先進航空發動機研發 GE執著40年

寂靜天花板

隨著人們環保意識的增強和全球航空運輸業的快速發展，控制民用航空發動機污染物的排放，已成為現代民用航空發動機設計中必須遵循的重要原則。按照國際民航組織（ICAO）下屬的航空環境保護委員會（CAEP）的規定，航空發動機的排放污染物共有4種，分別是氣態的一氧化碳（CO）、未燃碳氫（UHC）、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，航空發動機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，是機場附近地區和高空大氣污染的主要來源。

航空發動機排放的污染物來自其燃燒室，因此，低污染燃燒室的研發是降低航空發動機污染排放的關鍵。在CAEP頒布的航空發動機污染排放系列標準中，對NOX的排放規定日趨嚴格，而對CO、UHC和冒煙的規定維持不變。原因一是NOX對環境的危害越來越嚴重；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動機發展的角度來看，其低污染燃燒室技術的關鍵難點也是控制NOX排放。

由于航空發動機在低工況和高工況下的排放污染物有所不同，因而，目前國外在研或已服役的先進低污染燃燒室主要采用分級燃燒的概念，即將燃燒室分成幾個燃燒區，通過控制各區的燃油和空氣分配來控制各燃燒區的油氣比，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。分級燃燒技術一般可分為徑向、軸向和徑/軸向分級3種燃燒分區模式。其中，徑向分級燃燒室主要有雙環腔燃燒室（DAC）、雙環預混旋流燃燒室（TAPS）、駐渦燃燒室（TVC）、雙頭部燃燒室等；軸向分級燃燒室主要有富油燃燒/焠息/貧油燃燒室（RQL）、貧油預混預蒸發燃燒室（LPP）等。此外，還有噴嘴內部中心分級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。

在這些先進低污染燃燒室中，美國GE公司研發的TAPS燃燒室是一種新型的并具有廣闊應用前景的低污染燃燒室方案，代表了現代航空發動機燃燒室工程技術的最新成就與發展方向，該燃燒室可在滿足其他設計要求的同時進一步降低NOX的排放。目前，GE公司已將此項技術應用于CFM56、GE90和GEnx發動機上。經試驗驗證，TAPS燃燒技術的NOX排放要比目前常規燃燒室的降低50%，且具有持續降低50%~75%的潛力。為了滿足ICAO未來中長期的排放標準，GE公司正與美國國家航空航天管理局（NASA）合作，以TAPS燃燒室為基礎，期望在2025年將NOX排放降低至比CAEP/2標準低70%~80%的水平。
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GE公司為民用飛機研發新型低污染燃燒室的計劃始于20世紀70年代中期。最初的大飛機發動機減排計劃是由NASA發起的實驗清潔燃燒室計劃（ECCP），用來支持GE公司研發雙環腔燃燒室。

經過多年的努力，雙環腔燃燒室終于在90年代中期于CFM56-5B和CFM56-7B發動機上服役。雙環腔燃燒室采用徑向分級，由環形中心體將火焰筒分隔為內外兩個燃燒區，即主燃級和預燃級。預燃級按低工況設計保持較高的油氣比，在啟動點火和慢車狀態只有預燃級噴油工作，這樣氣流速度低，燃燒時間長，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90年代開始研制，實際上是GE公司70～90年代研制的單環腔燃燒室（SAC）和雙環腔燃燒室的后續發展型，尤其是得益于雙環腔燃燒室燃油分級的概念和與其相關的大量試驗研究。TAPS燃燒室的頭部設計是采用了一個同軸的預燃級，在低工況可提供一個中心較高的溫度分布，因而，可避免雙環腔燃燒室可能出現的出口溫度分布不均勻的問題。為了比雙環腔燃燒室更進一步降低NOX排放，TAPS燃燒室的主燃級采用了環形多點噴嘴和主混合器的結構，從而，在主燃級可最大程度上實現預混燃燒。

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在NASA的先進亞聲速技術（AST）和超級高效發動機技術（UEET）等計劃的支持下，GE公司對TAPS燃燒室的研發持續了10余年之久，并綜合運用了兩項已成熟的技術，即1980年首次研發并獲得專利的預混旋流技術和早在1970年就在GE發動機上得到應用的常規值班級燃燒技術。20世紀90年代末，雙環腔TAPS燃燒室在GE90發動機上得到驗證。2000年初，單環腔TAPS燃燒室在CFM56-7B發動機上得到驗證。目前，單環腔TAPS燃燒室已應用于GEnx發動機并取得適航證，即將在波音787和747寬體客機上服役。

TAPS燃燒室設計特點

1  結構特征

在先進航空發動機燃燒室的設計中，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，燃燒區的空氣動力特性主要由頭部進來的流動空氣而決定。所以，就先進燃燒室而言，一個好的頭部設計方案對燃燒室的燃油和空氣分配組織及各項性能要求至關重要。

TAPS燃燒室的頭部結構主要由一個中心擴散火焰的預燃級和一個同軸預混燃燒的主燃級構成，兩級之間由一定高度的臺階隔開。預燃級由一個高流量數的壓力霧化噴嘴、內外兩個圍繞噴嘴的同向雙級旋流器、文氏管及套筒組成，而主燃級則由一個徑向旋流器、環狀空腔型主混合器及環形多點噴嘴組成，其頭部幾何結構和氣路及油路分布如圖1所示。
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預燃級采用擴散燃燒方式，有利于起動和火焰穩定。預燃級噴嘴加內外兩級旋流器構成組合式空氣霧化噴嘴，這也是當前先進航空發動機燃燒室普遍采用的燃油霧化技術，可以改善起動和低工況下的燃油霧化質量，獲得滿足點火、起動、貧油燃燒穩定性和燃燒效率等設計要求所需要的流場。

