高磊+汪軍

摘 要： 針對(duì)我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室污染物排放的現(xiàn)狀，介紹了各國(guó)對(duì)民用航空和工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)的排放規(guī)定，分析了燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室主要污染物的生成機(jī)理、影響因素以及減少污染物排放的措施.對(duì)先進(jìn)的低污染燃燒室中具有代表性和發(fā)展前景的四種類型燃燒室作了簡(jiǎn)要的介紹，它們分別為雙環(huán)預(yù)混旋流（TAPS）燃燒室、 貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)（LPP）燃燒室、富油燃燒焠熄貧油燃燒（RQL）低污染燃燒室以及駐渦燃燒室（TVC）.并且介紹了高溫升燃燒室的研究現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)難題.最后，對(duì)燃燒室火焰筒多斜孔冷卻、沖擊/多斜孔復(fù)合冷卻、層板冷卻以及沖擊/氣膜冷卻等四種方式的現(xiàn)狀進(jìn)行了討論.

關(guān)鍵詞： 燃燒室； 低污染； 高溫升； 冷卻方式

中圖分類號(hào)： TK 473.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： Aimed at the pollutant emissions status of gas turbine combustor in our country，the standards of pollutant emissions for the civil aviation and industrial gas turbine were introduced.The formation mechanism and influential factors of the main pollutants in gas turbine combustor were summarized.Then the improvements for reducing the pollutant emissions were discussed.A brief introduction of four advanced lowemission combustors which were typical and had good potentials were made，including twin annular premixing swirler（TAPS） combustor，lean premixed prevaporized（LPP） combustor，rich burningquick mixinglean burning（RQL） lowemission combustor and trapped vortex combustor（TVC）.The current situation and bottlenecks of high temperature rise combustor were introduced.Finally，four combustor cooling methods were discussed，such as effusion cooling，impingement/effusion cooling，multilaminate sheets cooling and impingement/film cooling.

Keywords： combustor； lowemission； high temperature rise； cooling method

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)核心部件之一.目前燃燒室的發(fā)展趨勢(shì)主要有兩種：一是民用航空燃?xì)廨啓C(jī)和工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室朝著低污染方向發(fā)展；二是為了大幅度提高軍用航空燃?xì)廨啓C(jī)的推重比，燃燒室朝著高溫升方向發(fā)展.隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，民用航空和工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室朝低污染方向發(fā)展是必然的，但是另一方面，為了保證國(guó)家軍力的發(fā)展壯大，燃燒室朝著高溫升方向發(fā)展也是一種趨勢(shì).所謂的高溫升燃燒室是針對(duì)推重比超過(guò)12提出的.這種軍用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度比現(xiàn)有的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)明顯升高.以戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為例[1]，第三代渦輪進(jìn)口溫度為1 680～1 750 K，第四代渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1 850～1 980 K，未來(lái)一代的渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到2 200 K.無(wú)論是朝低污染方向還是高溫升方向發(fā)展，都對(duì)燃燒室的發(fā)展提出了新要求.

1 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒污染物排放要求

燃?xì)廨啓C(jī)排放的氣態(tài)污染物主要是一氧化碳（CO）、未燃碳?xì)洌║HC）、氮氧化物（NOx）和硫化物（SOx），顆粒污染物主要是燃燒室的冒煙.大氣污染物中的氮氧化物和未燃碳?xì)溆捎诠饣瘜W(xué)反應(yīng)生成的二次污染物，對(duì)環(huán)境的破壞更加嚴(yán)重.雖然從污染物排放總量上來(lái)說(shuō)，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒污染物排放所占比例很小，但是在局部地區(qū)，如機(jī)場(chǎng)附近或者使用燃?xì)廨啓C(jī)的場(chǎng)所會(huì)聚集高濃度的污染物.在空中，各類飛機(jī)產(chǎn)生的排放污染物是高空大氣污染物的唯一來(lái)源，因此，燃?xì)廨啓C(jī)的排放受到了越來(lái)越嚴(yán)格的限制.再者，由于具有燃?xì)廨啓C(jī)安全和高效的特點(diǎn)，在聯(lián)合循環(huán)和提供能源和動(dòng)力方面，其所占的份額也會(huì)越來(lái)越大[2].因此，首先要解決的就是如何實(shí)現(xiàn)低污染排放.

