富油燃燒-猝熄-貧油燃燒(RQL)燃燒室技術(shù)分析

1、富油燃燒-猝熄-貧油燃燒（RQL）燃燒室技術(shù)分析摘要：富油燃燒-猝熄-貧油燃燒”（RQL）是一種較為先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)。是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)減少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃燒策略之一。本文就RQL燃燒室原理做一概括性分析，并提出了RQL燃燒室設(shè)計(jì)理念上的可借鑒與啟迪之處?？晒┖娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)界相關(guān)人士參考。關(guān)鍵詞：富油燃燒-猝熄-貧油燃燒； RQL燃燒室；猝熄區(qū)引言富油燃燒-猝熄-貧油燃燒（Rich-Burn/Quick-Quench/Lean-Burn，以下簡(jiǎn)稱 RQL）是一種較為先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)，是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)減少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃燒策略之一，應(yīng)用 RQL 燃

2、燒技術(shù)的燃燒室被稱為 RQL 燃燒室。RQL 燃燒室中的關(guān)鍵區(qū)域是所謂的猝熄區(qū)，RQL 燃燒室的貧油熄火邊界寬，對(duì)氮氧化物排放的控制簡(jiǎn)單有效，在一定程度上代表了現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程技術(shù)進(jìn)展的成就與方向。美國(guó)普惠公司(P&W 公司)在 RQL 燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出了廣泛用于其商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)低氮氧化物排放燃燒室（TALON 燃燒室），就是對(duì) RQL 燃燒室的進(jìn)一步發(fā)展與創(chuàng)新。本文就 RQL 燃燒室的原理做一概括性技術(shù)分析，希望能對(duì)中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)界相關(guān)人士能有所啟迪。1 “富油燃燒-猝熄-貧油燃燒”燃燒室概念及工作原理1.1 “RQL 燃燒概念的提出“富油燃燒-猝熄-貧油燃燒”的概念是上

3、世紀(jì) 80 年代提出的，主要目的是要減少渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化物（NOx）排放。上世紀(jì) 90 年代末，美國(guó)航空航天局（NASA）將這一概念作為下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)降低氮氧化物排放的主要研究對(duì)象，進(jìn)而發(fā)展出了 RQL 燃燒室。今天，美國(guó)普惠公司將其用于商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的 RQL燃燒室命名為 TALON 燃燒室（先進(jìn)低氮氧化物排放燃燒室Technology for Advanced Low NOx combustor, 以下簡(jiǎn)稱 TALON 燃燒室）。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)全工作狀態(tài)下的安全性和可靠性上的上佳表現(xiàn)，RQL 燃燒技術(shù)已成為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的首選之一。1.2 “RQL 燃燒室的工作原理RQL 燃燒是

4、一種特殊的分級(jí)燃燒技術(shù)，前面是富油燃燒級(jí)，中間為快速猝熄級(jí)，后面為貧油燃燒級(jí)。由于富油燃燒區(qū)排出的物質(zhì)富集了大量部分氧化和部分烴化的物質(zhì)，氫（H）和一氧化碳（CO），不經(jīng)進(jìn)一步處理是不能直接從燃燒室排出的，因此，需要附加氧氣去對(duì)上述物質(zhì)做進(jìn)一步燃燒。通過燃燒室壁的補(bǔ)燃空氣進(jìn)氣孔，補(bǔ)充空氣與富油燃燒區(qū)排出的物質(zhì)混合，并在燃燒室的出口前部創(chuàng)造出貧油燃燒環(huán)境，使燃燒室排出的物質(zhì)主要成分以二氧化碳、水、氮?dú)夂脱鯕猓–O2, H2O, N2, O2 ）為主，從而降低排放物中的污染物（即：NOx，CO, HC）。當(dāng)空氣從補(bǔ)燃空氣進(jìn)氣孔進(jìn)入火焰筒時(shí)，使會(huì)使燃燒室的高溫富油燃燒區(qū)減小，并使燃焰的溫度急劇下降形

