國外民用航空發動機低污染燃燒室的發展

劉 靜，肇俊武

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

飛機燃氣渦輪發動機帶來的燃燒污染排放日益嚴重。雖然從燃燒污染排放的總量來看，航空發動機的排放所占比例很小，但由于其局部特征，在機場附近和繁忙的空中走廊，會有大量的污染排放物聚集，而且各類飛機產生的污染排放物，是高空大氣污染物的惟一來源。因此，航空發動機的污染排放水平，受到了越來越嚴格的限制。

本文主要介紹在此背景下國外民用航空發動機低污染燃燒室的研制和發展情況。

1 污染排放標準

國際民航組織（ICAO，International Civil Aviation Organization）頒布的民用航空燃氣輪機污染排放標準，規定了亞聲速和超聲速渦輪噴氣和渦輪風扇發動機燃燒污染排放水平。ICAO于1983年成立了負責組織環境保護活動的航空環境保護委員會（CAEP），取代了原來的航空噪聲委員會（CAN，Committee on Aircraft Noise）和飛機發動機排放委員會（CAEE，Committee on Aircraft Ingine Emissions）。ICAO CAEP于1986年召開了第1次正式會議，通過了ICAO的第1個污染排放標準CAEP1；1991年召開了第2次正式會議，并通過了CAEP2標準。此后，每隔3年召開1次正式會議，制定了多個CAEP污染標準。這些標準頒布、修訂和生效的日期見表1。

ICAO CAEP標準規定的污染物共有4種，分別是氣態的一氧化碳（CO）、未燃碳氫（UHC）、氮氧化物(NOx，包括NO和NO2)和顆粒狀的煙。從上述已頒布的幾個CAEP標準來看，值得注意的有2點：一是這些標準針對的是推力為27.6 kN以上的發動機；二是對CO、UHC和顆粒狀煙的要求基本沒有變化，只是對NOx排放的要求越來越嚴格，因為NOx危害最大也最難控制。

表1 ICAO CAEP標準頒布、修訂和生效日期

CAEP2標準于1993年修訂，1996年生效，也被稱作ICAO’96標準。該標準要求的NOx排放水平是較低的，對于總壓比為30～40、推力大于89 kN的干線飛機發動機來說，CAEP2要求的NOx排放水平比CAEP1的降低了20%；目前，在研究發動機污染排放時，均以CAEP2標準為基準。

目前執行的標準是CAEP2，但新研發發動機執行的標準是CAEP4，2008年以后生效的標準是CAEP6。從對NOx排放水平的限制來看，CAEP標準日趨嚴格，CAEP4標準規定的NOx排放水平比CAEP2標準規定值降低了16%，而CAEP6標準規定的NOx排放水平比CAEP4標準規定值又降低了12%。

2 污染物生成機理和排放控制

2.1 污染物生成機理

在航空發動機燃燒室產生的4種污染物中，顆粒狀煙的生成主要與燃燒室壓力有關，在大工況下，顆粒狀煙大量生成；在小工況下，燃燒室進口空氣壓力、溫度降低，總當量比減小，因此，主燃區燃燒強度減小，CO和UHC的反應速率減小，導致CO和UHC大量生成。NO主要在大工況下火焰和火焰后區域內氮與氧發生反應形成；而在小工況下，NO主要有瞬發NO、燃料NO和氧化型NO等。NO2的排放水平與NO的排放水平密切相關，其主要生成機理是NO在高溫環境下與火焰剛出現時的過氧化氫根反應。從燃氣輪機燃燒室出口NOx采樣來看，NO2的質量分數量15%～50%。

由美國NASA格林研究中心在亞聲速燃燒試驗設備上得到的高溫高壓試驗數據可知，NOx排放指數和燃燒室進口溫度、進口壓力、壓降和油氣比之間存在如下關系

從式（1）可知，NOx排放指數（ENOx）與進口溫度（T）呈指數關系變化，與油氣比、進口壓力和壓降呈冪函數的關系變化如圖1所示。從圖中可見當量比和停留時間的影響：在當量比接近1時，停留時間越長，NOx生成量越大，而在當量比小于0.5的貧油區和大于1.3的富油區，當量比對NOx生成的影響不大[3]。