1.1 民用航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒排放標(biāo)準(zhǔn)

民用航空燃?xì)廨啓C(jī)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際民航組織（ICAO）頒布.該標(biāo)準(zhǔn)不僅對(duì)航空用燃?xì)廨啓C(jī)的污染排放作出了規(guī)定，同時(shí)對(duì)污染物排放的測(cè)試方法作出了嚴(yán)格規(guī)定.1983年ICAO成立了負(fù)責(zé)組織環(huán)境保護(hù)的航空保護(hù)委員會(huì)（CAEP）；1986年通過(guò)了第一個(gè)污染排放標(biāo)準(zhǔn)（CAEP1）；1996年召開(kāi)了第二次正式會(huì)議，通過(guò)了CAEP2；在2004年召開(kāi)的會(huì)議上，加強(qiáng)了對(duì)NOx的排放要求，標(biāo)準(zhǔn)修訂版稱為CAEP4.2005年的修訂版（CAEP6）中更進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)NOx的排放限制.

值得注意的是，除了對(duì)NOx的排放規(guī)定日益嚴(yán)格外，對(duì)其他污染物如一氧化碳、未燃碳?xì)湟约懊盁煹囊?guī)定沒(méi)有變化.CAEP4中規(guī)定的NOx排放水平比CAEP2的規(guī)定值降低了16%，CAEP6中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)又比CAEP4的降低了12%.這是因?yàn)镹Ox的排放最難控制且危害最大[3].

1.2 工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒排放標(biāo)準(zhǔn)endprint

由于各國(guó)各區(qū)的法律法規(guī)不同，目前對(duì)于工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)燃燒排放還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)都是根據(jù)自身對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求制定.美國(guó)環(huán)保局規(guī)定[4]：對(duì)于使用天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)，其NOx的排放上限為2.5×10-5m3·m-3，CO的排放上限為5.0×10-5 m3·m-3；對(duì)于使用液體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)，由于污染控制的技術(shù)不成熟，因此其排放范圍更加寬泛.由于公眾環(huán)保意識(shí)強(qiáng)烈，未來(lái)美國(guó)南加州和日本很可能將NOx的排放限制在9×10-6m3·m-3，即所謂的個(gè)位數(shù)排放.歐洲的排放標(biāo)準(zhǔn)大體上和美國(guó)環(huán)保局的規(guī)定類似.

十分遺憾的是，我國(guó)對(duì)于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)方面的污染排放至今沒(méi)有任何規(guī)定.因此一些用戶對(duì)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的排放采用鍋爐的標(biāo)準(zhǔn).2011年頒布的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 13223—2011）中對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組的NOx排放限值在120 mg·m-3.這顯然是不合適的[5]，因?yàn)殄仩t的燃燒過(guò)程和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒過(guò)程大相徑庭.雖然國(guó)家沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是近年來(lái)已經(jīng)有地方政府開(kāi)始進(jìn)行這方面的立法嘗試.2011年北京頒布了固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 11/847—2011）[6]，其中NOx排放最高限值為30 mg·m-3.為適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展，我國(guó)有關(guān)部門應(yīng)盡快制定相關(guān)的法律和標(biāo)準(zhǔn).

2 燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放

2.1 污染物的生成機(jī)理

燃?xì)廨啓C(jī)排放的污染物主要有四種：氮氧化物、一氧化碳、未燃碳?xì)浜兔盁?雖然各種類型的燃燒室污染物排放總量大不相同，但是從污染物生成機(jī)理來(lái)看，卻基本上有著共同的規(guī)律.燃?xì)廨啓C(jī)低功率運(yùn)行時(shí)，例如啟動(dòng)時(shí)，一氧化碳和未燃碳?xì)渑欧帕枯^高，但是氮氧化物和冒煙排放量較低；燃?xì)廨啓C(jī)高功率運(yùn)行時(shí)，一氧化碳和未燃碳?xì)渑欧帕枯^低，但是氮氧化物和冒煙排放量較高.

2.1.1 氮氧化物

由于氮氧化物對(duì)空氣污染的影響很大，因此它是燃燒室中很重要的次要組分.燃?xì)廨啓C(jī)的排放污染物中，氮氧化物主要指一氧化氮和二氧化氮.在實(shí)際燃燒過(guò)程中，按照生成機(jī)理不同，氮氧化物可以分為“熱力型”、“快速型”、“燃料型”、“N2-O中間體機(jī)理”和“NNH機(jī)理[7]”等四種.

