民用航空發(fā)動機(jī)霧化噴水技術(shù)的研究

孫震宇 甘露

摘要：氮氧化物（NOx）的排放指標(biāo)在民用航空飛機(jī)發(fā)動機(jī)的設(shè)計中成為越來越重要的考慮因素。除了對低排放燃燒室技術(shù)的研究外，波音公司和羅羅公司的格倫研究中心與NASA針對在發(fā)動機(jī)中注入霧化水的技術(shù)開展了大量的研究，重點(diǎn)解決在飛機(jī)起飛及爬升階段的污染排放問題。該方法在顯著降低NOx排放的同時，也可進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)高溫部件的熱應(yīng)力，對發(fā)動機(jī)的壽命以及維護(hù)成本起到有利作用。本文對比論證了霧化噴水技術(shù)在發(fā)動機(jī)不同部件位置（低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)和燃燒室）應(yīng)用的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)以及對發(fā)動機(jī)性能的影響程度。

Abstract： Nitrogen oxide （NOx） emissions are an increasingly important consideration in the design of civil aviation aircraft engines. In addition to research on low-emission combustor technology， Boeing and Rolls-Royce Glenn Research Center and NASA have conducted extensive research on the technology of injecting atomized water into engines， focusing on solving pollution emissions issues during take-off and climb phases. The method can further reduce the thermal stress of the high-temperature components of the engine while significantly reducing the NOx emissions， and has an advantageous effect on the life of the engine and the maintenance cost. This paper demonstrates the feasibility， advantages and disadvantages of atomized water spray technology in different parts of the engine （low pressure compressor， high pressure compressor and combustion chamber） and the impact on engine performance.

關(guān)鍵詞：民用航空發(fā)動機(jī);霧化噴水技術(shù);氮氧化物;減排;性能影響

Key words： civil aviation engine;atomized water spray technology;nitrogen oxides;emission reduction;performance impact

中圖分類號：V231.2+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）18-0145-04

1? NOx的產(chǎn)生

NOx的生成與燃燒室內(nèi)溫度密切相關(guān)，而發(fā)動機(jī)的總壓比對燃燒室的溫度也有著直接影響（圖1（a））。隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)的不斷成熟，發(fā)動機(jī)的總壓比和燃燒室溫度也在不斷提高。這一方面通過降低耗油率一定程度減少了NOx的排放，但同時也提高了燃燒室溫度，增加了單位耗油量的氮氧化物排放。根據(jù)ICAO公布的某型號發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)（圖1（b）），當(dāng)總壓比提高15%時，耗油率降低3.5%而NOx的排放指標(biāo)則增大16%。

根據(jù)NASA研究結(jié)果，通高壓壓氣機(jī)出口壓力和溫度可較通用性的預(yù)測NOx的排放指標(biāo)，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中：

EINOx為排放指標(biāo)，每g氮氧化物/每kg燃油;

P3為壓氣機(jī)的出口總壓[Pa];

T3為壓氣機(jī)的出口總壓[K]。

對于民用航空，95%以上的NOx的產(chǎn)生集中在起飛及爬升階段（圖2）。因此，在該兩階段可引入定量的霧化水以降低氮氧化物的排放。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入巡航后，需剛好將蓄水耗盡以降低多余負(fù)載。

2? 航空發(fā)動機(jī)霧化噴水技術(shù)

對于商用航空領(lǐng)域，發(fā)動機(jī)霧化噴水技術(shù)早在上世紀(jì)60-70年代已有應(yīng)用。在波音707-120的PW JT3C-6發(fā)動機(jī)，以及后來的大型客機(jī)波音747-100/-200和747的JT9D-3AW&-7AW發(fā)動機(jī)上均使用該技術(shù)，當(dāng)時主要用于在高溫天氣起飛時增加發(fā)動機(jī)推力。但隨著大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用于增加推力的目的逐漸被放棄。針對霧化噴水技術(shù)，新的研究方向聚焦在如何降低NOx的排放。

2.1 壓氣機(jī)霧化噴水技術(shù)

圖3（a）所示為霧化水與兩個不同的注射點(diǎn)：低壓壓氣機(jī)進(jìn)口、高壓壓氣機(jī)機(jī)進(jìn)口以及高壓壓氣機(jī)出口擴(kuò)壓器。考慮霧化水進(jìn)入流道后無法迅速與空氣均勻混合，因此，水滴的大小必須足夠小以防止在離心力和氣動力的作用下附著在流道壁面，使機(jī)匣產(chǎn)生不均勻的熱膨脹。根據(jù)NASA的研究結(jié)果，如圖3（b）所示，隨著水滴直徑的減小，更容易隨氣流到達(dá)壓氣機(jī)末級，當(dāng)水滴直徑低于25um后，其運(yùn)動軌跡未再發(fā)生明顯變化。

