TAPS燃燒室燃油噴嘴設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

李杰

(西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，西安710021)

1 引言

創(chuàng)新性清潔燃燒的TAPS（Twin Annular Premixing Swirler-雙環(huán)腔預(yù)混渦流器）燃燒室由美國GE公司研發(fā)，在CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)上得到驗(yàn)證后，成功地應(yīng)用到新一代商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)GEnx上。TAPS燃燒室使GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)具有在未來若干年內(nèi)仍然滿足NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的潛力，并且使飛機(jī)的運(yùn)營成本明顯降低。TAPS燃燒室代表了現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程技術(shù)進(jìn)展的成就，其燃油噴嘴的研發(fā)和設(shè)計(jì)理念十分值得借鑒。

2 GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)TAPS燃燒室簡介

TAPS燃燒室如圖1所示，是從單環(huán)燃燒室和雙環(huán)腔燃燒室發(fā)展而來。其在保持雙環(huán)腔燃燒室分區(qū)燃燒這一優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，引入了創(chuàng)新的預(yù)混概念，從總體結(jié)構(gòu)上來說仍屬于貧油燃燒室。

富油頭部單環(huán)腔燃燒室、貧油頭部雙環(huán)腔燃燒室和TAPS燃燒室，分別在CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了污染物排放的對比試驗(yàn)。結(jié)果顯示，采用TAPS燃燒室時(shí)，NOx的排放要比富油頭部單環(huán)腔燃燒室和貧油頭部雙環(huán)腔燃燒室的分別低46%和22%，UHC和CO的排放與富油頭部單環(huán)腔燃燒室的大體相當(dāng)，低于貧油頭部雙環(huán)腔燃燒室的。

為使燃燒室溫度分布因子達(dá)到最優(yōu)，GE公司精心設(shè)計(jì)了整流罩和相關(guān)的火焰管；為了大幅度降低NOx的排放量，在燃油噴嘴設(shè)計(jì)中采用微觀分層技術(shù)；為了保證燃燒室各區(qū)之間燃燒的平穩(wěn)過渡，優(yōu)化了燃油噴射。

3 燃油噴嘴原理

TAPS燃燒室燃油噴嘴的預(yù)旋技術(shù)于1980年發(fā)明，并獲得了美國專利。為了使空氣和燃油在燃燒室燃燒前做好預(yù)先混合，GE公司設(shè)計(jì)研發(fā)了多種預(yù)旋燃油噴嘴。應(yīng)用于GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的TAPS燃燒室燃油噴嘴與獲得專利的TAPS燃燒室燃油噴嘴的設(shè)計(jì)均不相同，但其基本原理是一致的，TAPS燃燒室燃油噴嘴的發(fā)展經(jīng)歷了近30年，積累日益深厚，技術(shù)日臻完善。

TAPS燃燒室的低污染燃燒的核心部件是由1個(gè)中心擴(kuò)散火焰的預(yù)燃級和同心的外旋流器的預(yù)混燃燒的主級構(gòu)成。中心預(yù)燃級采用擴(kuò)散燃燒方式，有利于起動(dòng)和火焰穩(wěn)定；主燃級采用預(yù)混燃燒模式，燃油噴入主燃級旋轉(zhuǎn)空氣中，混合后進(jìn)入燃油區(qū)燃燒。TAPS燃燒室燃油噴嘴的氣流及油路如圖2所示。通過引導(dǎo)氣流經(jīng)過獨(dú)特的渦旋式噴嘴和環(huán)形嵌套式燃油噴嘴，創(chuàng)造出燃油和空氣預(yù)混的環(huán)境。

TAPS燃燒室燃油噴嘴理論上屬于氣動(dòng)霧化噴嘴。從高壓壓氣機(jī)來的高壓空氣通過與燃油噴嘴相鄰的空氣旋流器直接進(jìn)入燃燒室。這種旋流方式使油氣混合更均勻、更貧油，預(yù)混后的燃料和空氣以雙旋轉(zhuǎn)方式噴入燃燒室，產(chǎn)生貧油式燃燒火焰。燃油噴射控制的改進(jìn)還使燃燒的高溫中心區(qū)減小，所產(chǎn)生的火焰溫度更低、更均勻，減少了火焰的發(fā)散和熱流線條紋，從而使燃燒效率更高。