NOx、CO、UHC和顆粒狀煙4種污染物在不同條件下的生成量如圖2所示。

從圖2（a）中可見，在大工況下，由于進口溫度升高和總油氣比增大，燃燒區的溫度和壓力都很高，此時 NOx大量生成。從圖 2（b）、（c）中可見，NOx和 CO排放值都低的主燃區溫度范圍和當量比范圍都非常狹窄，燃燒區溫度的低排放區約為1670～1900 K，當量比的低排放區約為0.5～0.8。這就意味著要同時降低所有污染物的排放，就需要把燃燒區溫度和當量比控制在各種排放物排放水平都較低的低排放區內。

在控制燃燒區當量比時，還要特別注意控制局部當量比，即控制當量比均勻性，這就需要加強燃料與空氣的混合，減小液體燃料霧化顆粒度，加強蒸發，乃至采用預蒸發。

2.2 污染排放控制

減少航空發動機包括CO2在內的污染物排放，首先要減少燃料用量，并使用更清潔燃料。減少燃料用量，就需要提高燃氣輪機總的熱效率和推進效率。航空發動機從渦噴、小涵道比、大涵道比發動機發展到超大涵道比以及槳扇發動機，其熱效率得到了大幅度提高，污染排放水平也隨之明顯下降（如圖3所示）。在使用更清潔燃料方面，荷蘭航空公司自2011年6月起，嘗試采用由廚房廢棄的植物性油脂“地溝油”加工的航空燃油作為民航客機燃料，據稱可使客機的碳排放量降低50%。

圖3 各種類型發動機總效率比較

為了使4種污染排放物同時處于較低的水平，在采取減排措施時，應綜合考慮燃燒室工況、燃燒區當量比、燃燒溫度、燃油霧化顆粒度和燃料在高溫區停留時間等影響因素，這是污染排放控制技術研究和發展所依據的原則。必須同時兼顧的另1個重要原則是保證燃燒室在不同工況下的燃燒性能可滿足發動機要求。

在低污染燃燒室設計中，污染排放控制與滿足性能要求有時相互矛盾。如在高工況下，為了降低NOx和顆粒狀煙的排放量，同時確保燃燒室出口溫度場均勻和壁溫較低，要求減小燃燒室容積、縮短燃氣在燃燒區的停留時間、增加主燃區空氣流量等；而在低工況下，為了減少CO和UHC生成量，同時確保燃燒效率、燃燒穩定性和點火/再點火能力，則要求增大燃燒室容積、延長燃氣在燃燒區的停留時間、減少主燃區空氣流量等，因此，低污染燃燒室設計的1個重要任務，就是在這些污染排放影響因素之間進行折衷。

目前，國外研究的先進低污染燃燒技術主要采用分級燃燒的概念，即把燃燒室分成幾個燃燒區，通過控制各區的燃油和空氣供給來控制各區油氣比，以使燃燒室在所有工況下都保持低的污染排放水平。分級燃燒技術一般可分為徑向、軸向和徑/軸向分級3種，其中，徑向分級燃燒室主要有雙環腔燃燒室（DAC）、雙環預混旋流（TAPS）燃燒室、駐渦燃燒室（TVC）、雙頭部燃燒室等；軸向分級燃燒室主要有富油燃燒-淬熄-貧油燃燒（RQL）燃燒室、貧油預混預蒸發燃燒室（LPP）等。另外，還有噴嘴內部中心分級的貧油直接噴射燃燒室（LDI）和變幾何燃燒室等。

3 先進低污染燃燒室

為了滿足越來越嚴格的ICAO CAEP標準要求，美歐多家世界一流航空發動機公司研制了多種類型的低污染燃燒室。這些燃燒室多數已在民用飛機發動機上得到了應用，其NOx排放均已達到了比CAEP2標準標準值低50%以上的水平。

3.1 美國先進低污染燃燒室

3.1.1 TAPS燃燒室

TAPS燃燒室是美國GE公司于20世紀90年代開始研制的，實際上是70～90年代研制的單環腔燃燒室（SAC）和雙環腔燃燒室（DAC）的后續發展型，如圖 4所示。SAC、DAC和 TAPS得到了 TECH56、GE90發動機發展和NASA的先進亞聲速運輸機（AST）等計劃的支持，在CFM56-5B、CFM56-7B和GE90等發動機上得到了應用。目前，TAPS已應用于波音787的GEnx發動機上。

