机靠近喘振边界;当在高压压气机出口扩压器（D点）注入时，低压压气机与高压压气机均靠近喘振边界，其中低压压气机的安全工作裕度显著降低;当在两个位置同时注入时（B点），与C点情况相似，但对高压压气机的安全裕度影响更为明显。

当然对安全工作裕度的影响不仅仅取决于注水位置，同时需要考虑发动机本身特性、水气混合比以及在不同环境温度下运行的情况。例如在高温天气下起飞，在低压压气机入口注水其降温作用可有效地提高发动机的相对换算转速，在换算流量变化相对较小的情况下提高安全工作裕度;相反如果在低温天下进行低压压气机入口注水，则对转速影响较小，压气机做功能力较低的情况下增大介质的流量也有可能导致安全工作裕度的减小。

因此压气机雾化喷水会带来安全工作裕度降低的问题，同时应考虑在低温天气下低压部件雾化水的结冰问题。根据NASA试验数据（图6），在同样的注水量下，选择低压部件进口比高压部件在燃油消耗率、NOx以及涡轮进口温度的降低程度上有一定的优势。

压气机雾化喷水系统在机体上布局：在机翼前部设置两个水箱，每个水箱配置高压水泵及放空阀，如图7所示。以波音747-200为例，在雾化水/气质量比为0.022前提下，单个水箱设计可容纳568升的水，可保证在爬升至海拔约1000米高空时降低50%NOx的用水需求，其中约30%水量消耗在起飞阶段，70%水量消耗在爬升阶段。

2.2 燃烧室注入

另一种常见的技术是将水雾化后直接注入在发动机燃烧室并达到特定的油水混合比，如图8所示。在预旋喷嘴的作用下，水雾与燃油能够更充分、均匀地掺混，与压气机注水相比，能够规避受水滴运动轨迹影响的机匣受热不均匀以及涡轮进口总温不均匀等问题。

由于雾化水是注入燃烧室，直接降低了火焰温度，因此从降低NOx的角度其对用水量的需求较低。与压气机注水相比，同样在爬升至1000米高空时为降低50%的NOx排放，所需水/燃油比为0.5，仅一个511升的水箱即可满足需求，水箱可配置在机身底部（图9（a））。

但燃烧室注水缺点是不具备压级间冷却效果，无法提高压气机部件的性能，单纯的降低涡轮进口溫度，导致发动机的热效率降低（图9（b））。若要保证相同的涡轮输出功，则需要消耗更多的燃油。

3  雾化喷水技术的对比

根据波音和NASA早期对航空发动机雾化喷水技术的研究成果，压气机部件注水和燃烧室部件注水存在以下相同之处：

①都可以通过降低燃烧室的温度来降低NOx排放;

②在气体中增加液态水滴增大了发动机工作介质的物理流量，从而提高了发动机的推力;

③在保持同样的推力水平下，因物理流量的增加可降低发动机转速从而降低噪声;

④可降低涡轮进口温度，有利于高温部件的寿命延长和维修成本的降低。

但对于上述部分参数以及发动机关键性能指标，如耗油率和安全工作裕度，不同的雾化注水技术产生的影响程度并不相同，甚至截然相反的情况。例如（图10）在降低相同NOx排放量的前提下（45%～50%），低压压气机处可降低3.5%的耗油率，而燃烧室处反而增加2.5%的耗油率。对于涡轮进口温度，前者可降低约560℃而后者仅有90℃，该现象的主要原因为在同样减排量下压气机部件的注水水量大于燃烧室，同时可以起到级间冷却的作用，降低燃油消耗，从而对涡轮进口温度的影响更为显著。

此外，仍需要考虑不同注水位置对发动机稳定工作的影响。以NASA对PW4062发动机的研究结果为例，当在燃烧室注水时（图11（a）），过高的水/燃油质量比会影响火焰的稳定性并同时增加CO污染气体的生成。确定最优比例为1：1，可降低80%的NOx排放，低压压气机的安全工作裕度降低0.3%，高压压气机降低1.7%;当在低压压气机进口注水时，水/气比为0.017时可达到同量级的减排效果，但低压压气机的安全工作裕度降低量高达6%，高压压气机降低为2%，与前者差异不大。由此可见，燃烧室注水从发动机工作稳定性的角度来看，更具有优势。

4  结论

航空发动机雾化喷水减排技术具有相当的复杂性，主要研究方向为压气机注水技术和燃烧室注水技术。两者在降低NOx排量、提高发动机推力、降低涡轮部件进口温度等方面虽然影响程度不同但也有一定的共性。然而对发动机的燃油经济性以及工作稳定性上存在较大的差异性。两种技术均有利弊，本文通过归纳分析前期的研究结果和存在的问题，为后续的研究方向提供思路。

研究结果表明，在同等水平的NOx减排量下，在压气机部件进口注水会产生级间冷却作用，从而提高发动机的有用功降低耗油率。虽然高低压部件注水均会降低发动机的安全工作裕度，但低压压气机注水对耗油率以及涡轮进口温度的影响较高压压气机而言有略有优势，同时也要考虑在低温环境下，低压进口雾化水结冰问题。除了影响安全工作裕度外，压气机注水技术的难点还包括水滴雾化程度的控制，以防止在机匣上形成积水导致受热不均匀，从而对叶尖间隙产生影响。

相較而言，燃烧室注水技术从安全性上更有优势，对压气机的工作线影响较小，并且能够通过预旋喷嘴将雾化水与燃油进行很好的混合，提高涡轮进口温度的均匀性。由于水雾直接喷射在燃烧室内，在降低NOx方面更高效，所需的蓄水量也远低于压气机，对于机身结构和空间设计要求较低。但由于不充分燃烧并且在喷水时无压气机级间冷却的作用，这种技术的会造成耗油率的增加，对涡轮进口降温的效果所有降低。此外，要根据不同发动机设计特点，需要研究最佳水/燃油混合比以防止对火焰的稳定性造成影响以及在不充分燃烧情况下产生其它污染气体的控制。

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