渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計技術(shù)及發(fā)展趨勢

■ 王倚陽 江立軍 彭暢新 康堯 郎旭東 / 中國航發(fā)動研所

渦軸發(fā)動機(jī)是直升機(jī)的主要動力裝置，具有體積小、“尺寸效應(yīng)”明顯的特點。隨著渦軸發(fā)動機(jī)各項性能要求越來越高，燃燒室溫升、壽命、排放要求進(jìn)一步提升，使其設(shè)計難度越來越大。

圖1 各類型燃燒室內(nèi)部流動情況

渦軸發(fā)動機(jī)是一種輸出軸功率的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，廣泛應(yīng)用于軍、民用直升機(jī)和垂直短距起降飛機(jī)[1]，也可應(yīng)用于坦克、艦艇和地面電站等。與大型渦扇、渦噴發(fā)動機(jī)相比，渦軸發(fā)動機(jī)的顯著特點是尺寸小、質(zhì)量輕、軸系短、轉(zhuǎn)速高[2]、壓氣機(jī)出口與渦輪進(jìn)口徑向高度差大，可采用回流、折流、直流等多種形式的燃燒室。航空用渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室將燃油與從壓氣機(jī)過來的高壓氣體混合并燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)馔苿尤細(xì)鉁u輪帶動壓氣機(jī)，推動動力渦輪經(jīng)減速器帶動直升機(jī)旋翼。隨著渦軸發(fā)動機(jī)功率質(zhì)量比、壽命、油耗和環(huán)保等要求越來越高，結(jié)構(gòu)緊湊、溫升高、壽命長、污染排放低是先進(jìn)渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室的發(fā)展趨勢。

燃燒室多樣性構(gòu)型

世界上第一臺渦軸發(fā)動機(jī)是法國賽峰直升機(jī)發(fā)動機(jī)公司（原透博梅卡公司）的阿都斯特（Artouste）Ⅰ發(fā)動機(jī)，ArtousteⅠ發(fā)動機(jī)為單轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動機(jī)，功率為206kW，采用環(huán)形折流燃燒室，1954年配裝在美國貝爾公司的貝爾47上實現(xiàn)首飛。

渦軸發(fā)動機(jī)自出現(xiàn)以來，普遍采用的是環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)形式。渦軸發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的最后一級一般采用離心壓氣機(jī)，壓氣機(jī)出口徑向高度高于渦輪進(jìn)口，同時壓氣機(jī)出口到渦輪進(jìn)口的軸向距離短，促使燃燒室開展多種構(gòu)型設(shè)計以適應(yīng)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)要求，典型的燃燒室結(jié)構(gòu)形式有折流燃燒室、回流燃燒室和直流燃燒室等，如圖1所示。

圖2 折流燃燒室

折流環(huán)形燃燒室

折流環(huán)形燃燒室具有燃油霧化性能優(yōu)良、高空性能好、燃油系統(tǒng)壓力低、可使用多種燃料以及離心甩油盤加工難度小等優(yōu)點，在渦軸發(fā)動機(jī)領(lǐng)域占據(jù)重要的位置。以法國賽峰直升機(jī)發(fā)動機(jī)公司為例，其采用折流燃燒室的阿赫耶（Arriel）系列發(fā)動機(jī)（見圖2）已累計生產(chǎn)數(shù)萬臺，用戶遍布全球155個國家和地區(qū)，我國也引進(jìn)其專利技術(shù)生產(chǎn)了數(shù)百臺渦軸8（WZ8）系列發(fā)動機(jī)用于直9、直19和直11等直升機(jī)。折流燃燒室多用于功率較小的渦軸發(fā)動機(jī)。

