先进燃气轮机燃烧室的现状及发展趋势2023.docx

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1、先进燃气轮机燃烧室的现状及发展趋势2023目录摘要2前言21 .航空发动机燃烧室研制之关键22 .先进燃烧室与传统燃烧室在设计和研发上差异63 .燃气轮机燃烧污染物排放要求93.1. 民用航空燃气轮机燃烧排放标准93. 2.工业燃气轮机燃烧排放标准IO4.燃气轮机污染物排放IO4.1. 污染物的生成机理104. 1.1,氮氧化物114. 1.2.一氧化碳与未燃碳氢124. 2.降低燃烧室排放的措施124. 2.1.减少氮氧化物的排放125 .低污染燃烧室的气动设计135.1. 双环预混旋流燃烧室135.2. 贫油预混预蒸发燃烧室145.3. RQ1低污染燃烧室155.4. 驻涡燃烧室156 .

2、高温升燃烧室的研发156.1.宽广稳定的工作范围161.2. 火焰筒的耐久性161.3. 降低出口温度分布系数177 .燃烧室火焰筒冷却技术177. 1.多斜孔冷却方式178. 2.冲击/多斜孔发合冷却方式189. 3.层板冷却方式1810. 4.冲击/气膜冷却方式188 .结论19参考文献19摘要针对我国燃气轮机燃烧室污染物排放的现状，介绍了各国对民用航空和工业用燃气轮机的排放规定，分析了燃气轮机燃烧室主要污染物的生成机理、影响因素以及减少污染物排放的措施。对先进的低污染燃烧室中具有代表性和发展前景的四种类型燃烧室作了简要的介绍，它们分别为双环预混旋流(TAPS)燃烧室、贫油预混预蒸发(1P

3、P)燃烧室、富油燃烧炸熄贫油燃烧(RQ1)低污染燃烧室以及驻涡燃烧室(TVC)。并且介绍了高温升燃烧室的研究现状以及关键技术难题。最后，对燃烧室火焰筒多斜孔冷却、冲击/多斜孔复合冷却、层板冷却以及冲击/气膜冷却等四种方式的现状进行了讨论。关键词：燃烧室；低污染；高温升；冷却方式前言燃气轮机燃烧室是燃气轮机核心部件之一。目前燃烧室的发展趋势主要有两种：一是民用航空燃气轮机和工业用燃气轮机的燃烧室朝着低污染方向发展；二是为了大幅度提高军用航空燃气轮机的推重比，燃烧室朝着高温升方向发展。随着人们环保意识的增强，民用航空和工业用燃气轮机燃烧室朝低污染方向发展是必然的，但是另一方面，为了保证国家军力的发

4、展壮大，燃烧室朝着高温升方向发展也是一种趋势。所谓的高温升燃烧室是针对推重比超过12提出的。这种军用发动机涡轮进口温度比现有的军用发动机明显升高。以战斗机发动机为例1，第三代涡轮进口温度为16801750K,第四代涡轮进口温度达到18501980K,未来一代的涡轮进口温度将达到220OK。无论是朝低污染方向还是高温升方向发展，都对燃烧室的发展提出了新要求。1 .航空发动机燃烧室研制之关键航空发动机的推力是由于发动机进口和出口的动量差和压力差产生的。航空发动机原理看似简单，但背后却存在着十分复杂的研制过程，尤其是作为核心部件的燃烧室及燃烧技术研究。航空发动机的燃烧室位于压气机和涡轮之间，发动机工

5、作时，在燃烧室供入燃料，与高压空气混合，形成可燃混合气，进行充分的燃烧，以提高气流温度，并在涡轮和喷管中膨胀做功。本报专访了西北工业大学动力与能源学院教授索建秦，邀请他介绍燃烧室研制过程和燃烧技术发展趋势，以便让读者对航空发动机研制有充分的了解。燃烧室是航空发动机的核心之一，它要经历怎样的研制阶段？1）第一点，航空发动机燃烧室的研制包括设计和研发两个阶段，所有的航空发动机燃烧室都要经历设计、加工和试验阶段。试验后又修改设计，修改设计后再做试验。而且要这样反复多次，才能定型，甚至于在设计定型以后，还会有一些小的改动。2）第二点，燃烧室的设计研发以试验为主。现在计算流体力学（CFD）在风扇和压气机

