民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室技術(shù)的研究

張?jiān)~翔

【摘 要】隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)于航空污染排放量的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，對(duì)于低排放燃燒室的研究也越來(lái)越深入。基于此，本文首先分析了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室，然后研究了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室技術(shù)，以期能夠深入使用低排放燃燒室技術(shù)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放，促進(jìn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】民用航空；發(fā)動(dòng)機(jī)；低排放燃燒室；低排放燃燒室技術(shù)

一、引言

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要是指用于商業(yè)運(yùn)營(yíng)運(yùn)輸飛機(jī)的動(dòng)力，如渦扇、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，最典型的就是干線和支線的民航所廣泛使用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的安全性、環(huán)保性等要求，特別是環(huán)保的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)污染物一方面會(huì)影響到乘客、機(jī)組人員以及周圍居民的健康，另一方面又會(huì)對(duì)全球氣候產(chǎn)生影響。因此研究民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室

（一）低排放燃燒室定義

根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展目標(biāo)和相關(guān)法規(guī)，根據(jù)氮氧化合物的減排程度，能夠?qū)⒚裼煤娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)中低排放燃燒室分成三個(gè)等級(jí)，減少30%～50%的氮氧化合物排放量為低排放；減少50%～75%的氮氧化合物排放量為超低排放；減少75%的氮氧化合物排放量為超超低排放。在國(guó)外根據(jù)氮氧化合物的排放將低排放燃燒室進(jìn)行了劃分，第一代是常規(guī)的單環(huán)腔燃燒室；第二代則是使用RQL技術(shù)的低排放燃燒室；第三代則是指使用貧油燃燒技術(shù)的一些雙環(huán)腔的燃燒室；第四代則是指比第三代降低40%氮氧化合物排放量的低排放燃燒室，例如TALON等[1]。

（二）民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物

國(guó)內(nèi)外經(jīng)常使用到的航空煤油事實(shí)上是一種具有復(fù)雜組分的碳?xì)淙剂希@種燃料燃燒過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，生成的污染物也比較復(fù)雜，容易受到物力因素和化學(xué)因素的影響，如熱解、氧化等反應(yīng)，都會(huì)影響到污染物的生成。在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒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。在燃燒室中首先產(chǎn)生的就是一氧化氮，如熱力一氧化氮、瞬發(fā)一氧化氮、燃料一氧化氮等。在貧油低溫的燃燒過(guò)程中，需要進(jìn)行控制的就是一氧化二氮的轉(zhuǎn)變。其他的污染物還有一氧化碳，一氧化碳的生成是由于碳?xì)淙剂系娜紵紵^(guò)程中，主要消耗反應(yīng)就是一氧化碳和氫氧基，燃料裂解速率不會(huì)影響到燃燒速率，而活性基團(tuán)才會(huì)影響到燃燒速率和污染物的排放。污染物中還包括未燃盡的碳?xì)浠衔?，包含大分子燃料裂解而形成的小分子碳?xì)浜推渌鶊F(tuán)，也包含沒(méi)有參加燃燒的燃油蒸汽等。

三、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室技術(shù)

（一）低排放燃燒室技術(shù)

早在上個(gè)世紀(jì)七十年代，低排放燃燒室技術(shù)開(kāi)始被使用，使用這項(xiàng)技術(shù)的最主要目的是控制可見(jiàn)冒煙情況，控制一氧化碳和未燃盡的碳?xì)浠衔铩Ｆ渲凶畹湫偷氖峭ㄟ^(guò)改變?nèi)紵抑械目諝饬髁糠峙湟约皣娮欤瑢?shí)現(xiàn)控制可見(jiàn)煙的目的。到了上個(gè)世紀(jì)八十年代，低排放燃燒技術(shù)將重點(diǎn)放在了降低氮氧化合物的含量，首先經(jīng)過(guò)對(duì)氮氧化合物生成機(jī)理的研究，從而提出了兩種發(fā)展策略，一種是富油燃燒，另一種是貧油燃燒，在當(dāng)時(shí)研發(fā)出了氣動(dòng)霧化的噴嘴技術(shù)，讓燃油霧化的質(zhì)量被大幅度提高，燃料能夠和空氣更加充分，能夠得到充分燃燒。在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中被廣泛使用的就是氣動(dòng)霧化噴嘴技術(shù)，其中最典型的就是CFM56的單環(huán)腔燃燒室。

在富油主燃區(qū)應(yīng)用基礎(chǔ)上，為了能夠進(jìn)一步減少氮氧化合物的含量，又提出了分級(jí)燃燒的方法，也就是在燃燒室中設(shè)計(jì)兩個(gè)燃燒區(qū)域，一個(gè)燃燒區(qū)域是進(jìn)行低工況和起動(dòng)點(diǎn)火，另一個(gè)燃燒區(qū)域是進(jìn)行高工況的燃燒。無(wú)論是高工況，還是低工況，燃燒室都能保持油氣比在合理范圍之內(nèi)，能夠保障燃燒室能夠穩(wěn)定啟動(dòng)，其中的染料能夠進(jìn)行完全燃燒，例如在GE90發(fā)電機(jī)中，雙環(huán)腔燃燒室的應(yīng)用，兩個(gè)燃燒區(qū)域都能進(jìn)行高效的燃燒，氮氧化合物產(chǎn)生量都能有所降低。

