燃气轮机燃烧室的现状及发展趋势

高磊+汪军

摘 要： 针对我国燃气轮机燃烧室污染物排放的现状，介绍了各国对民用航空和工业用燃气轮机的排放规定，分析了燃气轮机燃烧室主要污染物的生成机理、影响因素以及减少污染物排放的措施.对先进的低污染燃烧室中具有代表性和发展前景的四种类型燃烧室作了简要的介绍，它们分别为双环预混旋流（TAPS）燃烧室、 贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室、富油燃烧焠熄贫油燃烧（RQL）低污染燃燒室以及驻涡燃烧室（TVC）.并且介绍了高温升燃烧室的研究现状以及关键技术难题.最后，对燃烧室火焰筒多斜孔冷却、冲击/多斜孔复合冷却、层板冷却以及冲击/气膜冷却等四种方式的现状进行了讨论.

关键词： 燃烧室； 低污染； 高温升； 冷却方式

中图分类号： TK 473.2 文献标志码： 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

燃气轮机燃烧室是燃气轮机核心部件之一.目前燃烧室的发展趋势主要有两种：一是民用航空燃气轮机和工业用燃气轮机的燃烧室朝着低污染方向发展；二是为了大幅度提高军用航空燃气轮机的推重比，燃烧室朝着高温升方向发展.随着人们环保意识的增强，民用航空和工业用燃气轮机燃烧室朝低污染方向发展是必然的，但是另一方面，为了保证国家军力的发展壮大，燃烧室朝着高温升方向发展也是一种趋势.所谓的高温升燃烧室是针对推重比超过12提出的.这种军用发动机涡轮进口温度比现有的军用发动机明显升高.以战斗机发动机为例[1]，第三代涡轮进口温度为1 680～1 750 K，第四代涡轮进口温度达到1 850～1 980 K，未来一代的涡轮进口温度将达到2 200 K.无论是朝低污染方向还是高温升方向发展，都对燃烧室的发展提出了新要求.

1 燃气轮机燃烧污染物排放要求

燃气轮机排放的气态污染物主要是一氧化碳（CO）、未燃碳氢（UHC）、氮氧化物（NOx）和硫化物（SOx），颗粒污染物主要是燃烧室的冒烟.大气污染物中的氮氧化物和未燃碳氢由于光化学反应生成的二次污染物，对环境的破坏更加严重.虽然从污染物排放总量上来说，燃气轮机燃烧污染物排放所占比例很小，但是在局部地区，如机场附近或者使用燃气轮机的场所会聚集高浓度的污染物.在空中，各类飞机产生的排放污染物是高空大气污染物的唯一来源，因此，燃气轮机的排放受到了越来越严格的限制.再者，由于具有燃气轮机安全和高效的特点，在联合循环和提供能源和动力方面，其所占的份额也会越来越大[2].因此，首先要解决的就是如何实现低污染排放.

1.1 民用航空燃气轮机燃烧排放标准

民用航空燃气轮机的污染物排放标准由国际民航组织（ICAO）颁布.该标准不仅对航空用燃气轮机的污染排放作出了规定，同时对污染物排放的测试方法作出了严格规定.1983年ICAO成立了负责组织环境保护的航空保护委员会（CAEP）；1986年通过了第一个污染排放标准（CAEP1）；1996年召开了第二次正式会议，通过了CAEP2；在2004年召开的会议上，加强了对NOx的排放要求，标准修订版称为CAEP4.2005年的修订版（CAEP6）中更进一步加强了对NOx的排放限制.

值得注意的是，除了对NOx的排放规定日益严格外，对其他污染物如一氧化碳、未燃碳氢以及冒烟的规定没有变化.CAEP4中规定的NOx排放水平比CAEP2的规定值降低了16%，CAEP6中规定的标准又比CAEP4的降低了12%.这是因为NOx的排放最难控制且危害最大[3].

1.2 工业燃气轮机燃烧排放标准endprint

由于各国各区的法律法规不同，目前对于工业用燃气轮机燃烧排放还没有一个统一的标准，各国都是根据自身对环境保护的要求制定.美国环保局规定[4]：对于使用天然气的燃气轮机，其NOx的排放上限为2.5×10-5m3·m-3，CO的排放上限为5.0×10-5 m3·m-3；对于使用液体燃料的燃气轮机，由于污染控制的技术不成熟，因此其排放范围更加宽泛.由于公众环保意识强烈，未来美国南加州和日本很可能将NOx的排放限制在9×10-6m3·m-3，即所谓的个位数排放.欧洲的排放标准大体上和美国环保局的规定类似.

