燃气涡轮发动机干低排放燃烧室的研制及发展

简要介绍了RR、GE、PW、BMW-RR和SNECMA等公司燃气涡轮发动机干低排放燃烧室的设计、研制和应用,分析了燃料分级、预混预蒸发、贫油—猝熄—富油燃烧等干低排放燃烧室技术的特点,指出了干低排放燃烧室的发展潜力。     

贫油预混预蒸发燃烧室排放试验研究

提出一种采用直接喷射和部分预混预蒸发(DIPME)混合燃烧技术的中心分级燃烧室,这种DIPME燃烧室具有低工况稳定燃烧,高工况低NOx排放的特征。对采用该燃烧技术的单头部DIPME燃烧室进行LTO循环4个工况(慢车、返场、爬升和起飞)试验研究。研究结果表明:除慢车工况的燃烧效率接近0.99外,其余工况的燃烧效率均大于0.995;在LTO循环内DIPME燃烧室的CO,UHC和NOx排放均满足CAEP/6排放标准,其中NOx比CAEP/6低60.8%;同采用富油燃烧技术的燃烧室相比,采用该技术的DIPME燃烧室在降低CO和UHC排放上并没有什么优势,但在降低NOx排放上潜力巨大。     

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NO_x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NO_x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。     

民用航空发动机低排放燃烧室技术

导读:国际上对民用航空运输污染排放的限制标准越来越严格,燃烧室作为民用航空发动机污染排放的唯一来源,降低污染排放物的生成量是燃烧室研制面临的重要任务,低排放燃烧技术作为民用航空发动机的关键技术之一,是支撑民用航空发动机研制和进入市场的核心技术.本文简述了民用航空发动机污染排放标准的发展趋势、污染物的生成机理和控制、先进低排放燃烧室技术和未来超低排放燃烧技术发展方向.     

低排放航空燃气轮机燃烧技术

对于干式低排放燃烧技术,富油急冷贫油燃烧室、贫油预混预蒸发燃烧室、贫油直喷燃烧室是最值得关注的概念,同时这些燃烧概念通常也需要与分级概念结合使用。本文针对当前较受关注的低排放燃烧技术,对其能力、限制和发展做一个简要而全面的介绍。     

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。     

新概念燃烧室应用高温空气燃烧技术的数值模拟

为了将高温空气燃烧技术(HiTAC)应用于航空发动机燃烧室设计,本文设计了一个全新概念的燃烧室.该燃烧室将小型预燃室燃烧产生的高温贫氧烟气直接喷入与其连接的火焰简内组织成高温贫氧空气燃烧.本文对该燃烧室内的燃烧状态进行了数值分析.结果表明:该新概念燃烧室具有温度均匀分布,壁面有效冷却,NOx低排放,节约燃油等优势.     

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     

主燃级基于旋流直射式喷嘴的超低排放燃烧室实验研究

为了实现航空发动机超低NO_x超低排放的目标，本文提出贫油预混预蒸发低排放燃烧室主燃级采用旋流直射式喷嘴技术，达到主燃级燃油和空气强化混合的效果，获得良好均匀性的油气混合物进行燃烧。在单头部燃烧室试验件上实验研究了LTO循环4个工况(慢车、进场、爬升和起飞)的燃烧性能和污染排放性能。研究结果表明：除慢车工况的燃烧效率接近0.99外，其余工况的燃烧效率均大于0.995；在LTO循环内，CO,UHC和NO_x排放均比CAEP/6排放标准降低50%以上，且NO_x比CAEP/6低72.5%，达到了超低排放的目标；同时与其他各型低排放燃烧室相比，起飞工况、爬升工况的NO_x排放在LTO循环中的占比均有较大幅度的降低。     

R0110重型燃气轮机分级燃烧室NOx排放试验研究

R0110重型燃气轮机是中国第1台具有自主知识产权的重型燃气轮机,其燃烧室按照干式低排放（Dry Low NOx,DLN）原理设计,采用燃料径向分级的燃烧技术.燃烧室设计包括2种分级燃烧模式,第Ⅰ模式为常规燃烧模式,第Ⅱ模式主要是针对NOx排放问题而设计的.2种燃烧模式试验研究结果表明：第Ⅱ模式较第Ⅰ模式在污染物排放方面有显著降低,但2种模式均未满足设计要求.通过对试验结果做简要的阐述及分析,提出可采取调整各燃烧区的燃料分配比例、改进燃烧室结构等措施和建议,以进一步改善燃烧室NOx排放特性.     

直混燃烧与LPP组合燃烧室数值研究

设计了直混燃烧与贫油预混预蒸发(LPP)组合的单管燃烧室.燃烧室头部采用同轴同旋向主模旋流器和副模旋流器结构,主、副油路分别采用直射式喷嘴和压力雾化喷嘴,可以在单管燃烧室上掌握和实现低污染燃烧排放控制技术,并采用Fluent软件对设计的单管燃烧室模型进行数值模拟.计算结果表明:主副模燃烧区相互独立;副模是直混燃烧,主要作用稳定火焰.主模是预混燃烧,燃烧区温度分布均匀,从而实现低NO_x排放.解决了大工况下低NO_x排放与慢车贫油熄火之间的矛盾.      

典型工况下低排放燃烧室的压力振荡特性

为了研究低排放燃烧室在典型工况下的压力振荡特性,针对模型燃烧室进行了燃烧自激振荡特性试验.在试验中测量了采用贫油预混预蒸发(LPP)燃烧技术的低排放燃烧室在典型工况下的压力振荡频率和幅值,在燃烧室进口压力为1.10～2.77MPa、燃烧室进口温度为656～845 K、燃烧室压降为3.41％～4.35％范围内,分析了燃油粒径变化对振荡特性的影响.分析结果表明:局部当量比脉动是引发燃烧不稳定的因素之一.通过计算燃油二次雾化状态下的液滴最大粒径,发现燃油液滴粒径的变化对主燃级出口处的局部当量比脉动有直接影响,从而引起燃烧室压力振荡幅值和频率的变化.     

