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雷达卡
未来航空低污染燃烧技术的发展途径
2010-10-25
航空运输在给人们带来便捷的同时，也给人类的生存环境带来了一定的负面影响。航空发动机在运行中排放的有害气体包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、未燃碳氢（UHC）和氮氧化物（NOx）等。其中，NOx的降低最为困难，因而也是燃烧过程中人们需要控制的主要对象。目前，人们已经意识到了航空运输所带来的环境污染问题。国际民航组织（ICAO）已就此制定了航空污染物的排放标准，并多次进行了修订。像瑞士和瑞典等欧洲国家的一些机场，则制定了更为严格的标准，根据飞机的污染排放等级增收不同的额外费用，排放越高则收费越高。
达到日益苛刻的排放标准的唯一途径就是，不断推进低污染燃烧技术的发展，并将其应用于航空发动机的新型号和新产品中。
低污染燃烧技术解析
目前在航空推进系统中正在研究的超低污染燃烧方式主要有三种，即富油燃烧-淬熄-贫油燃烧（RQL）、贫油预混预蒸发燃烧（LPP）和贫油直接混合燃烧（LDM）。这三种方式都可以很好地控制NOx的排放，能够达到比ICAO CAEP/2标准低50%以上的目标。各发动机制造商根据自己的需要，正在采用不同的技术开发新产品。
普惠公司按照RQL的方式研究低污染燃烧，发展了TALON X燃烧室，结构为单环腔、空气雾化喷嘴，罗罗公司采用LPP方式发展了两级供油和燃烧的第三代低NOx污染排放双环腔燃烧室，并利用LDM燃烧方式发展了ANT-LE低污染燃烧室，GE公司所研制的双环腔预混旋流（TAPS）低污染燃烧室也实现了NOx降低50%的目标，并成功应用于GEnx发动机中。
Mongia教授曾先后担任盖瑞特（现属于霍尼韦尔）、罗罗北美和GE公司的高级研发主管，不仅是TAPS燃烧系统的团队负责人，而且对RQL、LPP和LDM三种燃烧方式都有所研究。
他认为，RQL本质上是空气分级方案，已有30多年的研究历史。普惠和GE公司一直致力于该燃烧方式的研究。GE公司所研究的第二代RQL称为优化的RQL（ORQL）燃烧室，NOx污染排放比第一代低15%。他认为如果第三代RQL要达到CAEP/6的标准，其NOx排放要比第二代RQL低20%，
LPP是一种最有潜力降低NOx的燃烧方式。目前，扩散燃烧和预混燃烧等贫油预混燃烧技术已经成功应用在工业界燃气轮机和一些分级燃烧室中。由于LPP既要求油气混合均匀、蒸发完全，又要避免固有的自燃、回火以及不稳定等问题，迄今为止，还没有被航空推进系统所采用。如果这种燃烧方式要应用于航空领域，必须拓宽其工作范围，以达到航空发动机的性能要求。
LDM的基本方法是直接将燃油喷入燃烧区进行燃烧，或油气预先混合一定程度喷入燃烧区，燃烧区处于贫油状态，火焰筒没有主燃孔。这是一项更具挑战性的工作，必须让油气掺混足够快，以使燃油在燃烧之前达到所要求的掺混标准。
而且，他还表示未来的航空发动机可以采取上述不同的燃烧形式，这些燃烧方式之间没有先进与落后的区别，是否能够成功仅取决于研究人员在燃烧室结构和燃烧方式上的创新。将来，RQL或LDM方法也许会显示出与LPP一样好的燃烧结果。
TAPS技术发展
据Mongia教授介绍，GE公司的团队是在持续创新的基础上发明了TAPS技术。该公司为CFM系列发动机和GE90发动机研制了双环腔燃烧室（DAC），在很大程度上降低了污染物的排放。但随着标准的提升，研究人员需要进一步改善燃烧质量。由于DAC燃烧室是双环腔结构，燃烧区被中心体隔离，因此他们开展了使火焰集中的研究，这就是TAPS技术得以发展的主要原因和动机，在技术上更具挑战性。
TAPS低污染燃烧技术的整体设计可以总结为：燃烧室拥有一个中心扩散火焰稳焰的预燃级，其周围是同心的外旋流器的预混燃烧主级，因此称为双环腔预混旋流分级燃烧。主燃级是一个预混燃烧模式，燃油喷入到主燃级旋转空气中，预混通道中的油气掺混效果得到提升，在对应相同当量比的情况下，喷雾颗粒越均匀，NOx生成量越低。为一进步达到设计目标，中心预燃级采用了扩散燃烧方式，有利于发动机的起动和燃烧火焰的稳定。
