趙傳亮，郭 舒

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著飛機對航空渦輪發(fā)動機的要求越來越高，對于主燃燒室的溫升能力要求也相應(yīng)提高。與現(xiàn)有常規(guī)溫升主燃燒室相比，高推比軍機燃燒室的溫升預(yù)計將達1100～1200 K 以上，燃燒室的總油氣比也將有大幅度提高。而隨著燃燒室油氣比的提高，需要在主燃區(qū)加入大量空氣參與燃燒，導(dǎo)致在地面慢車狀態(tài)下貧油熄火性能變差。對于民用航空發(fā)動機燃燒室而言，為了降低污染物的排放，可以在火焰筒頭部加入大量空氣以降低火焰溫度，從而抑制NOx污染物的生成，也會導(dǎo)致在地面慢車狀態(tài)下貧油熄火性能變差。分級燃燒技術(shù)可以有效解決上述軍民機燃燒室面臨的熄火性能變差的問題。

本文概述了分級燃燒技術(shù)的發(fā)展、同心分級燃燒室技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對同心分級燃燒室關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。

1 分級燃燒技術(shù)的發(fā)展

與常規(guī)燃燒不同，分級燃燒的燃油或空氣從不同位置進入燃燒室，在火焰筒內(nèi)形成局部富油區(qū)，以提供足夠的穩(wěn)定邊界。

采用常規(guī)燃燒組織方式的CF6-50 發(fā)動機燃燒室[1]如圖1 所示。從圖中可見，其空氣與燃油均從同一頭部位置進入燃燒室。而分級燃燒室與常規(guī)燃燒室的主要區(qū)別在于：分級燃燒室在不同工作狀態(tài)下，燃油或空氣在火焰筒內(nèi)不同區(qū)域的分配比例是變化的。

圖1 CF6-50 發(fā)動機燃燒室[1]

分級燃燒按分級方式又可以分為空氣分級、燃油分級以及空氣與燃油同時分級。

1.1 空氣分級

空氣分級主要采用變幾何方式實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)火焰筒不同位置的開孔面積實現(xiàn)不同工況下火焰筒頭部空氣流量分配的變化?？梢酝ㄟ^在火焰筒導(dǎo)流罩、旋流器、壁面大孔以及組合來實現(xiàn)火焰筒物理開孔面積的變化。從燃燒性能角度來說，由于采用變幾何旋流器可以在低溫升條件下提供低的主燃區(qū)空氣流量、在高溫升條件下提供高的主燃區(qū)空氣流量，是1 種非常好的變幾何方案。這種方案可以直接對影響主燃燒室性能最大的主燃區(qū)空氣流量進行調(diào)節(jié)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度來說，對旋流器進行變幾何控制比其他方案更難實現(xiàn)。但是幾乎所有的變幾何方案都涉及到復(fù)雜的機械機構(gòu)，從機械設(shè)計角度考慮并不受歡迎。

GE 公司在NASA 的寬餾分燃油燃燒技術(shù)項目Broad Specificaction Fuels Combustion Technology Program，BSFCTP）[2]支持下，在CF6-80 發(fā)動機燃燒室上改裝的可調(diào)旋流器燃燒室如圖2 所示。旋流器的幾何面積通過調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)2 級旋流器葉片與固定2 級旋流器葉片之間的通道面積來實現(xiàn)[2]，如圖3 所示?？尚D(zhuǎn)2 級旋流器葉片裝配于文氏管上，由協(xié)調(diào)環(huán)驅(qū)動，每個旋流器上都有1 個驅(qū)動銷連接于協(xié)調(diào)環(huán)上，協(xié)調(diào)環(huán)由轉(zhuǎn)動驅(qū)動桿與杠桿連接驅(qū)動。在小功率狀態(tài)下，2 級旋流器關(guān)閉，可以為主燃區(qū)提供低的流速與相對富油的工作狀態(tài)，以保持工作穩(wěn)定性與燃燒效率；在大功率狀態(tài)下，2 級旋流器打開，可以為主燃區(qū)提供貧油或適合的工作條件，有效降低污染物的排放與冒煙量。但由于在低溫升條件下，2 級旋流器關(guān)閉，使整個燃燒室的流通面積減小，導(dǎo)致整個燃燒室的損失增加。

