先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā) GE執(zhí)著40年

寂靜天花板

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和全球航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，控制民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的排放，已成為現(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中必須遵循的重要原則。按照國(guó)際民航組織（ICAO）下屬的航空環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（CAEP）的規(guī)定，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染物共有4種，分別是氣態(tài)的一氧化碳（CO）、未燃碳?xì)洌║HC）、氮氧化物（NOX）和顆粒狀冒煙。雖然從全球燃燒污染物排放的總量來看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排放所占份額很小，目前僅占大氣總污染量的2%以下，但其污染排放具有局部性和高空性的特點(diǎn)，是機(jī)場(chǎng)附近地區(qū)和高空大氣污染的主要來源。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放的污染物來自其燃燒室，因此，低污染燃燒室的研發(fā)是降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放的關(guān)鍵。在CAEP頒布的航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放系列標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)NOX的排放規(guī)定日趨嚴(yán)格，而對(duì)CO、UHC和冒煙的規(guī)定維持不變。原因一是NOX對(duì)環(huán)境的危害越來越嚴(yán)重；二是控制NOX排放是控制所有排放物中最困難的。從民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的角度來看，其低污染燃燒室技術(shù)的關(guān)鍵難點(diǎn)也是控制NOX排放。

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)在低工況和高工況下的排放污染物有所不同，因而，目前國(guó)外在研或已服役的先進(jìn)低污染燃燒室主要采用分級(jí)燃燒的概念，即將燃燒室分成幾個(gè)燃燒區(qū)，通過控制各區(qū)的燃油和空氣分配來控制各燃燒區(qū)的油氣比，以使燃燒室在所有工況下均保持較低的污染排放水平并具有良好的燃燒性能。分級(jí)燃燒技術(shù)一般可分為徑向、軸向和徑/軸向分級(jí)3種燃燒分區(qū)模式。其中，徑向分級(jí)燃燒室主要有雙環(huán)腔燃燒室（DAC）、雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒室（TAPS）、駐渦燃燒室（TVC）、雙頭部燃燒室等；軸向分級(jí)燃燒室主要有富油燃燒/焠息/貧油燃燒室（RQL）、貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室（LPP）等。此外，還有噴嘴內(nèi)部中心分級(jí)的貧油直接噴射燃燒室（LDI）、可變幾何燃燒室（VGC）和催化燃燒室等。

在這些先進(jìn)低污染燃燒室中，美國(guó)GE公司研發(fā)的TAPS燃燒室是一種新型的并具有廣闊應(yīng)用前景的低污染燃燒室方案，代表了現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程技術(shù)的最新成就與發(fā)展方向，該燃燒室可在滿足其他設(shè)計(jì)要求的同時(shí)進(jìn)一步降低NOX的排放。目前，GE公司已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于CFM56、GE90和GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)上。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，TAPS燃燒技術(shù)的NOX排放要比目前常規(guī)燃燒室的降低50%，且具有持續(xù)降低50%~75%的潛力。為了滿足ICAO未來中長(zhǎng)期的排放標(biāo)準(zhǔn)，GE公司正與美國(guó)國(guó)家航空航天管理局（NASA）合作，以TAPS燃燒室為基礎(chǔ)，期望在2025年將NOX排放降低至比CAEP/2標(biāo)準(zhǔn)低70%~80%的水平。
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GE公司為民用飛機(jī)研發(fā)新型低污染燃燒室的計(jì)劃始于20世紀(jì)70年代中期。最初的大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)減排計(jì)劃是由NASA發(fā)起的實(shí)驗(yàn)清潔燃燒室計(jì)劃（ECCP），用來支持GE公司研發(fā)雙環(huán)腔燃燒室。

經(jīng)過多年的努力，雙環(huán)腔燃燒室終于在90年代中期于CFM56-5B和CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)上服役。雙環(huán)腔燃燒室采用徑向分級(jí)，由環(huán)形中心體將火焰筒分隔為內(nèi)外兩個(gè)燃燒區(qū)，即主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)。預(yù)燃級(jí)按低工況設(shè)計(jì)保持較高的油氣比，在啟動(dòng)點(diǎn)火和慢車狀態(tài)只有預(yù)燃級(jí)噴油工作，這樣氣流速度低，燃燒時(shí)間長(zhǎng)，可滿足慢車貧油熄火、燃燒效率、低CO和UHC排放的要求。