5、成所謂的猝熄（Quench）效應(yīng)，這就是 RQL 燃燒技術(shù)，而應(yīng)用 RQL 燃燒技術(shù)的燃燒室就被稱為 RQL 燃燒室。在RQL 燃燒室中，先將全部燃油和部分空氣進(jìn)行富油燃燒，通過降低燃燒溫度來(lái)減少富油燃燒區(qū)的NOx，然后富油燃?xì)饪焖倥c二股氣流混合進(jìn)行貧油燃燒。圖 1 是 RQL 燃燒室概念解剖示意圖。圖 1RQL 燃燒室概念解剖示意圖圖 2RQL 燃燒室燃焰示意圖圖 3PW4090 基型發(fā)動(dòng)機(jī) RQL燃燒室剖圖在 RQL 燃燒室中，形成了兩個(gè)明顯的燃燒區(qū)：富油燃燒區(qū)（Fuel Rich Combustion）及混合和降溫貧油燃燒區(qū)（Mixing & Quench Fuel Lean），圖 2

6、顯示了 RQL 燃燒室的燃焰示意圖，圖 3 是 PW4090 基型發(fā)動(dòng)機(jī) RQL 燃燒室剖圖。RQL 燃燒技術(shù)是一種較為先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)。在 RQL 燃燒室中的關(guān)鍵技術(shù)是使富油燃?xì)馀c空氣要進(jìn)行快速充分均勻的混合。為了抵抗燃燒室火焰的高溫 RQL 燃燒室火焰筒壁面均采用了浮壁式。1.3 RQL 燃燒室的猝熄區(qū)在 RQL 燃燒室中的關(guān)鍵區(qū)域是所謂的猝熄區(qū)（Quick-Quench Zone），或稱為快混區(qū)（Quick-Mix Zone）?！扳▍^(qū)”是對(duì)英語(yǔ)“Quick-Quench Zone”的中文翻譯，在字面上并沒有將英語(yǔ)的含義完全翻譯出來(lái)。在猝熄區(qū)，除了有因補(bǔ)燃空氣進(jìn)入燃燒室引起的燃?xì)?/p>

7、快速降溫而形成的所謂“淬火”效應(yīng)，同時(shí)還有補(bǔ)燃空氣與從富油燃燒區(qū)出來(lái)的燃?xì)饪焖倩旌系男?yīng)。圖 4RQL 燃燒室猝熄區(qū)的實(shí)驗(yàn)室模擬段圖 4 是 RQL 燃燒室猝熄區(qū)的實(shí)驗(yàn)室模擬段。RQL 燃燒室猝熄區(qū)的關(guān)鍵是要保證降溫和補(bǔ)燃空氣與從富油燃燒區(qū)出來(lái)的燃?xì)饪焖俣鶆虻幕旌?，以便貧油燃燒區(qū)的燃燒與火焰穩(wěn)定。降溫和補(bǔ)燃空氣與從富油燃?xì)獾膮⒒煨Чc空氣孔口的尺寸，孔口的形狀，孔口的數(shù)量，孔口的間隔，以及孔口的排列方式的因素有直接的關(guān)系；同時(shí)，還與通過孔口進(jìn)入燃燒室的氣流的角度有關(guān)。2 RQL 燃燒室的先進(jìn)性2.1 RQL 燃燒室貧油熄火邊界貧油熄火邊界是航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠工作的最重要指標(biāo)之一。由于低污染的

8、要求，現(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)傾向是向貧油預(yù)混方向發(fā)展，燃燒前的油氣混合越均勻，油氣比低（貧油），則污染物越少，但貧油熄火性能也越差，要求燃燒室的頭部燃燒組織越復(fù)雜。RQL 燃燒室前部是富油燃燒，有相對(duì)高的尤其當(dāng)量比，因此 RQL 燃燒室的貧油熄火邊界相對(duì)較寬。通過分區(qū)燃燒技術(shù)，RQL 燃燒室很好地解決了貧油熄火和低污染排放這一對(duì)相互矛盾的燃燒室關(guān)鍵技術(shù)問題。2.2 RQL 燃燒室氮氧化物排放的控制在富油燃燒區(qū)，控制油氣比（通?？刂圃?1.21.6 的當(dāng)量比內(nèi)），降低火焰溫度和氧氣量，從而降低NOx 和 CO 生成量。在猝熄區(qū)，通過引入大量空氣，完成由富油向貧油的瞬間過渡，并防止出現(xiàn)接近理想當(dāng)