十分遗憾的是，我国对于工业燃气轮机方面的污染排放至今没有任何规定.因此一些用户对工业燃气轮机的排放采用锅炉的标准.2011年颁布的火电厂大气污染物排放标准（GB 13223—2011）中对燃气轮机组的NOx排放限值在120 mg·m-3.这显然是不合适的[5]，因为锅炉的燃烧过程和工业燃气轮机的燃烧过程大相径庭.虽然国家没有统一的标准，但是近年来已经有地方政府开始进行这方面的立法尝试.2011年北京颁布了固定式燃气轮机大气污染物排放标准（DB 11/847—2011）[6]，其中NOx排放最高限值为30 mg·m-3.为适应未来的发展，我国有关部门应尽快制定相关的法律和标准.

2 燃气轮机污染物排放

2.1 污染物的生成机理

燃气轮机排放的污染物主要有四种：氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氢和冒烟.虽然各种类型的燃烧室污染物排放总量大不相同，但是从污染物生成机理来看，却基本上有着共同的规律.燃气轮机低功率运行时，例如启动时，一氧化碳和未燃碳氢排放量较高，但是氮氧化物和冒烟排放量较低；燃气轮机高功率运行时，一氧化碳和未燃碳氢排放量较低，但是氮氧化物和冒烟排放量较高.

2.1.1 氮氧化物

由于氮氧化物对空气污染的影响很大，因此它是燃烧室中很重要的次要组分.燃气轮机的排放污染物中，氮氧化物主要指一氧化氮和二氧化氮.在实际燃烧过程中，按照生成机理不同，氮氧化物可以分为“热力型”、“快速型”、“燃料型”、“N2-O中间体机理”和“NNH机理[7]”等四种.

“热力型”生成机理在高温燃烧中起着支配的作用，当量比可以在很宽的范围内变化；“快速型”生成机理在高当量比燃烧时特别重要，但是在实际燃烧室的运行中，“快速型”NO的生成量不大；“燃料型”氮氧化物的生成机理比较复杂，它的生成和破坏过程与燃料中氨受热分解后在挥发分和焦炭中的比例有关，随温度和氧分等燃烧条件的改变而改变；“N2-O中間体机理”在低当量比燃烧过程中对NO的产生有很重要的影响；“NNH机理”是由Gardiner等[7]提出的一种新的NOx生成机理.

当燃气轮机高功率运行时，燃烧室大部分NO的产生来源是“热力型”NO，“快速型”NO的量较少.如果燃料含氮，就会在燃烧过程中产生“燃料型”NO，在高当量比时，“燃料型”NO生成量减少；但是在低当量比时，“燃料型”NO会上升.这是因为含氮燃料分解成NO生成先导物的活化能很低，因此，在高当量比时，燃烧含氮燃料，NO的生成量可以大大减少.

影响氮氧化物产生的因素主要包括燃烧室工况和进入燃烧区的燃料特性.由于空气在进入燃烧室燃烧前会经压缩机加压，为了提高燃气轮机的总效率，燃烧室的进口压力越来越高.压力对氮氧化物生成量的影响十分复杂，且与燃料的种类、燃料的准备方式和燃烧区当量比有密切的关系.在航空燃气轮机燃烧室中，当采用常规空气雾化喷嘴喷射燃料时，压力对氮氧化物生成量的影响是压力的幂函数，即

式中：N为NOx的生成量，mg·m-3；P为燃烧室进口空气压力，Pa；n为指数，它在不同的燃烧室范围不同.

在高效节能发动机计划（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]在研究燃料对发动机燃烧室性能影响时，整理出一个对GE公司和P & W公司的8种发动机都适用的经验关系式，式中n等于0.25.燃烧室进口温度和燃烧区当量比的影响主要表现在燃烧区温度对NOx生成的影响.在实际燃烧过程中，“热力型”NO生成量最多，“热力型”NO生成量与燃烧区温度成正比.在燃烧区停留时间也是一个重要的因素[10].在低当量比时，停留时间对NOx生成的影响减弱.对使用液体燃料的燃气轮机燃烧室而言，喷雾特性、燃油蒸发率以及混合率都对NO的产生有重要的影响.

2.1.2 一氧化碳与未燃碳氢

燃烧室CO是一种不完全燃烧的产物，主要由形成和氧化两个因素决定[11].在低功率运行时，燃烧区温度低，将会产生大量的CO，这是由于CO未完全氧化所导致的；在燃烧区当量比较高时，同样会产生大量的CO，原因是燃烧产生的CO2将会分解成CO.