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.     

高温升燃烧室数值模拟研究

为了满足高性能飞机对于高机动性、超声速巡航的需求,针对高推重比、高热力性能发动机的特点,设计了一种高温升燃烧室。利用分级燃烧、多点喷射、空气雾化喷嘴和发散小孔冷却等先进技术,解决了高温升燃烧室的技术难点。应用CFX软件对其进行了2个工况的数值模拟,得到了燃烧室的速度场、温度场的分布特性、污染物的生成情况。试验结果表明,燃烧室燃烧效率高,污染物排放低。     

双旋流驻涡燃烧室湍流燃烧流动的数值分析

提出了带导流片的双旋流驻涡燃烧室以进一步发展低排放、高效燃烧技术。改变旋流器的结构参数以及旋向,对双旋流驻涡燃烧室内部燃烧湍流流场进行了数值模拟。结果表明:增大旋流器内外径比对燃烧效率有一定影响,NO_x排放降低了约8%。旋流器中心间距对燃烧性能的影响不如内外径比的大。不同旋向下燃烧室均可获得良好的双涡结构,但反旋时下游火焰筒的高温度梯度场会对筒壁造成强烈热冲击,同旋时NO_x排放降低了约22%,因此同向旋转结构总体上要优于反向旋转结构。     

大发动机双环腔燃烧室设计及性能分析

对双环腔燃烧室进行优化设计,研究双环腔燃烧室的性能及其污染物排放规律.参考国外某双环腔燃烧室的结构,将其火焰简结构设计为并联式双环腔结构.改变主燃区、预燃区旋流器的结构,优化主燃孔、掺混孔的位置及孔径大小,进行流动、燃烧及排放数值模拟.获得了不同结构双环腔燃烧室的总压恢复系数、燃烧效率、燃烧室出口温度分布系数、污染排放等性能参数.对比分析不同结构双环腔燃烧室的计算结果.结果表明:经过优化后的双环腔燃烧室出口具有更高的总压恢复系数和燃烧效率,更好的温度分布,更低的CO和NOx排放.     

旋流器结构对贫油直喷燃烧室的性能影响

针对单元贫油直喷(LDI)喷嘴的旋流器设计问题,实验研究了旋流器结构变化(改变旋流器级数、双旋流器旋向及混合段收缩角等)对燃烧室总压损失、燃烧效率以及污染物排放等性能的影响规律.结果表明:旋流器结构变化对燃烧室性能有很大影响.同向双旋流燃烧室总压损失大于与之相同计算旋流数的单级旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室总压损失略低于同向双旋流燃烧室,燃烧室总压损失随收缩角增大而呈增大趋势.相较单级旋流燃烧室和同向双旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室在不同贫油气比工况下均具有更高的燃烧效率和更低的污染物排放.另外,燃烧效率及污染物排放受收缩角的影响.最佳收缩角角度的选取需要综合权衡总压损失、燃烧效率及污染物排放水平.     

三级旋流器旋流角匹配影响双环预混旋流燃烧室燃烧性能试验

为研究地面用燃气轮机以0号柴油为燃料时的燃烧特性,对装有值班级直射式喷嘴和5种旋流器组合方案的双环预混旋流(Twins Annular Premixing Swirler,TAPS)燃烧室的特性进行了实验测试,获得了5种旋流器组合方式下燃烧室的流阻性能和燃烧性能。研究结果表明:双环预混旋流燃烧室的总压恢复系数都在0.97以上,高于经典的单环腔燃烧室;值班级采用直射式喷嘴会导致燃烧室的点火和CO排放性能下降,点火油气比在0.04以上,CO排放高于36g/kg;随值班级旋流角增大,可改善点火性能,最低点火油气比可达到0.04左右,加宽贫油熄火边界,慢车贫油熄火边界可低至0.0058;燃烧室入口温度升高可以使燃烧室点火油气比下降30%,贫油熄火油气比下降35%;5种旋流器组合方式下,NO_x和UHC的排放最低达到了1.1g/kg和3.85g/kg,满足低排放燃烧室的要求,冒烟指数达到了无烟燃烧室的标准,CO排放最高达到了51.84g/kg远高于要求值,燃烧效率最高为0.987,低于先进燃气轮机对燃烧效率的要求。     

富油/焠熄/贫油(RQL)燃烧室燃烧和排放特性的实验研究

针对燃气轮机低排放燃烧室的研究,设计了以甲烷为燃料采用预混燃烧的富油/焠熄/贫油(RQL)模型燃烧室。通过对RQL模型燃烧室内轴向温度和组分浓度分布,燃烧室出口温度分布及排放进行实验研究,分析了焠熄与主流空气流量之比,富油区当量比对燃烧性能和排放特性的影响规律。结果表明:典型RQL燃烧方式下富油区火焰颜色较暗,贫油区火焰为淡蓝色,燃烧室内轴线方向温度呈M型分布,NO_x主要在焠熄区生成。CO,UHC和O_2浓度在经历焠熄区时发生突变;出口NO_x和CO排放都较低。保持头部当量比不变,随着焠熄与主流空气流量比的增加,燃烧室出口平均温度下降,NO_x排放下降,CO排放上升。保持焠熄与主流空气流量比不变,富油区当量比小于1.4时,不能再实现RQL燃烧模式。     

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.