国外民用航空发动机低污染燃烧室的发展

刘 静，肇俊武

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

0 引言

飞机燃气涡轮发动机带来的燃烧污染排放日益严重。虽然从燃烧污染排放的总量来看，航空发动机的排放所占比例很小，但由于其局部特征，在机场附近和繁忙的空中走廊，会有大量的污染排放物聚集，而且各类飞机产生的污染排放物，是高空大气污染物的惟一来源。因此，航空发动机的污染排放水平，受到了越来越严格的限制。

本文主要介绍在此背景下国外民用航空发动机低污染燃烧室的研制和发展情况。

1 污染排放标准

国际民航组织（ICAO，International Civil Aviation Organization）颁布的民用航空燃气轮机污染排放标准，规定了亚声速和超声速涡轮喷气和涡轮风扇发动机燃烧污染排放水平。ICAO于1983年成立了负责组织环境保护活动的航空环境保护委员会（CAEP），取代了原来的航空噪声委员会（CAN，Committee on Aircraft Noise）和飞机发动机排放委员会（CAEE，Committee on Aircraft Ingine Emissions）。ICAO CAEP于1986年召开了第1次正式会议，通过了ICAO的第1个污染排放标准CAEP1；1991年召开了第2次正式会议，并通过了CAEP2标准。此后，每隔3年召开1次正式会议，制定了多个CAEP污染标准。这些标准颁布、修订和生效的日期见表1。

ICAO CAEP标准规定的污染物共有4种，分别是气态的一氧化碳（CO）、未燃碳氢（UHC）、氮氧化物(NOx，包括NO和NO2)和颗粒状的烟。从上述已颁布的几个CAEP标准来看，值得注意的有2点：一是这些标准针对的是推力为27.6 kN以上的发动机；二是对CO、UHC和颗粒状烟的要求基本没有变化，只是对NOx排放的要求越来越严格，因为NOx危害最大也最难控制。

表1 ICAO CAEP标准颁布、修订和生效日期

CAEP2标准于1993年修订，1996年生效，也被称作ICAO’96标准。该标准要求的NOx排放水平是较低的，对于总压比为30～40、推力大于89 kN的干线飞机发动机来说，CAEP2要求的NOx排放水平比CAEP1的降低了20%；目前，在研究发动机污染排放时，均以CAEP2标准为基准。

目前执行的标准是CAEP2，但新研发发动机执行的标准是CAEP4，2008年以后生效的标准是CAEP6。从对NOx排放水平的限制来看，CAEP标准日趋严格，CAEP4标准规定的NOx排放水平比CAEP2标准规定值降低了16%，而CAEP6标准规定的NOx排放水平比CAEP4标准规定值又降低了12%。

2 污染物生成机理和排放控制

2.1 污染物生成机理

在航空发动机燃烧室产生的4种污染物中，颗粒状烟的生成主要与燃烧室压力有关，在大工况下，颗粒状烟大量生成；在小工况下，燃烧室进口空气压力、温度降低，总当量比减小，因此，主燃区燃烧强度减小，CO和UHC的反应速率减小，导致CO和UHC大量生成。NO主要在大工况下火焰和火焰后区域内氮与氧发生反应形成；而在小工况下，NO主要有瞬发NO、燃料NO和氧化型NO等。NO2的排放水平与NO的排放水平密切相关，其主要生成机理是NO在高温环境下与火焰刚出现时的过氧化氢根反应。从燃气轮机燃烧室出口NOx采样来看，NO2的质量分数量15%～50%。

由美国NASA格林研究中心在亚声速燃烧试验设备上得到的高温高压试验数据可知，NOx排放指数和燃烧室进口温度、进口压力、压降和油气比之间存在如下关系

从式（1）可知，NOx排放指数（ENOx）与进口温度（T）呈指数关系变化，与油气比、进口压力和压降呈幂函数的关系变化如图1所示。从图中可见当量比和停留时间的影响：在当量比接近1时，停留时间越长，NOx生成量越大，而在当量比小于0.5的贫油区和大于1.3的富油区，当量比对NOx生成的影响不大[3]。