未燃碳氢主要指在燃烧室出口未完全燃烧的燃油颗粒、燃油蒸汽以及燃烧过程中分裂的小分子燃油成分.未燃碳氢主要受物理因素的控制，另外一部分未燃碳氢来自燃烧过程.未燃碳氢的初始形成过程与碳烟的初始形成过程基本一致.在燃气轮机燃烧室中，影响UHC生成的因素和影响CO生成的因素基本一致.

2.2 降低燃烧室排放的措施

从上述分析可以看出，燃烧室的排污性能与燃烧室工况有很大关系，而燃气轮机燃烧室工况的变化是由燃气轮机的工作特性决定.

2.2.1 减少氮氧化物的排放

在燃气轮机燃烧室的排放污染物中最难控制的是NOx的排放，这从ICAO颁布的数次法规中对NOx的限制越来越严格就可以看出.在实际工程中，例如现代的大型燃气轮机，无论如何设计，燃烧区的温度都会超过NOx大量生成的转折温度1 900 K.从NOx的生成机理来看，此时主要的氮氧化物应为“热力型”.因此，低污染燃烧的主要目标就是降低“热力型”NOx的排放.endprint

（1） 减少氮氧化物排放且主要是减少“热力型”NOx的方法有两大类，一是控制燃烧区的温度，二是对排气进行处理.

从燃烧控制角度来说，控制氮氧化物的排放关键在于降低燃烧区的温度，包括局部高温区和缩短气体在高温区的停留时间，其方法主要有：① 增加主燃区空气量，但这会降低主燃区的温度，使燃烧效率降低，并增加CO和UHC的排放量；② 燃料分级或空气分级，燃料分级会造成初始低当量比，而后高当量比（淡浓）的燃烧过程，而空气分级则会产生浓淡的燃烧过程；③ 减少停留时间，可以通过增加主燃区的流动速度或者缩短燃烧室长度实现.

从排气处理角度来说，对于工业燃气轮机可以使用选择性催化还原（SCR）[12]技术.该项技术的原理是催化法与喷氨法共同作用，使NO转化为N2，催化剂为V2O5-TiO2.但是因为成本高昂，目前只有日本和德国大量使用该技术.总的来说，在我国燃气轮机排气处理距离实际应用还有段距离.

（2） 减少一氧化碳和未燃碳氢的排放

CO和UHC这两种污染物，主要出现在低功率运行时，例如燃机启动时.基础研究发现，CO和UHC在主燃区当量比约在0.9时，排放量最低，因此要控制CO和UHC的排放量，就要调整主燃区在不同工况下的当量比.其主要措施有：① 改善喷嘴使混合更加均匀；② 使主燃区当量比接近最佳值0.9；③ 增加主燃区容积；④ 减少冷却空气量的使用；⑤ 分级供油，分区燃烧.

3 低污染燃烧室的气动设计

工业用燃气轮机燃烧室大多参照航空燃气轮机燃烧室设计.航空燃气轮机燃烧室的燃烧设计方案中主要采用了分级燃烧的概念.分级燃烧技术可以分为径向分级、轴向分级、径/轴向分级三种，其中：采用径向分级的主要有双环预混旋流（TAPS）燃烧室、双环腔燃烧室（DAC）和驻涡燃烧室（TVC）；采用轴向分级的主要有富油燃烧焠熄贫油燃烧（RQL）低污染燃烧室和贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室；另外，还有喷嘴内部中心分级的可变几何燃烧室（VGC）、贫油直接喷射（LDI）燃烧室和催化燃烧室.下面就重点介绍几种对未来燃气轮机燃烧室发展比较有启发的燃烧室.

3.1 双环预混旋流燃烧室

在先进燃烧室的设计中，由于燃烧室温升较快，当量比较大，参加燃烧的空气增多，因而，燃烧区的空气动力特性主要由头部进来的流动空气决定.所以，就先进燃烧室而言，一个好的头部设计方案对燃烧室燃油和空气分配组织及达到各项性能要求至关重要.TAPS燃烧室的头部主要由一个中心扩散火焰的预燃级和一个同轴预混燃烧的主燃级构成，两级之间由一定高度的台阶隔开，预燃级由一个高流量數的压力雾化喷嘴、内外两个围绕喷嘴的同向双级旋流器及套筒组成，而主燃级则由一个径向旋流器、环状空腔型主混合器及环形多点喷嘴组成.