TAPS燃燒室的燃油噴嘴工作時(shí)，分別由主、副混合器產(chǎn)生2個(gè)同心的旋轉(zhuǎn)射流，每個(gè)混合器都可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成多旋流器布局，如副混合器可以設(shè)計(jì)成高流速離心噴嘴加同向雙旋流器組合的形式。這種混合器產(chǎn)生的油霧適合發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和小推力狀態(tài)運(yùn)行，產(chǎn)生流場可滿足點(diǎn)火、起動(dòng)、貧油火焰穩(wěn)定以及燃油效率等多方面的要求。流場油氣混合強(qiáng)度主要受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，需要進(jìn)行仔細(xì)調(diào)試，以滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)及低NOx排放的要求。

4 燃油噴嘴設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

雖然TAPS燃燒室燃油噴嘴從原理上講屬于氣動(dòng)霧化噴嘴，但與常規(guī)的氣動(dòng)霧化噴嘴相比存在明顯不同。如GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的TAPS燃燒室燃油噴嘴的空氣旋流器為3個(gè)，即：主混合器的旋流進(jìn)氣用空氣旋流器1個(gè)，副混合器的旋流進(jìn)氣用空氣旋流器2個(gè)，這是實(shí)現(xiàn)燃油噴嘴微觀分層技術(shù)的關(guān)鍵。

從設(shè)計(jì)特點(diǎn)上來看，TAPS燃燒室燃油噴嘴的預(yù)燃級燃油噴射采用了離心式或直接噴射式噴嘴，具有典型的文氏管結(jié)構(gòu)。預(yù)燃級副混合器的2個(gè)空氣旋流器的大小和旋葉數(shù)不同，且旋葉的旋角也不相同，從而使從2個(gè)旋流器出來的高壓空氣的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度，以及氣流量均不相同。當(dāng)高壓空氣經(jīng)過內(nèi)側(cè)的空氣旋流器后便與從預(yù)燃級燃油文氏管噴出的燃油進(jìn)行初步的預(yù)混和霧化，再與從外側(cè)空氣旋流器而來同向旋轉(zhuǎn)的高壓氣流進(jìn)一步預(yù)混和霧化，使燃油霧化更充分，燃油與高壓空氣的混合度更高，并帶有強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)；其進(jìn)入燃燒室燃燒可在燃燒室內(nèi)形成穩(wěn)定的預(yù)燃級燃燒回流區(qū)。因此，可以認(rèn)為GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的TAPS燃燒室燃油噴嘴的副混合器采用高流速離心噴嘴加同向雙旋流器組合的設(shè)計(jì)。

TAPS燃燒室燃油噴嘴的主燃級燃油噴射采用氣動(dòng)霧化噴射方式。通過主混合器空氣旋流器的高壓空氣氣流與主燃級燃油的射流相垂直使得主燃級燃油的霧化更充分，混合度更高；進(jìn)入燃燒室燃燒可在燃燒室內(nèi)形成穩(wěn)定的主燃級燃燒回流區(qū)。這種混合形式在現(xiàn)代商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中被廣泛采用，特別是用于具有多燃級燃燒的主燃級燃燒中，以便實(shí)現(xiàn)貧油燃燒，從而達(dá)到低污染排放的目的。

預(yù)燃級燃燒回流區(qū)和主燃級燃燒回流區(qū)可形成一定的交疊，形成預(yù)燃/主燃旋流交疊區(qū)。這樣，TAPS燃燒室就可以僅用1套噴嘴系統(tǒng)即可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下燃燒的要求。