“熱力型”生成機(jī)理在高溫燃燒中起著支配的作用，當(dāng)量比可以在很寬的范圍內(nèi)變化；“快速型”生成機(jī)理在高當(dāng)量比燃燒時(shí)特別重要，但是在實(shí)際燃燒室的運(yùn)行中，“快速型”NO的生成量不大；“燃料型”氮氧化物的生成機(jī)理比較復(fù)雜，它的生成和破壞過(guò)程與燃料中氨受熱分解后在揮發(fā)分和焦炭中的比例有關(guān)，隨溫度和氧分等燃燒條件的改變而改變；“N2-O中間體機(jī)理”在低當(dāng)量比燃燒過(guò)程中對(duì)NO的產(chǎn)生有很重要的影響；“NNH機(jī)理”是由Gardiner等[7]提出的一種新的NOx生成機(jī)理.

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)高功率運(yùn)行時(shí)，燃燒室大部分NO的產(chǎn)生來(lái)源是“熱力型”NO，“快速型”NO的量較少.如果燃料含氮，就會(huì)在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生“燃料型”NO，在高當(dāng)量比時(shí)，“燃料型”NO生成量減少；但是在低當(dāng)量比時(shí)，“燃料型”NO會(huì)上升.這是因?yàn)楹剂戏纸獬蒒O生成先導(dǎo)物的活化能很低，因此，在高當(dāng)量比時(shí)，燃燒含氮燃料，NO的生成量可以大大減少.

影響氮氧化物產(chǎn)生的因素主要包括燃燒室工況和進(jìn)入燃燒區(qū)的燃料特性.由于空氣在進(jìn)入燃燒室燃燒前會(huì)經(jīng)壓縮機(jī)加壓，為了提高燃?xì)廨啓C(jī)的總效率，燃燒室的進(jìn)口壓力越來(lái)越高.壓力對(duì)氮氧化物生成量的影響十分復(fù)雜，且與燃料的種類、燃料的準(zhǔn)備方式和燃燒區(qū)當(dāng)量比有密切的關(guān)系.在航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中，當(dāng)采用常規(guī)空氣霧化噴嘴噴射燃料時(shí)，壓力對(duì)氮氧化物生成量的影響是壓力的冪函數(shù)，即

式中：N為NOx的生成量，mg·m-3；P為燃燒室進(jìn)口空氣壓力，Pa；n為指數(shù)，它在不同的燃燒室范圍不同.

在高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃（E3）[8]中，GE公司（General Electric Company）的研究中n等于0.37，P & W公司（Pratt & Whitney Group）的研究中n等于0.5；Lefebvre[9]在研究燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能影響時(shí)，整理出一個(gè)對(duì)GE公司和P & W公司的8種發(fā)動(dòng)機(jī)都適用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，式中n等于0.25.燃燒室進(jìn)口溫度和燃燒區(qū)當(dāng)量比的影響主要表現(xiàn)在燃燒區(qū)溫度對(duì)NOx生成的影響.在實(shí)際燃燒過(guò)程中，“熱力型”NO生成量最多，“熱力型”NO生成量與燃燒區(qū)溫度成正比.在燃燒區(qū)停留時(shí)間也是一個(gè)重要的因素[10].在低當(dāng)量比時(shí)，停留時(shí)間對(duì)NOx生成的影響減弱.對(duì)使用液體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室而言，噴霧特性、燃油蒸發(fā)率以及混合率都對(duì)NO的產(chǎn)生有重要的影響.

2.1.2 一氧化碳與未燃碳?xì)?/p>

燃燒室CO是一種不完全燃燒的產(chǎn)物，主要由形成和氧化兩個(gè)因素決定[11].在低功率運(yùn)行時(shí)，燃燒區(qū)溫度低，將會(huì)產(chǎn)生大量的CO，這是由于CO未完全氧化所導(dǎo)致的；在燃燒區(qū)當(dāng)量比較高時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生大量的CO，原因是燃燒產(chǎn)生的CO2將會(huì)分解成CO.

未燃碳?xì)渲饕冈谌紵页隹谖赐耆紵娜加皖w粒、燃油蒸汽以及燃燒過(guò)程中分裂的小分子燃油成分.未燃碳?xì)渲饕芪锢硪蛩氐目刂?，另外一部分未燃碳?xì)鋪?lái)自燃燒過(guò)程.未燃碳?xì)涞某跏夹纬蛇^(guò)程與碳煙的初始形成過(guò)程基本一致.在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中，影響UHC生成的因素和影響CO生成的因素基本一致.

2.2 降低燃燒室排放的措施

從上述分析可以看出，燃燒室的排污性能與燃燒室工況有很大關(guān)系，而燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室工況的變化是由燃?xì)廨啓C(jī)的工作特性決定.