當(dāng)霧化水注入壓縮部件時，理論上相當(dāng)于級間降溫（圖4），根據(jù)Joule-Brayton循環(huán)減少了壓縮部件的消耗從而提高發(fā)動機(jī)的有用功。

其中：

Lc為壓氣機(jī)等熵壓縮單位質(zhì)量氣體所消耗功[J];

h為各工況點(diǎn)單位質(zhì)量氣體的焓[J]。

因此，雖然在壓氣機(jī)中注入霧化水會降低燃燒室溫度影響發(fā)動機(jī)的熱效率，但同時也增加了更多有用功，所以總體上使得發(fā)動機(jī)的耗油率有所降低（圖6）。

此外，根據(jù)霧化水注入壓縮部件位置的不同，對上下游部件的工作穩(wěn)定性也有不同程度的影響。圖5（a）為低壓壓氣機(jī)特性線，圖5（b）為高壓壓氣機(jī)特性線，A點(diǎn)為無霧化水時工況點(diǎn)，當(dāng)在低壓壓氣機(jī)進(jìn)口注入時（C點(diǎn)）其工況點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振邊界，高壓壓氣機(jī)靠近喘振邊界;當(dāng)在高壓壓氣機(jī)出口擴(kuò)壓器（D點(diǎn)）注入時，低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)均靠近喘振邊界，其中低壓壓氣機(jī)的安全工作裕度顯著降低;當(dāng)在兩個位置同時注入時（B點(diǎn)），與C點(diǎn)情況相似，但對高壓壓氣機(jī)的安全裕度影響更為明顯。

當(dāng)然對安全工作裕度的影響不僅僅取決于注水位置，同時需要考慮發(fā)動機(jī)本身特性、水氣混合比以及在不同環(huán)境溫度下運(yùn)行的情況。例如在高溫天氣下起飛，在低壓壓氣機(jī)入口注水其降溫作用可有效地提高發(fā)動機(jī)的相對換算轉(zhuǎn)速，在換算流量變化相對較小的情況下提高安全工作裕度;相反如果在低溫天下進(jìn)行低壓壓氣機(jī)入口注水，則對轉(zhuǎn)速影響較小，壓氣機(jī)做功能力較低的情況下增大介質(zhì)的流量也有可能導(dǎo)致安全工作裕度的減小。

因此壓氣機(jī)霧化噴水會帶來安全工作裕度降低的問題，同時應(yīng)考慮在低溫天氣下低壓部件霧化水的結(jié)冰問題。根據(jù)NASA試驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖6），在同樣的注水量下，選擇低壓部件進(jìn)口比高壓部件在燃油消耗率、NOx以及渦輪進(jìn)口溫度的降低程度上有一定的優(yōu)勢。

壓氣機(jī)霧化噴水系統(tǒng)在機(jī)體上布局：在機(jī)翼前部設(shè)置兩個水箱，每個水箱配置高壓水泵及放空閥，如圖7所示。以波音747-200為例，在霧化水/氣質(zhì)量比為0.022前提下，單個水箱設(shè)計可容納568升的水，可保證在爬升至海拔約1000米高空時降低50%NOx的用水需求，其中約30%水量消耗在起飛階段，70%水量消耗在爬升階段。

2.2 燃燒室注入

另一種常見的技術(shù)是將水霧化后直接注入在發(fā)動機(jī)燃燒室并達(dá)到特定的油水混合比，如圖8所示。在預(yù)旋噴嘴的作用下，水霧與燃油能夠更充分、均勻地?fù)交?，與壓氣機(jī)注水相比，能夠規(guī)避受水滴運(yùn)動軌跡影響的機(jī)匣受熱不均勻以及渦輪進(jìn)口總溫不均勻等問題。

由于霧化水是注入燃燒室，直接降低了火焰溫度，因此從降低NOx的角度其對用水量的需求較低。與壓氣機(jī)注水相比，同樣在爬升至1000米高空時為降低50%的NOx排放，所需水/燃油比為0.5，僅一個511升的水箱即可滿足需求，水箱可配置在機(jī)身底部（圖9（a））。

但燃燒室注水缺點(diǎn)是不具備壓級間冷卻效果，無法提高壓氣機(jī)部件的性能，單純的降低渦輪進(jìn)口溫度，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的熱效率降低（圖9（b））。若要保證相同的渦輪輸出功，則需要消耗更多的燃油。

