富油燃燒-猝熄-貧油燃燒(RQL)燃燒室技術分析

1、富油燃燒-猝熄-貧油燃燒（RQL）燃燒室技術分析摘要：富油燃燒-猝熄-貧油燃燒”（RQL）是一種較為先進的航空發(fā)動機燃燒技術。是現(xiàn)代航空發(fā)動機減少氮氧化物（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燃燒室設計理念上的可借鑒與啟迪之處?？晒┖娇瞻l(fā)動機業(yè)界相關人士參考。關鍵詞：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，以下簡稱 RQL）是一種較為先進的航空發(fā)動機燃燒技術，是現(xiàn)代航空發(fā)動機減少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃燒策略之一，應用 RQL 燃

2、燒技術的燃燒室被稱為 RQL 燃燒室。RQL 燃燒室中的關鍵區(qū)域是所謂的猝熄區(qū)，RQL 燃燒室的貧油熄火邊界寬，對氮氧化物排放的控制簡單有效，在一定程度上代表了現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室工程技術進展的成就與方向。美國普惠公司(P&W 公司)在 RQL 燃燒技術基礎上開發(fā)出了廣泛用于其商用航空發(fā)動機的先進低氮氧化物排放燃燒室（TALON 燃燒室），就是對 RQL 燃燒室的進一步發(fā)展與創(chuàng)新。本文就 RQL 燃燒室的原理做一概括性技術分析，希望能對中國航空發(fā)動機業(yè)界相關人士能有所啟迪。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 80 年代提出的，主要目的是要減少渦輪發(fā)動機的氮氧化物（NOx）排放。上世紀 90 年代末，美國航空航天局（NASA）將這一概念作為下一代航空發(fā)動機降低氮氧化物排放的主要研究對象，進而發(fā)展出了 RQL 燃燒室。今天，美國普惠公司將其用于商用航空發(fā)動機的 RQL燃燒室命名為 TALON 燃燒室（先進低氮氧化物排放燃燒室Technology for Advanced Low NOx combustor, 以下簡稱 TALON 燃燒室）。由于在發(fā)動機全工作狀態(tài)下的安全性和可靠性上的上佳表現(xiàn)，RQL 燃燒技術已成為現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒技術的首選之一。1.2 “RQL 燃燒室的工作原理RQL 燃燒是

4、一種特殊的分級燃燒技術，前面是富油燃燒級，中間為快速猝熄級，后面為貧油燃燒級。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，需要附加氧氣去對上述物質(zhì)做進一步燃燒。通過燃燒室壁的補燃空氣進氣孔，補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、氮氣和氧氣（CO2, H2O, N2, O2 ）為主，從而降低排放物中的污染物（即：NOx，CO, HC）。當空氣從補燃空氣進氣孔進入火焰筒時，使會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，這就是 RQL 燃燒技術，而應用 RQL 燃燒技術的燃燒室就被稱為 RQL 燃燒室。在RQL 燃燒室中，先將全部燃油和部分空氣進行富油燃燒，通過降低燃燒溫度來減少富油燃燒區(qū)的NOx，然后富油燃氣快速與二股氣流混合進行貧油燃燒。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)動機 RQL燃燒室剖圖在 RQL 燃燒室中，形成了兩個明顯的燃燒區(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)動機 RQL 燃燒室剖圖。RQL 燃燒技術是一種較為先進的航空發(fā)動機燃燒技術。在 RQL 燃燒室中的關鍵技術是使富油燃氣與空氣要進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)”是對英語“Quick-Quench Zone”的中文翻譯，在字面上并沒有將英語的含義完全翻譯出來。在猝熄區(qū)，除了有因補燃空氣進入燃燒室引起的燃氣

7、快速降溫而形成的所謂“淬火”效應，同時還有補燃空氣與從富油燃燒區(qū)出來的燃氣快速混合的效應。圖 4RQL 燃燒室猝熄區(qū)的實驗室模擬段圖 4 是 RQL 燃燒室猝熄區(qū)的實驗室模擬段。RQL 燃燒室猝熄區(qū)的關鍵是要保證降溫和補燃空氣與從富油燃燒區(qū)出來的燃氣快速而均勻的混合，以便貧油燃燒區(qū)的燃燒與火焰穩(wěn)定。降溫和補燃空氣與從富油燃氣的參混效果與空氣孔口的尺寸，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系；同時，還與通過孔口進入燃燒室的氣流的角度有關。2 RQL 燃燒室的先進性2.1 RQL 燃燒室貧油熄火邊界貧油熄火邊界是航空發(fā)動機安全可靠工作的最重要指標之一。由于低污染的

8、要求，現(xiàn)代民用航空發(fā)動機的設計傾向是向貧油預混方向發(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雜。RQL 燃燒室前部是富油燃燒，有相對高的尤其當量比，因此 RQL 燃燒室的貧油熄火邊界相對較寬。通過分區(qū)燃燒技術，RQL 燃燒室很好地解決了貧油熄火和低污染排放這一對相互矛盾的燃燒室關鍵技術問題。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

