民用航空发动机低排放燃烧室技术发展现状及水平_张弛

收稿日期： 2013-06-14； 退修日期： 2013-06-24； 录用日期： 2013-08-06； 网络出版时间： 2013-08-28 09： 48 网络出版地址： www． cnki． net / kcms / detail /11. 1929. V． 20130828. 0948. 002. html 基金项目： 北航“唯实”人才培育基金（ YWF-11-03-Q-023）
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特约
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民用航空发动机低排放燃烧室技术发展 现状及水平
张弛1 ，林宇震1，* ，徐华胜2 ，许全宏1
1. 北京航空航天大学 能源与动力工程学院 航空发动机气动热力国家级重点实验室，北京 100191 2. 中国燃气涡轮研究院，四川 成都 610500
摘 要： 为了从科学和技术的角度展望民用航空发动机低排放燃烧室技术的发展方向，基于污染物生成机理及控制原 理阐述了富油和贫油燃烧的污染排放控制方法，回顾了富油-焠熄-贫油燃烧（ ＲQL） 、贫油预混预蒸发燃烧（ LPP） 和贫油 直接喷射燃烧（ LDI） 3 种低污染燃烧技术的发展现状，并分析了新一代民用航空低排放燃烧室技术目前所达到的低污染 排放水平。采用贫油燃烧技术的双环预混旋流器燃烧室（ TAPS） 已经应用于型号并取证，其 NOx 排放比 CAEP /6（ Committee on Aviation Environmental Protection /6） 标准低 50. 0% ～ 65. 8% ，达到了超低排放水平，证明了贫油燃烧的发展潜 力。要实现 NOx 排放比 CAEP /6 低 75. 0% 以上的超超低排放目标，需要利用燃烧数值模拟和光学诊断等先进工具，对燃 烧室内喷雾、混合、流动、燃烧及它们之间的非定常相互作用开展更深入的研究。
* 通讯作者． Tel． ： 010-82316518 E-mail： linyuzhen@buaa． edu． cn
引用格式： Zhang C ，Lin Y Z ，Xu H S ，et al． Development status and level of low emissions combustor technologies for civil aero-engine ［J］． Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ，2014 ，35 （2 ） ： 332-350． 张弛，林宇震，徐华胜，等． 民用航空发动机低排 放燃烧室技术发展现状及水平［J］． 航空学报，2014 ，35 （2 ） ： 332-350．
张弛等： 民用航空发动机低排放燃烧室技术发展现状及水平
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技术发展处于世界领先水平，至今其他国家或地 区尚未有低排放燃烧室发展到适航取证阶段，但 相关的基础研究和关键技术攻关已经开展多年。
1 民用航空发动机燃烧室排放水平
针对民用航空，全球多个国家以及国际间组 织都颁布了污染排放规定和标准，也提出了明确 的减排目标。而目前的航空发动机污染排放水平 正朝着超低排放发展。
1. 4 低排放燃烧室定义及划代
根据 适 航 法 规 以 及 国 内 外 发 展 目 标，按 照 NOx减排程度可将民用航空低排放燃烧室分为 3 个等级： 以 CAEP /6 为基准，减少 30% ～ 50% 为 低排放（ Low Emissions，LE） ； 减少 50% ～ 75% 为 超低排放（ Ultra-Low Emissions，ULE） ； 减少 75% 以上 可 称 为 超 超 低 排 放 （ Super Ultra-Low Emissions，SULE） 。
国内外常 用 的 航 空 煤 油 是 一 种 组 分 复 杂 的 “煤油型”碳氢燃料，其燃烧及污染物生成过程复 杂，受物理和 化 学 因 素 的 控 制［15］，特 别 是 大 分 子 碳氢燃料的热解、低温氧化和高温氧化等一系列 反应，对污染物生成具有显著影响［16］。
2. 1 NOx
在航空发动机燃烧室的污染排放中，NOx 主 要是指一氧化氮（ NO） 和二氧化氮（ NO2 ） 。
从 20 世纪 70 年代至今，所有额定推力 Foo 大 于 89 kN 的航空发动机在 LTO 循环内的 NOx 排 放取证数据也在图 1 中 展 示。由 图 可 以 看 出， 1990 年以后取证的发动机基本上都满足CAEP /6 标准，但为了满足市场需求，发动机制造商仍在不 断追求更低的排放。从 2014 年开始，将执行 CAEP /8 标准，NOx 排放进一步降低 15% ，并且考虑 设置 CO2 的排放标准，对细小固体颗粒物（ PM） 排放限制也更加严格［8］。
为了降低民用航空污染排放，美国从 20 世纪 70 年代开始执行了一系列国家大型计划支持民 机低排放燃烧室的基础研究和技术验证，以每 15 年 NOx 排放降低 50. 0% 的速度发展［3］，其应用平台发动机已经取证［4］。
