張詞翔

【摘 要】隨著國內外對于航空污染排放量的標準越來越高，對于低排放燃燒室的研究也越來越深入?；诖?，本文首先分析了民用航空發(fā)動機低排放燃燒室，然后研究了民用航空發(fā)動機低排放燃燒室技術，以期能夠深入使用低排放燃燒室技術，控制發(fā)動機污染物排放，促進我國可持續(xù)發(fā)展。

【關鍵詞】民用航空；發(fā)動機；低排放燃燒室；低排放燃燒室技術

一、引言

民用航空發(fā)動機主要是指用于商業(yè)運營運輸飛機的動力，如渦扇、活塞發(fā)動機，最典型的就是干線和支線的民航所廣泛使用的渦扇發(fā)動機。民用航空發(fā)動機具有更高的安全性、環(huán)保性等要求，特別是環(huán)保的要求，發(fā)動機污染物一方面會影響到乘客、機組人員以及周圍居民的健康，另一方面又會對全球氣候產生影響。因此研究民用航空發(fā)動機低排放燃燒室技術具有重要的現實意義。

二、民用航空發(fā)動機低排放燃燒室

（一）低排放燃燒室定義

根據國內外發(fā)展目標和相關法規(guī)，根據氮氧化合物的減排程度，能夠將民用航空發(fā)動機中低排放燃燒室分成三個等級，減少30%～50%的氮氧化合物排放量為低排放；減少50%～75%的氮氧化合物排放量為超低排放；減少75%的氮氧化合物排放量為超超低排放。在國外根據氮氧化合物的排放將低排放燃燒室進行了劃分，第一代是常規(guī)的單環(huán)腔燃燒室；第二代則是使用RQL技術的低排放燃燒室；第三代則是指使用貧油燃燒技術的一些雙環(huán)腔的燃燒室；第四代則是指比第三代降低40%氮氧化合物排放量的低排放燃燒室，例如TALON等[1]。

（二）民用航空發(fā)動機的污染物

國內外經常使用到的航空煤油事實上是一種具有復雜組分的碳氫燃料，這種燃料燃燒過程相對復雜，生成的污染物也比較復雜，容易受到物力因素和化學因素的影響，如熱解、氧化等反應，都會影響到污染物的生成。在發(fā)動機中燃燒室最主要的污染物排放是氮氧化合物，如一氧化氮、二氧化氮等。在燃燒室中首先產生的就是一氧化氮，如熱力一氧化氮、瞬發(fā)一氧化氮、燃料一氧化氮等。在貧油低溫的燃燒過程中，需要進行控制的就是一氧化二氮的轉變。其他的污染物還有一氧化碳，一氧化碳的生成是由于碳氫燃料的燃燒，燃燒過程中，主要消耗反應就是一氧化碳和氫氧基，燃料裂解速率不會影響到燃燒速率，而活性基團才會影響到燃燒速率和污染物的排放。污染物中還包括未燃盡的碳氫化合物，包含大分子燃料裂解而形成的小分子碳氫和其他基團，也包含沒有參加燃燒的燃油蒸汽等。

三、民用航空發(fā)動機低排放燃燒室技術

（一）低排放燃燒室技術

早在上個世紀七十年代，低排放燃燒室技術開始被使用，使用這項技術的最主要目的是控制可見冒煙情況，控制一氧化碳和未燃盡的碳氫化合物。其中最典型的是通過改變燃燒室中的空氣流量分配以及噴嘴，實現控制可見煙的目的。到了上個世紀八十年代，低排放燃燒技術將重點放在了降低氮氧化合物的含量，首先經過對氮氧化合物生成機理的研究，從而提出了兩種發(fā)展策略，一種是富油燃燒，另一種是貧油燃燒，在當時研發(fā)出了氣動霧化的噴嘴技術，讓燃油霧化的質量被大幅度提高，燃料能夠和空氣更加充分，能夠得到充分燃燒。在民用航空發(fā)動機中被廣泛使用的就是氣動霧化噴嘴技術，其中最典型的就是CFM56的單環(huán)腔燃燒室。

在富油主燃區(qū)應用基礎上，為了能夠進一步減少氮氧化合物的含量，又提出了分級燃燒的方法，也就是在燃燒室中設計兩個燃燒區(qū)域，一個燃燒區(qū)域是進行低工況和起動點火，另一個燃燒區(qū)域是進行高工況的燃燒。無論是高工況，還是低工況，燃燒室都能保持油氣比在合理范圍之內，能夠保障燃燒室能夠穩(wěn)定啟動，其中的染料能夠進行完全燃燒，例如在GE90發(fā)電機中，雙環(huán)腔燃燒室的應用，兩個燃燒區(qū)域都能進行高效的燃燒，氮氧化合物產生量都能有所降低。

