81燃气涡轮发动机低污染燃烧室的发展趋势及思考(北航-金捷岳明)

燃气涡轮发动机低污染燃烧室的发展趋势及思考金捷岳明（北京航空航天大学航空发动机数值仿真研究中心，北京 100083）摘要本文介绍了目前用于燃气轮机和工业燃烧装置的主要低污染燃烧技术，包括分级燃烧技术、贫油预混预蒸发燃烧技术、富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧技术、贫油直接喷射燃烧技术、燃料再燃烧法、低氧燃烧技术、浓淡燃烧技术、烟气再循环技术、乳化燃烧技术等，简要分析了各种技术的原理、特点及其发展应用情况等，同时，对国外目前正在使用和发展中的航空燃气轮机低污染燃烧室设计方案和技术，包括：多环腔燃烧室技术、双预混旋流技术、贫油直接喷射燃烧技术、无焰燃烧技术的原理、结构形式、性能特点和应用情况等，进行了简要的介绍和分析，并对低污染燃烧技术的发展趋势和我国的发展应用提出了一些看法和建议，包括：低污染燃烧技术是我国研制民用干线客机动力所必须突破的主要关键技术之一；应综合应用多种低污染燃烧技术；针对我国在航空燃气涡轮发动机低污染燃烧技术基础薄弱和工程应用经验缺乏的情况，应充分利用民用低污染燃烧技术的成果；应尽可能紧跟最前沿、尚处于研究发展阶段的低污染燃烧技术，实现我国航空燃气涡轮发动机低污染燃烧技术的跨越发展，为民机动力的顺利研制和成功进入市场提供技术基础。

关键词燃烧低污染燃气涡轮发动机综述建议1 引言随着人口的不断增长以及工业的迅速发展，人类对能源的需求越来越大。

这其中，矿物燃料占了绝大部分。

矿物燃料在燃烧过程中，总会产生对人体和动植物有害的污染物；当燃烧装置设计不合理时，有害物质更会大量产生，并形成大气污染。

据统计，燃料燃烧产生的空气污染占全部污染物的80%以上[1]。

因此，世界各国都开展了先进的低污染燃烧设备研制，以在不降低燃烧效率的情况下大大降低污染物排放。

2 低污染燃烧技术简介一般说来，燃料的完全燃烧和充分氧化能提高燃烧效率并同时降低某些污染物质(CO,碳氢化合物，碳黑等)的排放量，但氮氧化物（Nox）却随之大大增加。

目前的燃烧设备的环保发展方向是以大大降低氧化氮的生成量同时兼顾燃烧效率和其他污染物（CO,碳氢化合物，碳黑等）为目标。

为此，人们发展了多种低污染燃烧技术，主要有：（1）分级燃烧技术[1]将燃烧所需的空气量分成两级送入，其余空气在燃烧器附近适当位置送入，使燃烧分两级完成。

由于一级燃烧区空气量不足，因而火焰温度较低，从而抑制了“热力”NOx的生成。

对“燃料”NOx，由于缺氧，中间产物也不可能氧化成NO,同样能抑制其增加。

分级燃烧的主要技术在于一次与二次空气量的比例以及二次风的送入位置。

（2）贫油预混预蒸发燃烧技术（Lean Premixed Prevaporized Combuster，LPP）[2][3]LPP技术是把燃油预先蒸发，预先与空气混合，然后在主燃烧室内形成均匀贫油混气（φ<0.5）进行燃烧。

这样由于燃烧温度低，温度分部均匀，NOx排放明显降低，是目前NOx生成最低的燃烧技术。

但这种技术存在容易回火和燃烧稳定性差的问题。

在高温升燃烧室中，燃烧在接近化学恰当比下进行，保持很低的油气比很困难。

（3）富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧技术（Rich-Burn/Quick-Quench/Lean-Burn Combuster，RQL）[4][5]RQL技术先将全部燃油和部分空气进行富油燃烧，通过降低燃烧温度来减少富油燃烧区的NOx，然后富油燃气快速与二股空气混合进行贫油燃烧。

