國外民用航空發(fā)動機低污染燃燒室的發(fā)展

劉 靜，肇俊武

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

飛機燃氣渦輪發(fā)動機帶來的燃燒污染排放日益嚴重。雖然從燃燒污染排放的總量來看，航空發(fā)動機的排放所占比例很小，但由于其局部特征，在機場附近和繁忙的空中走廊，會有大量的污染排放物聚集，而且各類飛機產(chǎn)生的污染排放物，是高空大氣污染物的惟一來源。因此，航空發(fā)動機的污染排放水平，受到了越來越嚴格的限制。

本文主要介紹在此背景下國外民用航空發(fā)動機低污染燃燒室的研制和發(fā)展情況。

1 污染排放標準

國際民航組織（ICAO，International Civil Aviation Organization）頒布的民用航空燃氣輪機污染排放標準，規(guī)定了亞聲速和超聲速渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機燃燒污染排放水平。ICAO于1983年成立了負責組織環(huán)境保護活動的航空環(huán)境保護委員會（CAEP），取代了原來的航空噪聲委員會（CAN，Committee on Aircraft Noise）和飛機發(fā)動機排放委員會（CAEE，Committee on Aircraft Ingine Emissions）。ICAO CAEP于1986年召開了第1次正式會議，通過了ICAO的第1個污染排放標準CAEP1；1991年召開了第2次正式會議，并通過了CAEP2標準。此后，每隔3年召開1次正式會議，制定了多個CAEP污染標準。這些標準頒布、修訂和生效的日期見表1。

ICAO CAEP標準規(guī)定的污染物共有4種，分別是氣態(tài)的一氧化碳（CO）、未燃碳氫（UHC）、氮氧化物(NOx，包括NO和NO2)和顆粒狀的煙。從上述已頒布的幾個CAEP標準來看，值得注意的有2點：一是這些標準針對的是推力為27.6 kN以上的發(fā)動機；二是對CO、UHC和顆粒狀煙的要求基本沒有變化，只是對NOx排放的要求越來越嚴格，因為NOx危害最大也最難控制。

表1 ICAO CAEP標準頒布、修訂和生效日期

CAEP2標準于1993年修訂，1996年生效，也被稱作ICAO’96標準。該標準要求的NOx排放水平是較低的，對于總壓比為30～40、推力大于89 kN的干線飛機發(fā)動機來說，CAEP2要求的NOx排放水平比CAEP1的降低了20%；目前，在研究發(fā)動機污染排放時，均以CAEP2標準為基準。

目前執(zhí)行的標準是CAEP2，但新研發(fā)發(fā)動機執(zhí)行的標準是CAEP4，2008年以后生效的標準是CAEP6。從對NOx排放水平的限制來看，CAEP標準日趨嚴格，CAEP4標準規(guī)定的NOx排放水平比CAEP2標準規(guī)定值降低了16%，而CAEP6標準規(guī)定的NOx排放水平比CAEP4標準規(guī)定值又降低了12%。

2 污染物生成機理和排放控制

2.1 污染物生成機理

在航空發(fā)動機燃燒室產(chǎn)生的4種污染物中，顆粒狀煙的生成主要與燃燒室壓力有關(guān)，在大工況下，顆粒狀煙大量生成；在小工況下，燃燒室進口空氣壓力、溫度降低，總當量比減小，因此，主燃區(qū)燃燒強度減小，CO和UHC的反應(yīng)速率減小，導(dǎo)致CO和UHC大量生成。NO主要在大工況下火焰和火焰后區(qū)域內(nèi)氮與氧發(fā)生反應(yīng)形成；而在小工況下，NO主要有瞬發(fā)NO、燃料NO和氧化型NO等。NO2的排放水平與NO的排放水平密切相關(guān)，其主要生成機理是NO在高溫環(huán)境下與火焰剛出現(xiàn)時的過氧化氫根反應(yīng)。從燃氣輪機燃燒室出口NOx采樣來看，NO2的質(zhì)量分數(shù)量15%～50%。

由美國NASA格林研究中心在亞聲速燃燒試驗設(shè)備上得到的高溫高壓試驗數(shù)據(jù)可知，NOx排放指數(shù)和燃燒室進口溫度、進口壓力、壓降和油氣比之間存在如下關(guān)系

從式（1）可知，NOx排放指數(shù)（ENOx）與進口溫度（T）呈指數(shù)關(guān)系變化，與油氣比、進口壓力和壓降呈冪函數(shù)的關(guān)系變化如圖1所示。從圖中可見當量比和停留時間的影響：在當量比接近1時，停留時間越長，NOx生成量越大，而在當量比小于0.5的貧油區(qū)和大于1.3的富油區(qū)，當量比對NOx生成的影響不大[3]。