NOx、CO、UHC和颗粒状烟4种污染物在不同条件下的生成量如图2所示。

从图2（a）中可见，在大工况下，由于进口温度升高和总油气比增大，燃烧区的温度和压力都很高，此时 NOx大量生成。从图 2（b）、（c）中可见，NOx和 CO排放值都低的主燃区温度范围和当量比范围都非常狭窄，燃烧区温度的低排放区约为1670～1900 K，当量比的低排放区约为0.5～0.8。这就意味着要同时降低所有污染物的排放，就需要把燃烧区温度和当量比控制在各种排放物排放水平都较低的低排放区内。

在控制燃烧区当量比时，还要特别注意控制局部当量比，即控制当量比均匀性，这就需要加强燃料与空气的混合，减小液体燃料雾化颗粒度，加强蒸发，乃至采用预蒸发。

2.2 污染排放控制

减少航空发动机包括CO2在内的污染物排放，首先要减少燃料用量，并使用更清洁燃料。减少燃料用量，就需要提高燃气轮机总的热效率和推进效率。航空发动机从涡喷、小涵道比、大涵道比发动机发展到超大涵道比以及桨扇发动机，其热效率得到了大幅度提高，污染排放水平也随之明显下降（如图3所示）。在使用更清洁燃料方面，荷兰航空公司自2011年6月起，尝试采用由厨房废弃的植物性油脂“地沟油”加工的航空燃油作为民航客机燃料，据称可使客机的碳排放量降低50%。

图3 各种类型发动机总效率比较

为了使4种污染排放物同时处于较低的水平，在采取减排措施时，应综合考虑燃烧室工况、燃烧区当量比、燃烧温度、燃油雾化颗粒度和燃料在高温区停留时间等影响因素，这是污染排放控制技术研究和发展所依据的原则。必须同时兼顾的另1个重要原则是保证燃烧室在不同工况下的燃烧性能可满足发动机要求。

在低污染燃烧室设计中，污染排放控制与满足性能要求有时相互矛盾。如在高工况下，为了降低NOx和颗粒状烟的排放量，同时确保燃烧室出口温度场均匀和壁温较低，要求减小燃烧室容积、缩短燃气在燃烧区的停留时间、增加主燃区空气流量等；而在低工况下，为了减少CO和UHC生成量，同时确保燃烧效率、燃烧稳定性和点火/再点火能力，则要求增大燃烧室容积、延长燃气在燃烧区的停留时间、减少主燃区空气流量等，因此，低污染燃烧室设计的1个重要任务，就是在这些污染排放影响因素之间进行折衷。

目前，国外研究的先进低污染燃烧技术主要采用分级燃烧的概念，即把燃烧室分成几个燃烧区，通过控制各区的燃油和空气供给来控制各区油气比，以使燃烧室在所有工况下都保持低的污染排放水平。分级燃烧技术一般可分为径向、轴向和径/轴向分级3种，其中，径向分级燃烧室主要有双环腔燃烧室（DAC）、双环预混旋流（TAPS）燃烧室、驻涡燃烧室（TVC）、双头部燃烧室等；轴向分级燃烧室主要有富油燃烧-淬熄-贫油燃烧（RQL）燃烧室、贫油预混预蒸发燃烧室（LPP）等。另外，还有喷嘴内部中心分级的贫油直接喷射燃烧室（LDI）和变几何燃烧室等。

3 先进低污染燃烧室

为了满足越来越严格的ICAO CAEP标准要求，美欧多家世界一流航空发动机公司研制了多种类型的低污染燃烧室。这些燃烧室多数已在民用飞机发动机上得到了应用，其NOx排放均已达到了比CAEP2标准标准值低50%以上的水平。

3.1 美国先进低污染燃烧室

3.1.1 TAPS燃烧室

TAPS燃烧室是美国GE公司于20世纪90年代开始研制的，实际上是70～90年代研制的单环腔燃烧室（SAC）和双环腔燃烧室（DAC）的后续发展型，如图 4所示。SAC、DAC和 TAPS得到了 TECH56、GE90发动机发展和NASA的先进亚声速运输机（AST）等计划的支持，在CFM56-5B、CFM56-7B和GE90等发动机上得到了应用。目前，TAPS已应用于波音787的GEnx发动机上。

