【《航空发动机低排放燃烧技术国内外研究现状国内外文献综述》10000字】

-PAGE53-航空发动机低排放燃烧技术国内外研究现状国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u29926航空发动机低排放燃烧技术国内外研究现状国内外文献综述 1224571.1国外研究现状 2232771.2国内研究现状 1224371参考文献 17低排放燃烧技术最早起源于上世纪60年代，主要是降低航空发动机排气冒烟，典型的代表就是美国的J79-17A发动机燃烧室。经过通用电气（GE）公司对燃烧室改进设计（将双油路离心喷嘴改为空气雾化喷嘴，并加大头部进气量改善组织燃烧），成为J79-17C发动机燃烧室，冒烟显著降低[26]，取得了显著成效。上世纪70年代～80年代，美国航空航天局（NASA）相继开展了“清洁燃烧试验计划”（ExperimentalCleanCombustorProgram，ECCP）和“降低污染排放技术计划”（PollutionReductionTechnologyProgram，PRTP），主要对燃气轮机的污染物生成机理进行了深入的研究，并形成三点认识：低工况下CO和UHC的排放与高工况下NOx排放之间的矛盾，提出分级分区燃烧思想；控制燃烧室燃烧区火焰温度对降低污染物生成具有重要作用；降低氮氧化物（NOx）的重要性，并指出富油燃烧和贫油燃烧是降低NOx排放的有效途径。后续专门针对降低污染排放，先后提出了高效节能发动机计划（EnergyEfficientEngine，E3）计划，宽燃油特性燃烧技术计划（Broad-SpecificationFuelsCombustorTechnologyPrograme，BFCT）等，经过深入研究，提出了三种具有工程应用价值和应用前景的航空发动机低排放燃烧技术，即贫油预混预蒸发燃烧技术（LeanPremixedPrevaporizedCombustion，简称LPP）和贫油直接混合燃烧技术（LeanDirectMixingCombustion，简称LDM），这是两种贫油燃烧技术；针对富油燃烧技术发展了富油燃烧-焠熄-贫油燃烧技术（Richburn-Quench-Leanburn，简称RQL）。在燃烧气态燃料的工业燃气轮机上首先采用了贫油预混燃烧技术，如GE公司研发的LM6000工业燃气轮机低排放燃烧室；在此基础上GE公司开展航空发动机低排放燃烧技术研究，发展了一种采用LPP燃烧技术的双环预混旋流（TwinAnnularPremixingSwirler，简称TAPS）燃烧室[27]，该燃烧室已成功应用于GEnx系列发动机和Leap-X系列发动机均采用了成功应用了TAPS燃烧室，并达到了NOx排放最多比CAEP/6降低60%以上的水平。RR公司研制了基于LPP燃烧技术的LeanBurn燃烧室[28]，展示了降低NOx的巨大潜力。PW公司采用PQL燃烧技术的TALON燃烧室[29]，也取得了不错的成绩，先后研制了一系列TALON燃烧室，直至最新的TALONⅩ燃烧室；而配装TALONⅩ燃烧室的PW1100系列发动机，其NOx排放比CAEP/6降低50%左右，具有一定的发展潜力。综合来看，国内外大多数研究机构和公司主要开展贫油燃烧技术的研究，且贫油燃烧技术更具发展潜力。因此，本文将重点阐述基于LPP燃烧技术开发的低排放组织燃烧方案的研究进展。LPP燃烧技术的工作原理就是燃油通过喷嘴射出后，与大量的来流空气首先在预混室（腔）内充分雾化、混合，形成均匀的贫预混气后再进入火焰筒燃烧区进行燃烧，此时是在较低的当量比下燃烧，燃烧区温度控制在合适的范围内低，既保证燃烧效率不低，又保证温度不致过高而产生大量的NOx。LPP燃烧室在高温高压下有自燃/回火的缺点[30]，不过目前均有有效手段来解决这两个问题。在航空发动机燃烧室上直接采用LPP燃烧技术是不行的，因为在低当量比组织燃烧时很容易引起燃烧不稳定，且在发动机做出一定的机动动作时很容易引起发动机熄火。为此，国际上各研究机构采用LPP燃烧技术时均与分级燃烧技术相结合，提出了轴向、径向和轴径向等形式的分级以及中心分级的LPP燃烧技术，一般由值班级和主燃级实现分级分区燃烧，值班级为具有稳焰作用的扩散燃烧模式；主燃级为降低排放的LPP燃烧模式。