GE公司低排放燃燒室發(fā)展概述

GE公司作為商用大涵道比渦扇發(fā)動機的主要研發(fā)廠商，在低排放燃燒室技術(shù)研究和產(chǎn)品研制中取得了巨大的進展，尤其是雙環(huán)腔燃燒室和雙環(huán)預混旋流燃燒室在工程上的成功應(yīng)用,為多個商用發(fā)動機的研制提供了重要的技術(shù)支撐，其技術(shù)研發(fā)思路和工程研制途徑可為我國低排放燃燒室的研發(fā)提供參考。

民用大涵道比渦扇發(fā)動機作為干線和支線民用飛機廣泛使用的動力裝置，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在其綜合性能、可靠性、耐久性、經(jīng)濟性和環(huán)保水平等方面都有很大進步[1，2]。而隨著近年來對民用航空發(fā)動機使用環(huán)保性的強制規(guī)定，各大航空發(fā)動機公司對污染物排放控制的相關(guān)技術(shù)，尤其是對燃燒室工作壓力和溫度提高帶來的NOx排放[3]的控制方法研究則更加關(guān)注。為了降低民用航空的污染排放，美國從20 世紀70 年代開始執(zhí)行了一系列國家計劃支持民機低排放燃燒室的基礎(chǔ)研究和技術(shù)驗證，并以每15年NOx排放降低50%的速度發(fā)展[4]，多個低排放燃燒室完成工程研制，發(fā)動機通過適航審定實現(xiàn)商業(yè)運營，在全球范圍內(nèi)美國的民用航空低排放燃燒室技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平。

GE公司作為美國民用大涵道比渦扇發(fā)動機的主要生產(chǎn)商，通過實驗清潔燃燒室（ECCP）、E3、TECH56等研究計劃[5]，開展了低排放燃燒組織技術(shù)的研究，探索并形成了基于分級分區(qū)燃燒的低排放燃燒室研發(fā)的技術(shù)路線，成功地將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于商用渦扇發(fā)動機的研制中，成為民用渦扇發(fā)動機低排放燃燒室研發(fā)的成功典范。

GE公司低排放燃燒室發(fā)展歷程

如圖1所示，GE公司的低排放燃燒室技術(shù)主要經(jīng)過了三個階段的發(fā)展：第一階段是基于CFM56單環(huán)腔（SAC）低排放富油燃燒室（Lower Emissions Rich Burn Combustor，LEC）； 第 二階段是基于徑向燃油分級分區(qū)燃燒的雙環(huán)腔燃燒室（DAC）；第三階段是采用同心分級的雙環(huán)預混旋流燃燒（Twin Annular Premixing Swirler，TAPS）燃燒室。同時針對不同的裝機對象和更低的污染排放要求，GE公司通過修改燃燒室的部分氣動設(shè)計、調(diào)整燃油控制方案、采用先進燃燒室材料和制造工藝，優(yōu)化燃燒室的綜合性能和制造工藝性，進一步降低了發(fā)動機的污染排放，提升了燃燒室的使用性能和維修性，從而滿足不同商用發(fā)動機的研制需求。

圖1 GE公司低排放燃燒室技術(shù)發(fā)展路線和技術(shù)特征

單環(huán)腔低排放燃燒室

如圖1（a）所示，單環(huán)腔低排放燃燒室仍是GE公司廣泛使用的低排放燃燒室，采用富油燃燒低排放方案[6，7]。從燃燒組織模式來看，該燃燒室屬于富油-淬熄-貧油（Rich Quench Lean，RQL）燃燒模式。燃燒室的主燃區(qū)為富油燃燒，從而確保燃燒室獲得較低的CO和HC排放，及良好的點火性能；同時，在富油燃燒狀態(tài)下，主燃區(qū)的燃燒溫度相對較低，燃燒區(qū)內(nèi)幾乎沒有用于生成NOx的自由氧，NOx的生成量也相對較少。當燃氣流出主燃區(qū)后，迅速被摻混空氣稀釋（淬熄）成均勻的貧油混合狀態(tài)，并進行燃燒。在淬熄過程中燃氣與摻混空氣的快速、均勻混合是該燃燒組織的技術(shù)關(guān)鍵，通過快速的混合可以有效地減少燃氣摻混和燃燒時間，避免燃氣在近化學當量比的狀態(tài)下燃燒，從而減少近化學當量比下高溫燃燒生成大量的NOx。LEC燃燒室較CFM56發(fā)動機的第一代燃燒室NOx排放降低了25%～50%。