（二）貧油燃燒技術(shù)

貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒方式有很大潛力降低發(fā)電機(jī)污染排放，能夠?qū)崿F(xiàn)性能與排放的平衡，使用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)是將大部分空氣通進(jìn)燃燒室頭部，燃油能夠預(yù)先蒸發(fā)和空氣混合，從而能夠在燃燒區(qū)形成混合均勻的貧油混氣，能夠?qū)崿F(xiàn)燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間的控制，讓污染物維持在低生成量。

1.TAPS燃燒室

TAPS燃燒室應(yīng)用的就是貧油燃燒技術(shù)，是聯(lián)合使用了分級(jí)分區(qū)和貧油預(yù)混的燃燒思想。在TAPS燃燒室中含有雙級(jí)旋流器和離心噴嘴構(gòu)成，主燃級(jí)包含直射式噴嘴、徑向旋流器，這樣就能形成兩個(gè)燃燒區(qū)。值班級(jí)燃燒區(qū)是使用擴(kuò)散模式，能夠保障發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)安全，提供給貧油熄火廣闊的邊界。主燃級(jí)燃燒區(qū)是使用貧油預(yù)混燃燒，在大工況中控制氮氧化合物的生成。主燃級(jí)使用橫向的射流霧化，形成能夠和空氣預(yù)混的油霧，隨后實(shí)施貧油燃燒。

2.Lean-Burn燃燒室

Lean-Burn燃燒室是一種采用中心分級(jí)的燃燒技術(shù)，通過(guò)噴嘴將富油路和主油路的火焰分級(jí)，和TAPS燃燒室存在一定的相似性，使用比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，來(lái)減少冷卻氣量，起到增加空氣量便于燃燒，來(lái)降低氮氧化合物的排放。

（三）富油燃燒技術(shù)

最根本的特征就是其主燃區(qū)的空氣量遠(yuǎn)少于染料完全燃燒的空氣需求量，燃燒區(qū)處于富油燃燒時(shí)，燃燒不完全，燃?xì)獾臏囟缺容^低，氮氧化合物生成量也比較低。如果經(jīng)過(guò)富油燃燒，很大一部分燃油不能得到完全燃燒，跟隨燃?xì)饬鲃?dòng)而向下流動(dòng)，燃?xì)鉁囟雀叩那闆r下，氮氧化合物大量產(chǎn)生在區(qū)域內(nèi)，要想跳過(guò)這個(gè)區(qū)域，需要在富油燃燒區(qū)的末端加入大量空氣降低燃?xì)獾臏囟龋扇汲煞帜軌蛟谪氂蛥^(qū)域中繼續(xù)燃燒，讓燃燒溫度一再降低[2]。

例如常見(jiàn)的富油燃燒技術(shù)中，惠普公司研發(fā)的RQL技術(shù)，使用RQL技術(shù)是在燃燒室頭部實(shí)施富油燃燒，溫度比較低，能夠產(chǎn)生少量的氮氧化合物，但是熱力氮氧化合物含量降低。燃?xì)庠诟蝗级螞](méi)有完全燃燒，還需要通入空氣，在比例達(dá)到恰當(dāng)比例時(shí)，燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間加以控制，能夠抑制氮氧化合物的形成。如果在富燃區(qū)間，燃?xì)夂涂諝饣旌系乃俣忍欤瑹o(wú)法實(shí)現(xiàn)充分混合，未燃盡的碳?xì)浠衔镅趸怀浞?，一氧化碳的氧化也不充分。相反的，如果混合太慢，以恰?dāng)比例的混氣進(jìn)行燃燒，就會(huì)增加氮氧化合物的生成，這也是RQL技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

如果將RQL燃燒技術(shù)應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)，能夠發(fā)現(xiàn)氮氧化合物的排放量能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的50%?；萜展靖鶕?jù)這樣的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行燃燒室研發(fā)，其中TALON燃燒室中主要是通過(guò)優(yōu)化油氣的混合，來(lái)降低氮氧化合物的情況，降低冒煙的情況，有效的改善了未燃盡的碳?xì)浠衔锏呐欧帕浚褂镁邆湫±鋮s空氣量的多段浮動(dòng)壁筒結(jié)構(gòu)，被應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)中，并取得了良好的效果。目前低排放燃燒室技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)起到了良好的效果，但是仍然需要進(jìn)一步研究和創(chuàng)新，結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)研究，才能有力推動(dòng)低排放燃燒室技術(shù)發(fā)展。

四、結(jié)論

綜上所述，本文首先分析了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室，分析了低排放燃燒室的定義以及民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物，然后研究了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室技術(shù)，重點(diǎn)分析了低排放燃燒室技術(shù)中貧油燃燒技術(shù)，分析了TAPS燃燒室和Lean-Burn燃燒室工作原理，最后重點(diǎn)研究了富油燃燒技術(shù)，通過(guò)調(diào)整混氣比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的控制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳苗苗，袁汀，蔣榮偉，張險(xiǎn).火焰圖像技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)/熄火試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2018（01）：35-37+49.

[2]彭達(dá)（Kring Kristall）. 馬達(dá)西奇飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)廠在加力燃燒室中增設(shè)核聚變第四區(qū)工程技術(shù)示范方案書[D].清華大學(xué)，2017.