在E3计划中[31]，GE公司和PW公司分别采用径向分级和轴向分级的燃烧室构型实现低排放的目的；而现在先进的高循环参数的航空发动机低排放燃烧室一般采用单环腔构型，头部是中心分级的形式。中心分级LPP燃烧室头部由中心的值班级和同轴外围的主燃级组成。值班级在小工况（如慢车状态）时工作，以保证地面/空中起动和小工况下燃烧性能等；主燃级在大工况（如爬升、起飞等状态）时，与值班级一起工作，但主燃级燃油占比基本在80%以上，使得主燃级当量比在0.5~0.7范围内，进而控制主燃级燃气温度在1670K~1900K范围内，可以综合降低NOx和CO的排放。近几十年来，国外对中心分级LPP组织燃烧技术开展了一些研究，主要集中在模型级、部件级等不同试验件的污染排放性能试验研究，低排放燃烧室内部流场、油雾场的试验测量以及低排放燃烧室数值仿真分析方面；国内对中心分级LPP燃烧技术的研究开展的较晚，针对低排放燃烧室数值模拟工作开展的较多，而污染排放性能的试验研究较少。1.1国外研究现状1.1.1GE公司TAPS燃烧技术研究GE公司最早开展低排放燃烧技术研究，近50年来在不同型号上成功应用了不同的低排放燃烧技术[32]。在E3计划中对径向分级双环腔燃烧技术进行了研究，并取得了不错成果，最后也应用于GE90系列发动机上；。上世纪90年代，GE公司基于分级分区燃烧思想提出了一种新的低排放燃烧室——TAPS燃烧室[27]，如图1.12所示。经过近20年的发展，对TAPS燃烧室进行系列化发展，图1.12GE公司TAPS燃烧室[32]图1.13所示，TAPS燃烧室是基于贫油预混预蒸发（LPP）燃烧技术和分级燃烧技术的技术方案，采用一个中心扩散火焰稳焰的值班级和同心贫油预混燃烧的主燃级构成。值班级为旋流杯结构，采用离心喷嘴；主燃级涡流器为单级径向或多级（斜）径向结构，喷嘴为直射式结构。中心值班级为扩散燃烧模式，起稳焰作用；主燃级为LPP燃烧模式，燃油通过直喷孔射入预混腔中，与旋流空气进行预混后再燃烧。图中显示了TAPS燃烧原理，值班级产生扩散火焰与主燃级产生的火焰部分重叠，有联焰的作用，但又不能干涉过多，以免形成高温热点产生过多NOx。图1.14为TAPS燃烧室头部一体化喷嘴以及头部燃烧照片；图1.15为GE公司开发的TAPS燃烧室研发历程。图1.13GE公司TAPS燃烧方案原理图[34]值班级涡流器值班级喷嘴文氏管值班级涡流器值班级喷嘴文氏管图1.14GE公司TAPS燃烧室一体化头部喷嘴[32]（左和中）与TAPS燃烧室火焰[33]（右）图1.15GE公司TAPS燃烧室路线图[34]GE公司的TAPS燃烧室发展了三代——TAPSI、TAPSII和TAPSIII，TAPSI燃烧室NOx排放目标是比CAEP/2降低50%，TAPSII燃烧室的NOx排放目标是在TAPSⅠ燃烧室的基础上再降50%，TAPSIII燃烧室比TAPSII再降50%[35]。GE公司针对TAPSI、TAPSII和TAPSIII申请了大量的专利[36]-[50]，TAPSI主要针对主燃级喷嘴的布局等方面；TAPSII主要针对主燃级涡流器构型、布局及喷嘴结构等方面；TAPSIII主要对值班级喷嘴等方面进行改进[51]。在TAPS燃烧技术研究过程中，GE公司与各大学广泛合作，研究了TAPS燃烧室的流场、火焰结构等[52]，图1.16为试验件；以及加压加温条件下TAPS燃烧室的冷热态流场和火焰特征[53]。冷态和值班级单独供油燃烧下的燃烧区平均轴向速度云图如图1.17；研究结果表明，TAPS燃烧室冷热态流场中均存在中心回流区、唇口回流区和角涡回流区。图1.16TAPS燃烧方案光学试验件图1.17TAPS燃烧方案流场PIV测试结果[53]DhanukaSK等人对TAPS燃烧室值班级和主燃级共同工作产生的火焰特征[54]进行了进一步研究。图1.18和图1.19所示为燃烧区PIV和PLIF测试结果，显示不同涡区的存在即值班级火焰和主燃级火焰的分布；通过研究发现仅值班级工作和值班级/主燃级共同工作队流场影响不大；燃烧室进口压力对值班级/主燃级的火焰大小影响不大；在主燃级出口内侧由于强剪切层的存在使得主燃级火焰成为脱体火焰；其稳定性与值班级的扩散火焰相关，也与燃油配比相关。