燃燒室仍采用CFM56燃燒室的典型結(jié)構(gòu)，包含單通道擴壓器、雙級旋流器、氣膜冷卻火焰筒?；鹧嫱脖谏祥_有主燃孔和摻混孔，為了讓摻混空氣加速混合，將后排的摻混孔前移到主燃孔后，同時在原來的摻混孔段增加了局部冷卻直孔，對火焰筒壁的冷卻進行了優(yōu)化。

雙環(huán)腔燃燒室

為了進一步減小發(fā)動機的NOx排放,GE公司基于ECCP計劃和E3計劃的研究成果，開展了雙環(huán)腔燃燒室的研制，并在CFM56-5B上完成試驗驗證。所謂雙環(huán)腔燃燒室是指火焰筒頭部沿徑向有兩個并行燃燒區(qū), 外側(cè)的為預燃級，內(nèi)側(cè)的為主燃級，如圖1（b）所示。從燃燒組織模式來看，主要采用徑向分級供油、分區(qū)貧油燃燒的模式。在低工況下,僅由外環(huán)腔值班級供油，在中間工況以上，兩環(huán)腔同時供油。低工況下的外環(huán)腔燃燒區(qū)具有較高的點火燃燒油氣比，使燃燒室獲得良好的點火性能且燃燒效率高，CO和UHC排放量很低。同時，整個火焰筒處于低狀態(tài)貧油燃燒，NOx排放量也非常有限。而在中間工況及大工況時,兩環(huán)腔中均供油，燃油混氣的停留時間較短,因而可減少大工況下的NOx排放物。由試驗得出：與原單環(huán)腔燃燒室相比可有效降低NOx排放達 40%左右。

配裝DAC燃燒室的CFM56-5B2發(fā)動機于1995年交付商業(yè)運營。而真正對DAC技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用起到促進作用的則是GE90發(fā)動機的研發(fā)。GE90發(fā)動機是GE公司的超大推力渦扇發(fā)動機，主要用于波音777。GE90的燃燒室為雙環(huán)腔結(jié)構(gòu),其燃燒室結(jié)構(gòu)包括雙通道的分流式擴壓器、雙環(huán)腔火焰筒；而各環(huán)腔頭部仍采用GE公司典型的雙級旋流器結(jié)構(gòu)；火焰筒采用GTD222材料鑄造而成，保留主燃孔和摻混孔；冷卻則采用復合角度的多斜孔冷卻結(jié)構(gòu),如圖3所示。兩股空氣通過這些斜孔流入火焰筒時,對火焰筒提供有效的冷卻,在大幅減少火焰筒冷卻空氣量（較氣膜冷卻減少40%）的同時，有效地調(diào)節(jié)了燃燒室出口溫度的均勻性。由于采用雙環(huán)腔結(jié)構(gòu)，火焰筒的燃燒容腔增大，其長度也有所縮短，GE90在與其推力相當?shù)陌l(fā)動機中,燃燒室最短[8，9]。此外，由于采用內(nèi)、外環(huán)噴嘴一體化設(shè)計，連續(xù)流動的預燃級燃油可在全狀態(tài)下冷卻噴嘴柄，從而防止和減少主燃級噴嘴結(jié)焦、積炭,而燃油調(diào)節(jié)控制機構(gòu)則設(shè)計在一體化噴嘴桿中。

圖2 GE90采用多斜孔冷卻的鑄造火焰筒壁

GE90發(fā)動機的燃燒室的工程設(shè)計經(jīng)驗為后續(xù)GE公司低排放燃燒室的研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)，尤其是分級供油分區(qū)燃燒概念、多孔冷卻的火焰筒壁和一體化燃油噴嘴，為后續(xù)TAPS燃燒室的研制提供了重要的技術(shù)參考。

雙環(huán)預混旋流燃燒室

雙環(huán)預混旋流燃燒（TAPS）是一項富有創(chuàng)新性的技術(shù),其概念源自GE公司同美國國家航空航天局（NASA）共同資助的“先進亞聲速技術(shù)”（AST）和“超高效發(fā)動機技術(shù)”（UEET）項目。TAPS技術(shù)曾在GE90（DAC構(gòu)型，如圖3所示）和CFM56-7B（SAC構(gòu)型，如圖4所示）發(fā)動機上進行過階段性驗證[10-12]，通過相關(guān)試驗確定了TAPS燃燒室的同心徑向分級結(jié)構(gòu)和分級供油分區(qū)燃燒的燃燒組織模式。