回流燃燒室

回流燃燒室是目前在渦軸發(fā)動機(jī)上應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，回流燃燒室采用氣流兩次折轉(zhuǎn)180°的流動方式使發(fā)動機(jī)的空間利用率很高（見圖3），而且可以大幅度縮短軸系長度，降低轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計難度[3]?；亓魅紵一鹧嫱矁?nèi)流路較長，有利于高效燃燒和獲得良好的出口溫度場品質(zhì)，但回流燃燒室火焰筒面積大，冷卻問題比較突出。采用回流燃燒室的典型渦軸發(fā)動機(jī)有PT6B、PW150、PW200、RTM322、MTR390、T800、TS1、WZ16（ 阿 蒂丹3C）等。

圖3 回流燃燒室

直流燃燒室

采用全軸流壓氣機(jī)的渦軸發(fā)動機(jī)一般采用直流燃燒室。直流燃燒室具有構(gòu)造簡單、流動順暢、冷卻難度相對較小等優(yōu)點。隨著發(fā)動機(jī)的循環(huán)參數(shù)和功率增加，燃燒室溫升和出口溫度越來越高，即使渦軸發(fā)動機(jī)采用離心壓氣機(jī)，也可采用直流燃燒室，此時為適應(yīng)壓氣機(jī)出口氣流，直流燃燒室火焰筒前端帶一定的仰角。采用直流燃燒室的典型渦軸發(fā)動機(jī)有T700、D27等發(fā)動機(jī)。

徑流燃燒室

當(dāng)壓氣機(jī)出口與渦輪進(jìn)口徑向高度差進(jìn)一步增大，發(fā)動機(jī)軸系進(jìn)一步縮短時，更緊湊的徑流燃燒室出現(xiàn)了，徑流燃燒室火焰筒內(nèi)主氣流由外往內(nèi)徑向流動。該類型燃燒室目前只在預(yù)研項目中有所涉及，還未應(yīng)用到實際發(fā)動機(jī)上。

渦軸發(fā)動機(jī)不論采取哪種類型燃燒室，燃燒室內(nèi)外環(huán)腔的流動都會呈現(xiàn)明顯的不對稱性，這對燃燒室的氣動設(shè)計提出了很高的要求。而且，渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室零組件尺寸都較小，如PT6發(fā)動機(jī)燃油噴嘴的典型關(guān)鍵件噴口，最大外徑不到10mm，噴口孔徑為φ0.4mm+0.01mm，阿蒂丹3C發(fā)動機(jī)燃燒室的全發(fā)散冷卻孔孔徑在φ0.4mm左右。燃燒室性能受“尺寸效應(yīng)”影響明顯，尺寸的稍微變化就會對零件及整個燃燒室性能產(chǎn)生較大影響，對渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室的加工提出很大挑戰(zhàn)。

高溫升燃燒室技術(shù)

為了不斷提高發(fā)動機(jī)的功率質(zhì)量比，發(fā)動機(jī)氣動熱力參數(shù)日益提高，高容熱、高溫升是目前高性能燃燒室發(fā)展的趨勢，渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室進(jìn)口溫度、壓力和溫升水平不斷提高，進(jìn)口壓力達(dá)到1.7MPa，溫升接近1100K。高溫升燃燒室技術(shù)是航空動力裝置研究的主要內(nèi)容，同時也是該領(lǐng)域當(dāng)前具有研究價值和挑戰(zhàn)性的課題之一。

歐美國家制訂了一系列的發(fā)動機(jī)研制計劃進(jìn)行高溫升燃燒室的研發(fā)，研究成果已成功轉(zhuǎn)移到型號應(yīng)用中。例如，美國在綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)（IHPTET）計劃中專門針對渦軸渦槳和中小型渦扇發(fā)動機(jī)開展了聯(lián)合渦輪先進(jìn)燃?xì)獍l(fā)生器（JTAGG）計劃，采用富油燃燒-猝熄-貧油燃燒（RQL）技術(shù)，使燃燒室的出口溫度提高了340K和550K，渦輪前溫度達(dá)到了1922K[4]，在總油氣比大幅提高的情況下保持了較低的出口溫度分布系數(shù)，具有優(yōu)異的燃燒性能。

渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室火焰筒的腔高和體積一般都較小，在小空間內(nèi)合理組織燃油和空氣燃燒達(dá)到高溫升顯然尤為困難，同時還須兼顧渦軸發(fā)動機(jī)越來越寬的起動包線，對火焰筒頭部設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。

燃燒室頭部燃燒組織技術(shù)

渦軸發(fā)動機(jī)高溫升燃燒室火焰筒頭部燃燒組織是保證滿足燃燒性能的關(guān)鍵。頭部分級分區(qū)供油是其主要的燃燒組織技術(shù)之一，點火起動和低工況時部分噴嘴在部分區(qū)域供油，保證低工況下燃油霧化性能以滿足點火起動、燃燒效率和低污染等要求；高工況時所有噴嘴供油，從而解決高溫升燃燒室在較寬的油氣比范圍內(nèi)可靠工作問題。采用多級渦流器（見圖4）[5]與噴嘴匹配，使燃油在頭部完全霧化并與空氣充分混合燃燒，增加頭部燃燒穩(wěn)定性。

圖4 典型的多級渦流器與噴嘴匹配

點火設(shè)計

渦軸發(fā)動機(jī)點火起動時空氣流量和燃油流量很小，為確保發(fā)動機(jī)在起動包線范圍內(nèi)成功起動，燃油噴嘴由最初的直射式噴嘴逐漸發(fā)展為單油路離心噴嘴、氣動霧化噴嘴、雙油路離心噴嘴以及雙油路離心+氣動霧化組合方式，燃油霧化性能隨著噴嘴形式的改進(jìn)越來越好。供油方式也由原來簡單的一路供油發(fā)展到多路供油，如采用起動噴嘴與主噴嘴配合的兩路供油，以及為確保著火和聯(lián)焰成功采用起動噴嘴、聯(lián)焰噴嘴和主噴嘴的3路供油等，如圖5所示。油路的增加使在不同狀態(tài)下工作噴嘴霧化性能保持良好，既保證了小狀態(tài)下燃燒室的點火及穩(wěn)定燃燒，又保證了大狀態(tài)下的燃燒性能，從而滿足先進(jìn)渦軸發(fā)動機(jī)的寬起動邊界、低油耗要求。

長壽命燃燒室技術(shù)

渦軸發(fā)動機(jī)火焰筒體積小但表面積相對較大，又由于高溫升燃燒室進(jìn)氣溫度升高使得空氣的冷卻潛力下降，因此必須采用高效冷卻技術(shù)和耐高溫材料解決高溫升帶來的火焰筒壁面溫度升高進(jìn)而影響使用壽命的問題。

圖5 周向分級供油示意圖

先進(jìn)冷卻技術(shù)

先進(jìn)的冷卻方式有很多種，渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室采用的冷卻方式主要有氣膜冷卻、多斜孔發(fā)散冷卻以及沖擊加發(fā)散冷卻等形式。其中，對多斜孔發(fā)散冷卻的研究較多，主要從不同孔徑、排布以及開孔傾角等多方面開展，研究結(jié)果表明其具有較高的冷卻效率。同時，又因其具有可減輕零件質(zhì)量、簡化加工工藝等特點，是渦軸發(fā)動機(jī)高溫升燃燒室冷卻方式的發(fā)展方向之一。

耐高溫材料

除采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，還可在火焰筒局部高溫位置的內(nèi)壁噴涂熱障涂層進(jìn)行隔熱。

隨著燃燒室溫升越來越高，先進(jìn)的冷卻方式也無法使火焰筒壁溫降至材料的安全使用范圍，此時，陶瓷基復(fù)合材料（CMC）火焰筒應(yīng)運而生。陶瓷基火焰筒耐高溫、耐腐蝕能力都很強(qiáng)，且密度低、質(zhì)量輕，如碳化硅（SiC）CMC的密度約為鎳基合金的1/3，可以承受高于1316℃的高溫，是未來高溫升火焰筒的選材方向。典型的陶瓷基零件如圖6所示[3]。