2.2.1 減少氮氧化物的排放

在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的排放污染物中最難控制的是NOx的排放，這從ICAO頒布的數(shù)次法規(guī)中對(duì)NOx的限制越來(lái)越嚴(yán)格就可以看出.在實(shí)際工程中，例如現(xiàn)代的大型燃?xì)廨啓C(jī)，無(wú)論如何設(shè)計(jì)，燃燒區(qū)的溫度都會(huì)超過(guò)NOx大量生成的轉(zhuǎn)折溫度1 900 K.從NOx的生成機(jī)理來(lái)看，此時(shí)主要的氮氧化物應(yīng)為“熱力型”.因此，低污染燃燒的主要目標(biāo)就是降低“熱力型”NOx的排放.endprint

（1） 減少氮氧化物排放且主要是減少“熱力型”NOx的方法有兩大類，一是控制燃燒區(qū)的溫度，二是對(duì)排氣進(jìn)行處理.

從燃燒控制角度來(lái)說(shuō)，控制氮氧化物的排放關(guān)鍵在于降低燃燒區(qū)的溫度，包括局部高溫區(qū)和縮短氣體在高溫區(qū)的停留時(shí)間，其方法主要有：① 增加主燃區(qū)空氣量，但這會(huì)降低主燃區(qū)的溫度，使燃燒效率降低，并增加CO和UHC的排放量；② 燃料分級(jí)或空氣分級(jí)，燃料分級(jí)會(huì)造成初始低當(dāng)量比，而后高當(dāng)量比（淡濃）的燃燒過(guò)程，而空氣分級(jí)則會(huì)產(chǎn)生濃淡的燃燒過(guò)程；③ 減少停留時(shí)間，可以通過(guò)增加主燃區(qū)的流動(dòng)速度或者縮短燃燒室長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn).

從排氣處理角度來(lái)說(shuō)，對(duì)于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)可以使用選擇性催化還原（SCR）[12]技術(shù).該項(xiàng)技術(shù)的原理是催化法與噴氨法共同作用，使NO轉(zhuǎn)化為N2，催化劑為V2O5-TiO2.但是因?yàn)槌杀靖甙海壳爸挥腥毡竞偷聡?guó)大量使用該技術(shù).總的來(lái)說(shuō)，在我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)排氣處理距離實(shí)際應(yīng)用還有段距離.

（2） 減少一氧化碳和未燃碳?xì)涞呐欧?/p>

CO和UHC這兩種污染物，主要出現(xiàn)在低功率運(yùn)行時(shí)，例如燃機(jī)啟動(dòng)時(shí).基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)，CO和UHC在主燃區(qū)當(dāng)量比約在0.9時(shí)，排放量最低，因此要控制CO和UHC的排放量，就要調(diào)整主燃區(qū)在不同工況下的當(dāng)量比.其主要措施有：① 改善噴嘴使混合更加均勻；② 使主燃區(qū)當(dāng)量比接近最佳值0.9；③ 增加主燃區(qū)容積；④ 減少冷卻空氣量的使用；⑤ 分級(jí)供油，分區(qū)燃燒.

3 低污染燃燒室的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室大多參照航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì).航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒設(shè)計(jì)方案中主要采用了分級(jí)燃燒的概念.分級(jí)燃燒技術(shù)可以分為徑向分級(jí)、軸向分級(jí)、徑/軸向分級(jí)三種，其中：采用徑向分級(jí)的主要有雙環(huán)預(yù)混旋流（TAPS）燃燒室、雙環(huán)腔燃燒室（DAC）和駐渦燃燒室（TVC）；采用軸向分級(jí)的主要有富油燃燒焠熄貧油燃燒（RQL）低污染燃燒室和貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)（LPP）燃燒室；另外，還有噴嘴內(nèi)部中心分級(jí)的可變幾何燃燒室（VGC）、貧油直接噴射（LDI）燃燒室和催化燃燒室.下面就重點(diǎn)介紹幾種對(duì)未來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室發(fā)展比較有啟發(fā)的燃燒室.

3.1 雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒室

在先進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)中，由于燃燒室溫升較快，當(dāng)量比較大，參加燃燒的空氣增多，因而，燃燒區(qū)的空氣動(dòng)力特性主要由頭部進(jìn)來(lái)的流動(dòng)空氣決定.所以，就先進(jìn)燃燒室而言，一個(gè)好的頭部設(shè)計(jì)方案對(duì)燃燒室燃油和空氣分配組織及達(dá)到各項(xiàng)性能要求至關(guān)重要.TAPS燃燒室的頭部主要由一個(gè)中心擴(kuò)散火焰的預(yù)燃級(jí)和一個(gè)同軸預(yù)混燃燒的主燃級(jí)構(gòu)成，兩級(jí)之間由一定高度的臺(tái)階隔開(kāi)，預(yù)燃級(jí)由一個(gè)高流量數(shù)的壓力霧化噴嘴、內(nèi)外兩個(gè)圍繞噴嘴的同向雙級(jí)旋流器及套筒組成，而主燃級(jí)則由一個(gè)徑向旋流器、環(huán)狀空腔型主混合器及環(huán)形多點(diǎn)噴嘴組成.

