先進(jìn)低污染燃燒技術(shù)及其應(yīng)用

先進(jìn)低污染燃燒技術(shù)及其應(yīng)用

為了使國(guó)內(nèi)車輛更具競(jìng)爭(zhēng)力，我們必須不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力、總壓比和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度。在提高葉片性能的同時(shí)，我們要求民機(jī)以低污染、低噪聲和高可靠性的方向發(fā)展，滿足下一代飛機(jī)對(duì)能源設(shè)備的需求。中國(guó)的民用航空發(fā)展迅速，是世界航空業(yè)增長(zhǎng)最快的國(guó)家之一。2006年至2010年，民用航天航天航天航天航天航天航天航天航天航天航天航天航天轉(zhuǎn)輸污染日益嚴(yán)重。航空車輛的污染物主要包括co、nox、co、香煙、hc和sox。這些有害物質(zhì)對(duì)人類及其生態(tài)環(huán)境有嚴(yán)重危害。由于飛機(jī)在航空事故中航行，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在航空事故中排放的污染物比地面?zhèn)鞲衅髋欧诺奈廴疚飳?duì)空氣具有更顯著的影響，并且容易引起熱場(chǎng)的影響和世界氣候的變化。為了使民用車輛具有更高的環(huán)境友好性，滿足世界衛(wèi)生組織越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)境要求，提高航空車輛的性能，必須降低油耗，降低污染物排放。低污染燃燒技術(shù)是推動(dòng)航空快速發(fā)展的一項(xiàng)非常重要的關(guān)鍵技術(shù)。為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境的影響，美國(guó)環(huán)境管理局（ica）為各種飛機(jī)設(shè)定了強(qiáng)制性污染標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際航空航天局（ica）和中國(guó)民用航天局（caac）也制定了污染標(biāo)準(zhǔn)。1采用低碳排放和預(yù)混旋流燃燒降低nox排放隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)加強(qiáng),民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保性在適航要求中越來(lái)越突出;降低污染、延長(zhǎng)壽命是民機(jī)的主要發(fā)展目標(biāo).為此,世界各國(guó)都對(duì)低污染燃燒枝術(shù)進(jìn)行廣泛的研究,發(fā)展了不同的低污染燃燒室.例如早在上世紀(jì)70年代美國(guó)發(fā)展了分級(jí)燃燒技術(shù)、貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室(Leanpremixedprevaporized,LPP)、催化燃燒室以及變幾何燃燒室(Variablegeometrycombustor,VGC)等,其主要目的是為了大幅度減少氮氧化物的生成.80年代初為了適應(yīng)餾分放寬的燃油,發(fā)展了富油燃燒/淬熄/貧油燃燒技術(shù)(Rich-burn,quick-mix,lean-burn,RQL),其目的是減少燃油餾分放寬后帶來(lái)的燃料氮氧化物生成;同一時(shí)期世界各大發(fā)動(dòng)機(jī)公司也開(kāi)始研究LPP和RQL技術(shù)來(lái)降低NOX排放量.為了能滿足其他設(shè)計(jì)要求同時(shí)進(jìn)一步降低NOX的排放,20世紀(jì)90年代GE公司開(kāi)發(fā)了一種雙環(huán)預(yù)混旋流(Twinannularpremixingswirler,TAPS)燃燒室,以使污染排放比目前的標(biāo)準(zhǔn)低85%.現(xiàn)在GE公司將此項(xiàng)技術(shù)用在CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室上,排放量比1996年ICAO標(biāo)準(zhǔn)約低65%.目前正在研制的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)采用了TAPS燃燒室后,其NOX,煙、HC,CO的排放只有CAEP標(biāo)準(zhǔn)的45%,10%,5%和30%.此外,SNECMA公司研制的雙頭部燃燒室的排放值比1996年的標(biāo)準(zhǔn)低60%.R·R公司研究了一種貧油單級(jí)與軸向分級(jí)燃燒室,通過(guò)減少混氣停留時(shí)間、加強(qiáng)混合,從而抑制NOX生成;2005年在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證,其NOX排放比CAEP4標(biāo)準(zhǔn)低50%以上.