6、的设计研发过程中可起到关键性作用。在西方航空发达国家，己有成熟的三维压缩系统设计方法。但是在燃烧室的设计研发中计算流体力学方法仍起不到关键作用，这主要是由于燃烧室中的燃烧过程涉及湍流、液滴破碎和蒸发、油气混合、化学反应、化学平衡、化学动力学、传热学等诸多学科。CFD在试验结果出来以后对理解判断结果有帮助，并且在开始设计研发之前也可以辅助做一些初步方案筛选。3）第三点，燃烧室设计研发有两大部分：1.1） 一是气动热力设计研发1.2） 另一个是机械设计研发。第一位进行的是气动热力设计，在燃烧室主要的燃烧问题解决以后，大体上在全环形燃烧室阶段开始机械设计。机械设计包括材料选择、应力分析、强度计算、寿

7、命预估、连接、振动分析、装配、间隙、公差和配合等。也要做必要的重量分析，加工工艺分析，维护修理方案等。很多情况下，人们往往只强调燃烧室的气动热力设计，而忽视了机械设计研发。实际上燃烧室的机械设计研发对燃烧室的寿命、维护和成本等非常重要。4）第四点，如何设计研发燃烧室?要从起点开始：4.1） 其一，发动机的用途，最主要是军用的还是民用的；4.2） 其二，发动机对燃烧室的要求，这是最根本的；4.3） 其三，发动机的循环参数，这是燃烧室设计研发的最重要的一个起点，燃烧室是按照循环来设计的，也是按照循环来试验和研发；4.4） 其四，是燃料。有了这四个起点，就开始搞初步设计研发，初步设计研发后，再进行详

8、细的设计研发。新一代的先进燃烧室初步设计研发以单管燃烧室的设计研发为主，而其详细设计研发则从全环形燃烧室设计研发开始，直到燃烧室装到发动机上，至定型并服役。5）第五点，初步设计主要是气动热力设计研发。初步设计研发中最最核心的问题是燃烧组织的设计研发，主要在单管燃烧室进行。燃烧组织问题到详细设计时不能再出现。详细设计阶段是全环形燃烧室设计研发，如果是型号研发，会牵涉到很多的机械设计研发的问题，还会涉及到很多工程上的问题。在初步设计研发中，在单管燃烧室里面出现的问题，必须在初步设计阶段解决，不能带到全环设计阶段。6）第六点，设计点设计和非设计点的设计研发。通常都是以燃烧室100%工况定义为设计点，

9、但也必须要考虑非设计点（或者过渡工况）。过渡工况的设计对于低污染燃烧室设计研发尤其重要，特别是采用贫油预蒸发预混合方案的燃烧室，其不可缺少的要有主油分级，这对过渡工况的设计研发变得极其重要。这从另一个方面说明燃烧室的设计研发离不开燃油系统的配合。7）第七点，从技术发展来看，燃烧室设计研发又分几个阶段，一个是技术研发阶段的燃烧室设计研发，二是型号研发阶段的燃烧室设计研发。现在我们常常讲基础研究、预先研究和型号研发等，但是很少说及技术研发。燃烧室研发要重视技术发展，等技术掌握了再上型号。全环形燃烧室乃至发动机型号服役后仍有一系列工程性问题需要解决。8）第八点，关于燃烧室设计的全过程如图所示。从整个

10、国家来说当然必须要有基础研究，就是航空发动机也要有基础研究，从航空发动机燃烧室研发体系来讲，发动机设计研究院所和发动机公司应该搞预研和技术研发，当然也应该搞型号研发，但绝不能去搞基础研究，但是从事燃烧室设计研发的技术人员需要掌握很好的基础知识，但是基础知识和搞基础研究是两码事。发动机燃烧室设计研发的重点在技术研发，而不可能也不应该放在基础研究上。现代高性能发动机对燃烧室提出了越来越高的要求，当前燃烧技术的发展趋势如何？军民用航空发动机的燃烧室技术有何不同？1）第一，军用航空燃烧室的发展方向是高油气比，这来自于军用发动机推重比不断提高和超声速巡航的要求。国外推重比12的军用发动机已经服役，以后还

11、会更高。提高推重比的一个主要技术手段就是提高涡轮进口温度。要提高涡轮进口温度，除了提高发动机压比，燃烧室进口温度有点提高外，主要的就是要提高燃烧室总的油气比。现在美国已经实现的燃烧室油气比为0.046,其2023年以后会达到0.05,而在2030年以后会超过0.06o2）第二，对于民用航空发动机燃烧室。其发展方向是低污染。对于民航发动机（不只是燃烧室）来说，降低油耗是最受欢迎的。燃烧室在遇到降低污染排放和降低油耗的矛盾时，航空公司宁可选择降低油耗。另外航空发动机的首要要求是工作可靠，即是无论是低污染还是也低油耗，都不能影响到可靠性。3）第三，民用航空发动机低污染燃烧室的发展方向。目前民航发动机