TAPS燃燒室最早是在70年代由GE公司研發(fā).該公司做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，后來(lái)在NASA（National Aeronautics and Space Administration）的支持下，GE公司又對(duì)TAPS燃燒室做了持續(xù)而系統(tǒng)的研究.目前比ICAO CAEP2規(guī)定的NOx排放低50%以上的超低排放的燃燒室已經(jīng)在該公司投入使用[13].在下一代的TAPS燃燒室中，將借助計(jì)算機(jī)模擬和大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，在保持或減少NO排放的基礎(chǔ)上，將技術(shù)用在小尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)中.目前，GE公司已獲得與NASA合作的機(jī)會(huì)[14]，以TAPS燃燒室為基礎(chǔ)，期望在2025年前將NOx排放降低至比CAEP2排放標(biāo)準(zhǔn)低70%的水平.為達(dá)到這樣的目標(biāo)，其關(guān)鍵技術(shù)就是在主燃級(jí)油氣摻混中采用更加先進(jìn)的燃油噴射和油氣混合技術(shù)提高摻混的均勻性，保證合理的油氣分布.

3.2 貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室

貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室是從氮氧化物的生成機(jī)理上降低污染物排放，其基本模式是將燃料完全蒸發(fā)并混合均勻供入燃燒區(qū)，在燃燒區(qū)是貧油燃燒，燃燒區(qū)的當(dāng)量比越貧越能降低NOx排放.其關(guān)鍵技術(shù)集中在燃油噴射、預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段、火焰穩(wěn)定以及火焰筒冷卻方面.燃油噴射要求霧化要細(xì)，空間散布要均勻；預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段的關(guān)鍵是保證在蒸發(fā)完全和混合均勻的前提下不發(fā)生自燃；火焰穩(wěn)定主要是不發(fā)生回火；在燃燒方面主要考慮燃燒效率和不穩(wěn)定性的問(wèn)題.

70年代末，NASA的LPP燃燒室研究計(jì)劃[15]中就總結(jié)了LPP燃燒室使用碳?xì)淙剂蠒r(shí)在不同工況下的自燃規(guī)律和回火.由于低當(dāng)量比燃燒，燃燒區(qū)溫度較低，因此，需要有一定的停留時(shí)間充分氧化燃料產(chǎn)生的CO和未燃碳?xì)?，停留時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)NOx排放增加并未有明顯的影響[16].在貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室中容易出現(xiàn)不穩(wěn)定性問(wèn)題，原因在于均勻混合燃燒過(guò)程與燃燒室的聲學(xué)特性容易耦合，導(dǎo)致不穩(wěn)定性的發(fā)生[17].LPP燃燒室是頗具潛力的低NOx的燃燒室.在川崎重工參與的ECO計(jì)劃[18]中，采用了這種設(shè)計(jì)方案，其NOx排放比CAEP4低60%以上.

3.3 RQL低污染燃燒室

RQL低污染燃燒的基本方式是先采用一個(gè)高當(dāng)量比的燃燒區(qū)，或稱為初始燃燒區(qū)，然后大量的空氣與該燃燒區(qū)產(chǎn)物迅速混合，混合后的當(dāng)量比小于1.隨后的區(qū)域是一個(gè)低當(dāng)量比燃燒區(qū)，在該區(qū)域完成燃燒后排出燃燒室，進(jìn)入渦輪.RQL低污染燃燒室的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)空氣分級(jí)方案.

當(dāng)燃料含有氮時(shí)，RQL低污染燃燒室在降低NO排放上有較好的效果，因?yàn)樵诔跏几弋?dāng)量比時(shí)燃燒能夠很好地抑制“燃料型”NO的產(chǎn)生，初始燃燒區(qū)的當(dāng)量比高達(dá)1.4～1.6.不采用更高的當(dāng)量比，是因?yàn)椴捎眠^(guò)高的當(dāng)量比會(huì)產(chǎn)生大量碳煙且在隨后的過(guò)程中無(wú)法完全氧化，導(dǎo)致燃燒室出口產(chǎn)生大量的碳煙，另外，當(dāng)油氣比超過(guò)1.4時(shí)，其對(duì)NOx的產(chǎn)生的影響會(huì)降低[19].另外，在焠熄時(shí)，如果緩慢引入摻混氣體降溫會(huì)延長(zhǎng)燃燒產(chǎn)物停留時(shí)間，導(dǎo)致NOx大量生成，因此解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵就是快速焠熄，并且摻混均勻.這一領(lǐng)域的研究受到了研究者的重視，例如摻混孔的形狀、排列以及在各種參數(shù)下的性能研究.Holdeman等[20]針對(duì)不同數(shù)目的射流孔和空氣預(yù)熱對(duì)摻混效果的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.于亮等[21]針對(duì)不同摻混氣流入射角度和速度對(duì)摻混效果進(jìn)行了模擬研究.endprint