低污染排放技術(shù)

由于渦軸發(fā)動機(jī)空氣流量小，使用時間短，污染物排放量相對于大型發(fā)動機(jī)而言要小得多，因此國際民航組織（ICAO）目前未對渦軸發(fā)動機(jī)的污染排放作出規(guī)定。但隨著直升機(jī)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，民用航空市場對渦軸發(fā)動機(jī)的需求量越來越大，預(yù)計ICAO在不遠(yuǎn)的將來會對渦軸發(fā)動機(jī)污染排放水平進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定。

瑞士、瑞典和德國等歐洲國家已經(jīng)針對渦軸發(fā)動機(jī)等中小型航空發(fā)動機(jī)制定了相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)。部分先進(jìn)制造商也正在深入研究適用于渦軸發(fā)動機(jī)的低污染燃燒技術(shù)，以提高技術(shù)門檻，增加產(chǎn)品在市場上的競爭力，并為未來市場對發(fā)動機(jī)的需求進(jìn)行技術(shù)儲備。例如，法國賽峰直升機(jī)發(fā)動機(jī)公司研發(fā)的TECH 800渦軸發(fā)動機(jī)在低污染燃燒室領(lǐng)域有較大進(jìn)展，已成功應(yīng)用到阿拉諾（Arrano）1A發(fā)動機(jī)中[6]。美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心在小型發(fā)動機(jī)技術(shù)（SET）項目中開展了低NOx排放研究，提出了周向分級燃燒、徑向分級燃燒、貧油直接噴射（LDI）燃燒和貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)（LPP）燃燒等低污染技術(shù)[7]。美國蓋瑞公司進(jìn)行了小型發(fā)動機(jī)回流燃燒室污染排放減少技術(shù)的研究，重點研究了空氣霧化燃油噴嘴、變幾何結(jié)構(gòu)的空氣渦流器和軸向分級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒技術(shù)[8]。此外， MTU公司、賽峰飛機(jī)發(fā)動機(jī)公司（原斯奈克瑪公司）和AVIO公司等對燃燒室的低污染排放技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，在小型回流燃燒室上研究了LPP低污染燃燒技術(shù)和貧油燃燒低污染燃 燒技術(shù)的可行性，在中型直流燃燒室上研究了部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒技術(shù)[9]。

目前，渦軸發(fā)動機(jī)的低污染技術(shù)主要是借鑒大型發(fā)動機(jī)相關(guān)的低污染技術(shù)，但由于渦軸發(fā)動機(jī)空氣流量小、結(jié)構(gòu)緊湊，難以實現(xiàn)復(fù)雜的低污染結(jié)構(gòu)形式，因此，一些適用于大型發(fā)動機(jī)的低污染技術(shù)不能直接“縮比”應(yīng)用到渦軸發(fā)動機(jī)上，如多環(huán)腔分級燃燒技術(shù)、貧油直接噴射燃燒技術(shù)（LDI）等。通過對比分析，軸向分級燃燒技術(shù)、RQL技術(shù)在渦軸發(fā)動機(jī)上可以有較好的應(yīng)用前景。

圖6 陶瓷基火焰筒零件

軸向分級燃燒技術(shù)

分級燃燒有徑向分級、軸向分級和中心分級等。徑向分級和中心分級要求燃燒室尺寸較大對渦軸發(fā)動機(jī)不適合，軸向分級技術(shù)可在小尺寸燃燒室上實現(xiàn)，在小型發(fā)動機(jī)上得到過研究應(yīng)用。

軸向分級燃燒技術(shù)分為預(yù)燃級和主燃級，沿軸向依次布置，預(yù)燃級燃油噴嘴安裝在火焰筒頭部，主燃級燃油噴嘴安裝在火焰筒下游的內(nèi)環(huán)或外環(huán)。軸向分級燃燒技術(shù)具有主燃級點火快速可靠、燃燒效率高和出口溫度場品質(zhì)好、NOx排放少等優(yōu)點，不足之處在于燃燒室結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，噴嘴數(shù)目大幅增加，燃燒室軸向長度增加和火焰筒冷卻面積大幅增加而導(dǎo)致的火焰筒冷卻困難等。