圖3 GE90(DAC構(gòu)型)的TAPS燃燒室驗證部件

圖4 CFM56-7B(SAC構(gòu)型)的TAPS燃燒室

TAPS燃燒室工作的關(guān)鍵在于與值班級一體化設(shè)計的燃油噴嘴可以實現(xiàn)兩級供油——值班級和主燃級供油（如圖5所示）。值班級在發(fā)動機工作的全周期提供燃油實現(xiàn)燃燒，值班火焰通過兩級嵌套旋流器和壓力霧化的燃油噴嘴的匹配獲得，在低工況下值班火焰將為燃燒室獲得良好的點火特性，在中間狀態(tài)下則降低燃油流量進行燃燒，為主燃級提供穩(wěn)定點火源。而主燃級燃油則由多個獨立的射流噴嘴提供，在中間工況以上與來自主燃級旋流器的空氣進行均勻的混合，從而實現(xiàn)燃油的預混燃燒，這時值班級火焰將被主燃級火焰包裹，整個火焰筒處于貧油燃燒狀態(tài)，從而獲得較低的NOx排放。

圖5 TAPS燃燒室的分級供油燃燒組織模式

圖6 TAPS燃燒室值班火焰與主燃級火焰形態(tài)

TAPS燃燒室可以利用兩個獨立的燃燒區(qū)獲得優(yōu)異的燃燒穩(wěn)定性和較低的污染排放（如圖6所示）。值班級在低工況采用富油燃燒，如圖6中黃色火焰所示，在這個模式下工作可以提供優(yōu)異的燃燒穩(wěn)定性，避免發(fā)動機出現(xiàn)推力的迅速衰退，以及保證在發(fā)動機惡劣氣候條件下可以在低狀態(tài)下的穩(wěn)定工作。而明亮的藍色火焰則意味著主燃級在貧油模式燃燒，燃燒室可以獲得非常低的污染物排放[13，14]。因此，針對不同的工況，燃燒室通過值班級和主燃級的燃油分級供給和匹配，將獲得良好的燃燒特性和較低的污染排放。

目前，TAPS燃燒室已發(fā)展了三代。第一代TAPSⅠ燃燒室以滿足寬體客機發(fā)動機GEnx的研制為目標，并已成功應(yīng)用于GEnx-1B、GEnx-2B和 GE90-94B發(fā)動機燃燒室的設(shè)計中，其NOx排放經(jīng)試驗驗證比CFM56第一代燃燒室降低了50%，而燃燒室的燃燒效率、出口溫度分布、慢車貧油熄火和耐久性等與常規(guī)燃燒室相當[15]。在結(jié)構(gòu)上，GEnx的TAPSⅠ燃燒室與傳統(tǒng)燃燒室基本相同，主要采用末級導流葉片的一體化的單通道擴壓器和多斜孔的火焰筒[16]（如圖7所示）、分體焊接的一體化燃油噴嘴、采用雙總管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)值班級和主燃級燃油供給的調(diào)節(jié)。

第二代的TAPSⅡ燃燒室主要是針對窄體客機的LEAP系列而發(fā)展的新一代低排放燃燒室，GE公司基于第一代TAPS燃燒室所取得的成功技術(shù)，借助于計算流體力學（CFD）手段，主要是先進的大渦模擬（LES）數(shù)值模擬方法，對燃燒室的燃油噴嘴和油氣的摻混特性進行優(yōu)化。優(yōu)化的燃油與空氣摻混特性，可有效地避免燃燒室內(nèi)部熱點和局部富油燃燒可能造成NOx排放的增加,因此TAPSⅡ燃燒室的NOx排放量比CAEP/6標準低50%[17]。同時，優(yōu)化的組織模式將燃油與空氣混合在一個更大的燃燒容腔內(nèi)，使燃燒室獲得了更好的出口溫度分布特性。如圖8所示，TAPSⅡ燃燒室結(jié)構(gòu)上依然延續(xù)采用末級導流葉片的一體化擴壓器和多孔冷卻火焰筒，主要針對燃油噴嘴和總管結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，將燃油分配器（調(diào)節(jié)閥）集成到帶有旋流器的一體化噴嘴當中，噴嘴內(nèi)部采用兩個壓力閥對提供給值班級和主燃級的燃油流量進行分配，每個噴嘴的入口處放置一個止逆閥，當發(fā)動機停車后可及時關(guān)閉燃油供給，避免噴嘴內(nèi)的燃油泄漏到高溫的燃燒室內(nèi)部。同時噴嘴設(shè)計中包含隔熱結(jié)構(gòu)和一體化的吹掃結(jié)構(gòu)，將有效地避免噴嘴內(nèi)部出現(xiàn)燃油的結(jié)焦[19]。

