现代高性能发动机的燃烧室技术发展趋势.docx

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1、现代高性能发动机的燃烧室技术发展趋势目录1 .燃烧室技术发展趋势12 .军用航空发动机燃烧室43 .民用航空发动机燃烧室54 .航空发动机衍生工业燃气轮机燃烧室75 .航空发动机产业的主要特点以及瓶颈技术85.1. 航空发动机产业是保持大国地位的核心，是工业强国的象征85.2.航空发动机产业需要国家进行长期、稳定的扶持与投入85.3.航空发动机的技术门槛很高95. 3.1.航空发动机设计之难96. 3.2.航空发动机材料之难97. 3.3.航空发动机制造之难106.我国航空发动机制造业的现状及发展106.1. 我国航空发动机精益生产的状况及发展116. 1.1.我国航空发动机企业精益生产现状1

2、17. 1.2.我国航空发动机生产企业的精益生产途径126.2. 基于MBD技术的数字化工艺及其应用136.3. 3.我国航空发动机企业的CIMS之路146. 3.1.在我国的航空发动机制造行业，FMS应该缓行147. 3.2.CIMS结构应因零部件工艺特点而异147.发动机燃烧室隔热技术的发展与展望167. 1.概述167. 2.早期研究177. 3.近年来的技术发展情况187. 3.1,新的隔热念187. 3.2.隔热涂层材料的开发198. 3.3.在发动机上的应用208.4. 燃烧室隔热技术未来展望211燃烧室技术发展趋势现代高性能发动机对燃烧室提出了越来越高的要求，当前燃烧室技术的发展

3、趋势如下:1）第一，军用航空燃烧室的发展方向是高油气比，这已经是事实，今后军用航空发动机燃烧室一定是朝高油气比方向发展，这来自于军用发动机推重比不断提高和超音速巡航的要求。国外推重比12的军用发动机已经服役，以后还会更高。推重比的进一步（不能轻易的说今后的推重比是15还是18）提高非常不易，但是高推重比的要求是不会改变的。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0046,其2023年以后会达到0.05,而在在2030年以后会超过0.06o2）第二，对于民

4、用航空发动机燃烧室。其发展方向是低污染。但需要说明的，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）O这个方案已发展了近30年，其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。不仅仅是NOX减少有限，技术也不简单。后面描述的贫油预蒸发预混合（1PP）方案的缺点，RQ1基本都有

5、，而且还有冒烟问题，所以RQ1不会是今后的发展方向。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1PP燃烧室是GE的TAPS燃烧室（用于GENX发动机和1EAP发动机）。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,其中主油分级问题是需要解决的难题之一。民航发动机的压比、燃烧室进口温度和油气比也在不断提高的，当油气比超过0.036到0.038甚至更高时，1PP对减少NOX有并不会有多大好处。3.3） 贫油直混（1DM）方案。在国外这种方案叫

6、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）。贫油直混燃烧是直混燃烧的一种，前面说的高油气比燃烧室也是直混燃烧，但不是贫油，而是化学恰当比燃烧或接近化学恰当比的直混燃烧。贫油直混燃烧有很多优点，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NOX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1D

7、1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）第四点，航空衍生工业燃汽轮机的发展方向也是低污染。工业燃气轮机如果使用的是气体燃料（天然气），对其污染排放的要求是：在换算为15%氧浓度情况下，在50%到100%的工况范围内，每一点的NoX排放小于25ppM,CO排放小于50个ppM。如果燃料为柴油（DF2）,对其污染排放的要求是：在换算为15%氧浓度情况下，在50%到100%的工况范围内，每一点的NoX排放小于65ppM

8、,CO排放小于100个ppMo1PP技术如果用于液体燃料的工业燃气轮机，其NOX排放很难达标。要特别注意，工业燃气轮机的低污染要求与航空发动机有许多不同。民用航空发动机规定的是7%、30%、85%和100%四个工况下，在规定的时间内的排放要求，而工业燃气轮机对其在50%到100%工况内的每一点都要达到其对应的NoX和CO排放要求。这样工业燃气轮机必须要燃油分级，例如1M6000（航空衍生工业燃气轮机），其燃油有15个分级,非常复杂。要解决这个问题，就要设计在任意一个工况（如50%工况）下，可以实现NOX和CO排放要求的燃料空气比要尽可能的宽。因为在高的燃料空气比下，NOX排放较高，而在低的燃料