我國(guó)也對(duì)低污染燃燒技術(shù)進(jìn)行了研究,并在民用或航空燃?xì)廨啓C(jī)低污染燃燒室方面都取得了一定的進(jìn)展,例如文獻(xiàn)發(fā)展了一種分級(jí)/貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室方案,實(shí)現(xiàn)的分級(jí)燃燒與LPP相結(jié)合,以達(dá)到降低NOX排放水平.此外,GE公司還研究減低排放的主動(dòng)燃燒控制技術(shù),以保證獲得燃燒所需的貧油混氣.主動(dòng)控制技術(shù)將用于檢測(cè)可導(dǎo)致火焰熄滅的貧油混合物,從而消除混合物對(duì)富油裕度的需求,混合物越貧,產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的NOX污染物排放就越少.為了提高燃燒室耐熱能力,SNECMA公司還開(kāi)發(fā)了高溫陶瓷基復(fù)合材料(Ceramicmatrixcomposite,CMC)燃燒室,該室因能減少冷卻空氣量,并把冷卻的空氣加到燃油/空氣的混合物中,再次導(dǎo)致更貧的混氣,且使燃燒室出口溫度較均勻,收到很好地降低排放的效果.同時(shí)還研究了貧油直接噴射(Leandirectinjection,LDI)技術(shù),即采用多點(diǎn)直接噴射把燃油輸入燃燒室內(nèi),在噴射點(diǎn)處為局部富油燃燒,以增加燃燒穩(wěn)定性,然后與空氣快速混合形成均勻貧油混氣進(jìn)行燃燒,降低NOX排放.當(dāng)前,亞聲速運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的NOX排放指數(shù)為30g/kg燃油,采用雙環(huán)腔燃燒室后降低到20g/kg燃油,而NOX的排放隨著燃燒室內(nèi)壓力和溫度的升高而增加.這樣,未來(lái)亞聲速和超聲速運(yùn)輸機(jī)的NOX排放將達(dá)到30～40g/kg燃油.但NOX排放指標(biāo)為3～8g/kg燃油.因此,進(jìn)一步減少排氣污染,特別是降低NOX排放量是未來(lái)先進(jìn)民用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要研究目標(biāo).開(kāi)發(fā)成本效益優(yōu)異的低氮氧化物排放技術(shù)是十分重要.2民用車輛污染2.1發(fā)動(dòng)機(jī)電控特性為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放對(duì)環(huán)境造成的影響,國(guó)際民航組織(ICAO)在1981年頒布了〈航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排放〉標(biāo)準(zhǔn)(Committeeaviationenvironmentalprotection,CAEP),其中涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染物為:CO,HC,NOX和冒煙,發(fā)動(dòng)機(jī)分為亞聲速飛行和超聲速飛行的渦輪噴氣和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)兩類,標(biāo)準(zhǔn)主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)起飛、爬升、下降、進(jìn)場(chǎng)以及滑行等階段.排氣污染參數(shù)定義為在起飛-著陸(Landingtake-off,LTO)循環(huán)期間排放污染物與起飛推力之比,用Dp/F∞來(lái)表示,其單位為g/kN,參數(shù)Dp/F∞=∑WfjEIjtj/F∞.作亞聲速和超聲速飛行的航空發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛-著陸循環(huán)中功率和狀態(tài)工作時(shí)間規(guī)定如表1.在表中F∞為在海平面(Internationalstandardatmosphere,ISA)靜止?fàn)顟B(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)不噴水以正常工作狀態(tài)起飛時(shí)可用的最大功率或額定推力,F*∞為加力時(shí)額定推力.ICAO對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)頒布有1986,1993,1996和2004年生效的CAEP1,2,4和6標(biāo)準(zhǔn).因氮氧化物NOX的排放對(duì)環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重,所有標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)NOX的規(guī)定也日趨嚴(yán)格,以CAEP1為基準(zhǔn),分別與CAEP2,4和6標(biāo)準(zhǔn)相比,相對(duì)前一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),后者分別降低20%,16.5%和12%.