由于贫油燃烧区中有大量已燃气体，燃烧温度低，从而降低NOx生成，特别是瞬发NOx的生成。

RQL技术中有两个关键技术问题：火焰筒壁面不能用气膜冷却，富油燃气与空气要进行快速充分均匀的混合。

（4）贫油直接喷射燃烧技术（Lean Direct Injection Combuster，LDI）[6]LDI技术将燃油从很多小孔直接喷射入燃烧室。

喷射点附近为局部富油燃烧，可增加燃烧的稳定性；然后与空气快速混合形成均匀贫油混气进行贫油燃烧。

尽管在喷点处的富油燃烧会增加NOx 的生成量，但是混气在喷射点附近富油燃烧区停留时间短，增加NOx的生成量很少。

LDI技术的关键问题是燃油如何雾化得很细和如何与空气快速混合。

（5）燃料再燃烧法[1]这是国外发展了另一种分级燃烧技术，称为再燃烧法。

通过对燃料分级，用来控制NOx的生成，已经在工业上得到广泛应用。

此法将燃烧室分成三个区域：主燃区，送入80~85%燃料并以正常余气系数（α≥1.05）进行燃烧；再燃烧区，在主燃区上部（火焰的下游）把其余的15~20%燃料作为二次燃料喷入，燃烧过程在还原气氛（α<1）下进行，利用碳氢化合物基团CH等把部分NO还原成N2（大约有70%-90%NO被还原）；燃尽区，送入二次空气把残余的燃料烧完。

（6）低氧燃烧技术[1]低氧燃烧为低余气系数（1.02-1.03）燃烧。

一般要求燃烧反应在尽可能接近理论空气比条件下进行。

这样，在一定程度上限制了反应区内氧气量，对热力NO和燃料NO都起了一定抑制作用。

低氧燃烧的关键是要组织好燃烧。

（7）浓淡燃烧技术[1]浓淡燃烧技术是近几年国内外采用的一种降低锅炉燃烧排放NO的燃烧技术。

其原理是针对装有两个以上燃烧器的锅炉，使部分燃烧器供应较多的空气（呈贫燃区），部分燃烧器供应较少的空气（呈富燃区），由于两者都偏离了理论空气比，因此燃烧温度降低，较好地抑制了NO的生成。

（8）烟气再循环技术[1]烟气再循环法过程是让一部分温度较低的烟气直接送入燃烧室内或与燃烧用的空气混合，使燃烧区内惰性气体含量增加，稀释了氧的浓度，使燃烧速度和炉内温度降低，从而抑制了“热力NO”的生成。

氧浓度的降低减少了中间产物含氮基团和氧的反应，也有利于减少“燃料NO”的生成。

烟气再循环技术应注意由于循环率过大引起的燃烧不稳定等问题。

（9）乳化燃烧技术[1]乳化燃烧是指掺水乳化燃料经喷嘴雾化后在炉内进行的燃烧，通过加速燃烧过程和水煤气反应，来降低燃烧温度，从而降低烟尘和NO的排放量。

以上这些低污染燃烧技术中第1至4项多应用在燃气轮机燃烧室上，而其它常用在工业锅炉或其他工业燃烧装置上。

3 燃气涡轮发动机的低污染燃烧技术燃气涡轮发动机是飞机、大型舰船以及许多地面发电设备的动力装置，因此，如何减少燃气涡轮发动机的污染物排放是当前低污染燃烧技术研究的重点之一，其采用的低污染燃烧技术主要有：（1）多环腔燃烧室多环腔燃烧室是分级燃烧技术的一种，包括双环腔燃烧室和三环腔燃烧室。

图1为CFM65-5/7双环腔燃烧室。

双环腔燃烧室的概念早在上个世纪70年代早期就提出来了[7]。

和单环腔燃烧室不同，双环腔燃烧室有两个头部，其中外头部用于小推力状态，大推力状态时内头部才工作。

双环腔燃烧室技术对于降低NOx的排放效果是很显著的，CFM56-7B发动机换上双环腔燃烧室后，NOx的排放减少了31%[8]。

目前，双环腔燃烧室技术已较为成熟，已被成功应用于商用发动机上，如GE90等。

图2为LM6000三环腔燃烧室。

此燃烧室应用多级燃烧概念，使用了加强型贫油燃烧单元、防贫熄控制单元和消声器等，已达到超低污染排放、性能和寿命等多方面要求。

图1 CFM56-5/7双环腔燃烧室图2 LM6000三环腔燃烧室（2）双预混旋流技术（Twin Annular Premixing Swirler，简称：TAPS）多环腔燃烧室技术可以大幅降低NOx的排放，但要继续进一步降低NOx，就很困难了。