图1.18TAPS燃烧室燃烧流场[54]图1.19TAPS燃烧室火焰分布[54]此外，SulabhK等人对TAPS燃烧室主燃级预混段的回火机理和值班级稳焰机理进行了试验研究[55][56]，采用PIV技术和PLIF技术分别对流场和温度场进行了测试。研究发现，值班级和主燃级之间的唇口回流区（LPZ）对稳定主燃级火焰具有重要的作用，可通过此处的回流区把值班级高温燃气向主燃级进行传播；而且存在临界的燃油分级比例使得燃烧由稳定向不稳定转变，而总速度梯度的大小决定了临界的燃油分级比例；同时发现，周期性回火脉动可引起低频不稳定燃烧。1.1.2RRD公司Lean-burn燃烧技术研究德国罗罗（Rolls-RoyceDeutschland，RRD）公司在环保、高效、经济（EnvironmentEfficiencyEconomy，3E）发动机技术计划的支持下，开展了Engine3E（Efficiency,EnvironmentandEconomic）[57]核心机项目（简称E3E项目）研究，在该项目中低排放燃烧室也是基于LPP燃烧技术，研制的低排放燃烧室称为Lean-Burn燃烧室，如图1.20所示。RRD公司以航空发动机BR715为基准，先后采用轴径向分级燃烧技术和中心分级燃烧技术，在三个阶段产生了三种低排放燃烧室，第三阶段才发展成与TAPS燃烧室异曲同工之处的Lean-burn燃烧室，如图1.21所示。图1.22为Lean-burn燃烧室的中心分级头部方案，；值班级在中心，采用空气雾化喷嘴，且为扩散燃烧模式；环绕值班级的为主燃级，采用预膜式空气雾化喷嘴，燃油直接喷射进入燃烧区，。图1.23所示是两个燃烧区燃烧时的照片，值班级工作时，火焰呈现一定的黄色，具有明显的扩散燃烧模式的特征；主燃级工作时，火焰呈现一定的蓝色/白色，具有明显的预混燃烧模式的特征。Lean-Burn燃烧室的火焰筒采用浮动壁冷却形式，但增加了用于燃烧的空气量以降低NOx排放。高空台的试验验证表明Lean-burn燃烧室具有非常大的发展潜力[58]，其技术成熟度达到6级。在E3E计划初期，NOx、CO和UHC的排放要求比CAEP/2标准分别低35%，60%和40%；而远期目标是NOx排放是CAEP/4的40%。图1.20Lean-burn燃烧室实物图[57]图1.21RRD公司低排放燃烧技术发展历程[28]图1.22Lean-burn燃烧室原理图[59][60]图1.23Lean-burn燃烧室值班级火焰（左）和值班级/主燃级火焰（右）[57]RRD公司与相关高校和研究中心合作开展了Lean-burn燃烧室的研究工作，对不同燃烧室头部方案[61]（如图1.24）进行了污染排放性能试验，主要研究了旋流强度、气量分配、喷嘴雾化方式、套筒几何结构、燃油分级比例等特征参数点熄火、对燃烧性能和污染排放性能的影响。试验发现，点火性能与值班级和主燃级的旋流强度正相关，而贫油熄火性能则相反；当值班级空气流量比例较少，且头部涡流器旋流强度越大则实现较低的NOx的排放；通过全环燃烧室试验验证，NOx排放比CAEP/2标准降低70%[28][61]。不同旋流强度下PIV流场测试试验研究表明，不同旋流强度对点火、贫油熄火的影响不同[55]；德国宇航中心对Lean-burn燃烧方案进行了数值模拟和LIF测试研究[62]结果表明，仅值班级工作时产生的火焰根部位于值班级涡流器出口处，此时燃油蒸发率较低，易造成局部高温；而主燃级火焰悬浮于主燃级涡流器出口，并与出口有一定的距离，这时燃油可以迅速蒸发并与空气进行充分混合，主燃级火焰比较均匀；另外，主燃级喷嘴数量越多，燃油与空气混合就会越均匀，从而使得温度场分布更均匀，且热点温度越低。图1.24Lean-burn燃烧室不同头部方案1.1.3日本贫油燃烧技术研究2003年4月，日本启动了为期7年的小型发动机环境兼容（Eco-engine）计划[63]该计划的NOx排放目标是比CAEP/4降低50%以上；同年10月，JAXA启动了环境兼容清洁发动机技术发展（TechCLEAN）计划，该计划则进一步要求NOx排放比CAEP/4低80%[64]。在Eco-engine计划中，川崎重工（KHI）提出了一种LPP燃烧室，该低排放燃烧室头部由中心的值班级和围绕在他周围的主燃级构成；中心值班级与TAPS燃烧室头部的相似，采用双级轴向涡流器的旋流杯，主燃级采用两级轴向涡流器配合离散多点直射式喷嘴，如图1.25所示。