而對(duì)于CO,HC以及冒煙的規(guī)定保持不變.如NOX排放規(guī)定值分別為L(zhǎng)TONOX=40+2.0π∞(CAEP1),LTONOX=32+1.6π∞(CAEP2).對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比π∞≥30和起飛推力F∞>89kN的發(fā)動(dòng)機(jī)LTONOX=7+2.0π∞(CAEP4),LTONOX:Dp/F∞=-1.04+2π∞(CAEP6).目前,大多數(shù)的民用發(fā)動(dòng)機(jī)都能滿足1996年ICAO的LTONOX標(biāo)準(zhǔn).2002年我國(guó)民用航空局對(duì)作不同飛行的渦扇和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放規(guī)定值為:1)煙霧排放不得超過(guò)SN=83.6(F∞)-0.274或≤502)2002年4月19日及其后制造的額定輸出等于或大于26.7kN的發(fā)動(dòng)機(jī)氣體污染物排放值不得超過(guò)HC:Dp/F∞=19.6,CO:Dp/F∞=118,NOX:Dp/F*∞=32+1.6π∞.3)2002年4月19日及其后制造的每臺(tái)新發(fā)動(dòng)機(jī)排出的氣態(tài)污染物不得超過(guò)HC:Dp/F*∞=140×(0.92)π∞,CO:Dp/F*∞=4550×(π∞)-1.03,NOX:Dp/F*∞=36+2.42π∞.式中F*∞為使用加力時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下起飛時(shí)的最大功率或推力,π∞為額定輸出時(shí)達(dá)到的燃燒室進(jìn)口壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力之比.2.2產(chǎn)生和控制產(chǎn)生的污染2.2.1航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒主燃區(qū)co在航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中大部分污染物濃度與燃燒室內(nèi)氣流溫度、成分以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)有關(guān),發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)下污染物測(cè)試結(jié)果如圖1所示,其中CO和未燃碳?xì)淙剂螲C濃度在低功率狀況下最大,隨著功率增加,CO濃度下降,相反,氧化氮NOX的濃度在低功率時(shí)較小,而在高功率時(shí)達(dá)到最大值,對(duì)于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī),冒煙最大可能出現(xiàn)在高功率狀況,對(duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),它的冒煙很少,甚至看不見(jiàn).主要污染物生成機(jī)理簡(jiǎn)述如下:1)一氧化碳COCO是一種不完全燃燒產(chǎn)物,通常在主燃區(qū)中大量形成,在中間區(qū)被氧化成CO2.如果航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室主燃區(qū)設(shè)計(jì)成富油.因缺乏氧氣.不能完全燃燒生成CO2,而產(chǎn)生較多的CO.如果主燃區(qū)設(shè)計(jì)成化學(xué)恰當(dāng)比或稍貧油,相當(dāng)大量CO存在是因?yàn)橹魅紖^(qū)溫度高,CO2熱分解造成,但是隨著主燃區(qū)下游空氣通過(guò)摻混孔不斷摻入,降低燃?xì)鉁囟瓤墒笴O減到最小.實(shí)際上,在低功率時(shí)CO達(dá)到最大,可能是燃料不完全燃燒產(chǎn)生.2)未燃碳?xì)淙剂?HC)燃油中有一部分碳?xì)浠衔镏皇钦舭l(fā),沒(méi)有來(lái)得及參加燃燒反應(yīng)就通過(guò)了燃燒室.因此,在燃燒室出口未燃碳?xì)淙剂弦杂椭榛蛴驼羝问匠霈F(xiàn),或者是燃油被加熱分解成低分子量的甲烷或乙炔,形成HC.由于HC的氧化比CO快,所以它的含量比CO少.3)氮氧化物NOX燃燒過(guò)程中生成的NOX,按它的生成機(jī)理不同可分為“熱力”,“瞬發(fā)”和“燃料”氧化氮三種,由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料大都是航空煤油,燃料中含氮量低,因此NOX產(chǎn)生的原因主要來(lái)自“熱力”NO和“瞬發(fā)”NO,前者主要出現(xiàn)在高溫貧油情況,而后者主要是在低溫富油條件下產(chǎn)生.研究表明NOX的生成主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)主燃區(qū)內(nèi)混氣當(dāng)量比Φ、停留時(shí)間、火焰溫度以及燃燒室進(jìn)口溫度.