9、量比的 NOx 生成量大的區(qū)域。在貧油燃燒區(qū)，選擇滿足所有排放物要求的當(dāng)量比（典型值為 0.50.7），以控制燃燒溫度，使 NOx、CO 和 HC 排放值都低。合理控制油氣比和控制燃燒溫度，可有效控制污染物的排放，從而滿足國(guó)際民航組織的污染物排放要求。3 RQL 燃燒室的進(jìn)一步發(fā)展3.1 RQL 燃燒室的進(jìn)一步發(fā)展與 TALON 燃燒室RQL 燃燒技術(shù)是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)減少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃燒策略之一，其發(fā)展經(jīng)歷了 30多年。目前，美國(guó)普惠公司在商用發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用的先進(jìn)低氮氧化物排放燃燒室（以下簡(jiǎn)稱 TALON 燃燒室）就是在 RQL 燃燒室技術(shù)基礎(chǔ)上，利用浮壁式燃燒室技術(shù)，結(jié)

10、合氣動(dòng)霧化噴嘴、單排二股氣流進(jìn)氣孔等技術(shù)開發(fā)出來(lái)的。TALON 燃燒室是在 RQL 燃燒室基礎(chǔ)上的關(guān)鍵改進(jìn)是優(yōu)化了氣動(dòng)霧化噴嘴，使得燃料-空氣混合當(dāng)量比更合理，燃料-空氣的混合更加充分，可在全動(dòng)力范圍內(nèi)使燃料在很短的時(shí)間內(nèi)充分霧化并在主燃燒區(qū)內(nèi)快速燃燒。不但很好地傳承了 RQL 燃燒室貧油熄火邊界寬的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)使污染物的排放更低，是對(duì) RQL 燃燒室的進(jìn)一步發(fā)展與創(chuàng)新。由于燃料-空氣混合當(dāng)量比更合理，燃料-空氣的混合更加充分，所以 TALON 燃燒室不再需要更多的補(bǔ)燃空氣，所以各型 TALON 燃燒室均只有一排降溫和補(bǔ)充空氣進(jìn)氣孔（見圖 5）。由于氣動(dòng)霧化噴嘴可以使燃料在很短的時(shí)間內(nèi)充分霧化并

11、完全燃燒，使得 TALON 燃燒室的燃焰分區(qū)與RQL 燃燒室相比已不十分明顯(見圖 6)。作為典型 RQL 燃燒室的 TALON I 燃燒室于 1999 年用于 PW4098 發(fā)動(dòng)機(jī)。TALON II 燃燒室則被成功應(yīng)用到了 PW4158、PW4168 和 PW6000 發(fā)動(dòng)機(jī)上，并取得了較好的低排放特性。為贏回逐漸失去的民用發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)，普惠公司研發(fā)了先進(jìn)大推力高涵道比齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，即清潔動(dòng)力（PurePowerTM）PW1000G 發(fā)動(dòng)機(jī)和 PW800 發(fā)動(dòng)機(jī)，其所使用的燃燒室也都是 TALON 燃燒室，可以達(dá)到更低的排放標(biāo)準(zhǔn)。3.2 各型 TALON 燃燒室所能達(dá)到的排放標(biāo)準(zhǔn)用于 P