9、空气比下，CO排放较高。因此在这个工况下，同时要满足NOX和CO的燃料空气比越宽，燃料分级的级数就越少，这个是工业燃气轮机研发的方向。5）第五点，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：1.1） 第一是冷却；1.2） 第二可见冒烟。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。当然了，民用低污染燃烧室设计不好也会在主油打开前后出现可见冒烟，如果采用1PP的方案，那就有主油分级、自燃、回火和振荡燃烧问题，比军用的更复杂。新一代军用和民用

10、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（甚至现在）都会采用直混燃烧方案，只是民航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 .军用航空发动机燃烧室随着军用发动机推重比不断提高、超音速巡航以及短距起

11、飞/垂直降落的要求，其燃烧室朝着高油气比方向发展。国外推重比12的军用发动机已经服役，以后还会更高。推重比的进一步（不能轻易的说今后的推重比是15还是18）提高非常不易，但是高推重比的要求是不会改变的。提高推重比的一个主要技术手段就是提高涡轮进口温度，也就是提高燃烧室总油气比。现在美国已经实现的燃烧室油气比为0.046（F135发动机），其在2023年以后会达到0.051（F135增推型），美国空军的2030年计划中燃烧室油气比高达0.062。军用航空发动机的发展趋势如图1所示。军用发动机发展工解气轮机燃烧空图I军用发动机燃烧室发展趋势为了解决高油气比燃烧室存在的大工况冒烟与小工况贫油熄火之间

12、的设计矛盾，国内外普遍采用分区燃烧的燃烧组织方式，将燃烧区分成两个或多个燃烧区，各燃烧区可以独立工作或同时工作，以保证不同工况下的性能需求。3 .民用航空发动机燃烧室民用航空发动机燃烧室朝着低污染方向发展。但需要说明的是，对于民用发动机(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，无论是低污染还是低油耗，都不能影响到可靠性。目前民用发动机低污染燃烧室主要有3种方案。1)富燃快速淬熄贫燃Richburn-Quickquench-1eanburn(RQ1)方案，结构示意图如图2所示。这个方案己

13、发展了近30年，其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。不仅仅是NOX减少有限，技术也不简单。后面描述的贫油预混合预蒸发1eanPremiXedPreVaPoriZed(1PP)方案的缺点，RQ1基本都有，而且还有冒烟问题，所以RQ1不会是今后的发展方向。2)贫油预混合预蒸发1eanPremiXedPreVaPoriZed(1PP)方案。这是近30多年来主要的研发方向。但1PP有很多技术难题，比如自燃、回火和振荡燃烧。目前己经服役的1PP燃烧室是GE的TwinAnnu1arPremiXedSWiHerS(TAPS)燃烧室(用于GENX发动机和1EAP发动机，其

14、结构示意图如图3所示)。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,其中主油分级问题是需要解决的难题之一。民用发动机的压比、燃烧室进口温度和油气比也在不断提高，当油气比超过0.036到0.038甚至更高时，1PP对减少NOX并不会有多大好处。3)贫油直接混合1eanDirectMiXed(1DM)方案。在国外这种方案叫贫油直接喷射1eanDireCtInjeCtion(1DI)。其实直喷几十年来燃烧室一直在用，除了蒸发管燃烧室以外，一律都是直喷。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。贫油直混

15、燃烧是直混燃烧的一种，前面说的高油气比燃烧室也是直混燃烧，但不是贫油，而是化学恰当比燃烧或接近化学恰当比的直混燃烧。贫油直混燃烧有很多优点，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NOX减少不及1PP好。1DI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。近年美国国家航空航天局Nationa1AeronauticsandSpaceAdminiStration(NASA)格林研究中心又开始对1DI开展研究，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。

16、NASA1DI燃烧室结构示意图如图4所示。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。西北工业大学燃烧团队的直混燃烧技术与其不同，比较接近实用。应该指出的是，对于压比超过70的发动机，1DM是唯一的低污染燃烧技术发展方向。4 图4NASA1D1燃烧室结构方案示意图5 .航空发动机衍生工业燃气轮机燃烧室航空发动机衍生工业燃气轮机的发展方向也是低污染。如果使用的是气体燃料(天然气)，对其污染排放的要求是：在换算为15%氧浓度情况下，在50%到100%的工况范围内，每一点的NoX排放小于25ppM,Co排放小于50ppM如果燃料为柴油，对其污染排放的要求是：在换算为15%氧浓度情况下，在50%至IJIOO%的工况范围内，每一点的NOX排放小于65ppM,CO排放小于IOOP