通常在貧油范圍,NO隨當(dāng)量比增加而增加,并隨著進(jìn)口溫度和壓力增加而增加,燃?xì)庠谌紵齾^(qū)內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng),NO生成率也增加.4)冒煙航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冒煙主要成分為微小煙粒(尺寸在0.01～0.06μm),它是由95%碳和氫、氧以及其他成分組成.在燃燒室中煙粒子是在高溫主燃區(qū)中局部富油區(qū)內(nèi)生成.排氣冒煙主要與燃料性質(zhì)、燃燒室壓力、溫度、油氣比、燃油霧化質(zhì)量和燃油噴嘴等有關(guān).燃料中含氫量越低,燃燒效率下降,易于排氣冒煙.隨著燃燒室壓力增加,排氣冒煙增加.燃燒室出口溫度提高,減少冒煙.2.2.2減少燃燒及燃燒總氮影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室排氣污染的主要因素有:①主燃區(qū)溫度和當(dāng)量比;②主燃區(qū)燃燒過(guò)程的均勻程度;③在主燃區(qū)的停留時(shí)間;④火焰筒壁面驟熄特性;⑤中間區(qū)的作用等.其中,燃燒室的中間區(qū)一方面對(duì)CO,HC和從主燃區(qū)流出氣體中所含碳粒的氧化起了正的作用,但是另一方面它能導(dǎo)致那些未完全燃燒的氣體驟熄起了負(fù)的作用,而后者對(duì)富油主燃區(qū)設(shè)計(jì)是很重要的.改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室污染特性,實(shí)質(zhì)是控制其各個(gè)有害污染成分,其主要措施簡(jiǎn)述如下:1)減少CO和HC的排放影響CO排放量的各因素同時(shí)也影響HC,這是因?yàn)镠C和CO排放量的變化趨勢(shì)相同,降低措施有:①采用空氣霧化噴嘴來(lái)改善燃油霧化;②對(duì)燃燒室內(nèi)各部分空氣量重新分配,使主燃區(qū)的當(dāng)量比接近于最佳值(0.7);③增加主燃區(qū)容積或停留時(shí)間;④減少氣膜冷卻空氣量.⑤分級(jí)供油,分區(qū)燃燒,在低功率情況下,減少噴嘴數(shù)目,減少燃燒區(qū)容積,從而改善燃油霧化,提高燃燒區(qū)局部油氣比.分級(jí)供油基本形式為周向、徑向和軸向三種.2)控制氧化氮的生成降低氧化氮的關(guān)鍵在于,降低燃燒區(qū)(包括局部高溫區(qū))的溫度和縮短氣體在高溫區(qū)的停留時(shí)間.其措施有:①貧油主燃區(qū),增加進(jìn)入主燃區(qū)空氣量,使主燃區(qū)在貧油下工作,從而使NO下降;但是隨著主燃區(qū)火焰溫度下降,燃燒效率降低,會(huì)引起CO和HC增加,因此用這方法降低NO時(shí),必須權(quán)衡CO,HC和NO之間的關(guān)系.②均勻燃燒,在貧油情況下,改善燃油霧化和混合,使燃燒均勻,消除局部過(guò)熱點(diǎn)或高溫區(qū),以降低NO.③減少停留時(shí)間,即縮短氣體在高溫燃燒區(qū)的停留時(shí)間.通常增加主燃區(qū)內(nèi)氣流速度和縮短燃燒室長(zhǎng)度來(lái)減少停留時(shí)間,從而降低NO.3)降低排氣冒煙在航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中煙粒非常細(xì)小,相對(duì)濃度也很低,一般小于0.003%,但肉眼仍能看見(jiàn),民用發(fā)動(dòng)機(jī)要求排氣冒煙下降到肉眼看不見(jiàn),冒煙指數(shù)SN<20.降低冒煙主要從燃料和燃燒室設(shè)計(jì)兩方面采取措施:①采用冒煙低的燃料,由于燃油中芳香烴含量增多,氫含量或氫/碳比降低可使冒煙增加,為此,可采用芳香烴含量少的燃料或者在燃料中加添加劑.研究表明在燃油中加入少量添加劑可以減弱碳結(jié)核形成碳黑過(guò)程,促使其氧化燃燒,從而抑制排氣冒煙,但其缺點(diǎn)使渦輪葉片沉積.②改進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì),防止局部富油區(qū):如采用空氣霧化噴嘴取代壓力霧化噴嘴,這不僅可降低冒煙,而且對(duì)控制CO,HC和NOX都有利.另外,主燃區(qū)采用化學(xué)當(dāng)量比或貧油設(shè)計(jì),這樣可防止局部富油,減少冒煙.3低污染燃燒上述降低污染的措施適合于對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造,亦可以在新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)上采用.但在原機(jī)上改造,其結(jié)果必定是采用污染和其他性能兼顧的折衷方案.如果增大燃燒室的容積,停留時(shí)間就會(huì)增長(zhǎng),在慢車狀態(tài)HC可降低,但在高功率狀態(tài)NOX卻會(huì)增加;另一方面,在同一主燃區(qū),縮短燃燒室長(zhǎng)度會(huì)減少NOX的排放,但可能增大冒煙程度.