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。     

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。     

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.      

贫油预混预蒸发燃烧室燃烧不稳定性试验研究

为研究贫油预混预蒸发燃烧室燃烧不稳定性及其与污染排放之间的相互影响关系,针对一种中心分级的贫油预混预蒸发圆形单头部燃烧室为研究对象,在巡航状态、85%工况和100%工况(模拟)开展了圆形单头部燃烧室沿程压力脉动和燃烧性能的测量,分析研究了燃烧不稳定性的变化规律和影响因素以及与NO_x排放的相互关系。试验结果表明,燃油分配比例、头部当量比、燃烧室进口参数(压力、温度、速度等)都对燃烧不稳定性有影响,且影响程度不同;燃烧室压力脉动和NO_x排放指数均与火焰筒头部当量比呈正相关关系,两者在一定程度上协同变化。     

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。     

民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势

针对民用发动机污染排放的现状,介绍了低污染燃烧技术发展概况及趋势,国际民航组织(ICAO)颁布的《航空发动机的排放》标准,以及中国民用航空局(CAAC)对排气污染物的规定,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.对6种先进低污染燃烧室(分级、变几何、催化、贫油预混预蒸发燃烧室(LPP)、富油燃烧/淬熄/贫油燃烧技术(RQL)以及双环预混旋流(TAPS)等燃烧室)的工作原理与特点、以及应用状况作了简要分析.其中分级燃烧技术构成了先进低污染燃烧室设计的技术基础,而LPP,RQL与TAPS燃烧室为三种很有发展前途的低污染燃烧室.此外,还介绍了贫油直接喷射、燃料电池以及主动燃烧控制等三种新型的低污染燃烧技术,虽然实现这些技术难度较大,但有广阔的应用前景.      

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。     

贫油直喷三喷嘴模型燃烧室燃烧性能

构建了反向双旋文氏管预混(CDV)三喷嘴矩形模型燃烧室,研究了其燃烧特征及性能.结果表明:火焰近乎全蓝色,类似气体的贫预混燃烧,且在此工况下,CO和NOx换算成15%含氧量(体积分数)下排放的体积分数分别低于10×10-6和50×10-6.此外,研究了进气温度变化对CDV三喷嘴污染物排放的影响,发现CO排放相对NOx更易受到进气温度变化的影响,并分析揭示了产生该现象的原因.另外雾化器的性能极易影响贫油直喷火焰特征;需要改进雾化器的加工工艺以确保在预热工况下它能够保持持续稳定的良好雾化性能.     

弱旋流燃烧器流场特征和污染排放研究

弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力,是未来燃气涡轮发动机低排放贫油预混燃烧组织方案之一。为了深入理解弱旋流流场特征和燃烧稳定性,建立了采用弱旋流燃烧器的试验装置,设计了不同几何尺寸的叶片式旋流器,采用PIV以丁烷为燃料获得了稳定的弱旋流火焰,采用激光诱导荧光技术测量了火焰结构,火焰中具有明显的局部熄火和再点火区域。在不同来流条件下开展了火焰稳定范围研究,确定了燃烧器的火焰抬升和贫油熄火油气比,燃烧器共呈现了三种不同的燃烧模式:附着火焰、"W"型火焰和"U"型火焰。采用燃气分析仪测量了燃烧器的污染物排放,所有状态下NOx排放低于10ppm。     

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。