民机发动机燃烧室设计特点与关键技术.doc

我国已经立项自行研制大型民用飞机。著名航空发动机专家刘大响院士指出:“大飞机工程能否成功的关键之一是动力问题,必须要立足于国内,自主研制。目前中国航空工业还存在重型号轻基础等问题。动力是装备的心脏,最终飞机一定要有‘中国心’”。因此,我国自行研制的民用飞机或军事用途的大型飞机在未来必须采用我国自行研制的大推力、低污染、长寿命的航空发动机。
民用发动机必须具有良好的环保性,即发动机的排放必须满足国际民航组织(ICAO)发布的排放标准(主要是CO、UHC、NOx和冒烟等指标),同时满足民机在国外起降时相关国家的排放标准要求,达到适航要求并取得适航证才能进入世界民用发动机市场。而作为发动机的重要关键部件之一的燃烧室是污染物的唯一“制造者”,是民用发动机能否研制成功并获得进入市场资格的关键。
从20世纪70年代ICAO开始制定严格的排放标准以来,国际著名航空发动机公司为了满足排放要求,占领民机市场,开展了低污染燃烧室的研制工作,并取得了重要成果。低排放燃烧室研制必须采用许多新的设计、制造技术以及新材料、新工艺等。
低排放、长寿命燃烧室的研制是民用发动机成功研制的关键,因此应针对国外现役/在研大型军用和民用航空发动机燃烧室现状,分析其设计特点和研制技术,了解并掌握长寿命、低排放燃烧室设计的关键技术以及有关排放规范,为开展民用发动机燃烧室研制打下基础。
国外现役/在研民用发动机燃烧室主要设计特点
目前,国际上能够研制生产大型军用和民用航空发动机的公司主要是CFMI、GE、PW、R·R、IAE等少数几家公司,上述几家公司生产的发动机基本垄断了世界民用发动机市场,而俄罗斯产民用航空发动机在世界民机市场份额则相对较小。自从ICAO开始制定排放标准,并在修订的排放标准中对发动机排放提出越来越严格的要求以来,这些公司研制的先进的发动机无一不是将满足或优于排放标准作为燃烧室设计的重要要求。燃烧室研制技术也取得了重要进展,生产了大量满足污染排放标准要求的先进燃烧室,这些燃烧室大都采用了先进的改善组织燃烧和冷却结构的新技术。
表1给出了现代主要大型民用飞机使用的发动机燃烧室设计特点。这些燃烧室都是按照环境保护标准的要求研制,基本代表了目前低污染民用燃烧室的最高水平,下面重点从组织燃烧和燃烧室的冷却技术方面介绍这些燃烧室的设计特点。
1 组织燃烧
现代民用发动机燃烧室主要有传统的单环腔、双环腔和目前最新的双环预混旋流器燃烧室3种结构。先进的民用发动机不管是采用双环腔还是单环腔的分级燃烧技术都将降低NOx的排放作为燃烧室组织燃烧的重点考虑对象,设计中主要考虑头部油气的预先混合以降低燃烧温度、采用分区燃烧分别减少起动、慢车、起飞和巡航工况下的排放指标。
单环腔燃烧室
在GE90之前的传统的民用发动机燃烧室主要采用离心喷嘴加头部雾化装置的单环腔结构。其代表作是CFM56发动机燃烧室系列。其燃烧室为短环形结构,组织燃烧采用离心喷嘴加双级旋流器燃油雾化系统,确保了燃油良好的雾化和组织燃烧的稳定特性。
R·R公司的发动机大都采用单环腔燃烧室,头部采用气动雾化喷嘴和旋流器结构。RB211-524/535发动机燃烧室为第二阶段燃烧室,采用18个空气雾化燃油喷嘴的单环腔燃烧室结构。最新的B787以Trent 1000发动机为动力,其燃烧室是由Trent700发展而来的第五阶段燃烧室,通过改进几何结构的设计以控制NOx的生成,它采用24个空气雾化燃油喷嘴,主燃区比同样采用单环腔燃烧室的RB211-524/535燃烧室的主燃区容积增大24%,改善了再点火性能;总容积却减少了30%,控制了污染物的排放。
IAE的V2500发动机也采用单环腔设计。其排放指标满足CAEP/2和CAEP/4 排放限制排放标准。
PW和R·R公司在单环腔燃烧室基础上,发展了轴向分级的燃烧技术,该类型燃烧室也是单环腔燃烧室的一种。燃烧室的原理是不改变空气分配比,而是调节各区的燃料分配,从而使燃烧温度维持在一个相对恒定的水平上,并将慢车和起飞状态分开,以实现发动机低排放。当燃烧室开始工作时,首先将一部分燃料喷到燃烧室的第1燃烧区,其他的燃油先与空气混合,再喷入下游的第2燃烧区或主燃烧区,以使NOx排放量最低。第1燃烧区在发动机起动至慢车状态工作,第2燃烧区在大功率状态下工作。轴向分级燃烧室的优点是点火快速可靠、主区燃烧效率高、燃烧室出口径向温度剖面可发展到一个满意的水平,并且一旦发展到满意的水平就不再变化。
PW公司研制的贫油预混轴向分级的燃烧系统有3个不同的燃烧区,每个区的几何形状都在不同的发动机功率范围和燃料/空气比下优化。因此,该燃烧室不可能出现贫油燃烧。其控制系统的任务是根据发动机的工作状态向3个区精确地分配燃料,以取得准确的燃料/空气比,