因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō),為了全面控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染,發(fā)展新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù),設(shè)計(jì)先進(jìn)低污染燃燒室是非常需要的,如采用先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),其耗油率要比渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)降低40%左右,從而降低CO2的排放,減少對(duì)溫室效應(yīng)的影響.目前正在研制新一代的高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)其耗油率有望比現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)再降低12%～20%.但是在研制新低污染燃燒室時(shí)面臨一個(gè)技術(shù)難題,即同時(shí)降低四種污染物是很不易解決,正如圖2所示,只有在1670～1900K很狹窄溫度范圍內(nèi),CO和NOX都有較小合適值.因此,各先進(jìn)低污染燃燒室設(shè)計(jì)方案是要求在所有工作狀態(tài)下都保持在該狹小的溫度范圍內(nèi),使CO和NOX排放量都處于低值范圍,下面對(duì)幾種低污染燃燒室作簡(jiǎn)要的介紹.3.1燃燒方案及燃燒溫度控制由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在低功率和高功率工況下排放污染物有所不同,因而提出了分級(jí)燃燒室方案,即把燃燒室分成幾個(gè)燃燒區(qū),在每個(gè)區(qū)單獨(dú)供燃油和空氣,并使其均勻混合.控制各區(qū)燃燒溫度(見(jiàn)圖3),使其在所有工況下都保持低的污染物排放.分級(jí)燃燒室一般可分為徑向、軸向和徑/軸向分級(jí)三種.徑向分級(jí)又因燃燒室設(shè)計(jì)方案不同,有雙環(huán)腔和雙頭部燃燒室等.軸向分級(jí)有渦流燃燒與混合方案以及兩級(jí)軸向分級(jí)燃燒室等.3.1.1高空點(diǎn)火、慢車工況下所需溫升的減少?gòu)较蚍旨?jí)燃燒室是一種徑向分級(jí)的或并聯(lián)的燃燒室,它按徑向分成兩個(gè)環(huán)腔,外環(huán)腔按小負(fù)荷設(shè)計(jì),提供起動(dòng)、高空點(diǎn)火和慢車工況下所需的溫升.在高功率時(shí),兩個(gè)環(huán)腔同時(shí)工作,使負(fù)荷較小、停留時(shí)間短、NOX排放量減少.該類燃燒室的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)低排放的所有性能指標(biāo),火焰筒長(zhǎng)度/高度比合理,其缺點(diǎn)是火焰筒冷卻面積大,在中間狀態(tài)出口溫度場(chǎng)不佳,噴嘴數(shù)增加,設(shè)計(jì)復(fù)雜.1分級(jí)燃燒.雙環(huán)腔燃燒室是一種徑向分級(jí)燃燒室,如圖4所示,它由一個(gè)中心體把火焰筒分隔成內(nèi)、外兩個(gè)預(yù)燃區(qū).其每個(gè)區(qū)頭部?jī)?nèi)裝有燃油噴嘴,使每個(gè)頭部可實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒.在低功率時(shí),外預(yù)燃區(qū)的噴嘴工作,保持較高的油氣比,氣流速度低,燃燒時(shí)間長(zhǎng),使燃燒完全,降低CO和HC排放量.在高功率時(shí)兩個(gè)預(yù)燃區(qū)的噴嘴全部工作,使油氣比較低.由于分級(jí)燃燒,這種燃燒室可降低NOX排放量45%,GE90發(fā)動(dòng)機(jī)裝有此類雙環(huán)腔燃燒室,在巡航時(shí)可降低NOX排放量30%,HC和CO也可降低70%.此燃燒室已裝在B777飛機(jī)上使用.最近E3發(fā)動(dòng)機(jī)與CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)上也采用這種雙環(huán)腔火焰筒.2空氣量可使主燃區(qū)燃燒如圖5所示,SNECMA公司的雙頭部燃燒室是另一種徑向燃燒室.其慢車頭部具有很大的容積(因而停留時(shí)間長(zhǎng)),在慢車狀態(tài)時(shí)輸入的空氣量可使主燃區(qū)的化學(xué)當(dāng)量比最佳化,因而產(chǎn)生CO和HC較少.在起飛時(shí)頭部容積小(因而停留時(shí)間短)輸入來(lái)自壓氣機(jī)大量空氣,以便實(shí)現(xiàn)化學(xué)當(dāng)量比較低的主燃區(qū)燃燒,這種燃燒室與常規(guī)燃燒室相比,污染程度明顯改善,NOX降低30%,因此它被BR715低污染發(fā)動(dòng)機(jī)采用,但是獲得這一污染改善的代價(jià)是燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增大,尤其是噴嘴數(shù)量增加,而且在在某些中間狀態(tài)下兩個(gè)頭部很難達(dá)到最佳匹配狀態(tài).3.1.2原料主燃級(jí)燃燒空氣混合全空燃燒.