李 杰
(中航工業(yè)西安航空動力股份有限公司,西安 710021)
富油燃燒-猝熄-貧油燃燒室技術(shù)是1種較為先進的航空發(fā)動機燃燒技術(shù),是實現(xiàn)低氮氧化物(NOx)排放的最基本策略之一。RQL燃燒室的關(guān)鍵區(qū)域是猝熄區(qū),其貧油熄火邊界寬,對氮氧化物排放的控制簡單有效,并在一定程度上代表了現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室工程技術(shù)進展的成就與方向。美國PW公司在RQL燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上創(chuàng)新開發(fā)了廣泛用于其商用航空發(fā)動機的先進低氮氧化物排放燃燒室-TALON燃燒室。
貧油熄火邊界是航空發(fā)動機安全可靠工作的最重要指標之一。由于低污染的要求,現(xiàn)代民用航空發(fā)動機的設(shè)計傾向于向貧油預混方向發(fā)展,燃燒前的油氣混合越均勻,油氣比低為貧油,則污染物越少,但貧油熄火性能也越差,燃燒室頭部燃燒組織越復雜。
RQL燃燒室前部是富油燃燒,有相對大的油氣當量比,貧油熄火邊界相對較寬。
在富油燃燒區(qū),控制油氣比范圍(通常控制當量比為1.2~1.6),降低火焰溫度和減少氧氣量,從而減少NOx和CO生成量。在猝熄區(qū),通過引入大量空氣,完成由富油向貧油的瞬間過渡,并防止出現(xiàn)接近理想當量比的NOx生成量大的區(qū)域。在貧油燃燒區(qū),選擇滿足所有排放要求的當量比(典型值為0.5~0.7),以控制燃燒溫度,使NOx、CO和HC排放都低,從而滿足國際民航組織對污染物的排放要求。
RQL技術(shù)是實現(xiàn)現(xiàn)代航空發(fā)動機減少氮氧化物(NOx)排放的最基本的燃燒策略之一,發(fā)展了30多年。
目前,美國PW公司在商用發(fā)動機上廣泛應用的先進低氮氧化物排放(TALON)燃燒室是在RQL基礎(chǔ)上,利用浮壁式燃燒室技術(shù),結(jié)合氣動霧化噴嘴、單排2股氣流進氣孔等技術(shù)開發(fā)的。
TALON燃燒室的關(guān)鍵改進是優(yōu)化了氣動霧化噴嘴,使得燃料-空氣混合當量比更合理,燃料-空氣的混合更充分,可在全工作范圍內(nèi)使燃料在很短的時間內(nèi)充分霧化并在主燃燒區(qū)內(nèi)快速燃燒。它不但很好地傳承了RQL燃燒室貧油熄火邊界寬的優(yōu)點,同時使污染物的排放更低,是對RQL燃燒室的進一步發(fā)展與創(chuàng)新。
由于燃料-空氣混合當量比更合理,燃料-空氣的混合更加充分,所以TALON燃燒室不再需要更多的補燃空氣,各型TALON燃燒室均只有1排降溫和補充空氣進氣孔(如圖1所示)。
由于氣動霧化噴嘴可使燃料在很短時間內(nèi)充分霧化并完全燃燒,使得TALON燃燒室的燃焰分區(qū)與RQL燃燒室相比已不十分明顯,如圖2所示。
用于PW4090基本型發(fā)動機的RQL燃燒室的排放可滿足國際民航組織的CAEP/2標準;用于PW4098發(fā)動機的TALON I燃燒室的排放水平低于CAEP/2標準的要求,但還不能完全滿足CAEP/4標準的要求;用于PW4158、PW4168和PW6000發(fā)動機的TALONII燃燒室,大大降低了氮氧化物的排放,不但遠低于CAEP/2和CAEP/4排放標準的要求,而且能完全滿足CAEP/6標準的要求;TALON III燃燒室和TALON IV燃燒室進一步降低了氮氧化物的排放,可以完全滿足CAEP/6標準的要求,還有相當大的裕度。RQL燃燒室和各型TALON燃燒室所能達到的排放標準如圖3所示。
為贏回逐漸失去的民用發(fā)動機市場,PW公司研發(fā)了先進大推力高涵道比齒輪傳動渦扇發(fā)動機,即清潔動力(PurePowerTM)PW1000G發(fā)動機,其所使用的燃燒室也是可以達到更低排放標準的TALON燃燒室。
RQL技術(shù)和TALON燃燒技術(shù)是目前較為先進的航空發(fā)動機組織燃燒技術(shù),是1種特殊的分級燃燒室技術(shù),是減少氮氧化物(NOx)排放的最基本的策略之一。RQL燃燒室的貧油熄火邊界寬,控制氮氧化物新,關(guān)鍵在創(chuàng)新。在保證發(fā)動機應有性能的前提下,更低熱點和更均勻的燃燒室出口溫度場,可以大大改善所有下游部件的工作環(huán)境。燃燒室出口熱點溫度的降低可使下游部件的選材和設(shè)計具有更大裕度,使渦輪導向器葉片和渦輪葉片的冷卻方式相對簡單。這不但簡化了發(fā)動機燃燒室下游零部件的結(jié)構(gòu),還可延長發(fā)動機的壽命、降低運營成本和維護費用,可謂一舉多得。
綜上所述,像RQL和TALON這樣好的燃燒室設(shè)計理念,不但可以保證燃燒室功能的實現(xiàn)和優(yōu)化,還可以簡化燃燒室結(jié)構(gòu),從而使燃燒室的加工工藝難度降低,為發(fā)動機帶來高效率、低排放、長壽命和低運營成本的諸多益處。
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