富油燃燒-猝熄-貧油燃燒燃燒室技術(shù)分析

李 杰

(中航工業(yè)西安航空動力股份有限公司，西安 710021)

1 引言

富油燃燒-猝熄-貧油燃燒室技術(shù)是1種較為先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)低氮氧化物（NOx)排放的最基本策略之一。RQL燃燒室的關(guān)鍵區(qū)域是猝熄區(qū)，其貧油熄火邊界寬，對氮氧化物排放的控制簡單有效，并在一定程度上代表了現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)燃燒室工程技術(shù)進(jìn)展的成就與方向。美國PW公司在RQL燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上創(chuàng)新開發(fā)了廣泛用于其商用航空發(fā)動機(jī)的先進(jìn)低氮氧化物排放燃燒室-TALON燃燒室。

2 RQL燃燒室的先進(jìn)性

2.1 貧油熄火邊界

貧油熄火邊界是航空發(fā)動機(jī)安全可靠工作的最重要指標(biāo)之一。由于低污染的要求，現(xiàn)代民用航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)傾向于向貧油預(yù)混方向發(fā)展，燃燒前的油氣混合越均勻，油氣比低為貧油，則污染物越少，但貧油熄火性能也越差，燃燒室頭部燃燒組織越復(fù)雜。

RQL燃燒室前部是富油燃燒，有相對大的油氣當(dāng)量比，貧油熄火邊界相對較寬。

2.2 氮氧化物排放的控制

在富油燃燒區(qū)，控制油氣比范圍（通常控制當(dāng)量比為1.2～1.6），降低火焰溫度和減少氧氣量，從而減少NOx和CO生成量。在猝熄區(qū)，通過引入大量空氣，完成由富油向貧油的瞬間過渡，并防止出現(xiàn)接近理想當(dāng)量比的NOx生成量大的區(qū)域。在貧油燃燒區(qū)，選擇滿足所有排放要求的當(dāng)量比（典型值為0.5～0.7），以控制燃燒溫度，使NOx、CO和HC排放都低，從而滿足國際民航組織對污染物的排放要求。

3 RQL燃燒室的發(fā)展

3.1 RQL燃燒室與TALON燃燒室

RQL技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)減少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃燒策略之一，發(fā)展了30多年。

目前，美國PW公司在商用發(fā)動機(jī)上廣泛應(yīng)用的先進(jìn)低氮氧化物排放（TALON）燃燒室是在RQL基礎(chǔ)上，利用浮壁式燃燒室技術(shù)，結(jié)合氣動霧化噴嘴、單排2股氣流進(jìn)氣孔等技術(shù)開發(fā)的。

TALON燃燒室的關(guān)鍵改進(jìn)是優(yōu)化了氣動霧化噴嘴，使得燃料-空氣混合當(dāng)量比更合理，燃料-空氣的混合更充分，可在全工作范圍內(nèi)使燃料在很短的時(shí)間內(nèi)充分霧化并在主燃燒區(qū)內(nèi)快速燃燒。它不但很好地傳承了RQL燃燒室貧油熄火邊界寬的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)使污染物的排放更低，是對RQL燃燒室的進(jìn)一步發(fā)展與創(chuàng)新。

由于燃料-空氣混合當(dāng)量比更合理，燃料-空氣的混合更加充分，所以TALON燃燒室不再需要更多的補(bǔ)燃空氣，各型TALON燃燒室均只有1排降溫和補(bǔ)充空氣進(jìn)氣孔（如圖1所示）。

由于氣動霧化噴嘴可使燃料在很短時(shí)間內(nèi)充分霧化并完全燃燒，使得TALON燃燒室的燃焰分區(qū)與RQL燃燒室相比已不十分明顯，如圖2所示。

3.2 各型TALON燃燒室的排放標(biāo)準(zhǔn)

用于PW4090基本型發(fā)動機(jī)的RQL燃燒室的排放可滿足國際民航組織的CAEP/2標(biāo)準(zhǔn)；用于PW4098發(fā)動機(jī)的TALON I燃燒室的排放水平低于CAEP/2標(biāo)準(zhǔn)的要求，但還不能完全滿足CAEP/4標(biāo)準(zhǔn)的要求；用于PW4158、PW4168和PW6000發(fā)動機(jī)的TALONII燃燒室，大大降低了氮氧化物的排放，不但遠(yuǎn)低于CAEP/2和CAEP/4排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且能完全滿足CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)的要求；TALON III燃燒室和TALON IV燃燒室進(jìn)一步降低了氮氧化物的排放，可以完全滿足CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)的要求，還有相當(dāng)大的裕度。RQL燃燒室和各型TALON燃燒室所能達(dá)到的排放標(biāo)準(zhǔn)如圖3所示。

為贏回逐漸失去的民用發(fā)動機(jī)市場，PW公司研發(fā)了先進(jìn)大推力高涵道比齒輪傳動渦扇發(fā)動機(jī)，即清潔動力（PurePowerTM）PW1000G發(fā)動機(jī)，其所使用的燃燒室也是可以達(dá)到更低排放標(biāo)準(zhǔn)的TALON燃燒室。

4 啟迪與思考

RQL技術(shù)和TALON燃燒技術(shù)是目前較為先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)組織燃燒技術(shù)，是1種特殊的分級燃燒室技術(shù)，是減少氮氧化物（NOx）排放的最基本的策略之一。RQL燃燒室的貧油熄火邊界寬，控制氮氧化物新，關(guān)鍵在創(chuàng)新。在保證發(fā)動機(jī)應(yīng)有性能的前提下，更低熱點(diǎn)和更均勻的燃燒室出口溫度場，可以大大改善所有下游部件的工作環(huán)境。燃燒室出口熱點(diǎn)溫度的降低可使下游部件的選材和設(shè)計(jì)具有更大裕度，使渦輪導(dǎo)向器葉片和渦輪葉片的冷卻方式相對簡單。這不但簡化了發(fā)動機(jī)燃燒室下游零部件的結(jié)構(gòu)，還可延長發(fā)動機(jī)的壽命、降低運(yùn)營成本和維護(hù)費(fèi)用，可謂一舉多得。

5 結(jié)束語

綜上所述，像RQL和TALON這樣好的燃燒室設(shè)計(jì)理念，不但可以保證燃燒室功能的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，還可以簡化燃燒室結(jié)構(gòu)，從而使燃燒室的加工工藝難度降低，為發(fā)動機(jī)帶來高效率、低排放、長壽命和低運(yùn)營成本的諸多益處。

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