以空氣混合為主,低分量比下燃燒,不在燃燒主燃級(jí)火炬此類燃燒室沿軸向可分為預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí),在起動(dòng)時(shí)先把燃料噴入預(yù)燃級(jí)進(jìn)行燃燒,再進(jìn)入下游的主燃級(jí)與空氣混合,在那里保持在低當(dāng)量比下工作,使NOX排放達(dá)到最低.在高功率時(shí)再把燃料供給主燃級(jí)在該級(jí)燃燒.其優(yōu)點(diǎn)可直接在預(yù)燃級(jí)點(diǎn)火,快速可靠,主燃級(jí)燃燒效率高.缺點(diǎn)是長(zhǎng)度增加,火焰筒冷卻面積增加.1主燃級(jí)燃油是一種軸向分級(jí)的或串聯(lián)的燃燒室(見(jiàn)圖6),JT9D-7發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室就采用這種方案,預(yù)燃級(jí)有適當(dāng)長(zhǎng)度,可以減少慢車狀態(tài)的CO和HC生成,在高功率狀態(tài)時(shí),主燃級(jí)燃油噴入預(yù)燃級(jí)的熱燃?xì)庵?使燃油蒸發(fā),主渦流器能形成強(qiáng)烈的渦流,使油氣混合,故可采用貧油燃燒,主燃級(jí)長(zhǎng)度短,使NOX低.但在低功率時(shí),位于喉部下游的主渦流器進(jìn)入大量空氣,使預(yù)燃級(jí)燃?xì)饫鋮s,阻止CO進(jìn)一步氧化,而使CO相對(duì)較高.2預(yù)燃區(qū)和主燃區(qū)圖7是另一種軸向分級(jí)燃燒室,它是由預(yù)燃區(qū)與主燃燒區(qū)組成,這兩區(qū)之間的連接是通過(guò)在預(yù)燃區(qū)出口的值班燃燒區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn).在預(yù)燃區(qū)和主燃區(qū)都可按照不同工況要求,進(jìn)行分級(jí)供油,使其在化學(xué)當(dāng)量比下燃燒,沿著軸向進(jìn)入空氣稀釋來(lái)減少NOX排放.3.1.3試驗(yàn)2:徑向火焰穩(wěn)定器+明確nox排放徑/軸向分級(jí)燃燒室設(shè)計(jì)方案如圖8所示.預(yù)燃級(jí)由類似于雙環(huán)腔燃燒室的空氣旋流器組成,主燃級(jí)火焰穩(wěn)定器是由一組高堵塞比的徑向輻射式穩(wěn)定器組成,這些穩(wěn)定器從預(yù)燃級(jí)燃燒區(qū)后面徑向向外輻射.主燃級(jí)燃油噴射在火焰穩(wěn)定器上游的環(huán)形通道內(nèi),預(yù)燃級(jí)高溫燃?xì)饪梢酝ㄟ^(guò)徑向火焰穩(wěn)定器,徑向向外點(diǎn)燃主燃級(jí)混氣進(jìn)行燃燒.在預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)都可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)供油.試驗(yàn)結(jié)果表明,此種燃燒室在爬升和起飛狀態(tài)下NOX的排放指數(shù)分別為6.3和7.5.3.2渦流式主燃區(qū)空氣流量控制所謂可變幾何燃燒室(VGC),即通過(guò)改變?cè)诟鱾€(gè)工作狀態(tài)下主燃區(qū)空氣流量分配,使主燃區(qū)的當(dāng)量比為最佳值(0.7左右,見(jiàn)圖9).因此,CF-86發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室是通過(guò)可變渦流器,調(diào)節(jié)其二級(jí)徑向旋流器開(kāi)度控制主燃區(qū)空氣流量(見(jiàn)圖10),來(lái)擴(kuò)大油氣比的調(diào)節(jié)范圍,從而降低不同工況下的排放量.另外,有人提出用渦流控制,在擴(kuò)壓器出口裝有一個(gè)主燃區(qū)分流罩,把進(jìn)入主燃區(qū)空氣量和摻混空氣量分開(kāi),通過(guò)泄放渦流來(lái)控制和改變火焰筒內(nèi)空氣流量分配,從而避免了用機(jī)械方法改變火焰筒的幾何形狀.雖然采用可變幾何燃燒室可以大大減少所有污染量,但是單用此方案還是很難滿足1981年美國(guó)環(huán)境保護(hù)局規(guī)定NO和CO的標(biāo)準(zhǔn),因此最好與LPP方案一起采用.3.3富油催化燃燒方案為了降低NOX,催化燃燒室已被研制.它是由預(yù)燃燒區(qū)、預(yù)混區(qū)、催化燃燒區(qū)和變幾何摻混區(qū)四部分組成(見(jiàn)圖11).在低功率工況下由主油路供油,把燃料噴入預(yù)燃燒區(qū),在那里點(diǎn)火燃燒.隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增加,副油路開(kāi)始供油,燃料在預(yù)混區(qū)和燃?xì)饣旌?進(jìn)入催化區(qū),在催化劑作用下氧化燃燒.當(dāng)在大功率時(shí),燃燒室出口溫度較高,通過(guò)控制變幾何摻混區(qū)空氣流量,保持催化劑在有效溫度范圍內(nèi)工作.