圖2 空氣分級燃燒室[2]

圖3 可變幾何旋流器[2]

1.2 燃油分級

燃油分級是工程上應(yīng)用最多的分級技術(shù)。在CFM56-2 發(fā)動機上即采用在小狀態(tài)下分區(qū)供油技術(shù)，以降低UHC 與CO 的排放量，提高燃燒效率，并改善燃燒室的貧油熄火邊界。其分區(qū)供油方案如圖4所示。從圖中可見，在小功率狀態(tài)下，上面5 個噴嘴是不供油的，燃油從下面15 個噴嘴進入火焰筒。這樣，在保持整個燃燒室供油流量不變的情況下，其余15個火焰筒頭部的油氣比相應(yīng)變大，改善了整個燃燒室的貧油熄火邊界。

圖4 燃油分級

GE 公司在CF6-50 發(fā)動機燃燒室上開展了分級供油與燃燒室貧油熄火特性關(guān)系研究[2]，如圖5 所示。從圖中可見，采用分級供油后，燃燒室貧油熄火油氣比R明顯減小。

圖5 CF6-50 發(fā)動機燃燒室的分級供油

燃油分級燃燒室的主要缺點是對燃燒區(qū)邊緣化學(xué)反應(yīng)的淬熄，會增加UHC 與CO 的排放，從而降低燃燒效率。此外，由于燃油的間隔性供入造成周向出口溫度分布不均勻，也會降低渦輪效率[1]。

1.3 燃油與空氣同時分級

燃油與空氣同時分級的燃燒組織方式也已經(jīng)得到工程應(yīng)用。常用的結(jié)構(gòu)形式有徑向、軸向與同心分級3 種。

1.3.1 徑向分級

采用徑向分級燃燒組織方式的雙環(huán)腔燃燒室[1]如圖6 所示。其主要特點是在小功率下只有外環(huán)腔（值班級）供油，在大功率下內(nèi)外環(huán)腔同時供油。其中，外環(huán)腔按照燃燒室低狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計，可以保證在慢車工況下的綜合性能。在大功率條件下，燃燒室的燃油多供入內(nèi)環(huán)腔進行燃燒，由于進入內(nèi)環(huán)腔的空氣流量比例很大，設(shè)計時有意將主燃區(qū)容積減小，一方面保證燃油與空氣混合均勻，另一方面縮短火焰的停留時間，從而實現(xiàn)低NOx和冒煙排放。

圖6 雙環(huán)腔燃燒室[1]

徑向分級燃燒室也有許多缺點：（1）噴嘴數(shù)量較常規(guī)燃燒室增加很多，會增加成本；（2）火焰筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時存在2 個環(huán)腔，需要的冷卻面積大，使可用于摻混的空氣量大大減少，造成出口溫度分布變差；（3）2 個區(qū)中間的位置很容易受兩側(cè)高溫而燒蝕；（4）燃燒室出口徑向溫度分布曲線會隨著燃料的分級而變化，對高壓渦輪工作葉片存在不利的影響[1]。

1.3.2 軸向分級

RR 公司的軸向分級燃燒室專利[3]如圖7 所示。該燃燒室除了與徑向分級燃燒室一樣可以降低污染物的排放，改善穩(wěn)定工作范圍外，由于其主燃級位于值班級下游，通過值班級引燃主燃級既快速又可靠，并且，來自值班級的高溫氣流進入主燃級可有效保持在低工作狀態(tài)下主燃級的燃燒效率。另外，值班級位于內(nèi)環(huán)腔，可有效防止在暴雨條件下，壓氣機將水分離至二股氣流的外環(huán)腔而引起的燃燒室熄火。