由于引入補(bǔ)燃空氣會破壞預(yù)燃級燃燒回流區(qū)和主燃級燃燒回流區(qū)的穩(wěn)定性，因此對TAPS燃燒室而言，不論是預(yù)燃級燃燒還是主燃級燃燒，或者是混合燃燒，所需空氣都是通過頂部的混合器進(jìn)入燃燒室的。由于旋流形成的燃燒回流區(qū)使得燃燒室筒壁與中心燃燒高溫區(qū)相隔離，燃燒室筒壁在整個(gè)工作期間都保持在相對較低的溫度狀態(tài)，同時(shí)因燃油和空氣的預(yù)先混合，使得燃燒效率更高、火焰溫度更低、更均勻，因此不再需要冷卻空氣，燃燒室筒壁上也就不再需要開鑿補(bǔ)燃空氣進(jìn)氣孔和冷卻空氣進(jìn)氣孔，成為TAPS燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)。

因?yàn)椴淮嬖谟绊憸u輪效率的2級氣流，所以在相同的效率情況下，采用TAPS燃燒室可使出口溫度場更低、更均勻（如圖3、4所示）。這不但使TAPS燃燒室的污染物排放量大大降低，還可降低其加工難度，延長其耐久性和壽命。

TAPS燃燒室所產(chǎn)生的更低、更均勻的出口溫度場還可大大改善下游部件（如渦輪）的工作環(huán)境，延長其壽命，從而延長了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低了維護(hù)費(fèi)用。因此，TAPS燃燒室是目前最先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。美國GE公司今后將以TAPS燃燒室為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研發(fā)低排放型燃燒室，并將采用更先進(jìn)的燃油噴嘴以改進(jìn)燃油和空氣的預(yù)混，從而達(dá)到進(jìn)一步降低NOx排放的目的。

因主燃級燃油供油的壓力要求很低，為主燃級燃油噴射的方案設(shè)置提供了便利條件。由于采用了多級旋流方案，主燃區(qū)流場的調(diào)節(jié)和控制參數(shù)增多，更有利于燃燒調(diào)節(jié)和控制。

由于缺少確切的TAPS燃燒室燃油噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，無法得到其燃油噴嘴和空氣旋流器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)，但從加工工藝上看，燃油噴嘴和空氣旋流器是TAPS燃燒室設(shè)計(jì)和制造難度最大的關(guān)鍵部件之一。

5 啟迪與思考

目前，世界3大航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商（GE、RR和PW公司）用于大型先進(jìn)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室技術(shù)各不相同。

GE公司GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)采用TAPS燃燒室；RR公司TRENT1000發(fā)動(dòng)機(jī)采用RR貧油燃燒室（如圖5所示）；PW公司PW4000-100、PW6000和其最先進(jìn)的清潔動(dòng)力PW1000G系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用RQL（富油燃燒-快速摻混-貧油燃燒）燃燒室（如圖6所示）。

從結(jié)構(gòu)上看，TAPS燃燒室的加工難度和復(fù)雜性遠(yuǎn)不如采用浮壁式結(jié)構(gòu)的RR公司貧油燃燒室和PW公司RQL燃燒室；從燃燒區(qū)分布看，TAPS燃燒室的更合理，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況的貧油燃燒；就燃油燃燒效率而言，TAPS燃燒室的也更高。因此，TAPS燃燒室是技術(shù)更為先進(jìn)、結(jié)構(gòu)更為簡潔的燃燒室。

6 結(jié)束語

GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)TAPS燃燒室預(yù)燃級燃油噴射采用離心噴嘴或直射噴嘴，具有典型的文氏管結(jié)構(gòu)；主燃級燃油噴射屬于空氣霧化噴射，燃油預(yù)先與空氣混合后噴入燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒，燃燒區(qū)也處于貧油狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)十分值得中國航空業(yè)界相關(guān)人士借鑒。

[1] 李杰.GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)TAPS燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析及啟迪[J].航空動(dòng)力技術(shù),2008,29(2).

[2] 李杰.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室技術(shù)-雙環(huán)腔預(yù)旋燃燒室和TALON燃燒室原理及其加工工藝難度淺析[C].航空學(xué)會制造工程分會2008年發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集,2008.

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