富油燃烧猝熄贫油燃烧RQL燃烧室技术分析

.富油燃烧-猝熄-贫油燃烧（RQL）燃烧室技术分析摘要：富油燃烧-猝熄-贫油燃烧”（RQL）是一种较为先进的航空发动机燃烧技术。是现代航空发动机减少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃烧策略之一。本文就RQL燃烧室原理做一概括性分析，并提出了RQL燃烧室设计理念上的可借鉴与启迪之处。可供航空发动机业界相关人士参考。关键词：富油燃烧-猝熄-贫油燃烧； RQL燃烧室；猝熄区引言富油燃烧-猝熄-贫油燃烧（Rich-Burn/Quick-Quench/Lean-Burn，以下简称 RQL）是一种较为先进的航空发动机燃烧技术，是现代航空发动机减少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃烧策略之一，应用 RQL 燃烧技术的燃烧室被称为 RQL 燃烧室。RQL 燃烧室中的关键区域是所谓的猝熄区，RQL 燃烧室的贫油熄火边界宽，对氮氧化物排放的控制简单有效，在一定程度上代表了现代航空发动机燃烧室工程技术进展的成就与方向。美国普惠公司(P&W 公司)在 RQL 燃烧技术基础上开发出了广泛用于其商用航空发动机的先进低氮氧化物排放燃烧室（TALON 燃烧室），就是对 RQL 燃烧室的进一步发展与创新。本文就 RQL 燃烧室的原理做一概括性技术分析，希望能对中国航空发动机业界相关人士能有所启迪。1 “富油燃烧-猝熄-贫油燃烧”燃烧室概念及工作原理1.1 “RQL 燃烧概念的提出“富油燃烧-猝熄-贫油燃烧”的概念是上世纪 80 年代提出的，主要目的是要减少涡轮发动机的氮氧化物（NOx）排放。上世纪 90 年代末，美国航空航天局（NASA）将这一概念作为下一代航空发动机降低氮氧化物排放的主要研究对象，进而发展出了 RQL 燃烧室。今天，美国普惠公司将其用于商用航空发动机的 RQL燃烧室命名为 TALON 燃烧室（先进低氮氧化物排放燃烧室Technology for Advanced Low NOx combustor, 以下简称 TALON 燃烧室）。由于在发动机全工作状态下的安全性和可靠性上的上佳表现，RQL 燃烧技术已成为现代航空发动机燃烧技术的首选之一。1.2 “RQL 燃烧室的工作原理RQL 燃烧是一种特殊的分级燃烧技术，前面是富油燃烧级，中间为快速猝熄级，后面为贫油燃烧级。由于富油燃烧区排出的物质富集了大量部分氧化和部分烃化的物质，氢（H）和一氧化碳（CO），不经进一步处理是不能直接从燃烧室排出的，因此，需要附加氧气去对上述物质做进一步燃烧。通过燃烧室壁的补燃空气进气孔，补充空气与富油燃烧区排出的物质混合，并在燃烧室的出口前部创造出贫油燃烧环境，使燃烧室排出的物质主要成分以二氧化碳、水、氮气和氧气（CO2, H2O, N2, O2 ）为主，从而降低排放物中的污染物（即：NOx，CO, HC）。当空气从补燃空气进气孔进入火焰筒时，使会使燃烧室的高温富油燃烧区减小，并使燃焰的温度急剧下降形成所谓的猝熄（Quench）效应，这就是 RQL 燃烧技术，而应用 RQL 燃烧技术的燃烧室就被称为 RQL 燃烧室。精品.在RQL 燃烧室中，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气流混合进行贫油燃烧。图 1 是 RQL 燃烧室概念解剖示意图。图 1RQL 燃烧室概念解剖示意图图 2RQL 燃烧室燃焰示意图图 3PW4090 基型发动机 RQL燃烧室剖图在 RQL 燃烧室中，形成了两个明显的燃烧区：富油燃烧区（Fuel Rich Combustion）及混合和降温贫油燃烧区（Mixing & Quench Fuel Lean），图 2 显示了 RQL 燃烧室的燃焰示意图，图 3 是 PW4090 基型发动机 RQL 燃烧室剖图。RQL 燃烧技术是一种较为先进的航空发动机燃烧技术。在 RQL 燃烧室中的关键技术是使富油燃气与空气要进行快速充分均匀的混合。为了抵抗燃烧室火焰的高温 RQL 燃烧室火焰筒壁面均采用了浮壁式。1.3 RQL 燃烧室的猝熄区在 RQL 燃烧室中的关键区域是所谓的猝熄区（Quick-Quench Zone），或称为快混区（Quick-Mix Zone）。“猝熄区”是对英语“Quick-Quench Zone”的中文翻译，在字面上并没有将英语的含义完全翻译出来。