TAPS燃燒室于20世紀(jì)90年代開始研制，實(shí)際上是GE公司70～90年代研制的單環(huán)腔燃燒室（SAC）和雙環(huán)腔燃燒室的后續(xù)發(fā)展型，尤其是得益于雙環(huán)腔燃燒室燃油分級(jí)的概念和與其相關(guān)的大量試驗(yàn)研究。TAPS燃燒室的頭部設(shè)計(jì)是采用了一個(gè)同軸的預(yù)燃級(jí)，在低工況可提供一個(gè)中心較高的溫度分布，因而，可避免雙環(huán)腔燃燒室可能出現(xiàn)的出口溫度分布不均勻的問題。為了比雙環(huán)腔燃燒室更進(jìn)一步降低NOX排放，TAPS燃燒室的主燃級(jí)采用了環(huán)形多點(diǎn)噴嘴和主混合器的結(jié)構(gòu)，從而，在主燃級(jí)可最大程度上實(shí)現(xiàn)預(yù)混燃燒。

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在NASA的先進(jìn)亞聲速技術(shù)（AST）和超級(jí)高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（UEET）等計(jì)劃的支持下，GE公司對(duì)TAPS燃燒室的研發(fā)持續(xù)了10余年之久，并綜合運(yùn)用了兩項(xiàng)已成熟的技術(shù)，即1980年首次研發(fā)并獲得專利的預(yù)混旋流技術(shù)和早在1970年就在GE發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用的常規(guī)值班級(jí)燃燒技術(shù)。20世紀(jì)90年代末，雙環(huán)腔TAPS燃燒室在GE90發(fā)動(dòng)機(jī)上得到驗(yàn)證。2000年初，單環(huán)腔TAPS燃燒室在CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)上得到驗(yàn)證。目前，單環(huán)腔TAPS燃燒室已應(yīng)用于GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)并取得適航證，即將在波音787和747寬體客機(jī)上服役。

TAPS燃燒室設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1  結(jié)構(gòu)特征

在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)中，由于燃燒室的溫升較高，油氣比較大，參加燃燒的空氣增多，因而，燃燒區(qū)的空氣動(dòng)力特性主要由頭部進(jìn)來的流動(dòng)空氣而決定。所以，就先進(jìn)燃燒室而言，一個(gè)好的頭部設(shè)計(jì)方案對(duì)燃燒室的燃油和空氣分配組織及各項(xiàng)性能要求至關(guān)重要。

TAPS燃燒室的頭部結(jié)構(gòu)主要由一個(gè)中心擴(kuò)散火焰的預(yù)燃級(jí)和一個(gè)同軸預(yù)混燃燒的主燃級(jí)構(gòu)成，兩級(jí)之間由一定高度的臺(tái)階隔開。預(yù)燃級(jí)由一個(gè)高流量數(shù)的壓力霧化噴嘴、內(nèi)外兩個(gè)圍繞噴嘴的同向雙級(jí)旋流器、文氏管及套筒組成，而主燃級(jí)則由一個(gè)徑向旋流器、環(huán)狀空腔型主混合器及環(huán)形多點(diǎn)噴嘴組成，其頭部幾何結(jié)構(gòu)和氣路及油路分布如圖1所示。
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預(yù)燃級(jí)采用擴(kuò)散燃燒方式，有利于起動(dòng)和火焰穩(wěn)定。預(yù)燃級(jí)噴嘴加內(nèi)外兩級(jí)旋流器構(gòu)成組合式空氣霧化噴嘴，這也是當(dāng)前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室普遍采用的燃油霧化技術(shù)，可以改善起動(dòng)和低工況下的燃油霧化質(zhì)量，獲得滿足點(diǎn)火、起動(dòng)、貧油燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率等設(shè)計(jì)要求所需要的流場(chǎng)。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)來看，預(yù)燃級(jí)的噴嘴可以采用單、雙油路離心噴嘴或直射噴嘴。采用單油路離心噴嘴，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，燃油控制反應(yīng)快，在低油氣比下點(diǎn)火性能好，采用雙油路離心噴嘴更有利于控制慢車狀態(tài)下的污染排放，而采用直射噴嘴在貧油時(shí)有利于穩(wěn)定燃燒。

