富油燃燒-猝熄-貧油燃燒燃燒室技術分析

李 杰

(中航工業西安航空動力股份有限公司，西安 710021)

1 引言

富油燃燒-猝熄-貧油燃燒室技術是1種較為先進的航空發動機燃燒技術，是實現低氮氧化物（NOx)排放的最基本策略之一。RQL燃燒室的關鍵區域是猝熄區，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代航空發動機燃燒室工程技術進展的成就與方向。美國PW公司在RQL燃燒技術基礎上創新開發了廣泛用于其商用航空發動機的先進低氮氧化物排放燃燒室-TALON燃燒室。

2 RQL燃燒室的先進性

2.1 貧油熄火邊界

貧油熄火邊界是航空發動機安全可靠工作的最重要指標之一。由于低污染的要求，現代民用航空發動機的設計傾向于向貧油預混方向發展，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雜。

RQL燃燒室前部是富油燃燒，有相對大的油氣當量比，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，控制油氣比范圍（通常控制當量比為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，通過引入大量空氣，完成由富油向貧油的瞬間過渡，并防止出現接近理想當量比的NOx生成量大的區域。在貧油燃燒區，選擇滿足所有排放要求的當量比（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燃燒室的發展

3.1 RQL燃燒室與TALON燃燒室

RQL技術是實現現代航空發動機減少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃燒策略之一，發展了30多年。

目前，美國PW公司在商用發動機上廣泛應用的先進低氮氧化物排放（TALON）燃燒室是在RQL基礎上，利用浮壁式燃燒室技術，結合氣動霧化噴嘴、單排2股氣流進氣孔等技術開發的。

TALON燃燒室的關鍵改進是優化了氣動霧化噴嘴，使得燃料-空氣混合當量比更合理，燃料-空氣的混合更充分，可在全工作范圍內使燃料在很短的時間內充分霧化并在主燃燒區內快速燃燒。它不但很好地傳承了RQL燃燒室貧油熄火邊界寬的優點，同時使污染物的排放更低，是對RQL燃燒室的進一步發展與創新。

由于燃料-空氣混合當量比更合理，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燃空氣，各型TALON燃燒室均只有1排降溫和補充空氣進氣孔（如圖1所示）。

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

3.2 各型TALON燃燒室的排放標準

用于PW4090基本型發動機的RQL燃燒室的排放可滿足國際民航組織的CAEP/2標準；用于PW4098發動機的TALON I燃燒室的排放水平低于CAEP/2標準的要求，但還不能完全滿足CAEP/4標準的要求；用于PW4158、PW4168和PW6000發動機的TALONII燃燒室，大大降低了氮氧化物的排放，不但遠低于CAEP/2和CAEP/4排放標準的要求，而且能完全滿足CAEP/6標準的要求；TALON III燃燒室和TALON IV燃燒室進一步降低了氮氧化物的排放，可以完全滿足CAEP/6標準的要求，還有相當大的裕度。RQL燃燒室和各型TALON燃燒室所能達到的排放標準如圖3所示。

為贏回逐漸失去的民用發動機市場，PW公司研發了先進大推力高涵道比齒輪傳動渦扇發動機，即清潔動力（PurePowerTM）PW1000G發動機，其所使用的燃燒室也是可以達到更低排放標準的TALON燃燒室。

4 啟迪與思考

RQL技術和TALON燃燒技術是目前較為先進的航空發動機組織燃燒技術，是1種特殊的分級燃燒室技術，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，關鍵在創新。在保證發動機應有性能的前提下，更低熱點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境。燃燒室出口熱點溫度的降低可使下游部件的選材和設計具有更大裕度，使渦輪導向器葉片和渦輪葉片的冷卻方式相對簡單。這不但簡化了發動機燃燒室下游零部件的結構，還可延長發動機的壽命、降低運營成本和維護費用，可謂一舉多得。

5 結束語

綜上所述，像RQL和TALON這樣好的燃燒室設計理念，不但可以保證燃燒室功能的實現和優化，還可以簡化燃燒室結構，從而使燃燒室的加工工藝難度降低，為發動機帶來高效率、低排放、長壽命和低運營成本的諸多益處。

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