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，從而滿足國際民航組織的污染物排放要求。3 RQL 燃燒室的進一步發(fā)展3.1 RQL 燃燒室的進一步發(fā)展與 TALON 燃燒室RQL 燃燒技術是現(xiàn)代航空發(fā)動機減少氮氧化物（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，美國普惠公司在商用發(fā)動機上廣泛應用的先進低氮氧化物排放燃燒室（以下簡稱 TALON 燃燒室）就是在 RQL 燃燒室技術基礎上，利用浮壁式燃燒室技術，結

10、合氣動霧化噴嘴、單排二股氣流進氣孔等技術開發(fā)出來的。TALON 燃燒室是在 RQL 燃燒室基礎上的關鍵改進是優(yōu)化了氣動霧化噴嘴，使得燃料-空氣混合當量比更合理，燃料-空氣的混合更加充分，可在全動力范圍內(nèi)使燃料在很短的時間內(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，同時使污染物的排放更低，是對 RQL 燃燒室的進一步發(fā)展與創(chuàng)新。由于燃料-空氣混合當量比更合理，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燃空氣，所以各型 TALON 燃燒室均只有一排降溫和補充空氣進氣孔（見圖 5）。由于氣動霧化噴嘴可以使燃料在很短的時間內(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)動機。TALON II 燃燒室則被成功應用到了 PW4158、PW4168 和 PW6000 發(fā)動機上，并取得了較好的低排放特性。為贏回逐漸失去的民用發(fā)動機市場，普惠公司研發(fā)了先進大推力高涵道比齒輪傳動渦扇發(fā)動機，即清潔動力（PurePowerTM）PW1000G 發(fā)動機和 PW800 發(fā)動機，其所使用的燃燒室也都是 TALON 燃燒室，可以達到更低的排放標準。3.2 各型 TALON 燃燒室所能達到的排放標準用于 P

12、W4090 基型發(fā)動機的 RQL 燃燒室，其排放可滿足國際民航組織的 CAEP/2 標準。用于 PW4098 發(fā)動機的 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 標準要求但還不能完全滿足 CAEP/4 標準要求。用于 PW4158、PW4168 和 PW6000 發(fā)動機上的 TALON II 燃燒室，大大降低了氮氧化物（NOX）的排放，不但遠低于 CAEP/2 和 CAEP/4 排放標準要求，還能完全滿足 CAEP/6 的標準要求。第三代 TALON III 燃燒室和第四代 TALON IV 燃燒室進一步降低氮氧化物（NOX）的排放。第三代的 TAL

13、ON III 燃燒室可以完全滿足 CAEP/6 的標準要求，并有相當?shù)脑６?。?1 顯示了 RQL 燃燒室和各型 TALON 燃燒室所能達到的排放標準。4 可借鑒的啟迪與思考RQL 燃燒技術和 TALON 燃燒技術是目前較為先進的航空發(fā)動機組織燃燒技術，是一種特殊的分級燃燒室技術，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單有效，在一定程度上代表了現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室工程技術進展的成就與方向。特別是在 RQL燃燒室技術基礎上發(fā)展而來的 TALON 燃燒室，在傳承 RQL 燃燒室貧油熄火邊界寬的優(yōu)點同時使得氮氧化物的排放更低。各型 R

14、QL 燃燒室和 TALON 燃燒室的共同特點是均采用整體鑄造的擴壓器，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)展來看，發(fā)動機的設計理念是在研發(fā)中不斷沿襲、改進和創(chuàng)新而得以發(fā)展的，關鍵在于設計概念的創(chuàng)新上。在保證發(fā)動機應有性能的大前提下，熱點更低和更均勻的燃燒室出口溫度場會為下游部件帶來巨大的好處，可以大大改善所有下游部件的工作環(huán)境。燃燒室出口熱點溫度的降低可為下游部件的選材和設計帶來了更大的余度和選擇余地，使渦輪導向器葉片和渦輪葉片的冷卻方式相對簡化，不但簡化了發(fā)動機燃燒室下游零部件的結構和制造難度，還可延長發(fā)動機的整體壽命、降低運營成本和維護費

15、用，可謂一舉多得。5 結束語綜上分析可知，好的燃燒室設計理念不但可以保證燃燒室功能的實現(xiàn)和優(yōu)化，還可以使燃燒室的結構簡化，從而使得燃燒室的加工工藝難度降低，為發(fā)動機帶來高效率，低排放，壽命長和運營成本低的諸多益處。RQL 燃燒室和 TALON 燃燒室就是這樣在各方面都達到了優(yōu)化的先進燃燒室技術之一。RQL 燃燒室所涉及的知識、技術、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 燃燒室設計理念上的可借鑒與啟迪之處?？晒┖娇瞻l(fā)動機業(yè)界相關人士參考。參考文獻：1 李杰，先進低氮氧化物排放燃燒室技術分析，航空科學技術2010年第4期2 李杰，TAPS燃燒室燃油噴嘴結構

16、設計特點分析及思考，航空科學技術2010年第1期3 李杰，GEnx發(fā)動機TAPS燃燒室結構設計特點分析及啟迪，航空動力技術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