3.4 駐渦燃燒室

駐渦燃燒室是20世紀(jì)90年代提出的一種新的燃燒組織方式.駐渦燃燒室采用了分級(jí)分區(qū)燃燒的概念.預(yù)燃級(jí)由空腔組成，空腔內(nèi)供入空氣形成穩(wěn)定的漩渦，同時(shí)供入燃油，由于預(yù)燃級(jí)的漩渦在空腔內(nèi)駐定，因此稱為駐渦燃燒室，使預(yù)燃級(jí)在各自工況下都能穩(wěn)定燃燒.Burrus等[22]研究駐渦燃燒室的燃燒狀況，其中用于燃燒的空氣分配占80%，其主要問(wèn)題是燃燒室壁溫過(guò)高和出口溫度不易調(diào)節(jié)；目前美國(guó)Glenn研究中心正在進(jìn)行第4代駐渦燃燒室燃燒性能和污染排放試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬[23]；國(guó)內(nèi)孔昭健[24]對(duì)駐渦燃燒室的火焰穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等做了研究；邢菲[25]對(duì)TVC進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗(yàn)，研究了燃燒室內(nèi)流動(dòng)、傳熱、油氣混合以及排氣污染等.

4 高溫升燃燒室的研發(fā)

高溫升燃燒室的應(yīng)用還需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)，例如形成寬廣穩(wěn)定的工作范圍、提高火焰筒的耐久性、降低出口溫度分布式系數(shù)和減少排放等問(wèn)題.在對(duì)高溫升燃燒室的技術(shù)研發(fā)中，國(guó)內(nèi)外都發(fā)表了一些研究成果.例如，文獻(xiàn)[26]中比較研究了四種室壁冷卻結(jié)構(gòu)和五種空氣霧化噴嘴，最終的實(shí)驗(yàn)表明，燃燒效率、點(diǎn)火、出口溫度分布和排氣冒煙都符合實(shí)際要求；文獻(xiàn)[27]分析了高溫升燃燒室出口燃?xì)庵泻锌扇嘉锒鹪跍u輪中二次放熱的影響.

4.1 寬廣穩(wěn)定的工作范圍

對(duì)于高溫升燃燒室而言，如何解決高功率運(yùn)行時(shí)不冒煙和慢車貧油熄火之間矛盾是面臨的首要難題[28].其中更為重要的是燃燒室慢車熄火特性.目前航空燃?xì)廨啓C(jī)中，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)要求慢車熄火貧油熄火值為0.005.對(duì)于高溫升燃燒室，由于總當(dāng)量比大幅度上升，為了不產(chǎn)生冒煙，要求主燃區(qū)油氣比接近化學(xué)恰當(dāng)比，這就意味著增加主燃區(qū)流量.隨著主燃區(qū)流量的增加，貧油熄火值將提升，這是很不利的.由此，對(duì)貧油熄火進(jìn)行研究十分重要.文獻(xiàn)[29]中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的闡述.袁怡祥等[30]提出了利用三旋流器頭部方案，這對(duì)于降低燃燒室出口冒煙和提高燃燒效率有較好的作用.

4.2 火焰筒的耐久性

高溫升燃燒室需減少冷卻空氣量，主要有三種實(shí)現(xiàn)途徑：

（1） 縮短燃燒室長(zhǎng)度.從目前情況來(lái)看，進(jìn)一步大幅度縮短燃燒室長(zhǎng)度是不現(xiàn)實(shí)的.

（2） 采用絕熱涂層或非金屬耐高溫火焰筒.近年來(lái)鋯酸釔或鋯酸鎂涂料已被廣泛使用，但是涂料厚度有限，因?yàn)橥繉犹駮?huì)出現(xiàn)剝落.據(jù)估計(jì)，采用涂層可以減少高溫升燃燒室冷卻空氣量的4%，所以單純靠涂層不足以解決問(wèn)題；在耐高溫非金屬材料火焰筒方面主要有兩個(gè)解決方案，一是采用柔性金屬陶瓷壁（CMC）[31]，該項(xiàng)研究歷時(shí)超過(guò)20年；二是使用碳化硅編織增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料（CF/SIC），該項(xiàng)目有不錯(cuò)的進(jìn)展，例如國(guó)防科技大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室研究了制備工藝對(duì)CF/SIC的影響[32].耐高溫非金屬材料火焰筒使用碳化硅編織增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向，但是能否可靠、長(zhǎng)期反復(fù)使用還需要檢驗(yàn).