TAPS燃燒室的核心技術(shù)是在保持分區(qū)燃燒的同時(shí)，引入了創(chuàng)新的預(yù)混概念，燃油和空氣在燃燒之前做到了很好的預(yù)先混合，屬于一種改進(jìn)的貧油直接混合（LDM）低污染燃燒技術(shù)[7]。其主燃級(jí)的燃油噴射采用的也是氣動(dòng)霧化方式。位于主混合器上的環(huán)形多點(diǎn)直射噴嘴，噴出的燃油沿周向形成多股徑向射流，與通過主燃級(jí)徑向旋流器的主旋流相互作用并在主混合器內(nèi)充分預(yù)混，可使主燃級(jí)燃油霧化得更細(xì)，油氣混合度更高，在高工況下使燃燒室內(nèi)形成穩(wěn)定的主燃級(jí)燃燒區(qū)。主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)之間的臺(tái)階可以減小低工況下主燃級(jí)空氣對(duì)預(yù)燃級(jí)火焰的焠熄作用，有助于改善慢車狀態(tài)貧油熄火性能，提高燃燒效率，降低CO的排放。

在先進(jìn)貧油低污染燃燒組織中，由于參與燃燒的空氣比例很高，因此，TAPS燃燒室除了冷卻頭部和火焰筒所需的空氣外，其余空氣都流經(jīng)預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)的旋流器，火焰筒上不開主燃孔和摻混孔，這也是TAPS燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)之一。另外，由于旋流形成的燃燒區(qū)使火焰筒與高溫燃燒區(qū)相隔離，同時(shí)因燃油與空氣的預(yù)先混合，使得火焰筒壁溫較低、燃燒區(qū)溫度較低、燃燒效率更高、出口溫度場(chǎng)更均勻，從而可提高火焰筒和發(fā)動(dòng)機(jī)下游部件的壽命，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用維護(hù)成本。

2  低污染燃燒原理

TAPS燃燒室低污染燃燒原理的核心是采用了一個(gè)中心擴(kuò)散火焰的預(yù)燃級(jí)和一個(gè)同軸預(yù)混燃燒的主燃級(jí)。兩級(jí)旋流器在主燃區(qū)中產(chǎn)生了3個(gè)回流區(qū)，分別為主回流區(qū)、角回流區(qū)和臺(tái)階回流區(qū)，如圖2所示。相應(yīng)的燃燒區(qū)域被3個(gè)回流區(qū)劃分為預(yù)燃級(jí)擴(kuò)散火焰區(qū)、剪切層火焰區(qū)和主燃級(jí)預(yù)混火焰區(qū)。在低工況下，僅預(yù)燃級(jí)噴嘴噴油工作。氣流在預(yù)燃級(jí)兩級(jí)旋流器、文氏管和套筒的共同作用下，在其下游形成一個(gè)強(qiáng)大的預(yù)燃級(jí)主流區(qū)，燃油在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行富油充分燃燒，其富油燃燒產(chǎn)物在剪切層及主燃區(qū)下游與主燃級(jí)新鮮空氣進(jìn)行快速摻混燃燒，以此來實(shí)現(xiàn)低工況下的高效燃燒，同時(shí)獲得較低的污染物排放。

TAPS燃燒室旋流器的徑向分級(jí)結(jié)構(gòu)決定了主燃級(jí)較冷的新鮮空氣射流會(huì)對(duì)預(yù)燃級(jí)火焰產(chǎn)生焠熄作用，如果在預(yù)燃級(jí)燃燒不完全的情況下，加入大量主燃級(jí)新鮮空氣，則焠熄作用會(huì)導(dǎo)致燃燒室CO排放的大幅增加，燃燒效率下降，而且對(duì)慢車狀態(tài)貧油熄火性能也不利。在主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)之間設(shè)置一定高度的臺(tái)階可將兩級(jí)射流隔開一段距離，這樣可以延緩主燃級(jí)射流與預(yù)燃級(jí)火焰的混合，為預(yù)燃級(jí)的充分燃燒提供時(shí)間。