圖7 軸向分級燃燒室[3]

軸向分級燃燒室的主要缺點是軸向布置增加了燃燒室額外的長度；2 級噴嘴的分開布置會削弱機匣結(jié)構(gòu)剛性。

1.3.3 同心分級

同心分級是指值班級與主燃級的燃油與空氣以同心圓形式分布的燃燒組織方式。值班級位于正中心，起到點燃與在發(fā)動機小功率狀態(tài)下穩(wěn)定火焰的作用。主燃級環(huán)繞于值班級外側(cè)，油氣混合物與值班級的油氣混合物以同心圓形式分布，主要在慢車以上狀態(tài)下使用。典型的同心分級方案[4]如圖8 所示。

圖8 燃燒室同心分級油氣混合裝置[4]

同心分級燃燒組織技術(shù)是目前在役的航空發(fā)動機燃燒室中應(yīng)用的最為先進的分級燃燒技術(shù)。下文重點論述該技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)。

2 同心分級燃燒組織技術(shù)國外研究現(xiàn)狀

美國GE 公司已經(jīng)投入使用的GEnx 與LeapX 發(fā)動機上均采用基于TAPS（雙旋預(yù)混）技術(shù)的同心分級燃燒室，并申請了大量專利[5-8]，其中1 個專利原理如圖9 所示。GE 公司采用該技術(shù)主要從降低污染物排放角度考慮，為了降低排放，取消了傳統(tǒng)燃燒室火焰筒內(nèi)、外壁面的主燃孔和摻混孔，使大量空氣從火焰筒頭部進入，以降低主燃區(qū)的火焰溫度，成功實現(xiàn)NOx 排放比CAEP/6 的降低50%以上。目前，TAPS 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第III 代。另外，GE 公司正在與NASA 合作，以同心分級技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)能在更高油氣比下穩(wěn)定工作的先進高溫升燃燒室。

俄羅斯的同心分級燃燒室方案如圖10 所示。采用數(shù)值模擬分析了旋流角等關(guān)鍵幾何參數(shù)對氣流結(jié)構(gòu)的影響，并用冷態(tài)試驗數(shù)據(jù)驗證了CFD 仿真方法和結(jié)果。

圖9 GE 公司的TAPS專利[5]

圖10 俄羅斯研究的同心分級方案

日本某公司的同心分級火焰筒頭部方案如圖11所示。采用高速OH-PLIF 技術(shù)對燃燒場進行了測試，并對同心分級燃燒室熱聲振蕩機理進行了研究，得出主燃級燃油熱釋放與旋流流動的耦合作用導(dǎo)致燃燒室內(nèi)出現(xiàn)高頻振蕩的結(jié)論。

圖11 日本的同心分級方案[9]

從以上不同國家的同心分級燃燒組織方案可見，同心分級燃燒組織方式在結(jié)構(gòu)上均采用多級旋流裝置進行燃油霧化與火焰穩(wěn)定，不同旋流器的空氣形成同心圓結(jié)構(gòu)，并且主燃級和預(yù)燃級燃油均從2 個不同位置噴入燃燒室。

國外在同心分級燃燒領(lǐng)域開展了大量的預(yù)研及工程應(yīng)用研究，取得了豐碩的研究成果，并且已經(jīng)應(yīng)用于產(chǎn)品燃燒室中。同心分級是1 項有著廣闊應(yīng)用前景的燃燒組織技術(shù)。

3 同心分級燃燒組織技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

顏應(yīng)文等[10-11]的同心分級燃燒室方案如圖12 所示，對該方案進行了流場數(shù)值計算（如圖13 所示）[10]與PIV 試驗研究，獲得了值班級角度與回流區(qū)大小的關(guān)系，并對如圖14 所示的2 種單頭部同心分級燃燒室進行了熱態(tài)試驗研究，獲得了值班級噴嘴安裝位置、燃燒室進口參數(shù)等對污染物排放、燃燒效率、出口溫度分布等的影響規(guī)律。

