TAPS燃烧室燃油喷嘴设计特点分析

李杰

(西安航空发动机（集团）有限公司，西安710021)

1 引言

创新性清洁燃烧的TAPS（Twin Annular Premixing Swirler-双环腔预混涡流器）燃烧室由美国GE公司研发，在CFM56-7B发动机上得到验证后，成功地应用到新一代商用涡扇发动机GEnx上。TAPS燃烧室使GEnx发动机具有在未来若干年内仍然满足NOx排放标准的潜力，并且使飞机的运营成本明显降低。TAPS燃烧室代表了现代航空涡轮发动机燃烧室工程技术进展的成就，其燃油喷嘴的研发和设计理念十分值得借鉴。

2 GEnx发动机TAPS燃烧室简介

TAPS燃烧室如图1所示，是从单环燃烧室和双环腔燃烧室发展而来。其在保持双环腔燃烧室分区燃烧这一优点的同时，引入了创新的预混概念，从总体结构上来说仍属于贫油燃烧室。

富油头部单环腔燃烧室、贫油头部双环腔燃烧室和TAPS燃烧室，分别在CFM56-7B发动机上进行了污染物排放的对比试验。结果显示，采用TAPS燃烧室时，NOx的排放要比富油头部单环腔燃烧室和贫油头部双环腔燃烧室的分别低46%和22%，UHC和CO的排放与富油头部单环腔燃烧室的大体相当，低于贫油头部双环腔燃烧室的。

为使燃烧室温度分布因子达到最优，GE公司精心设计了整流罩和相关的火焰管；为了大幅度降低NOx的排放量，在燃油喷嘴设计中采用微观分层技术；为了保证燃烧室各区之间燃烧的平稳过渡，优化了燃油喷射。

3 燃油喷嘴原理

TAPS燃烧室燃油喷嘴的预旋技术于1980年发明，并获得了美国专利。为了使空气和燃油在燃烧室燃烧前做好预先混合，GE公司设计研发了多种预旋燃油喷嘴。应用于GEnx发动机的TAPS燃烧室燃油喷嘴与获得专利的TAPS燃烧室燃油喷嘴的设计均不相同，但其基本原理是一致的，TAPS燃烧室燃油喷嘴的发展经历了近30年，积累日益深厚，技术日臻完善。

TAPS燃烧室的低污染燃烧的核心部件是由1个中心扩散火焰的预燃级和同心的外旋流器的预混燃烧的主级构成。中心预燃级采用扩散燃烧方式，有利于起动和火焰稳定；主燃级采用预混燃烧模式，燃油喷入主燃级旋转空气中，混合后进入燃油区燃烧。TAPS燃烧室燃油喷嘴的气流及油路如图2所示。通过引导气流经过独特的涡旋式喷嘴和环形嵌套式燃油喷嘴，创造出燃油和空气预混的环境。

TAPS燃烧室燃油喷嘴理论上属于气动雾化喷嘴。从高压压气机来的高压空气通过与燃油喷嘴相邻的空气旋流器直接进入燃烧室。这种旋流方式使油气混合更均匀、更贫油，预混后的燃料和空气以双旋转方式喷入燃烧室，产生贫油式燃烧火焰。燃油喷射控制的改进还使燃烧的高温中心区减小，所产生的火焰温度更低、更均匀，减少了火焰的发散和热流线条纹，从而使燃烧效率更高。

TAPS燃烧室的燃油喷嘴工作时，分别由主、副混合器产生2个同心的旋转射流，每个混合器都可以根据需要设计成多旋流器布局，如副混合器可以设计成高流速离心喷嘴加同向双旋流器组合的形式。这种混合器产生的油雾适合发动机的起动和小推力状态运行，产生流场可满足点火、起动、贫油火焰稳定以及燃油效率等多方面的要求。流场油气混合强度主要受到结构设计的影响，需要进行仔细调试，以满足各项设计及低NOx排放的要求。

4 燃油喷嘴设计特点分析

虽然TAPS燃烧室燃油喷嘴从原理上讲属于气动雾化喷嘴，但与常规的气动雾化喷嘴相比存在明显不同。如GEnx发动机的TAPS燃烧室燃油喷嘴的空气旋流器为3个，即：主混合器的旋流进气用空气旋流器1个，副混合器的旋流进气用空气旋流器2个，这是实现燃油喷嘴微观分层技术的关键。