TAPS燃燒室綜合了2項已成熟的技術，即1980年首次研發并獲得專利的預混旋流技術和早在1970年就開始在GE發動機上得到應用的常規值班級燃燒技術。TAPS燃燒室的核心如圖5所示，由1個中心擴散火焰穩焰的預燃級和同心外旋流器預混燃燒的主燃級構成。中心預燃級采用擴散燃燒方式，有利于起動和火焰穩定；預燃級與主燃級流場的混合情況，將影響到NOx降低的程度；主燃級是1個預混燃燒模式，燃油噴入主燃級旋轉空氣中，混合后再進入燃燒區燃燒，以降低NOx排放。

圖5 TAPS結構和外形

GE公司正在與NASA合作，以TAPS燃燒室為基礎，期望在2025年將NOx排放降低至比CAEP2標準的低80%的水平。

3.1.2 TALON燃燒室

TALON燃燒室是美國PW公司在20世紀90年代采用RQL燃燒技術研發的低污染燃燒室，目前已發展了 TALON1、TALON2、TALON3和 TALONx 等4代，已在 PW4098、PW4158、PW4168和 PW6000等發動機上應用，如圖6所示。

RQL燃燒技術是美國NASA于20世紀70年代中期在試驗清潔燃燒室研究計劃（ECCP）中開發的低排放燃燒技術。RQL低污染燃燒實際上是1個軸向分級燃燒的方案，分為富油（初始）燃燒區、淬熄摻混區和貧油燃燒區3部分（如圖7所示），其降低NOx排放的原理是在NOx生成量低的富油區和貧油區進行燃燒，對于接近化學恰當比的NOx大量生成的區域，利用空氣大量摻混使其淬熄，從而達到降低NOx排放的目的。

TALON燃燒室為單環腔結構，其頭部采用PW公司研制的空氣霧化噴嘴，火焰筒壁面冷卻方式為沖擊發散浮動壁冷卻，燃燒室分為富油燃燒區、淬熄摻混區和貧油燃燒區3部分；摻混區氣流流速加快，通過迅速冷卻熱的燃氣來減少NOx的排放。TALON燃燒室的結構和原理如圖8所示。

TALON2燃燒室的NOx排放水平比CAEP2標準的低50%以上，而TALON3燃燒室的NOx排放水平比TALON2標準的又降低了15%。TALON燃燒室與常規燃燒室污染排放水平比較如圖9所示。

3.1.3 TVC燃燒室[4]

TVC燃燒室如圖10所示，是由美國空軍懷特實驗室于20世紀90年代初提出、由GEAE公司和空軍科學研究實驗室（AFRL）聯合開發的1種新型燃燒室，目前已經由單外腔軸對稱結構、單管軸對稱結構，發展到第3代單腔或雙腔環形結構。

駐渦燃燒室是1種徑向分級燃燒室，包括2個由插入燃燒室火焰筒內的駐渦腔組成的值班級和1個主燃級。在包括地面和高空點火在內的所有較低功率的狀態下，該燃燒室只有值班級（駐渦腔）富油工作，以降低CO和CH的排放量，同時擴大點火和貧油熄火裕度；在較高功率（30%功率以上）狀態下，值班級和主燃級同時工作，值班級在低于化學恰當比的條件下工作，而主燃級在比化學恰當比低得更多的條件下工作，以降低NOx的排放量。

圖9 TALON燃燒室與常規燃燒室污染排放水平比較

圖10 駐渦燃燒室

第3代駐渦燃燒室的扇形段試驗表明，與常規渦流穩定燃燒室相比，TVC的起動點火、貧油熄火和高空重新點火性能均提高了50%，工作范圍拓寬了40%，燃燒效率保持在99%以上，NOx排放量為CAEP2標準要求的40%～60%。目前，GEAE公司正在進行進一步的產品開發和應用研究。

