大飞机发动机先进低排放燃烧室技术

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3、圜豇珏虿衄TechnologyofAeroengineforLargeCommercialAircraft]●●●J大飞机发动机先进低排放燃烧室技术AdvancedLowEmissionCombustorTechnologiesforLargeCommercialAircraftEngine沈阳发动机设计研究所梁春华尚守堂梁春华自然科学研究员。主要从事航空发动机情报研究。发表论文40多篇。随着环保与健康意识的不断增强，人类对大飞机发动机的CO，、H，O、S02、冒烟、CO、UHC排放要求，特别是对N0，的排放要求越来越严格。为此，国际民航组织多次修改民用航空发动机

4、污染排放标准，分别于1986、1996、2004和2008年发布了CAEPI、CAEP2、CAEP4和CAEP6标准，不断提高对发动机污染排放的要求。以压缩比为36的发动机为例，与CAEP2的NO，排放值要求相比，CAEP4的降低了12％，CAEP6的降低了2l％。低排放燃烧室已成为大飞机发动机进入国际市场的“门槛”技术。40航审制造技术·2010年第14期随着双环腔预混旋流、富油燃烧一猝熄一贫油燃烧、贫油预混预蒸发和驻涡等新型燃烧室技术的不断发展和成熟，未来大飞机发动机的排放水平将达到甚至超过国际排放标准要求。甚至会取得突破性进展o20世纪90年代后期以来，美国和欧盟国家等独立(和／

5、或)联合实施了超高效发动机技术、TECH56、LEAP56、经济可承受的近期低污染验证(ANTLE)、环境友好的航空发动机部件验证机验证(CLEAN)、环境友好的航空发动机(VITAL)、新型航空发动机方案(NEWAC)、革新的发动机结构系统验证(DREAM)和清洁天空(CLEANSKY)等研究计划，开发和验证双环腔预混预旋流(TAPS)、富油燃烧一猝熄一贫油燃烧(RQL)、贫油预混预蒸发(LPP)和驻涡(TVC)等低排放燃烧技术，以满足未来对大飞机发动机低排放的要求。烧技术已经在不同程度上达到降低排放的效果，有的已经成功应用，有的正在深入验证11-61。TAPS燃烧室TAPS燃烧室南

6、1个中心扩散火焰稳焰的预燃级和同心外旋流器预混燃烧的主燃级构成。预燃级采用扩散燃烧模式，由包括2个同转涡流器的高流量压力雾化装置组成，此装置辅助产生适于点火和低功率状态这些先进的燃图1CFMTAPs燃烧室排放比较Te。n删。9yofAe⋯g。forLar9eCommercial觚啪大飞机发动机技术围2GEnx燃烧室示意图所需的雾化质量，有助于产生满足点火、起动、贫油燃烧稳定性和燃烧效率等设计要求所需的流场特性。主燃级采用预混燃烧模式，燃油喷入主燃级旋转空气中，混合后再进入燃烧区燃烧，以降低NO。排放值。该燃烧室能建立理想的预混环境，取得高的燃烧效率、较低且均匀的火焰温度，进而能降低NO

7、，排放值，也能明显延长下游部件的寿命；其空气完全由头部和混合器进入，无需在火焰筒上开稀释孔，避免了应力破坏，延长了火焰筒寿命。TAPS燃烧室采用了以下关键技术：(I)预混旋流技术；(2)值班级燃烧技术；(3)贫油直接喷射燃烧技术；(4)径向燃油分级技术；(5)宏观分层燃油喷嘴技术；(6)先进的冷却与高温材料技术。TAPS燃烧室是GE公司以试验性的清洁燃烧研究计划和高效节能发动机研究计划验证的双环腔径向分级燃烧室为基础研发的。第一代TAPS燃烧室，在TECH56和先进亚音速运输机(AST)研究计划下，在CFM56发动机上进行了试验验证。结果表明：(1)燃烧室的压降、燃烧效率、头部／火焰筒

8、壁温值与梯度、燃烧室出口温度品质(包括温度剖面和分布因子)、贫油熄火、点火特性、在关键设计点的火焰传输等都达到了预期的指标；(2)着陆／起飞状态NO。排放值较当时生产型富油头部燃烧室的降低了50％左右，UHC排放值没有增加，CO排放值符合高压比发动机排放标准，如图1所示。2008年，该燃烧室已经成功地应用在B787飞机的GEnx发动机上。GEnx燃烧室如图2所示。更低排放的第二代TAPS燃烧室由GE公司在LEAP56研究计划下开发，目标是使NO，排放值较第一代的降低50％，耐久性由第一代的4000个循环增加到20000个循环。同时，GE公司还正在与NASA合作，以TAPS燃烧室为基础，

9、开发更低排放的燃烧室，以达到在2025年将NO，排放值较ICAOCAEP2的极限值降低80％的目标州。驻涡燃烧室驻涡燃烧室是利用燃烧室内驻涡腔实现火焰稳定的一种创新性燃烧室，如图3所示。最典型的第i代驻涡燃烧室包括2个值班级和1个主燃烧级。值班级由插入燃烧室火焰筒内的驻涡腔组成。燃油和空气以适当的方式进入2个驻涡腔内，并在此形成涡流结构。驻涡腔的设计关键是使涡流结构驻留在驻涡腔中，使喷人的燃油与空气在驻涡腔内充分混合并燃烧，形成稳定的燃烧区。驻