从设计特点上来看，TAPS燃烧室燃油喷嘴的预燃级燃油喷射采用了离心式或直接喷射式喷嘴，具有典型的文氏管结构。预燃级副混合器的2个空气旋流器的大小和旋叶数不同，且旋叶的旋角也不相同，从而使从2个旋流器出来的高压空气的旋转速度、旋转角度，以及气流量均不相同。当高压空气经过内侧的空气旋流器后便与从预燃级燃油文氏管喷出的燃油进行初步的预混和雾化，再与从外侧空气旋流器而来同向旋转的高压气流进一步预混和雾化，使燃油雾化更充分，燃油与高压空气的混合度更高，并带有强烈的旋转；其进入燃烧室燃烧可在燃烧室内形成稳定的预燃级燃烧回流区。因此，可以认为GEnx发动机的TAPS燃烧室燃油喷嘴的副混合器采用高流速离心喷嘴加同向双旋流器组合的设计。

TAPS燃烧室燃油喷嘴的主燃级燃油喷射采用气动雾化喷射方式。通过主混合器空气旋流器的高压空气气流与主燃级燃油的射流相垂直使得主燃级燃油的雾化更充分，混合度更高；进入燃烧室燃烧可在燃烧室内形成稳定的主燃级燃烧回流区。这种混合形式在现代商用航空发动机燃烧室中被广泛采用，特别是用于具有多燃级燃烧的主燃级燃烧中，以便实现贫油燃烧，从而达到低污染排放的目的。

预燃级燃烧回流区和主燃级燃烧回流区可形成一定的交叠，形成预燃/主燃旋流交叠区。这样，TAPS燃烧室就可以仅用1套喷嘴系统即可满足发动机在不同工况下燃烧的要求。

由于引入补燃空气会破坏预燃级燃烧回流区和主燃级燃烧回流区的稳定性，因此对TAPS燃烧室而言，不论是预燃级燃烧还是主燃级燃烧，或者是混合燃烧，所需空气都是通过顶部的混合器进入燃烧室的。由于旋流形成的燃烧回流区使得燃烧室筒壁与中心燃烧高温区相隔离，燃烧室筒壁在整个工作期间都保持在相对较低的温度状态，同时因燃油和空气的预先混合，使得燃烧效率更高、火焰温度更低、更均匀，因此不再需要冷却空气，燃烧室筒壁上也就不再需要开凿补燃空气进气孔和冷却空气进气孔，成为TAPS燃烧室结构设计的最大特点。

因为不存在影响涡轮效率的2级气流，所以在相同的效率情况下，采用TAPS燃烧室可使出口温度场更低、更均匀（如图3、4所示）。这不但使TAPS燃烧室的污染物排放量大大降低，还可降低其加工难度，延长其耐久性和寿命。

TAPS燃烧室所产生的更低、更均匀的出口温度场还可大大改善下游部件（如涡轮）的工作环境，延长其寿命，从而延长了发动机的使用寿命，降低了维护费用。因此，TAPS燃烧室是目前最先进航空发动机燃烧室。美国GE公司今后将以TAPS燃烧室为基础，进一步研发低排放型燃烧室，并将采用更先进的燃油喷嘴以改进燃油和空气的预混，从而达到进一步降低NOx排放的目的。

因主燃级燃油供油的压力要求很低，为主燃级燃油喷射的方案设置提供了便利条件。由于采用了多级旋流方案，主燃区流场的调节和控制参数增多，更有利于燃烧调节和控制。

由于缺少确切的TAPS燃烧室燃油喷嘴结构设计资料，无法得到其燃油喷嘴和空气旋流器的详细结构和设计参数，但从加工工艺上看，燃油喷嘴和空气旋流器是TAPS燃烧室设计和制造难度最大的关键部件之一。

5 启迪与思考

目前，世界3大航空发动机制造商（GE、RR和PW公司）用于大型先进商用航空发动机的燃烧室技术各不相同。

GE公司GEnx发动机采用TAPS燃烧室；RR公司TRENT1000发动机采用RR贫油燃烧室（如图5所示）；PW公司PW4000-100、PW6000和其最先进的清洁动力PW1000G系列发动机采用RQL（富油燃烧-快速掺混-贫油燃烧）燃烧室（如图6所示）。

从结构上看，TAPS燃烧室的加工难度和复杂性远不如采用浮壁式结构的RR公司贫油燃烧室和PW公司RQL燃烧室；从燃烧区分布看，TAPS燃烧室的更合理，可实现发动机全工况的贫油燃烧；就燃油燃烧效率而言，TAPS燃烧室的也更高。因此，TAPS燃烧室是技术更为先进、结构更为简洁的燃烧室。

6 结束语

GEnx发动机TAPS燃烧室预燃级燃油喷射采用离心喷嘴或直射喷嘴，具有典型的文氏管结构；主燃级燃油喷射属于空气雾化喷射，燃油预先与空气混合后喷入燃烧区进行燃烧，燃烧区也处于贫油状态。其结构特点十分值得中国航空业界相关人士借鉴。

[1] 李杰.GEnx发动机TAPS燃烧室结构设计特点分析及启迪[J].航空动力技术,2008,29(2).

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