TAPS燃烧室最早是在70年代由GE公司研发.该公司做了大量的理论和实验研究，后来在NASA（National Aeronautics and Space Administration）的支持下，GE公司又对TAPS燃烧室做了持续而系统的研究.目前比ICAO CAEP2规定的NOx排放低50%以上的超低排放的燃烧室已经在该公司投入使用[13].在下一代的TAPS燃烧室中，将借助计算机模拟和大量的基础实验，在保持或减少NO排放的基础上，将技术用在小尺寸的发动机中.目前，GE公司已获得与NASA合作的机会[14]，以TAPS燃烧室为基础，期望在2025年前将NOx排放降低至比CAEP2排放标准低70%的水平.为达到这样的目标，其关键技术就是在主燃级油气掺混中采用更加先进的燃油喷射和油气混合技术提高掺混的均匀性，保证合理的油气分布.

3.2 贫油预混预蒸发燃烧室

贫油预混预蒸发燃烧室是从氮氧化物的生成机理上降低污染物排放，其基本模式是将燃料完全蒸发并混合均匀供入燃烧区，在燃烧区是贫油燃烧，燃烧区的当量比越贫越能降低NOx排放.其关键技术集中在燃油喷射、预混预蒸发段、火焰稳定以及火焰筒冷却方面.燃油喷射要求雾化要细，空间散布要均匀；预混预蒸发段的关键是保证在蒸发完全和混合均匀的前提下不发生自燃；火焰稳定主要是不发生回火；在燃烧方面主要考虑燃烧效率和不稳定性的问题.

70年代末，NASA的LPP燃烧室研究计划[15]中就总结了LPP燃烧室使用碳氢燃料时在不同工况下的自燃规律和回火.由于低当量比燃烧，燃烧区温度较低，因此，需要有一定的停留时间充分氧化燃料产生的CO和未燃碳氢，停留时间延长对NOx排放增加并未有明显的影响[16].在贫油预混预蒸发低污染燃烧室中容易出现不稳定性问题，原因在于均匀混合燃烧过程与燃烧室的声学特性容易耦合，导致不稳定性的发生[17].LPP燃烧室是颇具潜力的低NOx的燃烧室.在川崎重工参与的ECO计划[18]中，采用了这种设计方案，其NOx排放比CAEP4低60%以上.

3.3 RQL低污染燃烧室

RQL低污染燃烧的基本方式是先采用一个高当量比的燃烧区，或称为初始燃烧区，然后大量的空气与该燃烧区产物迅速混合，混合后的当量比小于1.随后的区域是一个低当量比燃烧区，在该区域完成燃烧后排出燃烧室，进入涡轮.RQL低污染燃烧室的设计本质上是一个空气分级方案.

当燃料含有氮时，RQL低污染燃烧室在降低NO排放上有较好的效果，因为在初始高当量比时燃烧能够很好地抑制“燃料型”NO的产生，初始燃烧区的当量比高达1.4～1.6.不采用更高的当量比，是因为采用过高的当量比会产生大量碳烟且在随后的过程中无法完全氧化，导致燃烧室出口产生大量的碳烟，另外，当油气比超过1.4时，其对NOx的产生的影响会降低[19].另外，在焠熄时，如果缓慢引入掺混气体降温会延长燃烧产物停留时间，导致NOx大量生成，因此解决这个问题的关键就是快速焠熄，并且掺混均匀.这一领域的研究受到了研究者的重视，例如掺混孔的形状、排列以及在各种参数下的性能研究.Holdeman等[20]针对不同数目的射流孔和空气预热对掺混效果的影响进行了实验研究.于亮等[21]针对不同掺混气流入射角度和速度对掺混效果进行了模拟研究.endprint

3.4 驻涡燃烧室

驻涡燃烧室是20世纪90年代提出的一种新的燃烧组织方式.驻涡燃烧室采用了分级分区燃烧的概念.预燃级由空腔组成，空腔内供入空气形成稳定的漩涡，同时供入燃油，由于预燃级的漩涡在空腔内驻定，因此称为驻涡燃烧室，使预燃级在各自工况下都能稳定燃烧.Burrus等[22]研究驻涡燃烧室的燃烧状况，其中用于燃烧的空气分配占80%，其主要问题是燃烧室壁温过高和出口温度不易调节；目前美国Glenn研究中心正在进行第4代驻涡燃烧室燃烧性能和污染排放试验测试和数值模拟[23]；国内孔昭健[24]对驻涡燃烧室的火焰稳定、结构优化等做了研究；邢菲[25]对TVC进行了数值模拟与试验，研究了燃烧室内流动、传热、油气混合以及排气污染等.