圖12 同心分級燃燒室試驗件頭部[10]

圖13 同心分級燃燒室內(nèi)部流場數(shù)值模擬[10]

圖14 同心分級燃燒室試驗件頭部方案[11]

林宇震等[12-14]對同心分級低排放燃燒技術(shù)開展了大量研究，申請了很多專利，并將其技術(shù)特征命名為攪拌旋流低排放技術(shù)（Technology of Low Emission of Stirred Swirl，TeLESS）。秦皓等[15]開展的同心分級旋流結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特征試驗表明：預(yù)燃級旋流區(qū)域存在周期性流動結(jié)構(gòu)，而主燃級出口區(qū)域沒有周期性流動結(jié)構(gòu)；當(dāng)外界激勵的頻率與流動固有頻率耦合時，會引起預(yù)燃級流場畸變，并導(dǎo)致周期性流動的流速振蕩幅值急劇增大，在試驗件（如圖15 所示）[16]上開展工況壓力對分層火焰系統(tǒng)中壓力振蕩的影響研究表明：當(dāng)進口壓力從2.6 MPa 降低至1.4 MPa時，壓力振蕩頻率規(guī)律性地減小約4%；而相對振蕩幅值保持在0.2～0.3 MPa 時，沒有明顯規(guī)律。

圖15 TeLESS 同心分級燃燒室方案[16]

鄒博文等[17]開展了同心分級燃燒室耦合回流區(qū)貧油熄火機理研究，其采用的火焰筒頭部結(jié)構(gòu)方案如圖16 所示。通過研究可知，與常規(guī)燃燒室的貧油熄火機理不同，同心分級燃燒室的貧油熄火油氣比是由預(yù)燃級和主燃級共同形成的耦合回流區(qū)所決定的。

高賢智等[19]開展了油氣比為0.045 的超高溫升同心分級燃燒室數(shù)值模擬，所采用的同心分級方案如圖17 所示。從圖中可見，其實質(zhì)為3 級旋流器進氣的同心分級結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值模擬得出了同心分級燃燒室比常規(guī)雙旋流燃燒室損失更低、效率更高、排放更低、溫度場更好的結(jié)論。

圖16 同心分級燃燒室試驗件頭部方案[17]

圖17 同心分級燃燒室試驗件頭部方案[20]

常峰等[19]開展的同心分級結(jié)構(gòu)在高溫升燃燒室上應(yīng)用的數(shù)值模擬研究采用的頭部油氣混合裝置為2 級旋流器結(jié)構(gòu)，值班級與主燃級燃油和空氣分別從2 個位置進入燃燒室，如圖18 所示。通過數(shù)值模擬可知，雙旋流同心分級燃燒室在速度場和溫度場上都表現(xiàn)出明顯的分區(qū)流動和分區(qū)燃燒特性，可有效保證高溫升燃燒室的高空點火特性和地面慢車穩(wěn)定性，并可防止在大工況下出現(xiàn)冒煙情況。

圖18 雙級旋流同心分級燃燒室試驗件[19]

鄧遠灝等[20]開展的同心分級貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室的排放試驗所采用的試驗件如圖19 所示。通過試驗證明了該種燃燒組織方式在降低污染物排放方面的應(yīng)用潛力。

陳浩等[21]開展了基于同心分級技術(shù)的高溫升燃燒室油氣摻混特性計算分析，采用的同心分級燃燒室結(jié)構(gòu)如圖20 所示。通過計算分析，明確了主燃級內(nèi)級與預(yù)燃級外級旋向以及主燃級燃油噴點徑向高度變化對燃燒室性能的影響。

圖19 同心分級貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)試驗件[20]