该方案在扇形燃烧室试验件上NOx比CAEP/4标准降低55%[65]。为了使NOx排放达到40%CAEP/4以下的水平，KHI针对主燃级进行了修改，共形成3个方案：主燃级8孔喷嘴的基准方案、主燃级16孔喷嘴的改进方案以及16孔喷嘴配轴径向涡流器的新方案（如图1.26所示）。通过单头部燃烧室试验验证，表明主燃级采用16个喷孔，涡流器采用轴径向的结构，可实现很低的NOx排放。最终在扇形燃烧室试验件上采用主燃级16孔的新方案，NOx排放达到30%CAEP/4。图1.25KHI发展的LPP燃烧室头部方案[65]图1.26主燃级8孔方案（左）、16孔方案（中）和16孔优化方案（右）[65]TechCLEAN计划的NOx排放目标是比CAEP/4标准降低80%，于是分别进行富油燃烧技术[66][70]和贫油分级燃烧技术的研究。研究表明采用富油燃烧技术实现NOx排放比CAEP/4降低80%的目标具有很大的挑战，因此，JAXA和KHI都采用贫油技术，即LPP燃烧技术。JAXA开发了一种贫油分级燃油喷嘴（LSF）[71]方案，如图1.27所示；该方案值班级采用两级轴向涡流器，喷嘴在两级涡流器之间，且为预膜式喷嘴，从而值班级形成扩散燃烧模式；值班级第二级涡流器出口有一个突扩台阶以降低值班级喷嘴燃油附着在套筒壁面；主燃级由两级轴向涡流器和简单直射式喷嘴及预混腔构成为预混燃烧模式；并且两级轴向涡流器之间有一段预膜环，燃油横向射流打到预膜环上形成一层油膜，之后与两级涡流器的来流空气进行混合。JAXA在单头部矩形试验件上（图1.28）进行了5个头部模型的试验研究[71]，试验结果表明，燃烧室总压损失大约4%；主燃级涡流器旋流强度影响值班级燃烧效率，尤其小工况特别明显；主燃级两级涡流器旋向相反可以降低NOx排放。对优选的头部方案进行了3头部扇形（图1.28）试验研究，试验结果表明NOx排放比CAEP/4降低70%，同时开展了主燃级燃油分级的研究[71][72]。为了解决LSF方案进场状态冒烟和爬升状态的CO排放偏高问题，JAXA提出了一种控制排放的燃油喷嘴（ECF），该喷嘴是预膜式结构，与LSF燃烧方案的值班级喷嘴相似；ECF有三级轴向涡流器，旋流强度都很弱，不影响预混区，预膜喷嘴的旋流槽更靠近上游，这样燃油更均匀，如图1.30所示[73]。图1.27JAXA发展的LSF燃烧方案图1.28JAXA发展的LSF单头部矩形燃烧室图1.29JAXA发展的LSF三头部燃烧室试验件[72]图1.30JAXA发展的ECF喷嘴模型[73]KHI和JAXA组建联合团队，共同提出了一种贫油低排放燃烧室方案，如图1.31所示；该燃烧室头部进气70%。值班级为三级轴向涡流器，涡流器叶片安装角45°，值班级喷嘴继承了LSF燃烧方案，为预膜式结构；主燃级由轴/径向涡流器和简单直射式喷嘴及预混段组成；其中，两级涡流器叶片安装角40°。主燃级燃油以两种方式从图中所示的AX和RS位置分别喷入主燃级通道，主燃级20个喷孔沿周向均布，直径0.6mm[74][75]。图1.31KHI和JAXA共同提出的贫油燃烧室头部[74][75]联合研究团队深入研究了值班级第二级和第三级涡流器之间的舌片长度和值班级第一级涡流器的叶片安装角（如图1.32）对值班级燃油分布和点火熄火性能的影响。试验结果表明，增加值班级2/3级涡流器之间的舌片的长度有利于提高点熄火边界，但不利于火焰稳定；值班级第一级涡流器弱旋流强度亦有利于提高点熄火性能，且燃烧火焰也是稳定的；而当值班级第一级涡流器的叶片安装角为0°时，其点熄火性能更好[74]。同时也对比了单头部圆形、单头部矩形和三头部矩形的流场差异，发现单头部矩形和三头部更接近；单头部圆形的点熄火性能最好，三头部的最差。图1.32值班级参数变化KHI和JAXA针对该方案研究了主燃油喷射和雾化性能，试验结果表明，主燃级采用AX形式的燃油喷射方式，燃油穿透空气流道容易打到主燃级内侧，使得预混气在主燃级出口处偏向内侧更富；采用RS形式的燃油喷射方式，燃油受轴向和径向涡流器两股气流“夹击”，在大工况下，燃油在主燃级预混腔中间聚集，，油气混合均匀性增强。通过单头部燃烧室试验验证，喷嘴在AX位置时，EINOx约为15g/kg，而在RS位置喷射燃油时，EINOx约为8g/kg，因此主燃级直射式喷嘴位于RS位置处时，可以实现更低的NOx排放[75]。