從結構設計特點來看，預燃級的噴嘴可以采用單、雙油路離心噴嘴或直射噴嘴。采用單油路離心噴嘴，結構簡單，燃油控制反應快，在低油氣比下點火性能好，采用雙油路離心噴嘴更有利于控制慢車狀態下的污染排放，而采用直射噴嘴在貧油時有利于穩定燃燒。

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

在先進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，其余空氣都流經預燃級和主燃級的旋流器，火焰筒上不開主燃孔和摻混孔，這也是TAPS燃燒室結構設計的最大特點之一。另外，由于旋流形成的燃燒區使火焰筒與高溫燃燒區相隔離，同時因燃油與空氣的預先混合，使得火焰筒壁溫較低、燃燒區溫度較低、燃燒效率更高、出口溫度場更均勻，從而可提高火焰筒和發動機下游部件的壽命，降低發動機的使用維護成本。

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中心擴散火焰的預燃級和一個同軸預混燃燒的主燃級。兩級旋流器在主燃區中產生了3個回流區，分別為主回流區、角回流區和臺階回流區，如圖2所示。相應的燃燒區域被3個回流區劃分為預燃級擴散火焰區、剪切層火焰區和主燃級預混火焰區。在低工況下，僅預燃級噴嘴噴油工作。氣流在預燃級兩級旋流器、文氏管和套筒的共同作用下，在其下游形成一個強大的預燃級主流區，燃油在該區域內進行富油充分燃燒，其富油燃燒產物在剪切層及主燃區下游與主燃級新鮮空氣進行快速摻混燃燒，以此來實現低工況下的高效燃燒，同時獲得較低的污染物排放。
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TAPS燃燒室旋流器的徑向分級結構決定了主燃級較冷的新鮮空氣射流會對預燃級火焰產生焠熄作用，如果在預燃級燃燒不完全的情況下，加入大量主燃級新鮮空氣，則焠熄作用會導致燃燒室CO排放的大幅增加，燃燒效率下降，而且對慢車狀態貧油熄火性能也不利。在主燃級和預燃級之間設置一定高度的臺階可將兩級射流隔開一段距離，這樣可以延緩主燃級射流與預燃級火焰的混合，為預燃級的充分燃燒提供時間。

文氏管結構將預燃級分為兩級旋流，燃油與預燃級內旋流混合燃燒，外旋流則包裹在內旋流混氣的外側，可以延緩內外兩級旋流的混合，以此來調節預燃級套筒內燃燒區的局部油氣當量比，避開污染物排放較大的當量比區間，從而實現低污染燃燒。

由于TAPS燃燒室的流場呈現出清晰的分區燃燒結構，因此，在進行TAPS燃燒室的空氣和燃油流量分配設計時，需要綜合考慮在不同工況下各燃燒區低污染和穩定燃燒對局部當量比的不同要求。在用CFM56-7B發動機所做的燃燒對比試驗中，分別采用了富油頭部單環腔燃燒室、貧油頭部雙環腔燃燒室和TAPS燃燒室。

結果顯示，采用TAPS燃燒室的NOX排放要比富油頭部單環腔燃燒室和貧油頭部雙環腔燃燒室分別降低46%和22%，其UHC排放與富油頭部單環腔燃燒室大致相當但遠低于貧油頭部雙環腔燃燒室，而CO排放要高于富油頭部單環腔燃燒室但比貧油頭部雙環腔燃燒室減少23%。

下一代TAPS燃燒室

第一代TAPS燃燒室的NOX排放經試驗驗證比目前常規燃燒室的降低了50%，而對燃燒室其他設計要求如燃燒效率、出口溫度分布、慢車貧油熄火、可操作性和耐久性等沒有產生不利影響，并已成功應用于CFM56-7B、GEnx-1B、GEnx2B和 GE90-94B發動機的單環腔和雙環腔燃燒室。

為了爭奪未來一代窄體客機發動機的市場份額，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，借助于計算流體力學（CFD）手段和大量的基礎試驗，不斷對第一代TAPS燃燒技術加以改進和完善，并應用于該公司的LEAP窄體客機發動機項目。其主要目標是保持或減少NOX排放，將TAPS技術小型化以滿足小尺寸發動機的需要，并力爭充分拓寬分級燃燒室的工作范圍。為了實現這一目標，在2011年已完成了一個關鍵的核心技術驗證試驗。

目前，GE公司已獲得美國聯邦航空委員會（FAA）的連續低能耗、低排放、低噪音（CLEEN）計劃項目的資助并正在與NASA合作，以TAPS燃燒室為基礎，期望在2025年將NOX排放降低至比CAEP/2排放標準低70%～80%的水平。 為了滿足未來中長期的排放標準，GE公司已著手開展下一代雙環預混旋流（TAPSⅡ和TAPSⅢ）低污染燃燒室的技術研發，新技術的核心特點是在主燃級的油氣摻混上采用更加先進的燃油噴射和油氣混合技術來強化摻混的均勻性，以達到更加均勻的油氣分布，從而在現有技術水平基礎上以實現更低的污染排放。

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