民用航空发动机低排放燃烧室技术发展现状及水平

为了从科学和技术的角度展望民用航空发动机低排放燃烧室技术的发展方向,基于污染物生成机理及控制原理阐述了富油和贫油燃烧的污染排放控制方法,回顾了富油-焠熄-贫油燃烧(RQL)、贫油预混预蒸发燃烧(LPP)和贫油直接喷射燃烧(LDI)3种低污染燃烧技术的发展现状,并分析了新一代民用航空低排放燃烧室技术目前所达到的低污染排放水平。采用贫油燃烧技术的双环预混旋流器燃烧室(TAPS)已经应用于型号并取证,其NOx排放比CAEP/6(Committee on Aviation Environmental Protection/6)标准低50.0%~65.8%,达到了超低排放水平,证明了贫油燃烧的发展潜力。要实现NOx排放比CAEP/6低75.0%以上的超超低排放目标,需要利用燃烧数值模拟和光学诊断等先进工具,对燃烧室内喷雾、混合、流动、燃烧及它们之间的非定常相互作用开展更深入的研究。     

一种模型低污染燃烧室三维两相数值模拟

贫油预混预蒸发(LPP)技术是目前最具发展前景的低污染燃烧技术,可实现很低的NOX排放。本文采用FLU ENT软件,对一种模型低污染燃烧室(采用LPP燃烧技术)进行三维两相数值模拟计算分析,研究了模型燃烧室的流场结构、流量分配、回流特性、雾化特性和燃烧性能,并对NOX排放进行了预测。结果表明,模型燃烧室流场中存在与TAPS燃烧室相似的三个涡结构,流量分配与试验吻合良好,雾化特性良好并具有较好的温度场和低的NOX排放。     

LPP低污染燃烧室单头部燃烧性能试验

对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室单头部三级旋流器进行燃烧性能试验,研究不同的油气比、进口空气流量和进口空气温度以及值班级喷嘴安装位置对燃烧室出口截面燃烧性能的影响,获得了燃烧室出口截面温度分布、燃烧效率以及污染物排放的规律.试验结果表明:1油气比增加,NOx排放相应增加;头部A燃烧性能稍优于头部B;2同一油气比下进口空气温度越高,其燃烧污染物排放越多;进口空气流量越大,污染物排放越少;3值班级喷嘴安装位置对LPP低污染燃烧室燃烧性能有一定影响.     

LPP低污染燃烧室两相喷雾燃烧数值研究

提出一种带有多点燃油直接喷射双环预混旋流(TAPS/MLDI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染圆筒燃烧室,为了获得该燃烧室两相喷雾燃烧流场与燃烧性能,利用Fluent数值研究三种LPP燃烧室头部方案和四种进口工况.计算结果表明:(1) LPP燃烧室头部冷态流场存在中心回流区、角落回流区和唇口回流区,流场结果与PIV试验结果吻合较好.(2)在头部方案不变的情况下,工况从100％推力下降到7％推力时,出口平均温度逐渐下降,污染物NOx排放相应减少.(3)在进口工况不变时,头部方案B燃烧性能相对最优.(4)热力型NOx的生成速率与燃气温度超过1950K区域的大小和最高燃气温度直接相关,热力型NOx的生成主要分布在火焰锋面附近.     

先进低氮氧化物排放燃烧室技术分析

富油燃烧-猝熄-贫油燃烧(RQL)是一种较为先进的航空发动机燃烧室技术,其中的关键技术是富油燃气与空气进行快速充分均匀的混合.先进低氮氧化物排放(TALON)燃烧室属典型的RQL燃烧室.本文对TALON燃烧室原理进行了概括性分析,并提出了TALON燃烧室设计理念上的可借鉴与启迪之处.     

TAPS低排放燃烧室的发展与设计特点分析

<正>低污染燃烧室的研发必须满足两条基本原则,一是要遵循低污染燃烧的基本原理;二是要满足燃烧室的基本性能要求。采用贫油直接混合加径向分级燃烧技术的TAPS燃烧室在这两者之间做出了很好的平衡与折衷,而且燃烧效率更高、燃烧室出口温度场更均匀、污染排放更低,能够满足ICAO对2016年后宽体客机发动机NOX排放的目标。随着人们环保意识的增强和全球航空运输业的快速发展,控制民用航空发动机污染物的排放,已成为现代民用航空发动机设计中必须遵循的重要原则。按照国际民航组织     

双环预混旋流与单、双环腔燃烧室性能对比

将中心分级的双环预混旋流(TAPS)燃烧室、单环腔燃烧室(SAC)及双环腔燃烧室(DAC)采用相同的扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸,采用相同的数理模型,对TAPS燃烧室,SAC,DAC进行三维数值模拟.对比研究了TAPS燃烧室,SAC,DAC的总压恢复系数、燃烧效率、燃烧室出口温度分布系数、污染排放等性能参数.研究结果表明:采用TAPS燃烧室,可获得比SAC和DAC更高的总压恢复系数及燃烧效率;比SAC和DAC更低的燃烧室出口温度分布系数及NO_x等污染的排放,尤其是设计工况下出口NO_x排放.从研究结果来看中心分级的TAPS燃烧室的技术优势十分明显,是一种很有发展前景的高温升、低污染燃烧室.     