NOx、CO、UHC和顆粒狀煙4種污染物在不同條件下的生成量如圖2所示。

從圖2（a）中可見，在大工況下，由于進口溫度升高和總油氣比增大，燃燒區(qū)的溫度和壓力都很高，此時 NOx大量生成。從圖 2（b）、（c）中可見，NOx和 CO排放值都低的主燃區(qū)溫度范圍和當量比范圍都非常狹窄，燃燒區(qū)溫度的低排放區(qū)約為1670～1900 K，當量比的低排放區(qū)約為0.5～0.8。這就意味著要同時降低所有污染物的排放，就需要把燃燒區(qū)溫度和當量比控制在各種排放物排放水平都較低的低排放區(qū)內(nèi)。

在控制燃燒區(qū)當量比時，還要特別注意控制局部當量比，即控制當量比均勻性，這就需要加強燃料與空氣的混合，減小液體燃料霧化顆粒度，加強蒸發(fā)，乃至采用預(yù)蒸發(fā)。

2.2 污染排放控制

減少航空發(fā)動機包括CO2在內(nèi)的污染物排放，首先要減少燃料用量，并使用更清潔燃料。減少燃料用量，就需要提高燃氣輪機總的熱效率和推進效率。航空發(fā)動機從渦噴、小涵道比、大涵道比發(fā)動機發(fā)展到超大涵道比以及槳扇發(fā)動機，其熱效率得到了大幅度提高，污染排放水平也隨之明顯下降（如圖3所示）。在使用更清潔燃料方面，荷蘭航空公司自2011年6月起，嘗試采用由廚房廢棄的植物性油脂“地溝油”加工的航空燃油作為民航客機燃料，據(jù)稱可使客機的碳排放量降低50%。

圖3 各種類型發(fā)動機總效率比較

為了使4種污染排放物同時處于較低的水平，在采取減排措施時，應(yīng)綜合考慮燃燒室工況、燃燒區(qū)當量比、燃燒溫度、燃油霧化顆粒度和燃料在高溫區(qū)停留時間等影響因素，這是污染排放控制技術(shù)研究和發(fā)展所依據(jù)的原則。必須同時兼顧的另1個重要原則是保證燃燒室在不同工況下的燃燒性能可滿足發(fā)動機要求。

在低污染燃燒室設(shè)計中，污染排放控制與滿足性能要求有時相互矛盾。如在高工況下，為了降低NOx和顆粒狀煙的排放量，同時確保燃燒室出口溫度場均勻和壁溫較低，要求減小燃燒室容積、縮短燃氣在燃燒區(qū)的停留時間、增加主燃區(qū)空氣流量等；而在低工況下，為了減少CO和UHC生成量，同時確保燃燒效率、燃燒穩(wěn)定性和點火/再點火能力，則要求增大燃燒室容積、延長燃氣在燃燒區(qū)的停留時間、減少主燃區(qū)空氣流量等，因此，低污染燃燒室設(shè)計的1個重要任務(wù)，就是在這些污染排放影響因素之間進行折衷。

目前，國外研究的先進低污染燃燒技術(shù)主要采用分級燃燒的概念，即把燃燒室分成幾個燃燒區(qū)，通過控制各區(qū)的燃油和空氣供給來控制各區(qū)油氣比，以使燃燒室在所有工況下都保持低的污染排放水平。分級燃燒技術(shù)一般可分為徑向、軸向和徑/軸向分級3種，其中，徑向分級燃燒室主要有雙環(huán)腔燃燒室（DAC）、雙環(huán)預(yù)混旋流（TAPS）燃燒室、駐渦燃燒室（TVC）、雙頭部燃燒室等；軸向分級燃燒室主要有富油燃燒-淬熄-貧油燃燒（RQL）燃燒室、貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室（LPP）等。另外，還有噴嘴內(nèi)部中心分級的貧油直接噴射燃燒室（LDI）和變幾何燃燒室等。

3 先進低污染燃燒室

為了滿足越來越嚴格的ICAO CAEP標準要求，美歐多家世界一流航空發(fā)動機公司研制了多種類型的低污染燃燒室。這些燃燒室多數(shù)已在民用飛機發(fā)動機上得到了應(yīng)用，其NOx排放均已達到了比CAEP2標準標準值低50%以上的水平。

3.1 美國先進低污染燃燒室

3.1.1 TAPS燃燒室

TAPS燃燒室是美國GE公司于20世紀90年代開始研制的，實際上是70～90年代研制的單環(huán)腔燃燒室（SAC）和雙環(huán)腔燃燒室（DAC）的后續(xù)發(fā)展型，如圖 4所示。SAC、DAC和 TAPS得到了 TECH56、GE90發(fā)動機發(fā)展和NASA的先進亞聲速運輸機（AST）等計劃的支持，在CFM56-5B、CFM56-7B和GE90等發(fā)動機上得到了應(yīng)用。目前，TAPS已應(yīng)用于波音787的GEnx發(fā)動機上。