4 高温升燃烧室的研发

高温升燃烧室的应用还需要解决一些关键技术，例如形成宽广稳定的工作范围、提高火焰筒的耐久性、降低出口温度分布式系数和减少排放等问题.在对高温升燃烧室的技术研发中，国内外都发表了一些研究成果.例如，文献[26]中比较研究了四种室壁冷却结构和五种空气雾化喷嘴，最终的实验表明，燃烧效率、点火、出口温度分布和排气冒烟都符合实际要求；文献[27]分析了高温升燃烧室出口燃气中含有可燃物而引起在涡轮中二次放热的影响.

4.1 宽广稳定的工作范围

对于高温升燃烧室而言，如何解决高功率运行时不冒烟和慢车贫油熄火之间矛盾是面临的首要难题[28].其中更为重要的是燃烧室慢车熄火特性.目前航空燃气轮机中，军用发动机要求慢车熄火贫油熄火值为0.005.对于高温升燃烧室，由于总当量比大幅度上升，为了不产生冒烟，要求主燃区油气比接近化学恰当比，这就意味着增加主燃区流量.随着主燃区流量的增加，贫油熄火值将提升，这是很不利的.由此，对贫油熄火进行研究十分重要.文献[29]中对此进行了详细的阐述.袁怡祥等[30]提出了利用三旋流器头部方案，这对于降低燃烧室出口冒烟和提高燃烧效率有较好的作用.

4.2 火焰筒的耐久性

高温升燃烧室需减少冷却空气量，主要有三种实现途径：

（1） 缩短燃烧室长度.从目前情况来看，进一步大幅度缩短燃烧室长度是不现实的.

（2） 采用绝热涂层或非金属耐高温火焰筒.近年来锆酸钇或锆酸镁涂料已被广泛使用，但是涂料厚度有限，因为涂层太厚会出现剥落.据估计，采用涂层可以减少高温升燃烧室冷却空气量的4%，所以单纯靠涂层不足以解决问题；在耐高温非金属材料火焰筒方面主要有两个解决方案，一是采用柔性金属陶瓷壁（CMC）[31]，该项研究历时超过20年；二是使用碳化硅编织增强碳化硅基复合材料（CF/SIC），该项目有不错的进展，例如国防科技大学材料实验室研究了制备工艺对CF/SIC的影响[32].耐高温非金属材料火焰筒使用碳化硅编织增强碳化硅基复合材料是未来的一个发展方向，但是能否可靠、长期反复使用还需要检验.

（3） 改变冷却方式与壁式结构.这是基于目前高温合金材料的主要途径.

4.3 降低出口温度分布系数

在高温升燃烧室研发过程中发现在高进口温度和高当量比下，燃烧效率相当低，这是因为在高温情况下燃烧不完全造成的.经过努力，高温燃烧室的燃烧效率仍然要比常规燃烧室的低.对于高温升燃烧室出口温度分布是一个难题，对于常规燃烧室，在出口截面上很少有达到化学恰当比的局部区域，但是对于高温升燃烧室，其出口截面上有很多局部区域达到了化学恰当比甚至更高，因此有学者[33]提出应用油气比分布来表征燃烧室出口的不均匀性，而不是用出口温度分布来表示.美国综合高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET）计划在15年内将燃烧室出口温度分布系数降低60%，并从两个方面实现：一是燃烧室出口温度分布主动控制技术；二是从燃料喷射/火焰稳定两方面综合考虑，从根本上消除温度场的不均匀性.

5 燃烧室火焰筒冷却技术

未来燃气轮机发展的方向无论是高温升还是低污染，两者都需要大幅度提高参与燃烧的空气分配比例，因此减少冷却空气分配比例是一个必然趋势.传统的冷却方式是沿着火焰筒内壁面形成一层冷却气膜保护火焰筒，这种缝式贴壁冷却方式需要30%～40%的空气量，未来这种常规气膜冷将难以满足燃烧室火焰筒对冷却的要求，在某些情况下，还有可能成为火焰筒的加热项[34].目前先进冷却技术主要分为两类：一类是基于发散冷却的改进设计，主要有多斜孔冷却、冲击/多斜孔冷却和层板冷却等；另一类是针对缝槽气膜冷却固有的缺点进行改进，主要有冲击/气膜冷却、气膜/发散冷却、逆向平行流翅壁等.下面对其中较有代表性的冷却方式作简单介绍.