圖7 GEnx的多斜孔火焰筒

圖8 TAPSⅡ燃燒室和與旋流器一體化的燃油噴嘴

圖9 3D打印的燃油噴嘴

第三代TAPSⅢ燃燒室主要是應(yīng)用于波音777X飛機的GE9X發(fā)動機上。該燃燒室采用了重新設(shè)計的頭部霧化裝置，針對低排放燃燒可能出現(xiàn)的自燃情況，修改了防自燃裝置的設(shè)計。與傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)相比，該模式下空氣和燃油在燃燒前充分混合，可實現(xiàn)貧油燃燒及更少的NOx排放。由于采用了新的技術(shù)和材料，TAPSⅢ燃燒室在減少冷卻空氣的同時，讓更多空氣進入混合器，由于混合器中的額外空氣有助于支持貧油燃燒、降低排放，這使GE9X發(fā)動機的NOx排放量比CAEP/8標準要低30%。 而與上一代TAPS燃燒室相比，GE公司在TAPSⅢ燃燒室上實現(xiàn)了陶瓷基復合材料（CMC）和增材制造技術(shù)的工程應(yīng)用。如圖9所示，GE9X燃燒室采用了19個3D打印的燃油噴嘴組成，均由3D打印一次成形，而不是由20個單獨部件焊接而成。再加上結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其質(zhì)量減輕了25%，尤其是噴嘴頭部的隔熱結(jié)構(gòu)和分層供油流道的打印成形，有效地提升了燃油噴嘴的品質(zhì)。同時，燃油總管采用外置的燃油分配器設(shè)計（如圖10所示），避免了燃燒室高溫對燃油噴嘴流量分配器功能的影響。在火焰筒的設(shè)計中采用了CMC燃燒室襯套，并完成了試驗驗證[20]，這是商用噴氣發(fā)動機首次采用完整的CMC燃燒室襯套，這些襯套都經(jīng)過了遠超出實際運營條件的動態(tài)載荷水平測試，具備了工程應(yīng)用的條件。

圖10 GE9X的TAPSⅢ燃燒室結(jié)構(gòu)和燃油總管

GE公司低排放燃燒室研發(fā)特點

高度重視低排放燃燒技術(shù)預研

GE公司的低排放燃燒室計劃始于20 世紀70年代中期。最初開始于NASA 發(fā)起的ECCP計劃和E3計劃，主要是研發(fā)雙環(huán)腔燃燒室，相關(guān)的技術(shù)已在CFM56-5B 和CFM56-7B發(fā)動機上應(yīng)用。后續(xù)GE公司通過NASA的“先進亞聲速技術(shù)”和“超高效發(fā)動機技術(shù)”項目[18]，以及TECH56、GEnx和LEAP56等計劃研究，基于單環(huán)腔燃燒室（SAC）和雙環(huán)腔燃燒室的后續(xù)發(fā)展型，開展TAPS燃燒室設(shè)計和試驗驗證，提升相關(guān)技術(shù)的成熟度，為TAPS燃燒技術(shù)在工程上的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)參考。由此可見，低排放燃燒室的技術(shù)發(fā)展離不開先進技術(shù)預研項目的支撐。