（3） 改變冷卻方式與壁式結(jié)構(gòu).這是基于目前高溫合金材料的主要途徑.

4.3 降低出口溫度分布系數(shù)

在高溫升燃燒室研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在高進(jìn)口溫度和高當(dāng)量比下，燃燒效率相當(dāng)?shù)?，這是因?yàn)樵诟邷厍闆r下燃燒不完全造成的.經(jīng)過(guò)努力，高溫燃燒室的燃燒效率仍然要比常規(guī)燃燒室的低.對(duì)于高溫升燃燒室出口溫度分布是一個(gè)難題，對(duì)于常規(guī)燃燒室，在出口截面上很少有達(dá)到化學(xué)恰當(dāng)比的局部區(qū)域，但是對(duì)于高溫升燃燒室，其出口截面上有很多局部區(qū)域達(dá)到了化學(xué)恰當(dāng)比甚至更高，因此有學(xué)者[33]提出應(yīng)用油氣比分布來(lái)表征燃燒室出口的不均勻性，而不是用出口溫度分布來(lái)表示.美國(guó)綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃（IHPTET）計(jì)劃在15年內(nèi)將燃燒室出口溫度分布系數(shù)降低60%，并從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：一是燃燒室出口溫度分布主動(dòng)控制技術(shù)；二是從燃料噴射/火焰穩(wěn)定兩方面綜合考慮，從根本上消除溫度場(chǎng)的不均勻性.

5 燃燒室火焰筒冷卻技術(shù)

未來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的方向無(wú)論是高溫升還是低污染，兩者都需要大幅度提高參與燃燒的空氣分配比例，因此減少冷卻空氣分配比例是一個(gè)必然趨勢(shì).傳統(tǒng)的冷卻方式是沿著火焰筒內(nèi)壁面形成一層冷卻氣膜保護(hù)火焰筒，這種縫式貼壁冷卻方式需要30%～40%的空氣量，未來(lái)這種常規(guī)氣膜冷將難以滿足燃燒室火焰筒對(duì)冷卻的要求，在某些情況下，還有可能成為火焰筒的加熱項(xiàng)[34].目前先進(jìn)冷卻技術(shù)主要分為兩類：一類是基于發(fā)散冷卻的改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要有多斜孔冷卻、沖擊/多斜孔冷卻和層板冷卻等；另一類是針對(duì)縫槽氣膜冷卻固有的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，主要有沖擊/氣膜冷卻、氣膜/發(fā)散冷卻、逆向平行流翅壁等.下面對(duì)其中較有代表性的冷卻方式作簡(jiǎn)單介紹.

5.1 多斜孔冷卻方式

多斜孔冷卻技術(shù)是解決高溫升火焰筒冷卻的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的特點(diǎn)是在單層壁面上打出大量?jī)A斜的小孔.與常規(guī)的縫式氣膜冷卻相比，多斜孔冷卻效果大幅度提升，可以減少40%冷卻空氣量，綜合冷卻效率更是可達(dá)90%[35].另外一個(gè)特點(diǎn)是火焰筒溫度梯度小.美國(guó)艾利遜公司在ATDE/GMA500燃燒室的實(shí)驗(yàn)[36]表明：層板冷卻的總壁溫梯度為170 K，而多斜孔冷卻僅為50 K，這將大幅度延長(zhǎng)火焰筒使用壽命；F414發(fā)動(dòng)機(jī)采用多斜孔技術(shù)[37]，降低了火焰筒的溫度，同時(shí)減少了熱梯度和裂紋；英國(guó)RR公司研制的RB715低污染軸向臺(tái)階式燃燒室[38]也采用該冷卻方式，其燃燒室需要冷卻的火焰筒面積比常規(guī)燃燒室的增加了15%，而可用的冷卻空氣量反而減少了15%.