1.1.4其他贫油燃烧技术研究除以上著名公司开展的贫油燃烧技术研究外，也有其他国家航空发动机研究机构或公司开展了低排放燃烧技术研究，比如意大利AVIO公司的PERM（PartialEvaporationandRapidMixing）燃烧技术方案和英国航空与工业技术公司（Aero&IndustrialtechnologyLtd）的VFPI（VariableFuelPlacementInjector）燃烧技术方案。PERM燃烧技术方案是欧洲新一代航空发动机核心概念计划（NEWAC）[60]中降低NOx排放采取的技术手段。PERM燃烧技术方案由中间一级轴向涡流器和离心喷嘴构成的值班级和双径向涡流器配预膜式喷嘴组成的主燃级构成，这是第一代PERM燃烧室[]；第二代PERM燃烧技术方案[76]（图1.33）的主燃级喷嘴采用旋流喷嘴。虽然值班级和主燃级进行了燃油分级，但是并未实现真正意义上的燃烧分区，因此，严格意义上讲，PERM燃烧技术方案不是中心分级LPP燃烧技术方案。因为，值班级和主燃级“共用”一个预混通道，与常规的双油路离心喷嘴的原理相似。图1.33AVIO公司PERM燃烧方案PERM燃烧技术方案通过单头部燃烧室试验验证，表明值班级燃油在5%~20%范围内，NOx排放随值班级喷嘴燃油分配比例减小，而降低；当主燃级单独工作时，进口压力对NOx的排放影响较小；而进口温度对NOx的排放影响较大[76]。采用光学诊断手段（PDA、LDA技术等）测试了值班级的冷热态流场和燃烧区的油雾场、温度场等[77]。采用数值仿真手段对第一代PERM燃烧技术方案进行了流场、温度场及NOx排放的计算[78]。VFPI方案与之前介绍的中心分级LPP燃烧方案不同，该方案的主燃级在中心，值班级围绕主燃级在外，如图1.34所示。70%的空气从VFPI方案的头部进入，。VFPI方案的头部由三级轴向涡流器组成，中间第一级轴向涡流器是中等旋流强度（旋流强度0.7）、第二级和第三级轴向涡流器均为强旋流（SN约为2.5）；值班级和主燃级均采用预膜式喷嘴，主燃级预膜喷嘴位于第一级涡流器和直通道之间，值班级喷嘴位于第二级轴向涡流器和第三级轴向涡流器之间。通过单头部燃烧室试验验证，表明，该头部的熄火边界非常宽[79]；慢车状态的燃烧效率非常高。约为在99.5%，爬升状态的EINOx约为10g/kg，表明该方头部具有巨大的降低NOx排放的潜力的[80]。图1.34VFPI燃烧原理图[79]1.2国内研究现状国内很早就开始关注航空发动机的污染排放，尤其是发动机的冒烟。但基本上从2007年开始大飞机立项为起点，开始真正进入低排放燃烧技术领域，各研究单位和高校也开始对低排放燃烧技术及其发展趋势进行了论述与预测[4][81]-[86]；2009年中国组建了商用航空发动机有限公司（简称商发），正大力开展民用航空发动机技术研究。目前，国内从事低排放燃烧技术研究的单位主要有北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中科院工程热物理研究所、沈阳航空发动机研究所和中国航发四川燃气涡轮研究院[]以及商发。北京航空航天大学的林宇震等人最早在2004年开始研究双环腔燃烧室的污染排放性能研究[87]，该双环腔燃烧室值班级为常规燃烧室头部构型，而主燃级采用LPP燃烧技术，预混段较长，管壁上开设很多进气小孔以加强油气混合，试验结果表明提出的双环腔燃烧室具有降低NOx排放的潜力[87]。随着对低排放燃烧技术的跟踪研究，北航开始对中心分级贫油预混预蒸发燃烧技术进行研究[87]-[93]。先后提出了两种低污染搅拌旋流（LESS）燃烧室——LESS-1和LESS-2如图1.35、图1.36所示。LESS-1燃烧室值班级为典型的旋流杯结构，采用扩散燃烧模式；主燃级为贫油预混燃烧模式，采用环形的预混腔结构，预混腔前段采用14个双级径向反旋斜切孔式涡流器配以直射式喷嘴，如此可强化燃油雾化；同时，主燃级环形预混腔的壁面上开设直孔和斜孔，加强油气混合。在单头部燃烧室试验件上针对LESS-1方案开展了点熄火性能试验研究，获得了电嘴布局对点熄火特性的影响，同时采用数值仿真方法对其进行了点熄火的模拟[88]。