12、W4090 基型發(fā)動(dòng)機(jī)的 RQL 燃燒室，其排放可滿足國(guó)際民航組織的 CAEP/2 標(biāo)準(zhǔn)。用于 PW4098 發(fā)動(dòng)機(jī)的 TALON I 燃燒室，降低了氮氧化物（NOX）的排放，其排放水平低于 CAEP/2 標(biāo)準(zhǔn)要求但還不能完全滿足 CAEP/4 標(biāo)準(zhǔn)要求。用于 PW4158、PW4168 和 PW6000 發(fā)動(dòng)機(jī)上的 TALON II 燃燒室，大大降低了氮氧化物（NOX）的排放，不但遠(yuǎn)低于 CAEP/2 和 CAEP/4 排放標(biāo)準(zhǔn)要求，還能完全滿足 CAEP/6 的標(biāo)準(zhǔn)要求。第三代 TALON III 燃燒室和第四代 TALON IV 燃燒室進(jìn)一步降低氮氧化物（NOX）的排放。第三代的 TAL

13、ON III 燃燒室可以完全滿足 CAEP/6 的標(biāo)準(zhǔn)要求，并有相當(dāng)?shù)脑６?。?1 顯示了 RQL 燃燒室和各型 TALON 燃燒室所能達(dá)到的排放標(biāo)準(zhǔn)。4 可借鑒的啟迪與思考RQL 燃燒技術(shù)和 TALON 燃燒技術(shù)是目前較為先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)組織燃燒技術(shù)，是一種特殊的分級(jí)燃燒室技術(shù)，是減少氮氧化物（NOx）排放的最基本的策略之一。RQL 燃燒室的貧油熄火邊界寬，控制氮氧化物排放的方法簡(jiǎn)單有效，在一定程度上代表了現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程技術(shù)進(jìn)展的成就與方向。特別是在 RQL燃燒室技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的 TALON 燃燒室，在傳承 RQL 燃燒室貧油熄火邊界寬的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)使得氮氧化物的排放更低。各型 R

14、QL 燃燒室和 TALON 燃燒室的共同特點(diǎn)是均采用整體鑄造的擴(kuò)壓器，均為浮壁式燃燒室，仍屬典型的單環(huán)燃燒室范疇。從 RQL 燃燒室和 TALON 燃燒室的發(fā)展來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理念是在研發(fā)中不斷沿襲、改進(jìn)和創(chuàng)新而得以發(fā)展的，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)概念的創(chuàng)新上。在保證發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有性能的大前提下，熱點(diǎn)更低和更均勻的燃燒室出口溫度場(chǎng)會(huì)為下游部件帶來(lái)巨大的好處，可以大大改善所有下游部件的工作環(huán)境。燃燒室出口熱點(diǎn)溫度的降低可為下游部件的選材和設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的余度和選擇余地，使渦輪導(dǎo)向器葉片和渦輪葉片的冷卻方式相對(duì)簡(jiǎn)化，不但簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室下游零部件的結(jié)構(gòu)和制造難度，還可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體壽命、降低運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)費(fèi)

15、用，可謂一舉多得。5 結(jié)束語(yǔ)綜上分析可知，好的燃燒室設(shè)計(jì)理念不但可以保證燃燒室功能的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，還可以使燃燒室的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，從而使得燃燒室的加工工藝難度降低，為發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)高效率，低排放，壽命長(zhǎng)和運(yùn)營(yíng)成本低的諸多益處。RQL 燃燒室和 TALON 燃燒室就是這樣在各方面都達(dá)到了優(yōu)化的先進(jìn)燃燒室技術(shù)之一。RQL 燃燒室所涉及的知識(shí)、技術(shù)、工藝和內(nèi)容極其廣泛。本文就 RQL 燃燒室原理做一概括性分析，并提出了 RQL 燃燒室設(shè)計(jì)理念上的可借鑒與啟迪之處?？晒┖娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)界相關(guān)人士參考。參考文獻(xiàn)：1 李杰，先進(jìn)低氮氧化物排放燃燒室技術(shù)分析，航空科學(xué)技術(shù)2010年第4期2 李杰，TAPS燃燒室燃油噴嘴結(jié)構(gòu)

16、設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析及思考，航空科學(xué)技術(shù)2010年第1期3 李杰，GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)TAPS燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析及啟迪，航空動(dòng)力技術(shù)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. Dag

17、gett, 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 Qu