5.1 多斜孔冷却方式

多斜孔冷却技术是解决高温升火焰筒冷却的关键技术之一，它的特点是在单层壁面上打出大量倾斜的小孔.与常规的缝式气膜冷却相比，多斜孔冷却效果大幅度提升，可以减少40%冷却空气量，综合冷却效率更是可达90%[35].另外一个特点是火焰筒温度梯度小.美国艾利逊公司在ATDE/GMA500燃烧室的实验[36]表明：層板冷却的总壁温梯度为170 K，而多斜孔冷却仅为50 K，这将大幅度延长火焰筒使用寿命；F414发动机采用多斜孔技术[37]，降低了火焰筒的温度，同时减少了热梯度和裂纹；英国RR公司研制的RB715低污染轴向台阶式燃烧室[38]也采用该冷却方式，其燃烧室需要冷却的火焰筒面积比常规燃烧室的增加了15%，而可用的冷却空气量反而减少了15%.

5.2 冲击/多斜孔复合冷却方式

冲击/多斜孔复合冷却方式的特点是其火焰筒壁为双层壁结构，冷却气侧为冲击壁，燃气侧为多斜孔冷却壁，其最显著的特点是在多斜孔壁的冷气侧存在强烈的冲击换热.影响冲击多斜孔复合冷却方式换热效果的因素主要包括单一因素和复合因素，前者主要指多斜孔壁、冲击壁开孔规律与布置形式等，而后者主要包括两壁之间的相对位置.关于单一因素的研究比较多，而关于复合因素的研究则相对较少.张靖周等[39]发现冲击冷却通过气流对冷却壁面的高速冲击能够有效增强换热效果；张勃等[40]研究发现，在冲击多斜孔复合冷却中冲击孔壁与多斜孔壁的压降分配对强化换热效果有明显影响.许全宏等[41]等则对冲击多斜孔复合冷却中冲击换热系数和小孔内对流换热系数进行了细致的分析.实际应用中，冲击/多斜孔复合冷却方式在F119发动机和V2500发动机上都取得了较好的应用效果.endprint

5.3 层板冷却方式

为了既能增强火焰筒壁内的换热性能，又不受制于火焰筒耐高温材料的发展，相关研究促使层板冷却方式的出现.GE公司和罗罗公司都有

几款发动机使用了该技术[42].例如，GE公司的FMA500发动机、TF41发动机和罗罗公司的斯贝发动机，这两家公司都在这方面进行了大量的研究.GE公司的层板由数层电化学腐蚀金属板扩散焊接而成，层间通道中布满了许多挠流柱，以加强冷却气的冷却和增加换热面积；罗罗公司没有采用基柱来构建内部通道，而是直接在每层板上加工出内部流动通道.与传统的缝式气膜冷却相比，层板冷却可以减少70%的冷却空气量，但是其应用却受到了材料的限制，主要缺点是机械强度低，而且容易发生堵塞.国内的一些研究者对层板冷却的基础流动及换热特性展开了大量的实验和数值研究，针对层板冷却的结构优化和提高换热性能方面的研究也取得了一些较好的成果，例如王鸣等[43]研究了冲击孔数目、孔径和排列方式对冷却效率和层板冷却的影响.

5.4 冲击/气膜冷却方式

冲击/气膜冷却方式是针对气膜冷却下游冷却效率下降而采用冲击冷却方式来强化缝槽气膜末端的高温区.这种方式的缺点是流动阻力太大，壁面的对流换热面积也未增加，冷却气的吸热能力未能充分发挥.GE公司在E3方案中[44]验证了该技术，采用瓦块结构，与常规气膜相比，有效地降低了冷却空气的使用量，循环寿命达到了上万小时.

6 结 论

首先，保证燃烧室高效清洁燃烧是围绕燃烧室设计的重要课题，其第一步就是在社会层面完善相关的法律法规.其次，在技术层面上分析污染物的生成规律，并在此基础上组织燃烧，以便减少污染排放.TAPS燃烧室、RQL低污染燃烧室、LPP燃烧室、TVC都是较有发展前景的燃烧室.针对高温升燃烧室，如何解决燃烧的稳定性以及火焰筒的冷却并且降低出口温度分布系数是关键所在.最后，无论是低污染还是高温升燃烧室，对于火焰筒冷却都提出了新的要求，介绍了四种先进冷却方式，分别为多斜孔冷却方式、冲击/多斜孔冷却方式、层板冷却方式和冲击/气膜冷却方式.

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