同样在单头部燃烧室试验件上研究了值班级喷嘴流量数、进气温度以及燃料种类对熄火特性的影响[89]。LESS-2方案如图1.36所示，其值班级同LESS-1一致，主燃级采用的是环形预混腔结构，并在壁面布置了斜孔，在预混腔前端壁面上开设了直孔或叶片通道，主燃级空气通过直孔或叶片及壁面斜孔进入预混腔内与主燃级燃油混合，主燃级预混腔出口的气流采用弱旋设计；主燃级燃油通过直射式喷嘴垂直气流径向喷入预混腔内。针对LESS-2方案在单头部试验件上研究了3种不同值班级/主燃级级间台阶高度对点/熄火性能影响的试验研究；其中，点火试验主要模拟高空再点火特性，熄火试验主要研究慢车状态熄火边界[90]。同时，在矩形单头部试验件上，慢车状态下研究了级间台阶高度对NOx排放的影响；并利用Fluent软件对其进行了冷热态流场和燃烧性能的数值模拟分析[91]。对仅值班级工作时的燃烧性能进行了试验研究；且在慢车工况下，研究了值班级旋流杯套筒扩张角、级间台阶高度、值班级空气分配对污染排放、燃烧效率和贫熄边界的影响作用[92]。此外还在进场工况下对仅值班级工作、值班级/主燃级共同工作和周向分级模式进行了主燃级燃油分级方式队燃烧效率、污染排放性能的试验研究[93]。图1.35LESS-1燃烧技术方案[88]图1.36LESS-2燃烧技术方案[93]南京航空航天大学的颜应文等人对两种构型的TAPS燃烧室方案进行数值仿真分析，研究了喷油方式对燃烧性能的影响；同时，通过PIV手段测试了TAPS燃烧室值班级旋流不同强度的冷态流场，与数值计算结果吻合较好；同样也对油雾场进行了测试，研究了燃油喷射对油雾分布的影响[94]-[96]。西北工业大学的刘强等人提出了一种中心分级的直混/预混组合低排放燃烧方案，该方案值班级由一级轴向涡流器和小流量数的离心喷嘴组成，为扩散燃烧模式；主燃级由直通道、一级轴向涡流器和9个直射式喷嘴及预混腔组成，其中直射式喷嘴在两叶片之间，燃油和空气在预混段内混合后进入燃烧区进行贫油预混燃烧[97],[98]进行了数值模拟和试验研究，试验结果表明该方案NOx排放非常低。中科院工程热物理研究所的刘富强等人针对小型发动机低排放燃烧技术需求，同样基于中心分级LPP燃烧技术，提出了一种三旋流中心分级燃烧技术方案，如图1.37所示。该方案中心值班级采用斜切孔式进气和离心喷嘴，进行扩散燃烧；主燃级采用离散多点直射式喷嘴，燃油直接向第三级旋流器通道内喷射，并与空气进行充分混合，然后进入燃烧区进行贫油预混燃烧；利用三维数值仿真结果，建立化学反应网络模型进行污染排放预估，预估结果显示NOx排放趋势与试验结果是一致的；同时，通过对值班级燃油比例、进口温度等参数对污染排放性能的影响研究，发现存在最佳的值班级燃油比例使得NOx排放和燃烧效率均达到综合最优[99],[100]。图1.37中国科学院三旋流燃烧方案[93]沈阳航空发动机研究所主要利用数值计算的方法模拟了TAPS燃烧方案的流场，并预估了值班级不同燃油比例下的NOx、CO排放和出口温度分布[101]-[102]。中国航发四川燃气涡轮研究院（简称中国航发涡轮院）于2009年在某计划支持下，率先在国内系统开展大涵道比涡扇发动机低排放燃烧技术研究。主要针对的是压比30、推力140kN左右的大涵道比涡扇发动机，沿着技术成熟度由低到高发展的客观规律，从TRL2级左右的头部涡流器流场、喷嘴雾化特性研究，到TRL3级左右的单头部燃烧室性能研究；其中，单头部燃烧室的头部方案有5种，先后加工了12个头部开展试验验证；从单头部燃烧室试验结果中优选头部方案开展TRL4级左右的扇形燃烧室试验研究，最后在全环燃烧室试验件上对零组件级的关键技术（低损失扩压器、高效冷却的火焰筒、低排放的组织燃烧等）进行集成验证，达到TRL5级。中国航发涡轮院研制的低排放燃烧室称为DIPME（Rich/LeanDirectInjectionandLeanPartialPre-Mixing&Pre-Evaporation，DIPME）燃烧室（图1.38），优选的头部方案在DIPME全环燃烧室试验件上经过验证，表明NOx排放比CAEP/6降低近37%，而且实现了9km高空点火，火焰筒壁温均在材料长期允许使用范围内。同时，在研究过程中，对头部方案进行了数值计算分析，获得了冷态流场和热态温度场[103]；利用扇形燃烧室试验件开展了燃烧室进口温度、压力对NOx排放的影响规律研究[104]，获得了良好的结果，对后续该头部低排放燃烧室的污染排放性能预测奠定了基础。