在猝熄区，除了有因补燃空气进入燃烧室引起的燃气快速降温而形成的所谓“淬火”效应，同时还有补燃空气与从富油燃烧区出来的燃气快速混合的效应。精品.图 4RQL 燃烧室猝熄区的实验室模拟段图 4 是 RQL 燃烧室猝熄区的实验室模拟段。RQL 燃烧室猝熄区的关键是要保证降温和补燃空气与从富油燃烧区出来的燃气快速而均匀的混合，以便贫油燃烧区的燃烧与火焰稳定。降温和补燃空气与从富油燃气的参混效果与空气孔口的尺寸，孔口的形状，孔口的数量，孔口的间隔，以及孔口的排列方式的因素有直接的关系；同时，还与通过孔口进入燃烧室的气流的角度有关。2 RQL 燃烧室的先进性2.1 RQL 燃烧室贫油熄火边界贫油熄火边界是航空发动机安全可靠工作的最重要指标之一。由于低污染的要求，现代民用航空发动机的设计倾向是向贫油预混方向发展，燃烧前的油气混合越均匀，油气比低（贫油），则污染物越少，但贫油熄火性能也越差，要求燃烧室的头部燃烧组织越复杂。RQL 燃烧室前部是富油燃烧，有相对高的尤其当量比，因此 RQL 燃烧室的贫油熄火边界相对较宽。通过分区燃烧技术，RQL 燃烧室很好地解决了贫油熄火和低污染排放这一对相互矛盾的燃烧室关键技术问题。2.2 RQL 燃烧室氮氧化物排放的控制在富油燃烧区，控制油气比（通常控制在 1.21.6 的当量比内），降低火焰温度和氧气量，从而降低NOx 和 CO 生成量。在猝熄区，通过引入大量空气，完成由富油向贫油的瞬间过渡，并防止出现接近理想当量比的 NOx 生成量大的区域。在贫油燃烧区，选择满足所有排放物要求的当量比（典型值为 0.50.7），以控制燃烧温度，使 NOx、CO 和 HC 排放值都低。合理控制油气比和控制燃烧温度，可有效控制污染物的排放，从而满足国际民航组织的污染物排放要求。3 RQL 燃烧室的进一步发展3.1 RQL 燃烧室的进一步发展与 TALON 燃烧室精品.RQL 燃烧技术是现代航空发动机减少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃烧策略之一，其发展经历了 30多年。目前，美国普惠公司在商用发动机上广泛应用的先进低氮氧化物排放燃烧室（以下简称 TALON 燃烧室）就是在 RQL 燃烧室技术基础上，利用浮壁式燃烧室技术，结合气动雾化喷嘴、单排二股气流进气孔等技术开发出来的。TALON 燃烧室是在 RQL 燃烧室基础上的关键改进是优化了气动雾化喷嘴，使得燃料-空气混合当量比更合理，燃料-空气的混合更加充分，可在全动力范围内使燃料在很短的时间内充分雾化并在主燃烧区内快速燃烧。不但很好地传承了 RQL 燃烧室贫油熄火边界宽的优点，同时使污染物的排放更低，是对 RQL 燃烧室的进一步发展与创新。由于燃料-空气混合当量比更合理，燃料-空气的混合更加充分，所以 TALON 燃烧室不再需要更多的补燃空气，所以各型 TALON 燃烧室均只有一排降温和补充空气进气孔（见图 5）。由于气动雾化喷嘴可以使燃料在很短的时间内充分雾化并完全燃烧，使得 TALON 燃烧室的燃焰分区与RQL 燃烧室相比已不十分明显(见图 6)。作为典型 RQL 燃烧室的 TALON I 燃烧室于 1999 年用于 PW4098 发动机。TALON II 燃烧室则被成功应用到了 PW4158、PW4168 和 PW6000 发动机上，并取得了较好的低排放特性。为赢回逐渐失去的民用发动机市场，普惠公司研发了先进大推力高涵道比齿轮传动涡扇发动机，即清洁动力（PurePowerTM）PW1000G 发动机和 PW800 发动机，其所使用的燃烧室也都是 TALON 燃烧室，可以达到更低的排放标准。3.2 各型 TALON 燃烧室所能达到的排放标准用于 PW4090 基型发动机的 RQL 燃烧室，其排放可满足国际民航组织的 CAEP/2 标准。用于 PW4098 发动机的 TALON I 燃烧室，降低了氮氧化物（NOX）的排放，其排放水平低于 CAEP/2 标准要求但还不能完全满足 CAEP/4 标准要求。精品.用于 PW4158、PW4168 和 PW6000 发动机上的 TALON II 燃烧室，大大降低了氮氧化物（NOX）的排放，不但远低于 CAEP/2 和 CAEP/4 排放标准要求，还能完全满足 CAEP/6 的标准要求。第三代 TALON III 燃烧室和第四代 TALON IV 燃烧室进一步降低氮氧化物（NOX）的排放。