（二）貧油燃燒技術

貧油預混預蒸發(fā)燃燒方式有很大潛力降低發(fā)電機污染排放，能夠實現性能與排放的平衡，使用這項技術時是將大部分空氣通進燃燒室頭部，燃油能夠預先蒸發(fā)和空氣混合，從而能夠在燃燒區(qū)形成混合均勻的貧油混氣，能夠實現燃氣停留時間的控制，讓污染物維持在低生成量。

1.TAPS燃燒室

TAPS燃燒室應用的就是貧油燃燒技術，是聯(lián)合使用了分級分區(qū)和貧油預混的燃燒思想。在TAPS燃燒室中含有雙級旋流器和離心噴嘴構成，主燃級包含直射式噴嘴、徑向旋流器，這樣就能形成兩個燃燒區(qū)。值班級燃燒區(qū)是使用擴散模式，能夠保障發(fā)動機啟動點安全，提供給貧油熄火廣闊的邊界。主燃級燃燒區(qū)是使用貧油預混燃燒，在大工況中控制氮氧化合物的生成。主燃級使用橫向的射流霧化，形成能夠和空氣預混的油霧，隨后實施貧油燃燒。

2.Lean-Burn燃燒室

Lean-Burn燃燒室是一種采用中心分級的燃燒技術，通過噴嘴將富油路和主油路的火焰分級，和TAPS燃燒室存在一定的相似性，使用比較簡單的結構，來減少冷卻氣量，起到增加空氣量便于燃燒，來降低氮氧化合物的排放。

（三）富油燃燒技術

最根本的特征就是其主燃區(qū)的空氣量遠少于染料完全燃燒的空氣需求量，燃燒區(qū)處于富油燃燒時，燃燒不完全，燃氣的溫度比較低，氮氧化合物生成量也比較低。如果經過富油燃燒，很大一部分燃油不能得到完全燃燒，跟隨燃氣流動而向下流動，燃氣溫度高的情況下，氮氧化合物大量產生在區(qū)域內，要想跳過這個區(qū)域，需要在富油燃燒區(qū)的末端加入大量空氣降低燃氣的溫度，可燃成分能夠在貧油區(qū)域中繼續(xù)燃燒，讓燃燒溫度一再降低[2]。

例如常見的富油燃燒技術中，惠普公司研發(fā)的RQL技術，使用RQL技術是在燃燒室頭部實施富油燃燒，溫度比較低，能夠產生少量的氮氧化合物，但是熱力氮氧化合物含量降低。燃氣在富燃段沒有完全燃燒，還需要通入空氣，在比例達到恰當比例時，燃氣停留時間加以控制，能夠抑制氮氧化合物的形成。如果在富燃區(qū)間，燃氣和空氣混合的速度太快，無法實現充分混合，未燃盡的碳氫化合物氧化不充分，一氧化碳的氧化也不充分。相反的，如果混合太慢，以恰當比例的混氣進行燃燒，就會增加氮氧化合物的生成，這也是RQL技術的關鍵設計。

如果將RQL燃燒技術應用在發(fā)動機上試驗，能夠發(fā)現氮氧化合物的排放量能夠達到標準的50%?；萜展靖鶕@樣的試驗結果，進行燃燒室研發(fā)，其中TALON燃燒室中主要是通過優(yōu)化油氣的混合，來降低氮氧化合物的情況，降低冒煙的情況，有效的改善了未燃盡的碳氫化合物的排放量，使用具備小冷卻空氣量的多段浮動壁筒結構，被應用到發(fā)動機中，并取得了良好的效果。目前低排放燃燒室技術的應用已經起到了良好的效果，但是仍然需要進一步研究和創(chuàng)新，結合理論和實驗研究，才能有力推動低排放燃燒室技術發(fā)展。

四、結論

綜上所述，本文首先分析了民用航空發(fā)動機低排放燃燒室，分析了低排放燃燒室的定義以及民用航空發(fā)動機的污染物，然后研究了民用航空發(fā)動機低排放燃燒室技術，重點分析了低排放燃燒室技術中貧油燃燒技術，分析了TAPS燃燒室和Lean-Burn燃燒室工作原理，最后重點研究了富油燃燒技術，通過調整混氣比例，實現對污染物的控制。

【參考文獻】

[1]陳苗苗，袁汀，蔣榮偉，張險.火焰圖像技術在航空發(fā)動機燃燒室點/熄火試驗中的應用[J].燃氣渦輪試驗與研究，2018（01）：35-37+49.

[2]彭達（Kring Kristall）. 馬達西奇飛機發(fā)動機廠在加力燃燒室中增設核聚變第四區(qū)工程技術示范方案書[D].清華大學，2017.