軸向分級技術(shù)由普惠公司提出，普惠公司對軸向分級技術(shù)進(jìn)行了一系列研究，證明了該種燃燒技術(shù)在保持極高效率和燃燒穩(wěn)定性的同時具有較好的降低NOx的前景。此外，NASA資助的針對渦軸渦槳等小型發(fā)動機(jī)燃燒室的污染排放減少技術(shù)項目（PRTP）對回流燃燒室軸向分級的低污染燃燒技術(shù)開展了研究，試驗結(jié)果表明其NOx排放相對于基準(zhǔn)方案減少了70%。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）發(fā)展了一種適用于小型發(fā)動機(jī)的軸向分級的低污染燃燒室，試驗結(jié)果表明該燃燒技術(shù)相比CAEP/4能夠減少82%的NOx排放，同時排氣冒煙也有大幅減少。這些都顯示軸向分級燃燒技術(shù)在渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室污染排放減少方面具有較大的潛力[10]。

RQL技術(shù)

RQL屬于富油低污染燃燒技術(shù)，采用在燃燒溫度較低的富油當(dāng)量比區(qū)間和貧油當(dāng)量比區(qū)間進(jìn)行燃燒。富油燃燒后，大量的空氣進(jìn)入燃燒區(qū)降低溫度，快速地使油氣混合物從富油狀態(tài)變?yōu)樨氂蜖顟B(tài)來控制燃燒區(qū)的溫度，達(dá)到降低NOx排放的目的。RQL技術(shù)具有排放低，燃燒效率高，貧油熄火邊界寬，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，無回火、自燃及不穩(wěn)定情況等優(yōu)點。但同時RQL技術(shù)也會帶來冒煙的風(fēng)險，富油燃燒火焰輻射強(qiáng)，火焰筒壁溫較高，火焰筒的冷卻設(shè)計難度較大。

普惠加拿大公司借鑒大型燃燒室的低污染燃燒技術(shù)，針對中小型發(fā)動機(jī)提出了采用RQL技術(shù)的低污染燃燒室方案，發(fā)展了小型發(fā)動機(jī)回流和直流低污染燃燒室。MTU公司將RQL技術(shù)移植到中小型發(fā)動機(jī)回流燃燒室中，設(shè)計并加工了全環(huán)燃燒室。試驗結(jié)果顯示，與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用RQL技術(shù)的渦軸發(fā)動機(jī)在起飛狀態(tài)時NOx的排放減少了30%，在巡航狀態(tài)時減少了50%。JAXA針對中小型航空發(fā)動機(jī)燃燒室開展了基于RQL技術(shù)的從燃油噴嘴到單頭部/多頭部一直到全環(huán)形的燃燒室試驗和數(shù)值分析研究，技術(shù)成熟度已達(dá)到5級以上。圖7展示了典型的適用于渦軸發(fā)動機(jī)的RQL低污染燃燒室。

圖7 適用于渦軸發(fā)動機(jī)的RQL低污染燃燒室

結(jié)束語

渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室具有結(jié)構(gòu)多樣性的特點，為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊可根據(jù)具體情況選擇折流、回流、直流和徑流等多種形式。隨著直升機(jī)對發(fā)動機(jī)的性能要求越來越高，以及直升機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣，渦軸發(fā)動機(jī)對燃燒室部件的要求也越來越高，高溫升、長壽命、低污染燃燒技術(shù)是先進(jìn)渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室的發(fā)展方向，而如何在狹小空間內(nèi)實現(xiàn)高溫升、長壽命、低污染是未來渦軸發(fā)動機(jī)燃燒室研究的關(guān)鍵。