這種催化燃燒室的優(yōu)點(diǎn)是低NOX排放,高燃燒效率..當(dāng)NOX<2g/kg,可保持燃燒效率>99%.另一種富油催化貧油燃燒(Rich-catalyticlean-burn,RCL)的催化燃燒室方案,它是由一個(gè)回流環(huán)形預(yù)混器、催化反應(yīng)器、后混合管和燃燒室四部分組成,回流環(huán)形預(yù)混器提供預(yù)混富油混氣進(jìn)入催化反應(yīng)器進(jìn)行催化后,在后混合管內(nèi)與空氣混合,進(jìn)入燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒(見(jiàn)圖12),此種燃燒室可使燃?xì)鉁囟仍?350℃時(shí)NOX<1×10-6.3.4蒸發(fā)和燃燒旋轉(zhuǎn)自適應(yīng)的低進(jìn)口自動(dòng)點(diǎn)火和退火技術(shù)貧油燃燒可降低燃燒溫度,在燃燒室上游實(shí)現(xiàn)預(yù)混預(yù)蒸發(fā),可減小局部高溫區(qū),縮短停留時(shí)間,從而抑制NOX的生成.貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室(LPP),即把預(yù)先混合蒸發(fā)的混氣送入燃燒區(qū),并在很貧的當(dāng)量比下工作.穩(wěn)定燃燒與熄火的裕度越小,產(chǎn)生的NO也越少.其優(yōu)點(diǎn)是不積炭、冷卻火焰筒壁的空氣量減少.其缺點(diǎn)是在燃燒室上游的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)可能導(dǎo)致在高進(jìn)口溫度下發(fā)生自動(dòng)點(diǎn)火或回火.圖13為一種LPP燃燒室,它是由預(yù)混預(yù)蒸發(fā)區(qū)、點(diǎn)火區(qū)、主燃區(qū)以及變幾何摻混區(qū)等四區(qū)組成.在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)區(qū)內(nèi)裝有一個(gè)氣動(dòng)噴嘴和主噴嘴,空氣通過(guò)軸向和徑向旋流器進(jìn)入,在那里燃油蒸發(fā)并與空氣混合形成均習(xí)混氣后,被點(diǎn)火并進(jìn)入主燃區(qū)燃燒.該燃燒室還可通過(guò)改變幾何形狀,控制摻混孔和徑向旋流器的進(jìn)氣量,使主燃區(qū)當(dāng)量比合適,此種方案可有效地降低NOX.圖14為一種旋流貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒室在其頭部裝有一個(gè)帶有40個(gè)葉片的環(huán)形旋流器和40個(gè)噴嘴,在每?jī)扇~片之間通道內(nèi)裝有1個(gè)噴嘴.此種燃燒室因噴嘴數(shù)增加,并在旋流作用下,使燃油與空氣均勻混合,充分利用燃燒空間,形成周向分布均勻的貧油預(yù)混氣,燃燒后可得到均勻的出口溫度分布,消除局部過(guò)熱點(diǎn),以致使NOX排放降低.在進(jìn)口裝有一個(gè)變量控制器,可按照不同工況要求,調(diào)節(jié)空氣與燃油流量,以免發(fā)生回火,保持火焰穩(wěn)定.另外,火焰筒采用陶瓷基復(fù)合材料(CMC),減少火焰筒冷卻空氣量,使更多的空氣參加燃燒,改善燃燒性能、且使燃燒室出口溫度較均勻,降低污染排放.3.5低nox/co-hc的燃燒方案為了適應(yīng)餾分放寬的烴油,減少由于燃油餾分放寬后帶來(lái)“燃料”氧化氮的生成,發(fā)展了富油燃燒/淬熄/貧油燃燒燃燒室(RQL),它實(shí)際上是一種特殊的分級(jí)燃燒室,一般該類燃燒室是由富燃區(qū)、淬熄混合區(qū)(或稱為快速冷卻區(qū))和貧燃區(qū)三部分組成.如圖15所示GE公司發(fā)展的一種軸向分級(jí)RQL燃燒室,在其富油級(jí),當(dāng)量比控制在1.2～1.6,該區(qū)因缺氧相當(dāng)一部分燃料不能燃燒,燃料中揮發(fā)出的氮也不能與氧生成NO,而還原生成N2;又因火焰溫度降低,使NOX與CO排放量減少.在淬熄混合區(qū),通過(guò)引入大量空氣,在那里與氧和未燒完的燃料快速混合,因停留時(shí)間太短來(lái)不及燃燒.進(jìn)入貧油級(jí)后才進(jìn)行完全燃燒.選擇合適的當(dāng)量比(約為0.5～0.7)來(lái)控制燃燒溫度,實(shí)現(xiàn)低NOX,CO與HC的排放,以及改善點(diǎn)火及火焰穩(wěn)定極限.此燃燒室的關(guān)鍵技術(shù)是空氣與未燒完的燃料快速均勻混合.另外,美國(guó)于1993年提出的駐渦燃燒室(Trappedvortexcombustor,TVC),該燃燒室是由駐渦區(qū)(Cavity)和主燃區(qū)兩個(gè)部分組成(見(jiàn)圖16,空氣和燃油分別進(jìn)入駐渦區(qū)和主燃區(qū).由于粘性作用,氣流在駐渦區(qū)內(nèi)產(chǎn)生駐渦,燃料在駐渦中穩(wěn)定燃燒,產(chǎn)生的熱燃?xì)庾鳛榉€(wěn)定的點(diǎn)火源點(diǎn)燃主燃區(qū)的主流.