为此，GE公司发展了一种新概念的燃烧室技术：双预混旋流技术（TAPS）[8]。

图3为TAPS技术的原理图。

TAPS分别由主、副混合器产生两个同心的旋转射流，每一个混合器都可以根据需要设计成多旋流器布局。

比如，副混合器可以设计成高流数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于发动机启动和小推力状态，产生流场可满足点火、启动、贫油火焰稳定以及燃油效率等方面的要求。

流场油气混合强度主要受到结构设计的影响，这需要进行仔细地调试，以满足上述各种要求以及低NOx排放。

TAPS的设计特点可以参看图4。

Mongia[8]在CFM56-7B发动机上分别采用富油头部单环腔燃烧室、贫油头部双环腔燃烧室和TAPS单环腔燃烧，进行污染物排放的对比实验。

结果显示，采用TAPS单环腔燃烧室在NOx的排放上要比富油头部单环腔燃烧室和贫油头部双环腔燃烧室分别低46%和22%，在HC和CO的排放上与富油头部单环腔燃烧室大体相当，好于贫油头部双环腔燃烧室。

图3 TAPS原理图总的来说，TAPS技术可以在不影响燃烧室其他性能的情况下，将NOx的排放减少大约50%。

当然，TAPS技术也面临一些挑战，例如，可操作性、在不引起堵塞的情况下清洗燃油喷嘴、重量和成本的优化等等。

不过，TAPS最核心的技术问题还是如何在基本结构上进行优化色设计，以获得更低的NOx排放。

图4 获得美国专利的各种TAPS设计（3）贫油直接喷射燃烧技术（LDI）贫油低NOx燃烧技术可分为贫油预混预蒸发技术（LPP）和贫油直接喷射燃烧技术（LDI）。

LPP 技术的NOx排放最低，但在先进高压比发动机燃烧室中存在自燃、回火以及稳定性等问题[9]，因而逐渐淡出了航空发动机的应用，代之以LDI技术。

LDI和LPP不同，其燃油是直接喷射入火焰区，因此不会有自燃或回火问题。

不过，LDI中燃油没有预混和预蒸发过程，因此燃油必需得到良好雾化，油气混合要既快速又均匀，以获得尽可能低的燃烧温度。

图5为一个带36个燃油喷射点的LDI燃烧室头部模型图[10]。

燃烧室头部的供油系统包括多个金属平板，一个平板将燃油分配到各个喷射点，一个平板带有燃油喷射点，还有一个平板带有许多气缝，用于对燃油提供热防护。

这些平板组合到一起就成了供油系统。

供油系统中的每一个燃油喷射点都是一个单路燃油喷嘴，这些喷嘴都是通过化学蚀刻技术刻可在金属平板上的。

36个喷射点沿径向和周向均匀分布。

燃油喷射点的下游紧接着旋流器。

旋流器和燃油喷嘴一样，也是用化学蚀刻技术刻在金属平板上的。

所有旋流器都保持相同的旋向。

图5 36点喷射的LDI燃烧室头部模型简图LDI燃烧室头部安装在燃烧室上的情形如图6所示。

从图上可以注意到，火焰筒上没有掺混孔，进入燃烧室内的空气要么从燃烧室头部进入，要么做为冷却气。

冷却用气大约占整个燃烧室气量的21%。

实验结果表明，多点喷射LDI燃烧室在假象的发动机循环中，NOx的排放能比1996年ICAO标准低约30%。

图6 安装了36点喷射的LDI燃烧室头部的模型燃烧室。

（4）无焰燃烧技术（Flameless Combustion）[11]无焰燃烧又被称为：无焰氧化（Flameless Oxidation，简称FLOX），高温空气燃烧（High Temperature Air Combustion，简称HiTAC），中等和高强度低氧稀释（Moderate and Intense Low Oxygen Dilution，简称MILD）燃烧或者热回流燃烧（Heat Recirculating Combustion），是一种产生不可见火焰的燃烧技术，理论上具有均匀的燃烧和温度分布和很低的燃烧噪声。