圖20 同心分級試驗件[21]

劉存喜等[22]開展了同心分級燃燒室主燃級旋流角度對燃燒與噴霧性能的影響研究，采用的同心分級燃燒室結(jié)構(gòu)如圖21 所示，通過采用PLIF、PIV、數(shù)值模擬等手段，對主燃級旋流角度與燃燒室內(nèi)流場、噴霧性能和燃燒性能的影響開展研究，得出了主燃級旋流角度增加有利于改善燃燒室貧油熄火性能的結(jié)論。

圖21 同心分級試驗件[22]

目前，國內(nèi)各高校和研究機構(gòu)發(fā)展出了多種結(jié)構(gòu)形式的同心分級燃燒室頭部方案，共同點是均采用多級旋流裝置以實現(xiàn)“同心”功能，不同點是有的采用多級軸向進氣旋流裝置進行組合，有的采用軸向與徑向進氣旋流裝置相組合的結(jié)構(gòu)形式。無論結(jié)構(gòu)形式如何變化，其燃燒機理是一致的，均利用中間的旋流裝置實現(xiàn)火焰穩(wěn)定，通過外面的旋流裝置實現(xiàn)高溫升或低排放燃燒功能。各種結(jié)構(gòu)形式的分級燃燒室匹配參數(shù)眾多，很難說哪種結(jié)構(gòu)形式最好。雖然國內(nèi)開展的研究較多，但技術(shù)成熟度相比國外還遠遠不足，真正實現(xiàn)工程應(yīng)用的屈指可數(shù)。

4 同心分級燃燒技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)外已有研究可知，同心分級燃燒室最大的技術(shù)優(yōu)勢是在保證足夠的貧油熄火邊界和點火邊界以及CO 和UHC 污染物排放滿足要求的條件下，大幅度降低全工況范圍內(nèi)NOx的排放量。

文獻[25]中試驗數(shù)據(jù)表明，采用同心分級技術(shù)的燃燒室其CO 和UHC 排放量要高于其他燃燒室的，但由于GEnx 和Leap 系列發(fā)動機均通過了嚴(yán)格的適航認證，其CO、UHC 以及碳煙的排放量均應(yīng)滿足認證要求。同時，1000 余臺Leap-1A 和Leap-1B 發(fā)動機的商業(yè)運行也足以證明其具有足夠的穩(wěn)定邊界。

不同燃燒室NOx排放量對比[23]如圖22 所示。從圖中可見，在起飛狀態(tài)下，采用同心分級結(jié)構(gòu)的AST TAPS_SM 燃燒室（圖中藍色）的NOx排放量比GE90發(fā)動機雙環(huán)腔燃燒室（圖中粉色）的降低了54%。這是1 個非常有競爭力的指標(biāo)，是同心分級燃燒組織技術(shù)最大的技術(shù)優(yōu)勢。

圖22 不同燃燒室NOx排放量對比[23]

5 同心分級燃燒室關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)同心分級燃燒組織技術(shù)的特點，總結(jié)出同心分級燃燒室的關(guān)鍵技術(shù)。

5.1 油氣匹配技術(shù)