12、低污染燃烧室三种大的方案：3.1） 富燃快速淬熄贫燃方案（RQ1）。这个方案优点是容易解决高空点火和慢车贫油熄火问题，但在降低污染排放方面成效不大。3.2） 贫油预蒸发预混合（1PP）方案，这是近30多年来主要的研发的方向。但1PP有很多技术难题，比如自燃、回火和振荡燃烧。目前已经服役的GE的TAPS燃烧室（用于GENX发动机和1EAP发动机）即是1PP燃烧室。1PP中的主油需要分级，使得系统变得复杂，也影响到可靠性。这种方案目前的油气比范围为0.03到0.033。3.3） 油直混（1DM）方案。在国外这种方案叫贫油直喷（1DI）。其实贫油直喷几十年来燃烧室一直在用。除了蒸发管燃烧室以外，一律

13、都是贫油直喷。直喷的关键是直喷以后还要直接混合，这是其重点，所以我们称之为贫油直混燃烧（1DM）。由于没有了预蒸发预混合，就没有自燃和回火问题，而且振荡燃烧问题也不突出，也没有主油分级问题。但1DM在油气比0.03到0.033时，其NO%减少不及1PP好。1D1贫油直喷方案20年前由NASA刘易斯研究中心提出，至今未有技术上的突破。近年NASA格林研究中心又开始对1DI研究，但是仍然是采用以前的技术路线，目前的结果也不理想，距离实用还有较大距离。实际上NASA考虑的是今后更高油气比下势必要采用贫油直混燃烧技术。西北工业大学动力与能源学院的燃烧团队的直混燃烧技术与其不同，比较接近实用。4）第四，

14、军用航空发动机燃烧室和民用航空发动机燃烧室设计研发上的差异。军用航空发动机燃烧室的主要特点是整个燃烧室单位长度上燃烧强度很高（或者在整个长度上温度很高）。这导致了军用发动机燃烧室的两个问题：第一是冷却；第二是可见冒烟。而现在民用低污染燃烧室燃烧区是贫油燃烧，冷却问题不很突出。新一代军用和民用发动机燃烧室有其共同之处，两者的燃烧空气百分数大大增加，带来了慢车贫油熄火和高空点火问题。这两种燃烧室最大的共同点处是今后都可能采用直混燃烧方案，只是低污染燃烧室是贫油直混，而高油气比燃烧室是化学恰当比燃烧。两者的共同点还有很多：燃烧组织方式相同、没有主燃孔。两种燃烧室的燃烧区均由头部确定，即均有副模燃烧区

15、和主模燃烧区，这样才能解决慢车状态贫油熄火。两种燃烧室的空气动力学设计也一样，比如都是采用弱旋流；冷却设计也一样，都是采用发散小孔冷却，只是材料可以不同。更有趣的是两种燃烧室喷嘴空气膜的设计也可以相同。2.先进燃烧室与传统燃烧室在设计和研发上差异新一代先进航空发动机燃烧技术不断发展突破，先进航空发动机燃烧室与传统燃烧室相比，设计和研发差异主要体现在以下几个方面：新一代先进燃烧室以高油气比军用燃烧室和低污染燃烧室为代表。在先进燃烧室出现之前，出现过两代燃烧室，现在的先进燃烧室可以称作第三代1）第一代燃烧室大致上出现于20世纪40年代末到70年代之间，其压比大约为10,采用的是空气动力学扩压器（a

16、erodynamicdiffuser）、双油路离心压力雾化喷嘴或双油路喷嘴，其燃烧区为富油燃烧区，冷却为波纹板冷却带，火焰筒上有主燃孔，主燃孔进来的空气与头部进来的空气共同形成一个大的回流区，有掺混孔，主要形式是环管燃烧室。其典型的代表有国内的WP6发动机燃烧室和美国的J79发动机燃烧室。2）第二代燃烧室出现于20世纪70年代至20世纪末，其典型的压比约为20,采用短突扩扩压器和成膜式空气雾化喷嘴，主燃区设计为接近化学恰当比，冷却设计为机械加工的冷却环带。这个年代的燃烧室为短环型燃烧室，燃烧主要是扩散燃烧，典型代表有RB-211燃烧室和CFM-56燃烧室。3）当今先进燃烧室为第三代燃烧室，其发展始于21世纪开始，其压比大于303.1） 第三代