TAPS燃烧室综合了2项已成熟的技术，即1980年首次研发并获得专利的预混旋流技术和早在1970年就开始在GE发动机上得到应用的常规值班级燃烧技术。TAPS燃烧室的核心如图5所示，由1个中心扩散火焰稳焰的预燃级和同心外旋流器预混燃烧的主燃级构成。中心预燃级采用扩散燃烧方式，有利于起动和火焰稳定；预燃级与主燃级流场的混合情况，将影响到NOx降低的程度；主燃级是1个预混燃烧模式，燃油喷入主燃级旋转空气中，混合后再进入燃烧区燃烧，以降低NOx排放。

图5 TAPS结构和外形

GE公司正在与NASA合作，以TAPS燃烧室为基础，期望在2025年将NOx排放降低至比CAEP2标准的低80%的水平。

3.1.2 TALON燃烧室

TALON燃烧室是美国PW公司在20世纪90年代采用RQL燃烧技术研发的低污染燃烧室，目前已发展了 TALON1、TALON2、TALON3和 TALONx 等4代，已在 PW4098、PW4158、PW4168和 PW6000等发动机上应用，如图6所示。

RQL燃烧技术是美国NASA于20世纪70年代中期在试验清洁燃烧室研究计划（ECCP）中开发的低排放燃烧技术。RQL低污染燃烧实际上是1个轴向分级燃烧的方案，分为富油（初始）燃烧区、淬熄掺混区和贫油燃烧区3部分（如图7所示），其降低NOx排放的原理是在NOx生成量低的富油区和贫油区进行燃烧，对于接近化学恰当比的NOx大量生成的区域，利用空气大量掺混使其淬熄，从而达到降低NOx排放的目的。

TALON燃烧室为单环腔结构，其头部采用PW公司研制的空气雾化喷嘴，火焰筒壁面冷却方式为冲击发散浮动壁冷却，燃烧室分为富油燃烧区、淬熄掺混区和贫油燃烧区3部分；掺混区气流流速加快，通过迅速冷却热的燃气来减少NOx的排放。TALON燃烧室的结构和原理如图8所示。

TALON2燃烧室的NOx排放水平比CAEP2标准的低50%以上，而TALON3燃烧室的NOx排放水平比TALON2标准的又降低了15%。TALON燃烧室与常规燃烧室污染排放水平比较如图9所示。

3.1.3 TVC燃烧室[4]

TVC燃烧室如图10所示，是由美国空军怀特实验室于20世纪90年代初提出、由GEAE公司和空军科学研究实验室（AFRL）联合开发的1种新型燃烧室，目前已经由单外腔轴对称结构、单管轴对称结构，发展到第3代单腔或双腔环形结构。

驻涡燃烧室是1种径向分级燃烧室，包括2个由插入燃烧室火焰筒内的驻涡腔组成的值班级和1个主燃级。在包括地面和高空点火在内的所有较低功率的状态下，该燃烧室只有值班级（驻涡腔）富油工作，以降低CO和CH的排放量，同时扩大点火和贫油熄火裕度；在较高功率（30%功率以上）状态下，值班级和主燃级同时工作，值班级在低于化学恰当比的条件下工作，而主燃级在比化学恰当比低得更多的条件下工作，以降低NOx的排放量。

图9 TALON燃烧室与常规燃烧室污染排放水平比较

图10 驻涡燃烧室

第3代驻涡燃烧室的扇形段试验表明，与常规涡流稳定燃烧室相比，TVC的起动点火、贫油熄火和高空重新点火性能均提高了50%，工作范围拓宽了40%，燃烧效率保持在99%以上，NOx排放量为CAEP2标准要求的40%～60%。目前，GEAE公司正在进行进一步的产品开发和应用研究。