文氏管結(jié)構(gòu)將預(yù)燃級(jí)分為兩級(jí)旋流，燃油與預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流混合燃燒，外旋流則包裹在內(nèi)旋流混氣的外側(cè)，可以延緩內(nèi)外兩級(jí)旋流的混合，以此來調(diào)節(jié)預(yù)燃級(jí)套筒內(nèi)燃燒區(qū)的局部油氣當(dāng)量比，避開污染物排放較大的當(dāng)量比區(qū)間，從而實(shí)現(xiàn)低污染燃燒。

由于TAPS燃燒室的流場(chǎng)呈現(xiàn)出清晰的分區(qū)燃燒結(jié)構(gòu)，因此，在進(jìn)行TAPS燃燒室的空氣和燃油流量分配設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮在不同工況下各燃燒區(qū)低污染和穩(wěn)定燃燒對(duì)局部當(dāng)量比的不同要求。在用CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)所做的燃燒對(duì)比試驗(yàn)中，分別采用了富油頭部單環(huán)腔燃燒室、貧油頭部雙環(huán)腔燃燒室和TAPS燃燒室。

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結(jié)果顯示，采用TAPS燃燒室的NOX排放要比富油頭部單環(huán)腔燃燒室和貧油頭部雙環(huán)腔燃燒室分別降低46%和22%，其UHC排放與富油頭部單環(huán)腔燃燒室大致相當(dāng)?shù)�遠(yuǎn)低于貧油頭部雙環(huán)腔燃燒室，而CO排放要高于富油頭部單環(huán)腔燃燒室但比貧油頭部雙環(huán)腔燃燒室減少23%。

下一代TAPS燃燒室

第一代TAPS燃燒室的NOX排放經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證比目前常規(guī)燃燒室的降低了50%，而對(duì)燃燒室其他設(shè)計(jì)要求如燃燒效率、出口溫度分布、慢車貧油熄火、可操作性和耐久性等沒有產(chǎn)生不利影響，并已成功應(yīng)用于CFM56-7B、GEnx-1B、GEnx2B和 GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)的單環(huán)腔和雙環(huán)腔燃燒室。

為了爭(zhēng)奪未來一代窄體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)份額，下一階段GE公司將基于第一代TAPS燃燒室所取得的成功技術(shù)，借助于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）手段和大量的基礎(chǔ)試驗(yàn)，不斷對(duì)第一代TAPS燃燒技術(shù)加以改進(jìn)和完善，并應(yīng)用于該公司的LEAP窄體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。其主要目標(biāo)是保持或減少NOX排放，將TAPS技術(shù)小型化以滿足小尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，并力爭(zhēng)充分拓寬分級(jí)燃燒室的工作范圍。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在2011年已完成了一個(gè)關(guān)鍵的核心技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。
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目前，GE公司已獲得美國(guó)聯(lián)邦航空委員會(huì)（FAA）的連續(xù)低能耗、低排放、低噪音（CLEEN）計(jì)劃項(xiàng)目的資助并正在與NASA合作，以TAPS燃燒室為基礎(chǔ)，期望在2025年將NOX排放降低至比CAEP/2排放標(biāo)準(zhǔn)低70%～80%的水平。 為了滿足未來中長(zhǎng)期的排放標(biāo)準(zhǔn)，GE公司已著手開展下一代雙環(huán)預(yù)混旋流（TAPSⅡ和TAPSⅢ）低污染燃燒室的技術(shù)研發(fā)，新技術(shù)的核心特點(diǎn)是在主燃級(jí)的油氣摻混上采用更加先進(jìn)的燃油噴射和油氣混合技術(shù)來強(qiáng)化摻混的均勻性，以達(dá)到更加均勻的油氣分布，從而在現(xiàn)有技術(shù)水平基礎(chǔ)上以實(shí)現(xiàn)更低的污染排放。

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如果客機(jī)起飛全采用電力拖動(dòng)方式助力，能極大減少機(jī)場(chǎng)的污染。在現(xiàn)有拖車基礎(chǔ)上改造出更大功率拖車，不用電池，跑道下埋線圈以減少自重。