同心分級燃燒組織技術(shù)在高溫升和低排放燃燒室中應(yīng)用時，其油氣比差別很大，需要根據(jù)燃燒室的需求進行油氣匹配設(shè)計。一般而言，在慢車狀態(tài)以下，為了保證燃燒室的穩(wěn)定工作和燃燒效率，需要保證燃燒區(qū)有足夠高的油氣比，只在值班級進行供油。而在大狀態(tài)下，對于低排放燃燒室而言，需要保證主燃級和值班級的當(dāng)量比不大于0.8，以保證足夠低的NOx排放量，但在當(dāng)量比低到一定程度時，又易出現(xiàn)震蕩燃燒問題，所以需要在燃燒穩(wěn)定工作與NOx排放之間進行權(quán)衡。另外，對于低排放燃燒室而言，油氣混合得越均勻，燃燒區(qū)中的高溫點越少，越有利于降低NOx的排放，但均勻的預(yù)混同樣存在震蕩燃燒風(fēng)險。軍機燃燒室在工作時油氣比變化較大，需要更大的穩(wěn)定工作范圍，不適合采用預(yù)混燃燒組織技術(shù)。另外，雖然目前軍機燃燒室沒有NOx排放的限制，但由于NO 和NO2均是有毒氣體，而且NO2是可見的棕紅色氣體，隨著對于先進戰(zhàn)機的隱身要求和人們環(huán)保意識的增強，在設(shè)計軍機燃燒室時還是需要考慮NOx 的排放控制問題。同樣，為了保證軍機燃燒室工作的穩(wěn)定性，較少采用貧油燃燒，多數(shù)燃燒室主燃區(qū)在起飛狀態(tài)下均是偏富油設(shè)計，如果油氣匹配不好，即使采用了分級燃燒，也會發(fā)生排氣出現(xiàn)可見煙問題，無論是從發(fā)動機的紅外隱身還是從環(huán)保角度考慮，都是不允許的，GJB 241A-2010[24]中的第3.8.8.1 節(jié)中對此有明確規(guī)定。

5.2 燃油噴嘴熱防護技術(shù)

同心分級燃燒組織方式的燃油與空氣分別從不同位置供入燃燒室，從結(jié)構(gòu)角度考慮，必須將燃油在噴嘴內(nèi)分成2 個獨立油路；同時，由于這2 個油路距離較遠，采用常規(guī)設(shè)計無法實現(xiàn)副油路對于主油路的冷卻。在慢車狀態(tài)下，燃油流量較低，只有副油路工作，而主油路內(nèi)部殘余的燃油會在燃燒室進口空氣的加熱下逐漸析出焦質(zhì)，存在將主油路堵死的風(fēng)險，影響燃燒室的正常工作。因此，如果采用同心分級燃燒組織方式，必須解決燃油噴嘴的熱防護問題。

5.3 燃燒室出口溫度場控制技術(shù)

采用同心分級技術(shù)的燃燒室要么是高溫升要么是低排放，都需要在火焰筒頭部增加空氣流量，一般情況下是沒有主燃孔的，而留給摻混的空氣也非常少，在很多情況下則完全取消了摻混孔，從而大大增加了燃燒室溫度場的調(diào)控難度。需要在設(shè)計之初，足夠關(guān)注溫度場的控制問題。

5.4 燃油控制技術(shù)

采用同心分級燃燒組織方式的燃燒室要求對噴嘴的2 路供油進行精確控制，以便實現(xiàn)最佳油氣匹配。一般在慢車以下狀態(tài)下，只有副油路（值班級）供油，在慢車以上狀態(tài)下，主、副油路同時供油。主油路多為直射式噴嘴，噴口數(shù)量多，需要達到一定的壓差才能形成良好的霧化，因此，為了保持良好的燃燒效率，必須在主燃級噴入足夠的燃油。而為了保證發(fā)動機在主油供入瞬間的推力平穩(wěn)，在主燃級供入大量燃油的同時，需要相應(yīng)減少值班級的燃油供入量，這種燃油控制模式目前在國內(nèi)尚沒有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，需要開展深入的研究工作。

6 結(jié)束語

分級燃燒技術(shù)可以有效解決先進高溫升及低排放航空發(fā)動機燃燒室在地面慢車狀態(tài)下貧油熄火性能變差的問題，在航空發(fā)動機領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。而同心分級燃燒技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)異的特點，更是近些年來燃燒技術(shù)的研究熱點之一。在研究過程中需要對油氣匹配技術(shù)、燃油噴嘴熱防護技術(shù)、燃燒室出口溫度場控制技術(shù)和燃油系統(tǒng)供油控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行重點關(guān)注。