3? 霧化噴水技術(shù)的對比

根據(jù)波音和NASA早期對航空發(fā)動機(jī)霧化噴水技術(shù)的研究成果，壓氣機(jī)部件注水和燃燒室部件注水存在以下相同之處：

①都可以通過降低燃燒室的溫度來降低NOx排放;

②在氣體中增加液態(tài)水滴增大了發(fā)動機(jī)工作介質(zhì)的物理流量，從而提高了發(fā)動機(jī)的推力;

③在保持同樣的推力水平下，因物理流量的增加可降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從而降低噪聲;

④可降低渦輪進(jìn)口溫度，有利于高溫部件的壽命延長和維修成本的降低。

但對于上述部分參數(shù)以及發(fā)動機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)，如耗油率和安全工作裕度，不同的霧化注水技術(shù)產(chǎn)生的影響程度并不相同，甚至截然相反的情況。例如（圖10）在降低相同NOx排放量的前提下（45%～50%），低壓壓氣機(jī)處可降低3.5%的耗油率，而燃燒室處反而增加2.5%的耗油率。對于渦輪進(jìn)口溫度，前者可降低約560℃而后者僅有90℃，該現(xiàn)象的主要原因?yàn)樵谕瑯訙p排量下壓氣機(jī)部件的注水水量大于燃燒室，同時可以起到級間冷卻的作用，降低燃油消耗，從而對渦輪進(jìn)口溫度的影響更為顯著。

此外，仍需要考慮不同注水位置對發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作的影響。以NASA對PW4062發(fā)動機(jī)的研究結(jié)果為例，當(dāng)在燃燒室注水時（圖11（a）），過高的水/燃油質(zhì)量比會影響火焰的穩(wěn)定性并同時增加CO污染氣體的生成。確定最優(yōu)比例為1：1，可降低80%的NOx排放，低壓壓氣機(jī)的安全工作裕度降低0.3%，高壓壓氣機(jī)降低1.7%;當(dāng)在低壓壓氣機(jī)進(jìn)口注水時，水/氣比為0.017時可達(dá)到同量級的減排效果，但低壓壓氣機(jī)的安全工作裕度降低量高達(dá)6%，高壓壓氣機(jī)降低為2%，與前者差異不大。由此可見，燃燒室注水從發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性的角度來看，更具有優(yōu)勢。

4? 結(jié)論

航空發(fā)動機(jī)霧化噴水減排技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，主要研究方向?yàn)閴簹鈾C(jī)注水技術(shù)和燃燒室注水技術(shù)。兩者在降低NOx排量、提高發(fā)動機(jī)推力、降低渦輪部件進(jìn)口溫度等方面雖然影響程度不同但也有一定的共性。然而對發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性以及工作穩(wěn)定性上存在較大的差異性。兩種技術(shù)均有利弊，本文通過歸納分析前期的研究結(jié)果和存在的問題，為后續(xù)的研究方向提供思路。

研究結(jié)果表明，在同等水平的NOx減排量下，在壓氣機(jī)部件進(jìn)口注水會產(chǎn)生級間冷卻作用，從而提高發(fā)動機(jī)的有用功降低耗油率。雖然高低壓部件注水均會降低發(fā)動機(jī)的安全工作裕度，但低壓壓氣機(jī)注水對耗油率以及渦輪進(jìn)口溫度的影響較高壓壓氣機(jī)而言有略有優(yōu)勢，同時也要考慮在低溫環(huán)境下，低壓進(jìn)口霧化水結(jié)冰問題。除了影響安全工作裕度外，壓氣機(jī)注水技術(shù)的難點(diǎn)還包括水滴霧化程度的控制，以防止在機(jī)匣上形成積水導(dǎo)致受熱不均勻，從而對葉尖間隙產(chǎn)生影響。

相較而言，燃燒室注水技術(shù)從安全性上更有優(yōu)勢，對壓氣機(jī)的工作線影響較小，并且能夠通過預(yù)旋噴嘴將霧化水與燃油進(jìn)行很好的混合，提高渦輪進(jìn)口溫度的均勻性。由于水霧直接噴射在燃燒室內(nèi)，在降低NOx方面更高效，所需的蓄水量也遠(yuǎn)低于壓氣機(jī)，對于機(jī)身結(jié)構(gòu)和空間設(shè)計要求較低。但由于不充分燃燒并且在噴水時無壓氣機(jī)級間冷卻的作用，這種技術(shù)的會造成耗油率的增加，對渦輪進(jìn)口降溫的效果所有降低。此外，要根據(jù)不同發(fā)動機(jī)設(shè)計特點(diǎn)，需要研究最佳水/燃油混合比以防止對火焰的穩(wěn)定性造成影響以及在不充分燃燒情況下產(chǎn)生其它污染氣體的控制。

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