富油燃烧-猝熄-贫油燃烧燃烧室技术分析

富油燃烧-猝熄-贫油燃烧（RQL）燃烧室是近年低污染燃烧室的研究热点,是实现航空发动机减少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃烧策略之一。总结了RQL燃烧室的特点,并针对RQL燃烧室设计理念提出了可借鉴与启迪之处。     

双环预混旋流低污染燃烧室数值研究

利用Fluent软件计算双环预混旋流(TAPS)低污染燃烧室三维两相喷雾燃烧流场,研究两种燃烧室结构和两种喷油方式对流场与燃烧性能的影响,采用标准κ-ε模型模拟湍流黏性,离散相模型追踪油珠运动轨迹,燃烧模型采用非预混平衡化学反应模型.计算结果表明:在进口条件不变情况下,改进燃烧室结构和喷油方式,能提高出口温度,同时可大幅降低出口污染物排放;在相同试验条件下,TAPS低污染燃烧室燃烧性能优于目前某在研发动机模型燃烧室.     

贫油预混预蒸发低污染燃烧室流场特性试验

采用粒子图像测速(PIV)技术测量带双环旋流多点燃油直接喷射(TAMI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场特性,试验相同进口条件下冷态及喷雾燃烧时流场结构,通过分析平均流场涡量、湍流强度及切应变率等特性参数来详细说明喷雾燃烧对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场的影响,并且研究了不同进口参数对其燃烧流场的影响.试验结果表明:1装有此头部的LPP低污染燃烧室喷雾燃烧流场回流区比冷态流场要小,并且平均流场特性参数在燃烧前后变化比较大;2随着进口油气比增加,中心回流区变短变胖;3随着进口空气量增加,回流区变窄变长.本试验所获得的流场特性结果可为低污染燃烧室的设计提供了一定的参考.     

国外民用航空发动机低污染燃烧室的发展

由于地球大气污染加剧，低污染燃烧室的研制成为了制约民用飞机发动机发展的关键技术之一。叙述了ICAOCAEP标准对民用航空发动机污染物排放的规定，以及污染物形成机理和排放控制方法，详细介绍了美国和英国、德国等欧洲航空发动机先进国家研制的多种高效低污染燃烧室，如TAPS、TALON、TVC和ANTLE等。这几种燃烧室的污染物排放水平均比CAEP2标准规定值低50％以上，其研制、发展和使用经验，对中国低污染燃烧室的研制和发展具有重要的参考价值。     

先进燃烧室分级燃烧空气流量分配的探讨

参加燃烧的空气流量分配将大于60%的特点使常规燃烧室无法满足高温升和低污染燃烧室的基本要求.从燃烧的基本特性以及燃烧室的基本性能要求出发,重点分析了常规燃烧室中设计的燃烧空气分配的极限,讨论了高燃烧气量分配下燃烧室关键技术问题和软分级概念.通过比较现有燃烧室分级方式的特点,指出从稳定性角度出发RPP(rich premix prevaporized)中心分级是解决超高温升燃烧室的较佳方法,而LPP(lean premix prevaporized)中心分级是解决低污染燃烧室的较佳方法.     

基于分层和分级燃烧机理的低污染燃烧室设计和排放性能预估

保持扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸不变,将燃烧室分别设计为单环腔燃烧室(SAC)、双环腔燃烧室(DAC)、双环预混旋流(TAPS)燃烧室、中心分级燃烧室(CSC)和三旋流燃烧室(TSC)5种燃烧室结构,保持湍流、喷雾、燃烧、辐射及排放数理模型不变,对5种燃烧室进行三维数值模拟.对比研究了5种燃烧室的污染排放性能.结果表明:采用分级燃烧的DAC慢车状态下CO排放量最低,采用DAC在慢车状态下的CO排放量比SAC降低了近62%.采用分层燃烧的TAPS燃烧室的NOx排放量最低,采用TAPS的NOx排放量比SAC降低了近43.5%.     