3.2 欧洲先进低排放燃烧室

3.2.1 ANTLE （Affordable Near-Term Low Emissions）低污染燃烧室

20世纪90年代末，欧盟发起了高效环保航空发动机研究计划（EEFAE）。该计划为期4 a，总投资达1亿英镑，是1项有史以来最大规模的推进技术研究计划,包括ANTLE和CLEAN 2个子计划。英国RR公司在ANTLE子计划支持下，发展了ANTLE低污染燃烧室技术；德国MTU公司和法国SNECMA公司在CLEAN子计划下，研究了间冷回热循环航空发动机。

ANTLE低污染燃烧室是1种单环腔贫油分级燃烧室,如图11所示。其简单的瓦块式火焰筒长度短，燃油喷嘴为同心分级结构，其NOx排放水平比CAEP2标准的低50%以上。

3.2.2 NEWAC研究计划下的低污染燃烧室

继EEFAE计划之后，为了满足欧洲航空研究咨询委员会（ACARE）提出的在2020年使航空发动机CO2和NOx排放分别比CAEP2标准的低20%和80%的目标，欧盟又制定了1项新的联合发展计划，即新型航空发动机核心机概念（NEWAC，New Aero engine Core concepts）研究计划[5]。该计划以德国MTU公司为牵头单位，总投资为7100万欧元，目标是通过采用新技术，使发动机的CO2排放再降低6%，NOx排放再降低16%，如图12所示。

图11 ANTLE低污染燃烧室

图12 NEWAC的CO2和NOx减排目标

由于贫油燃烧单环腔燃烧室（SAC）具有结构简单、质量轻、容易冷却等特点，而贫油燃烧由于燃烧温度低，温度分布均匀，可使NOx排放明显降低。因此，在NEWAC计划中，将超低NOx污染（ULN,Ultra Low NOx）燃烧室的研究重点放在了带有贫油分级燃油喷嘴的SAC上（如图13所示）。

ULN燃烧室的核心技术高度依赖于贫油燃烧喷射系统的性能，因此，NEWAC对之前在欧盟以及国家支持下研发的3种不同贫油喷射技术进行了研究，即 LPP、局部蒸发 -快速混合（PERM，Partial Evaporation&Papid Mixing）和LDI技术。研究表明，这3种燃油喷射技术适用于不同增压比范围的发动机（如图14所示）。

图13 贫油燃烧单环腔燃烧室（SAC）发展方向

图14 针对不同增压比范围的各种燃油喷射技术应用

LPP喷射方法（如图15所示）更适合于低增压比发动机循环，因为在这个范围内，自燃和回火的限制较低。LPP喷射方法基于几股气流的相互作用，第1股气流用于燃油雾化，第2股气流用于油气混合和燃油蒸发；这2股气流共同作用，促进火焰筒内火焰的稳定。

PERM喷射方法 (如图16所示)基于旋流技术的发展，其目的是使燃油在内部管道内部分蒸发，在燃烧室内与空气进行快速混合，以实现对火焰所处位置以及贫油燃烧稳定性的优化。

LDI喷射方法（如图17所示）基于1个可控制的预混合概念，采用同轴内部分级燃油喷嘴和优化的值班级与主燃级火焰结构，通过控制其相互作用，达到降低NOx排放和稳定火焰的目的。

图15 LPP喷射方法

图16 PERM喷射方法

图17 LDI喷射方法

4 结束语

随着全球气候变暖等环境问题的日益加剧，降低航空发动机污染排放的需求变得越来越迫切。美国和英国等欧洲航空技术先进国家研制的低污染燃烧室，已在多型号发动机上得到应用，其NOx排放水平均已达到比CAEP2标准规定值低50%的水平。

目前，欧美的新一轮减排大战已开始。欧洲ACARE制定的2020年减排目标，将使航空发动机的CO2和NOx排放水平分别比CAEP2标准标准值降低20%和80%，欧盟为此制定的1项新的阶段性联合发展计划NEWAC将使CO2和NOx排放水平在原有基础上再分别降低6%和16%；而美国GE公司与NASA已在TAPS燃烧室基础上展开合作，期望于2025年将NOx排放降低至比CAEP2标准标准值低80%的水平。

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