第三代的 TALON III 燃烧室可以完全满足 CAEP/6 的标准要求，并有相当的裕度。表 1 显示了 RQL 燃烧室和各型 TALON 燃烧室所能达到的排放标准。4 可借鉴的启迪与思考RQL 燃烧技术和 TALON 燃烧技术是目前较为先进的航空发动机组织燃烧技术，是一种特殊的分级燃烧室技术，是减少氮氧化物（NOx）排放的最基本的策略之一。RQL 燃烧室的贫油熄火边界宽，控制氮氧化物排放的方法简单有效，在一定程度上代表了现代航空发动机燃烧室工程技术进展的成就与方向。特别是在 RQL燃烧室技术基础上发展而来的 TALON 燃烧室，在传承 RQL 燃烧室贫油熄火边界宽的优点同时使得氮氧化物的排放更低。各型 RQL 燃烧室和 TALON 燃烧室的共同特点是均采用整体铸造的扩压器，均为浮壁式燃烧室，仍属典型的单环燃烧室范畴。从 RQL 燃烧室和 TALON 燃烧室的发展来看，发动机的设计理念是在研发中不断沿袭、改进和创新而得以发展的，关键在于设计概念的创新上。在保证发动机应有性能的大前提下，热点更低和更均匀的燃烧室出口温度场会为下游部件带来巨大的好处，可以大大改善所有下游部件的工作环境。燃烧室出口热点温度的降低可为下游部件的选材和设计带来了更大的余度和选择余地，使涡轮导向器叶片和涡轮叶片的冷却方式相对简化，不但简化了发动机燃烧室下游零部件的结构和制造难度，还可延长发动机的整体寿命、降低运营成本和维护费用，可谓一举多得。精品.5 结束语综上分析可知，好的燃烧室设计理念不但可以保证燃烧室功能的实现和优化，还可以使燃烧室的结构简化，从而使得燃烧室的加工工艺难度降低，为发动机带来高效率，低排放，寿命长和运营成本低的诸多益处。RQL 燃烧室和 TALON 燃烧室就是这样在各方面都达到了优化的先进燃烧室技术之一。RQL 燃烧室所涉及的知识、技术、工艺和内容极其广泛。本文就 RQL 燃烧室原理做一概括性分析，并提出了 RQL 燃烧室设计理念上的可借鉴与启迪之处。可供航空发动机业界相关人士参考。参考文献：1 李杰，先进低氮氧化物排放燃烧室技术分析，航空科学技术2010年第4期2 李杰，TAPS燃烧室燃油喷嘴结构设计特点分析及思考，航空科学技术2010年第1期3 李杰，GEnx发动机TAPS燃烧室结构设计特点分析及启迪，航空动力技术2008年第29卷第2期4 Philip Gliebe/Will Dodds，Practical Technology Solutions for Future Aircraft Engine Noise and Emissions Reduction， AIAA/AAAF Aircraft Noise and Emissions Reduction Symposium， May 24-26, 2005 Monterey, California 5 David L. Daggett, Stephen T. Brown, and Ron T. Kawai ， Ultra-Efficient Engine Diameter Study ，NASA/CR2003-212309 6 Willard Dodds，Engine and Aircraft Technologies To Reduce Emissions，ICCAIA Noise and Emissions Committee，San Diego, 1 March 2002 7 Jayant Sabnis，Green Engine Developments for Next Generation Aircraft，UC Davis Symposium Aviation Noise and Air Quality San Francisco, California 8 Jeffrey K. Schweitzer, John S. Anderson，Dr. Hermann Scheugenpflug, Dr. Erich Steinhardt，Validation of Propulsion Technologies and New Engine Concepts in a Joint Technology Demonstrator Program，XVII ISABE 2005-1002如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！精品