航空发动机排气污染物控制与适航符合性研究

基于民用航空活动对环境排放污染占比快速增长的现状，结合民用航空领域排放物相关政策的历史沿革和背景，展望了发动机排放物政策的发展趋势，研究表明由于NOx危害较大且很难控制，国际民航组织（简称ICAO）和美国联邦航空局（简称FAA）对NOx的要求日趋严格，而对HC、CO和烟的排放要求基本没有变化。同时介绍了低污染燃烧技术发展概况，分析了排气污染物的生成机理和主要影响因素以及改善措施，基于污染物生成机理及控制原理阐述了富油和贫油燃烧的污染排放控制方法。最后对飞机排放适航符合性验证方法进行了介绍，提出了基于发动机台架试验的LTO循环中气态排放污染物和烟尘的测量程序和计算分析方法，该测量程序和计算分析方法能较准确地评估航空发动机运行过程中的排气污染物水平，可以推广应用到航空发动机和大型燃气轮机的排放评估和预测。     

Low-NOx Combustor Development pursued within the scope of the Engine 3E German national research program in a cooperative effort among engine Manufacturer MTU,University of Karlsruhe and DLR German Aerospace Research Center

MTU Aero Engines, the University of Karlsruhe and the DLR Aerospace Research Centre co-operated within the scope of the German national aeronautical research program Engine 3E. The program was focused on improving high-bypass turbofan engines. As a part of this program, a low-emission single-annular combustor was developed. The NOx emissions of this combustor are significantly reduced by using the rich-lean combustion concept.The basic idea of this concept is to avoid stoichiometric combustion conditions by splitting the combustion domain into a fuel-rich zone (low-oxygen zone) and a fuel-lean (low temperature zone). The NOx reduction capability of a combustor of this type scales with the homogeneity of the mixture in the rich zone and the time interval needed for the transition from the rich to the lean zone.Based on the insights gained from this cooperative research, an annular combustor was developed and tested at pressures up to 20 bar and inlet temperatures up to 800 K. The tested annular combustor was found to have NOx emissions of about 40% of the ICAO 96 standard. The carbon monoxide and unburned hydrocarbon emissions of the combustor are of about the same levels as present state of the art combustors.     

贫油预混预蒸发低污染燃烧室头部流场研究

 通过数值与试验相结合的方法对一种带有多点燃油直接喷射/双环预混旋流(TAPS/MLDI) 燃烧室头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室冷态流场进行研究。采用粒子图像测速仪(PIV)试验研究不同火焰筒头部结构参数(值班级旋流器叶片安装角) 对LPP低污染燃烧室气流结构的影响。同时利用FLUENT软件对该低污染燃烧室进行数值模拟,所得的计算结果与试验数据比较吻合,表明所研究的LPP低污染燃烧室头部都存在中心回流区(PRZ)、角落回流区(CRZ)以及唇口回流区(LRZ),而且随着值班级旋流器旋流角度的增大,所得的中心回流区径向与轴向尺寸也相应增加。     

航改型双环燃烧室燃烧反应特性试验

针对地面运输用燃气轮机低排放的要求，试验研究了一种双环预混旋流(TAPS)燃烧室在以0号柴油为燃料时的反应特性。结果表明:采用TAPS燃烧室由于空气分配方式的改变，总压恢复系数在0.97以上，高于经典单环燃烧室。由于柴油黏度和燃点的影响，使用柴油为燃料时最低常压点火油气比高于0.05，要比相同结构采用航空煤油为燃料时的点火油气比高，但慢车贫油熄火极限没有明显的变化，维持在0.006~0.008之间。采用压力雾化的预燃级存在燃料混合不均匀的问题，导致燃烧效率只能达到0.99，为要求值的下限，但燃烧室出口温度分布系数小于0.25，达到了所要求的性能指标。由于采用了预混预蒸发燃烧，污染物排放中NOx的干基体积分数为1.76×10-5，明显低于所要求的性能指标，但CO的干基体积分数较高达到了5.02×10-4。综合比较各项性能指标，该燃烧室在点火、贫油熄火、燃烧室出口温度分布和NOx排放上表现出了一定的优势，但燃烧效率低和CO排放高还是需要解决的问题。      

富油/快速淬熄/贫油驻涡燃烧室低NO_x排放

1引言过去的30年中,传统的旋流稳定的燃烧室的设计在不断改进,这些改进减少了污染排放并且有许多已成功用于生产之中。GE飞机发动机公司和AFRL共同开发了一项用于燃气涡轮发动机的新的燃烧技术,由于在凹腔中的火焰是通过驻涡稳定,因此这种燃烧室称为驻涡燃烧室[1~3]。同时,富油