在工信部民机课题的支持下，研究了一种三油路的头部方案，头部进气在65%以上，试验结果表明NOx排放比CAEP/6降低约60.8%（比CAEP/8降低约54.6%）。同时，中国航发涡轮院参与大客动力验证机低排放燃烧室的研制中，先后完成单头部、扇形和全环燃烧室的试验研究，NOx排放比CAEP/6降低近41%。近十年时间，中国航发涡轮院针对中心分级贫油燃烧技术，开发了近十项专利[105]-[112]，其中大部分头部方案均进行了试验研究，取得了良好的降低污染排放的效果。图1.38DIPME燃烧室纵观国内外贫油预混预蒸发低排放燃烧技术研究，主要采用中心分级模式，头部由值班级和主燃级构成，值班级采用双级轴向涡流器配合离心喷嘴；主燃级采用单/双级径/轴向涡流器配合简单直射式喷嘴。主要研究不同头部方案及其气动/结构特征参数（如旋流强度、套筒角度等）对污染排放和燃烧性能的影响。对于强化主燃级油气混合以降低污染排放的研究较少，本文将从主燃级强化油气混合特性的角度出发，研究进一步降低NOx排放潜力。参考文献林宇震，许全宏，刘高恩.燃气轮机燃烧室[M]，北京：国防工业出版社，2008.EnvironmentBranchoftheInternationalCivilAviationOrganization(ICAO),ICAOEnvironmentalReport2013:AviationandClimateChange[R].,2013N.T.Birch.2020Vision:TheProspectsforLargeCivilAircraftPropulsion[C].ICAS2000-1.1.1.彭云晖,许全宏,张弛,等.我国大飞机发动机低污染燃烧室发展考虑[C].北京,中国航空学会2007年学术年会,动力专题54.Correa,S.M.A,ReviewofNOxFormationUnderGasTurbineCombustionConditions[J],CombustionScienceandTechnology,Vol.87.1992pp329-362KalyanAnnamalaiandIshwarK.Puri,CombustionScienceandEngineering[M],Taylor&FrancisGroup,2007FenimoreCP.FormationofNitricOxidefromFuelNitrogeninEthyleneFlames[J].CombustionandFlame,1972,19（2）:289-296EberiusKH,JustTH.NOFormationinFuelRichFlames:AStudyoftheInfluenceoftheHydrocarbonStructure.AGARDAtmosphericPollutionbyAircraftEngines,AGARDCP-125,1973:16-18NicolDG,MaltePC,PhilipC.SimplifiedModelsforNOxProductionRatesinLean-PremixedCombustion.ASMEpaper94-GT-432，1994AnujBhargava,DonaldW.Kendricketal.PressureEffectonNOxandCOEmissionsinIndustrialGasTurbines.ASMEpaper2000-GT-97,2000ArthurH.LefebvreandDilipR.Ballal,GasTurbineCombustionAlternativeFuelsandEmissionsThirdEdition[M],Taylor&FrancisGroup,2010CooperLP.EffectofDegreeofFuelVaporizationuponEmissionforaPremixedPartiallyVaporizedCombustionSystem.NASATP1582，1980.Heywood,J.B.andT.Mikus,ParameterControllingNitricOxideEmissionsFromGasTurbineCombustors,inAGARDPropulsionandEnergeticPanel41stMeetingonAtmosphericPollutionbyAircraftEngines.1973:London.ReidSmith,etal.AdvancedLowEmissionsSubsonicCombustorStudyFinalReport.NASA/CR--1998-207931.RinkKK,LefebvreAH.InfluenceofFuelDropSizeandCombustorOperatingConditionsonPollutantEmissions[J].InternationalJournalofTurboandJetEngines,1989,6（2）:112-121ChinJSandArthurH.Lefebvre.InfluenceofFuelChemicalPropertiesonSootEmissionsfromGasTurbineCombustor.ASMEpaper89-GT-261,1989HoldernessFH,MacfarlaneJJ.SootFormationinRichKeroseneFlamesatHighPressure.AGARDCP-125,paper18,1973InternationalCivilAviationOrganization，InternationalStandardandRecommendedPracticesEnvironmentProtection，Annex16，Vol.II，AircraftEngineEmissions，Thirdedition[R]，July2008InternationalCivilAviationOrganization.CommitteeonAviationEnvironmentalProtection.ReportoftheIndependentExpertsonthe2006NOxReviewoftheEstablishmentofMediumandLongTermTechnologyGoalsforNOx[R].2010.2WRGraham,CAHall,MVeraMorales.Thepotentialoffutureaircrafttechnologyfornoiseandpollutantemissionsreduction.TransportPolicySpecialIssueAviationandtheEnvironment.BrianK.Kestner,JeffS.Schutte,JonathanC.Gladin,DimitriN.Mavris.ULTRAHIGHBYPASSRATIOENGINESIZINGANDCYCLESELECTIONSTUDYFORASUBSONICCOMMERCIALAIRCRAFTINTHEN+2TIMEFRAME.ProceedingsofASMETurboExpo2011,GT2011-45370.Chi-MingLeeandClarenceChang.NASAprojectdevelopsnextgenerationlow-emissionscombustortechnologies.AIAA2013-0540.MalcolmRalphandSamanthaBaker.ICAOTechnologyGoalsforNOxSecondIndependentExpertReview.AIRCRAFTTECHNOLOGYIMPROVEMENRSCHAPTER2,ICAOENVIRONMENTALREPORT,2010许全宏，张弛，林宇震.ICAO最新民机排放目标对我国低污染燃烧室发展的影响.国际航空杂志，2009.08ICAOAircraftEngineEmissionsDatabank,http://easa.europa.eu/environment/edb/aircraft-engineemissions.php.D.W.Bahr,ComparisonEffectofBroadenedPropertyJetFuelsonOlderandModernJ79Combu