5.2 沖擊/多斜孔復(fù)合冷卻方式

沖擊/多斜孔復(fù)合冷卻方式的特點(diǎn)是其火焰筒壁為雙層壁結(jié)構(gòu)，冷卻氣側(cè)為沖擊壁，燃?xì)鈧?cè)為多斜孔冷卻壁，其最顯著的特點(diǎn)是在多斜孔壁的冷氣側(cè)存在強(qiáng)烈的沖擊換熱.影響沖擊多斜孔復(fù)合冷卻方式換熱效果的因素主要包括單一因素和復(fù)合因素，前者主要指多斜孔壁、沖擊壁開(kāi)孔規(guī)律與布置形式等，而后者主要包括兩壁之間的相對(duì)位置.關(guān)于單一因素的研究比較多，而關(guān)于復(fù)合因素的研究則相對(duì)較少.張靖周等[39]發(fā)現(xiàn)沖擊冷卻通過(guò)氣流對(duì)冷卻壁面的高速?zèng)_擊能夠有效增強(qiáng)換熱效果；張勃等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在沖擊多斜孔復(fù)合冷卻中沖擊孔壁與多斜孔壁的壓降分配對(duì)強(qiáng)化換熱效果有明顯影響.許全宏等[41]等則對(duì)沖擊多斜孔復(fù)合冷卻中沖擊換熱系數(shù)和小孔內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的分析.實(shí)際應(yīng)用中，沖擊/多斜孔復(fù)合冷卻方式在F119發(fā)動(dòng)機(jī)和V2500發(fā)動(dòng)機(jī)上都取得了較好的應(yīng)用效果.endprint

5.3 層板冷卻方式

為了既能增強(qiáng)火焰筒壁內(nèi)的換熱性能，又不受制于火焰筒耐高溫材料的發(fā)展，相關(guān)研究促使層板冷卻方式的出現(xiàn).GE公司和羅羅公司都有

幾款發(fā)動(dòng)機(jī)使用了該技術(shù)[42].例如，GE公司的FMA500發(fā)動(dòng)機(jī)、TF41發(fā)動(dòng)機(jī)和羅羅公司的斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)，這兩家公司都在這方面進(jìn)行了大量的研究.GE公司的層板由數(shù)層電化學(xué)腐蝕金屬板擴(kuò)散焊接而成，層間通道中布滿了許多撓流柱，以加強(qiáng)冷卻氣的冷卻和增加換熱面積；羅羅公司沒(méi)有采用基柱來(lái)構(gòu)建內(nèi)部通道，而是直接在每層板上加工出內(nèi)部流動(dòng)通道.與傳統(tǒng)的縫式氣膜冷卻相比，層板冷卻可以減少70%的冷卻空氣量，但是其應(yīng)用卻受到了材料的限制，主要缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度低，而且容易發(fā)生堵塞.國(guó)內(nèi)的一些研究者對(duì)層板冷卻的基礎(chǔ)流動(dòng)及換熱特性展開(kāi)了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，針對(duì)層板冷卻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和提高換熱性能方面的研究也取得了一些較好的成果，例如王鳴等[43]研究了沖擊孔數(shù)目、孔徑和排列方式對(duì)冷卻效率和層板冷卻的影響.

5.4 沖擊/氣膜冷卻方式

沖擊/氣膜冷卻方式是針對(duì)氣膜冷卻下游冷卻效率下降而采用沖擊冷卻方式來(lái)強(qiáng)化縫槽氣膜末端的高溫區(qū).這種方式的缺點(diǎn)是流動(dòng)阻力太大，壁面的對(duì)流換熱面積也未增加，冷卻氣的吸熱能力未能充分發(fā)揮.GE公司在E3方案中[44]驗(yàn)證了該技術(shù)，采用瓦塊結(jié)構(gòu)，與常規(guī)氣膜相比，有效地降低了冷卻空氣的使用量，循環(huán)壽命達(dá)到了上萬(wàn)小時(shí).

6 結(jié) 論

首先，保證燃燒室高效清潔燃燒是圍繞燃燒室設(shè)計(jì)的重要課題，其第一步就是在社會(huì)層面完善相關(guān)的法律法規(guī).其次，在技術(shù)層面上分析污染物的生成規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上組織燃燒，以便減少污染排放.TAPS燃燒室、RQL低污染燃燒室、LPP燃燒室、TVC都是較有發(fā)展前景的燃燒室.針對(duì)高溫升燃燒室，如何解決燃燒的穩(wěn)定性以及火焰筒的冷卻并且降低出口溫度分布系數(shù)是關(guān)鍵所在.最后，無(wú)論是低污染還是高溫升燃燒室，對(duì)于火焰筒冷卻都提出了新的要求，介紹了四種先進(jìn)冷卻方式，分別為多斜孔冷卻方式、沖擊/多斜孔冷卻方式、層板冷卻方式和沖擊/氣膜冷卻方式.

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