TAPS燃燒室綜合了2項已成熟的技術(shù)，即1980年首次研發(fā)并獲得專利的預(yù)混旋流技術(shù)和早在1970年就開始在GE發(fā)動機上得到應(yīng)用的常規(guī)值班級燃燒技術(shù)。TAPS燃燒室的核心如圖5所示，由1個中心擴散火焰穩(wěn)焰的預(yù)燃級和同心外旋流器預(yù)混燃燒的主燃級構(gòu)成。中心預(yù)燃級采用擴散燃燒方式，有利于起動和火焰穩(wěn)定；預(yù)燃級與主燃級流場的混合情況，將影響到NOx降低的程度；主燃級是1個預(yù)混燃燒模式，燃油噴入主燃級旋轉(zhuǎn)空氣中，混合后再進入燃燒區(qū)燃燒，以降低NOx排放。

圖5 TAPS結(jié)構(gòu)和外形

GE公司正在與NASA合作，以TAPS燃燒室為基礎(chǔ)，期望在2025年將NOx排放降低至比CAEP2標準的低80%的水平。

3.1.2 TALON燃燒室

TALON燃燒室是美國PW公司在20世紀90年代采用RQL燃燒技術(shù)研發(fā)的低污染燃燒室，目前已發(fā)展了 TALON1、TALON2、TALON3和 TALONx 等4代，已在 PW4098、PW4158、PW4168和 PW6000等發(fā)動機上應(yīng)用，如圖6所示。

RQL燃燒技術(shù)是美國NASA于20世紀70年代中期在試驗清潔燃燒室研究計劃（ECCP）中開發(fā)的低排放燃燒技術(shù)。RQL低污染燃燒實際上是1個軸向分級燃燒的方案，分為富油（初始）燃燒區(qū)、淬熄摻混區(qū)和貧油燃燒區(qū)3部分（如圖7所示），其降低NOx排放的原理是在NOx生成量低的富油區(qū)和貧油區(qū)進行燃燒，對于接近化學(xué)恰當比的NOx大量生成的區(qū)域，利用空氣大量摻混使其淬熄，從而達到降低NOx排放的目的。

TALON燃燒室為單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，其頭部采用PW公司研制的空氣霧化噴嘴，火焰筒壁面冷卻方式為沖擊發(fā)散浮動壁冷卻，燃燒室分為富油燃燒區(qū)、淬熄摻混區(qū)和貧油燃燒區(qū)3部分；摻混區(qū)氣流流速加快，通過迅速冷卻熱的燃氣來減少NOx的排放。TALON燃燒室的結(jié)構(gòu)和原理如圖8所示。

TALON2燃燒室的NOx排放水平比CAEP2標準的低50%以上，而TALON3燃燒室的NOx排放水平比TALON2標準的又降低了15%。TALON燃燒室與常規(guī)燃燒室污染排放水平比較如圖9所示。

3.1.3 TVC燃燒室[4]

TVC燃燒室如圖10所示，是由美國空軍懷特實驗室于20世紀90年代初提出、由GEAE公司和空軍科學(xué)研究實驗室（AFRL）聯(lián)合開發(fā)的1種新型燃燒室，目前已經(jīng)由單外腔軸對稱結(jié)構(gòu)、單管軸對稱結(jié)構(gòu)，發(fā)展到第3代單腔或雙腔環(huán)形結(jié)構(gòu)。

駐渦燃燒室是1種徑向分級燃燒室，包括2個由插入燃燒室火焰筒內(nèi)的駐渦腔組成的值班級和1個主燃級。在包括地面和高空點火在內(nèi)的所有較低功率的狀態(tài)下，該燃燒室只有值班級（駐渦腔）富油工作，以降低CO和CH的排放量，同時擴大點火和貧油熄火裕度；在較高功率（30%功率以上）狀態(tài)下，值班級和主燃級同時工作，值班級在低于化學(xué)恰當比的條件下工作，而主燃級在比化學(xué)恰當比低得更多的條件下工作，以降低NOx的排放量。

圖9 TALON燃燒室與常規(guī)燃燒室污染排放水平比較

圖10 駐渦燃燒室

第3代駐渦燃燒室的扇形段試驗表明，與常規(guī)渦流穩(wěn)定燃燒室相比，TVC的起動點火、貧油熄火和高空重新點火性能均提高了50%，工作范圍拓寬了40%，燃燒效率保持在99%以上，NOx排放量為CAEP2標準要求的40%～60%。目前，GEAE公司正在進行進一步的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用研究。