與常規(guī)旋流燃燒室相比,駐渦燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、貧油吹熄極限寬、總壓損失低、燃燒效率高和NOX排放值低等優(yōu)點(diǎn),為了進(jìn)一步降低NOX排放值,可采用一種RQL與TVC相結(jié)合的徑向分級(jí)燃燒室方案(如圖17所示),在RQL/TVC燃燒室中空氣分別從主燃區(qū)和駐渦區(qū)前后腔等三路進(jìn)氣,而所有燃油全部噴入駐渦區(qū),并在那里進(jìn)行富油燃燒,因缺氧所產(chǎn)生的熱燃?xì)庵邪讼喈?dāng)一部分未燒完的燃油,此熱燃?xì)庠谪氂拖ɑ饏^(qū)處,與主燃區(qū)進(jìn)氣快速混合后,進(jìn)入主燃區(qū),進(jìn)行貧油燃燒.在駐渦區(qū)通過(guò)前腔與后腔進(jìn)氣形成雙旋渦,其中大的主旋渦主要起穩(wěn)定火焰的作用,而小的二次渦能使主燃區(qū)空氣和熱燃?xì)飧斓負(fù)交?形成均勻的貧油混氣,從而降低NOX排放,提高燃燒性能.在RQL燃燒室頭部還可采用多級(jí)環(huán)形旋流燃燒器(Multi-annularswirlburner,MASB),如圖18所示,空氣軸向分級(jí)進(jìn)入,實(shí)現(xiàn)RQL燃燒降低NOX排放,其NOX排放值在(5～15)×10-6左右.3.6taps與其它旋流器的燃燒為了進(jìn)一步降低NOX的排放量且不影響其他設(shè)計(jì)要求,20世紀(jì)90年代,GE公司開(kāi)發(fā)了一種新型燃燒室——雙環(huán)預(yù)混旋流(TAPS)燃燒室(見(jiàn)圖19),其特點(diǎn)是:兩個(gè)同軸的環(huán)形旋流射流(主旋流和值班旋流)分別由其頭部的一個(gè)主混合器(主旋流)和值班旋流器產(chǎn)生,如圖20所示.主混合器由1個(gè)主旋流器(軸向旋流或徑向旋流器)與1個(gè)空腔構(gòu)成,值班旋流器由1個(gè)高流量數(shù)壓力霧化噴嘴與2個(gè)圍繞在其周圍的同向雙級(jí)旋流器組成.同向雙級(jí)旋流的功用可以改善起動(dòng)和低功率工況下的霧化效果,以滿足點(diǎn)火、起動(dòng)、貧油燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率等設(shè)計(jì)要求.起動(dòng)時(shí),值班旋流主要受燃油噴嘴幾何形狀控制,并與主旋流相互作用,形成一個(gè)滿足燃燒室設(shè)計(jì)要求的燃燒區(qū).除了冷卻燃燒室頭部和火焰筒所需的空氣外,其他空氣都流經(jīng)值班旋流器和主旋流器.燃油在值班級(jí)和主燃級(jí)之間分級(jí)是由燃油噴嘴完成.為了使TAPS的空氣和燃油在燃燒之前預(yù)先混合,從高壓壓氣機(jī)進(jìn)來(lái)的空氣通過(guò)兩個(gè)圍繞在燃油噴嘴周圍的同軸旋流器直接進(jìn)入燃燒室.噴嘴噴出的燃油在兩股同向旋流作用下可使更貧的油氣也可混合非常均勻,實(shí)現(xiàn)貧油預(yù)混燃燒.該燃燒室已經(jīng)完成了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證,將應(yīng)用于GENX發(fā)動(dòng)機(jī)上.與以前的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比,其燃燒溫度可更低,NOX也大幅度降低.例如,在相當(dāng)?shù)耐屏Φ燃?jí)上,GENX的NOX排放要比CF6發(fā)動(dòng)機(jī)的NOX排放降低30%以上.此外,GENX的TAPS燃燒室所產(chǎn)生的一氧化碳CO和未燃燒的碳?xì)浠衔颒C也非常少.同時(shí),TAPS還具有大幅度降低煙塵和碳粒排放的潛力.由于TAPS燃燒室的燃燒溫度較低,從而會(huì)提高GENX發(fā)動(dòng)機(jī)下游部件的壽命.GE公司開(kāi)發(fā)了兩種雙環(huán)預(yù)混燃燒室.即:CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)的單環(huán)腔燃燒室-Tech56/CFMTAPSSAC(見(jiàn)圖19)與GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)的雙環(huán)腔燃燒室-GE90DACTAPS(如圖21),在著陸/起飛時(shí),這兩種燃燒室的NOX排放量較目前生產(chǎn)的富油頭部燃燒室降低了50%左右;燃燒室出口溫度品質(zhì)、排氣冒煙、火焰筒壁溫值和梯度也都優(yōu)于富油頭部(Singleannularcombustor,SAC)和(Doubleannularcombustor,DAC)(如圖22).以上所述的分級(jí)燃燒室、可變幾何燃燒室,催化燃燒室,貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室(LPP)、富油燃燒/淬熄/貧油燃燒(RQL)以及雙環(huán)預(yù)混旋流(TAPS)燃燒室等各種先進(jìn)低污染燃燒室,目前大都處于試驗(yàn)價(jià)段只有少數(shù)的方案用在生產(chǎn)