3.2 歐洲先進低排放燃燒室

3.2.1 ANTLE （Affordable Near-Term Low Emissions）低污染燃燒室

20世紀90年代末，歐盟發起了高效環保航空發動機研究計劃（EEFAE）。該計劃為期4 a，總投資達1億英鎊，是1項有史以來最大規模的推進技術研究計劃,包括ANTLE和CLEAN 2個子計劃。英國RR公司在ANTLE子計劃支持下，發展了ANTLE低污染燃燒室技術；德國MTU公司和法國SNECMA公司在CLEAN子計劃下，研究了間冷回熱循環航空發動機。

ANTLE低污染燃燒室是1種單環腔貧油分級燃燒室,如圖11所示。其簡單的瓦塊式火焰筒長度短，燃油噴嘴為同心分級結構，其NOx排放水平比CAEP2標準的低50%以上。

3.2.2 NEWAC研究計劃下的低污染燃燒室

繼EEFAE計劃之后，為了滿足歐洲航空研究咨詢委員會（ACARE）提出的在2020年使航空發動機CO2和NOx排放分別比CAEP2標準的低20%和80%的目標，歐盟又制定了1項新的聯合發展計劃，即新型航空發動機核心機概念（NEWAC，New Aero engine Core concepts）研究計劃[5]。該計劃以德國MTU公司為牽頭單位，總投資為7100萬歐元，目標是通過采用新技術，使發動機的CO2排放再降低6%，NOx排放再降低16%，如圖12所示。

圖11 ANTLE低污染燃燒室

圖12 NEWAC的CO2和NOx減排目標

由于貧油燃燒單環腔燃燒室（SAC）具有結構簡單、質量輕、容易冷卻等特點，而貧油燃燒由于燃燒溫度低，溫度分布均勻，可使NOx排放明顯降低。因此，在NEWAC計劃中，將超低NOx污染（ULN,Ultra Low NOx）燃燒室的研究重點放在了帶有貧油分級燃油噴嘴的SAC上（如圖13所示）。

ULN燃燒室的核心技術高度依賴于貧油燃燒噴射系統的性能，因此，NEWAC對之前在歐盟以及國家支持下研發的3種不同貧油噴射技術進行了研究，即 LPP、局部蒸發 -快速混合（PERM，Partial Evaporation&Papid Mixing）和LDI技術。研究表明，這3種燃油噴射技術適用于不同增壓比范圍的發動機（如圖14所示）。

圖13 貧油燃燒單環腔燃燒室（SAC）發展方向

圖14 針對不同增壓比范圍的各種燃油噴射技術應用

LPP噴射方法（如圖15所示）更適合于低增壓比發動機循環，因為在這個范圍內，自燃和回火的限制較低。LPP噴射方法基于幾股氣流的相互作用，第1股氣流用于燃油霧化，第2股氣流用于油氣混合和燃油蒸發；這2股氣流共同作用，促進火焰筒內火焰的穩定。

PERM噴射方法 (如圖16所示)基于旋流技術的發展，其目的是使燃油在內部管道內部分蒸發，在燃燒室內與空氣進行快速混合，以實現對火焰所處位置以及貧油燃燒穩定性的優化。

LDI噴射方法（如圖17所示）基于1個可控制的預混合概念，采用同軸內部分級燃油噴嘴和優化的值班級與主燃級火焰結構，通過控制其相互作用，達到降低NOx排放和穩定火焰的目的。

圖15 LPP噴射方法

圖16 PERM噴射方法

圖17 LDI噴射方法

4 結束語

隨著全球氣候變暖等環境問題的日益加劇，降低航空發動機污染排放的需求變得越來越迫切。美國和英國等歐洲航空技術先進國家研制的低污染燃燒室，已在多型號發動機上得到應用，其NOx排放水平均已達到比CAEP2標準規定值低50%的水平。

目前，歐美的新一輪減排大戰已開始。歐洲ACARE制定的2020年減排目標，將使航空發動機的CO2和NOx排放水平分別比CAEP2標準標準值降低20%和80%，歐盟為此制定的1項新的階段性聯合發展計劃NEWAC將使CO2和NOx排放水平在原有基礎上再分別降低6%和16%；而美國GE公司與NASA已在TAPS燃燒室基礎上展開合作，期望于2025年將NOx排放降低至比CAEP2標準標準值低80%的水平。

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