3.2 歐洲先進低排放燃燒室

3.2.1 ANTLE （Affordable Near-Term Low Emissions）低污染燃燒室

20世紀90年代末，歐盟發(fā)起了高效環(huán)保航空發(fā)動機研究計劃（EEFAE）。該計劃為期4 a，總投資達1億英鎊，是1項有史以來最大規(guī)模的推進技術(shù)研究計劃,包括ANTLE和CLEAN 2個子計劃。英國RR公司在ANTLE子計劃支持下，發(fā)展了ANTLE低污染燃燒室技術(shù)；德國MTU公司和法國SNECMA公司在CLEAN子計劃下，研究了間冷回熱循環(huán)航空發(fā)動機。

ANTLE低污染燃燒室是1種單環(huán)腔貧油分級燃燒室,如圖11所示。其簡單的瓦塊式火焰筒長度短，燃油噴嘴為同心分級結(jié)構(gòu)，其NOx排放水平比CAEP2標準的低50%以上。

3.2.2 NEWAC研究計劃下的低污染燃燒室

繼EEFAE計劃之后，為了滿足歐洲航空研究咨詢委員會（ACARE）提出的在2020年使航空發(fā)動機CO2和NOx排放分別比CAEP2標準的低20%和80%的目標，歐盟又制定了1項新的聯(lián)合發(fā)展計劃，即新型航空發(fā)動機核心機概念（NEWAC，New Aero engine Core concepts）研究計劃[5]。該計劃以德國MTU公司為牽頭單位，總投資為7100萬歐元，目標是通過采用新技術(shù)，使發(fā)動機的CO2排放再降低6%，NOx排放再降低16%，如圖12所示。

圖11 ANTLE低污染燃燒室

圖12 NEWAC的CO2和NOx減排目標

由于貧油燃燒單環(huán)腔燃燒室（SAC）具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、容易冷卻等特點，而貧油燃燒由于燃燒溫度低，溫度分布均勻，可使NOx排放明顯降低。因此，在NEWAC計劃中，將超低NOx污染（ULN,Ultra Low NOx）燃燒室的研究重點放在了帶有貧油分級燃油噴嘴的SAC上（如圖13所示）。

ULN燃燒室的核心技術(shù)高度依賴于貧油燃燒噴射系統(tǒng)的性能，因此，NEWAC對之前在歐盟以及國家支持下研發(fā)的3種不同貧油噴射技術(shù)進行了研究，即 LPP、局部蒸發(fā) -快速混合（PERM，Partial Evaporation&Papid Mixing）和LDI技術(shù)。研究表明，這3種燃油噴射技術(shù)適用于不同增壓比范圍的發(fā)動機（如圖14所示）。

圖13 貧油燃燒單環(huán)腔燃燒室（SAC）發(fā)展方向

圖14 針對不同增壓比范圍的各種燃油噴射技術(shù)應(yīng)用

LPP噴射方法（如圖15所示）更適合于低增壓比發(fā)動機循環(huán)，因為在這個范圍內(nèi)，自燃和回火的限制較低。LPP噴射方法基于幾股氣流的相互作用，第1股氣流用于燃油霧化，第2股氣流用于油氣混合和燃油蒸發(fā)；這2股氣流共同作用，促進火焰筒內(nèi)火焰的穩(wěn)定。

PERM噴射方法 (如圖16所示)基于旋流技術(shù)的發(fā)展，其目的是使燃油在內(nèi)部管道內(nèi)部分蒸發(fā)，在燃燒室內(nèi)與空氣進行快速混合，以實現(xiàn)對火焰所處位置以及貧油燃燒穩(wěn)定性的優(yōu)化。

LDI噴射方法（如圖17所示）基于1個可控制的預(yù)混合概念，采用同軸內(nèi)部分級燃油噴嘴和優(yōu)化的值班級與主燃級火焰結(jié)構(gòu)，通過控制其相互作用，達到降低NOx排放和穩(wěn)定火焰的目的。

圖15 LPP噴射方法

圖16 PERM噴射方法

圖17 LDI噴射方法

4 結(jié)束語

隨著全球氣候變暖等環(huán)境問題的日益加劇，降低航空發(fā)動機污染排放的需求變得越來越迫切。美國和英國等歐洲航空技術(shù)先進國家研制的低污染燃燒室，已在多型號發(fā)動機上得到應(yīng)用，其NOx排放水平均已達到比CAEP2標準規(guī)定值低50%的水平。

目前，歐美的新一輪減排大戰(zhàn)已開始。歐洲ACARE制定的2020年減排目標，將使航空發(fā)動機的CO2和NOx排放水平分別比CAEP2標準標準值降低20%和80%，歐盟為此制定的1項新的階段性聯(lián)合發(fā)展計劃NEWAC將使CO2和NOx排放水平在原有基礎(chǔ)上再分別降低6%和16%；而美國GE公司與NASA已在TAPS燃燒室基礎(chǔ)上展開合作，期望于2025年將NOx排放降低至比CAEP2標準標準值低80%的水平。

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