在全球范围内美国的民用航空低排放燃烧室
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航空学报
Feb． 25 2014 Vol． 35 No． 2
1. 3 低排放发展目标
2 航空发动机污染物生成机理
针对 航 空 NOx 污 染 排 放，2010 年 ICAO 提 出，对于增 压 比 为 30 的 民 用 航 空 发 动 机，中 期 （ 到 2016 年） 目标为较 CAEP /6 标准低 45% ，远 期（ 到 2026 年） 则比 CAEP /6 标准低 60%［1］。
航空学报 Acta Aeronautica et Astronautica Sinica http: // hkxb. buaa. edu. cn hkxb@buaa. edu. cn
doi： 10. 7527 / S1000-6893. 2013. 0358
Feb． 25 2014 Vol. 35 No. 2 332-350 ISSN 1000-6893 CN 11-1929 / V
国内，在 ICAO CAEP 标准和美国联邦航空条 例 FAＲ34［9］基础上，于 2002 年实施了《涡轮发动 机飞 机 燃 油 排 泄 和 排 气 排 出 物 规 定 》（ CCAＲ34） ［10］，其排放标准与 CAEP /2 相当。
1. 2 现有航空发动机排放水平
从图 2 中 2000 年以后取证的额定推力 Foo 大于 89 kN 航空发动机的 LTO 循环 NOx 排放数据来看， 除了采用“Floatwall”富油燃烧的 PW4000 系列发动 机 以 外，绝 大 部 分 发 动 机，如 CFM56、PW6000、 Trent1000 等，NOx 排放基本上都符合现行CAEP /6 标准，但仅比该标准低 30% 以内。唯有采用了双 环预混旋流器燃烧室（ TAPS） 贫油燃烧的 GEnx 发 动机，在 NOx 减排方面取得了较大突破，比 CAEP / 6 标准低 50% 以上，远低于其他发动机。
图 1 ICAO 民用航空发动机 NOx 排放限制规定 Fig. 1 Ｒegulations of ICAO civil aero-engine NOx
emissions
图 2 2000 年后取证的推力大于 89 kN 发动机的 LTO NOx 排放
Fig. 2 LTO NOx emissions of engines with thrust greater than 89 kN certified after the year 2000
燃烧过程首先产生的是 NO。主要有 5 种途 径： 一 是 热 力 NO （ Thermal NO ） ，二 是 瞬 发 NO （ Prompt NO） ，三是燃料 NO（ Fuel NO） ，四是氧化 亚氮（ N2 O） 转变生成 NO，有些文献也将这种生成 机理视为瞬发 NO 的一种； 五是二氮烯基（ NNH） 转变机理，与氢燃料有关［17］。
国外则按照 NOx排放水平高低对民用航空 低排放 燃 烧 室 进 行 了 划 代［14］： 第 一 代 是 指 常 规单环腔燃烧室 （ SAC） ，可 称 为 低 排 放 燃 烧 室 前身（ PreLEC） ； 第二代是指在常规燃烧室基础 上发展出来 的 低 排 放 燃 烧 室 （ LEC） ，基本上采 用富油-焠熄-贫油（ ＲQL） 技术； 第三代则是指采 用了贫油燃烧技术的双环腔燃烧室 （ DAC） ； 第 四代是 20 世纪 90 年代后开始发展的比第三代 排放低 40% 以 上 的 低 排 放 燃 烧 室［14］，如 P＆W 公司的 TALON X、GE 公 司 的 TAPS 和 ＲＲ 公 司 的 ANTLE。
民用航 空 发 动 机 污 染 排 放 物 包 括 氮 氧 化 物 （ NOx） ，一氧化碳（ CO） ，未燃碳氢（ UHC） 和冒烟 （ Smoke） 等，其危害主要分为两大类： 一类是对局 部空气质量（ Local Air Quality） 的影响，对机场附 近的乘客、机场工作人员和周围居民的健康造成
1. 1 环境保护法规与标准
到现 在 为 止，国 际 民 航 组 织 （ International Civil Aviation Organization，ICAO） 已经公布了关 于民用航空发动机排放标准的 4 个版本，目前执 行的是 2005 年 修 订 后 的 CAEP /6 （ Committee on Aviation Environmental Protection /6 ） 标 准［5］。 对 冒烟、一氧化碳和未燃碳氢的规定从 CAEP /1 到 现在没有任何改变，主要是对 NOx 的限制规定日 趋严格［6-7］，如图 1 所示的最大额定推力 Foo 大于 89 kN 的 亚 声 速 航 空 发 动 机 起 降 循 环 （ Landing and Take Off，LTO） NOx 排放限定，纵坐标 Dp 为 任一气态污染物在 LTO 循环中的排放总质量，横 坐标为最大额定推力时的发动机总增压比 πoo。 其中，LTO 循 环 主 要 包 括 起 飞 （ Takeoff ） 、爬 升 （ Climb ） 、进 场 （ Approach ） 和 慢 车 （ Idle ） 4 个 工况［5］。