GE公司从1995年就开始研究TAPS技术，并将该技术分别在CFM56和GE90发动机的单环腔（SAC）和双环腔燃烧室上进行了基础研究与试验验证，目前已经发展了三代，分别是TAPS1、TAPS2和TAPS3。TAPS1的目标是NOx排放比普通RQL燃烧方式或比CAEP/2的标准低50%TAPS2的目标是在TAPS1的基础上再降低50%，也就是在发动机压比大于40的情况下，NOx的排放量是CAEP/2标准的30%，TAPS3的目标是在TAPS2的基础上进一步降低50%，同样高压比的情况下，NOx排放量达到CAEP/2标准的15%。
目前，TAPS1的技术成熟度已经达到了9级，成功应用于GEnx发动机。TAPS2目前处于7级技术成熟度，具体技术还在验证之中，并将首先应用于C919所选用的LEAP-X发动机。TAPS3目前还处于初级研发阶段，技术成熟度处于3级或4级水平。Mongia认为，TAPS技术根据客户要求和航空业的发展需求应运而生，从技术角度来看，TAPS2和TAPS3可在不久地将来达到预期设计目标。
创新的TFM燃烧概念
Mongia教授在2008年退休之后，于2009年2月受聘为美国普渡大学机械工程系教授，开始与同事及学生一起着手建立燃气涡轮燃烧技术与研究创新中心。该中心的主要目标是将燃料灵活性、能量高效利用、清洁燃烧由模型实验验证的概念阶段转化到国家实验室级别的发动机整机验证阶段，从而实现基础研究到工程应用的转化。TAPS是GE公司的专利技术，为了引导学生的创新思维，他利用这些已有的专利技术，在已有成果的基础上，首次提出了一种新的燃烧结构概念，即三级火焰旋流燃烧室（Tripleflame mixer，TFM）。
Mongia对此表示，TFM当前还仅仅是一个概念性的想法，采用了同轴分级燃烧室，是一种革命性的改变，其产生同样源自创新的推动：RQL低污染燃烧室仅是单级燃烧火焰，TAPS是两级燃烧火焰，那么按这个逻辑发展，下一步就应该是三级燃烧火焰。根据燃料灵活性优化回流等设计目标，TFM尽量使火焰稳定，以最大程度得满足降低污染的需求。他认为随着研究的深入，在未来的数年，TFM对于大幅度降低NOx排放会发挥重要的作用。
与TAPS的两级燃烧火焰相比，TFM将具有同轴的三级燃烧火焰。中心仍为预燃级，采用扩散燃烧，保证燃烧室具有宽广的稳定工作范围，确保发动机在各种条件下可靠工作。围绕在预燃级周围的是两级主燃级，在大工况下供油工作，仍然采用贫油燃烧，通过增强油气混合来控制燃烧温度，从而降低污染排放。但需要注意的是，TFM的主燃级不再采用TAPS的横流雾化预混方式，而是采用类似于预膜方式的雾化和半预混，究其原因主要是为了在发动机增压比不断提高的情况下避免自燃和回火。
未来的技术发展趋势
过去30年，低污染燃烧技术使污染排放降低了50%，双环腔燃烧室在降低污染物排放方面显示了很好的潜力。针对未来航空发动机低污染燃烧的发展趋势，Mongia教授谈了自己的看法。
首先，航空发动机低污染燃烧的设计目标是，不断地接近工业燃气轮机的LPP燃烧室的燃烧效果。目前，某些国家还要求工业燃气轮机达到个位数的NOx排放，甚至低至3ppmv（3×10-6）。虽然这不代表航空推进系统也要制订相同的标准，但是研究人员必须有压力和动力来降低航空发动机的污染物的排放。
其次，贫油燃烧是未来的发展方向。在航空推进系统低污染燃烧进一步取得突破之前，除了LDI、LP方式之外，他认为同轴分级是一个切实可行的办法。该方法将是对TFM想法的进一步发展，可以优化燃烧，进一步降低LPP的NOx排放，有很大的发展空间。另外，新的发动机燃烧室结构将会逐渐出现，在未来的推进系统中，参与燃烧的气流量更多，用于冷却的气流更少，燃烧气流量向着燃气轮机90%，甚至95%的方向发展。
最后，发动机的效率会随着材料、气动和结构的不断改善而提高，而低污染燃烧技术不会影响发动机的效率。在布雷顿循环中，效率不仅取决于燃烧温度，更取决于压比，在压比逐渐提高的情况下，温度相对较低的低污染燃烧不会影响发动机效率。真正的LPP燃烧室则不再需要很高的压比，而是取决于燃烧温度。
作者：张正国 来源：《国际航空》2010年第09期
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