基于良好技術(shù)基礎(chǔ)促進創(chuàng)新發(fā)展

40余年來，GE公司將分級供油分區(qū)燃燒作為低排放燃燒室的基本燃燒組織模式，逐步開發(fā)了基于分級分區(qū)的DAC和TAPS燃燒室，目前TAPS技術(shù)作為基于該概念的優(yōu)秀低排放燃燒組織模式，已經(jīng)實現(xiàn)了工程應(yīng)用。同時，GE公司重視已有技術(shù)的繼承與發(fā)展，在燃燒室的氣動和結(jié)構(gòu)設(shè)計上延續(xù)原有的技術(shù)方案，加快了低排放燃燒室工程研發(fā)。例如，在TAPS燃燒室值班級設(shè)計中采用了CFM56的雙級旋流渦流器方案、火焰筒采用了多斜孔的冷卻結(jié)構(gòu)等。技術(shù)的繼承、應(yīng)用和發(fā)展，使GE公司的低排放燃燒室的NOx排放進一步降低，燃燒室維修性、耐久性和燃燒性能進一步提升。由此可見低排放燃燒室的研發(fā)并不是重新設(shè)計，而應(yīng)該基于某一低排放概念，借鑒和繼承已有的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，整合發(fā)展出適應(yīng)商用發(fā)動機設(shè)計要求的燃燒室。而GE公司正是采用這種思路發(fā)展低排放燃燒室，并在商業(yè)發(fā)動機領(lǐng)域取得技術(shù)領(lǐng)先的。

采用先進的研發(fā)手段為設(shè)計提供技術(shù)支撐

先進的設(shè)計和試驗手段一直是燃燒室研發(fā)的必要條件，在GE公司的低排放燃燒室研制中，新的設(shè)計和試驗手段被不斷引入，例如在TAPSⅡ燃燒室的研發(fā)中，先進的大渦模擬數(shù)值模擬方法被引入，采用大渦模擬方法對燃燒室流量分配和燃燒組織模式的優(yōu)化，使得TAPSⅡ燃燒室在適應(yīng)窄體客機發(fā)動機設(shè)計要求的同時，有效獲得更低的NOx排放。同時，在TAPS燃燒室研發(fā)中，光學測試方法的應(yīng)用有效地提升了對分級分區(qū)燃燒的認知，對于優(yōu)化燃燒組織模式和各工況下的燃油匹配方案提供了重要的技術(shù)參考，對于加快TAPS燃燒室的研制進度、提升其技術(shù)成熟度起到了重要的作用。

采用先進材料和加工技術(shù)提升產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力

目前，GE公司航空制造中最為依賴的兩大技術(shù)，是陶瓷基復合材料和增材制造技術(shù)。GE公司將陶瓷基復合材料有效地應(yīng)用到燃燒室內(nèi)襯上，這種材料制成的零部件密度只有金屬合金的1/3，可以承受超過2000℃的高溫，燃燒室的冷卻空氣因此可以大幅降低，從而有效減輕發(fā)動機的質(zhì)量，提高燃油效率。而采用3D打印的一體化噴嘴則已成為TAPS燃燒室的標志性部件，其耐用性是傳統(tǒng)的5倍，質(zhì)量卻只有25%，而且 3D打印可以將數(shù)十個小部件組成的一個零部件直接打印成一個完整零部件，可以突破制造工藝上的局限，有效提升設(shè)計的實現(xiàn)能力。CMC材料和3D制造技術(shù)在燃燒室上的應(yīng)用只是GE公司眾多先進材料和加工技術(shù)應(yīng)用在航空發(fā)動機設(shè)計和制造中的縮影，正是這些先進技術(shù)的使用才有效地提升了GE公司燃燒室產(chǎn)品的品質(zhì)和技術(shù)競爭能力。

結(jié)束語

GE公司通過多個研究計劃和發(fā)動機型號的研發(fā)，在商用發(fā)動機低排燃燒室設(shè)計技術(shù)上取得了巨大的技術(shù)進步。目前，TAPS燃燒室已成為投入商業(yè)使用的最先進的低排放燃燒室之一，具有優(yōu)異的燃燒性能、較低的NOx排放、良好的維修性和耐久性。尤其是TAPSⅢ燃燒室在商用發(fā)動機GE9X上的應(yīng)用，將進一步提升其低排放燃燒室的工程技術(shù)水平。而我國在低排放燃燒室的研發(fā)上仍處于起步階段，雖然在低排放燃燒組織機理方面開展了大量的研究，但在工程研制和驗證方面的工作上仍有欠缺。因此需要針對低排放燃燒組織技術(shù)開展基礎(chǔ)技術(shù)研究、工程驗證，同時加強燃燒室關(guān)鍵材料和制造工藝的研究，從而加速低排放燃燒室的研發(fā)和發(fā)動機適航取證，以滿足我國大型客機對先進大涵道比商用航空發(fā)動機的需求。