谈谈低污染燃烧室技术成熟度划分.docx

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1、谈谈低污染燃烧室技术成熟度划分目录1.引言中国政府已经将研制大型飞机列入到国家的中长期发展规划中，并己经开始大型民用飞机和发动机的研制工作。民用航空发动机的研制当中，如何保证研制出的发动机符合国际民航组织（ICAO）及其下属的环境保护委员会（CAEP）制定的污染排放规定，是一个关系到发动机能否取得适航认证的关键，而解决这一关键问题的主要任务之一是低污染燃烧室的研制。本文从美国航空宇航局（NASA）的技术成熟度（TeChnoIOgyReadiness1eve1Sea1e,TR1）划分和管理概念，介绍民用飞机低污染燃烧室的研制阶段及各阶段的主要任务描述，作为我国制定低污染发动机研制规划的参考依据。

2、图1所示的TR1分级由美国航空宇航管理局提出，它可作为一个工具，来表征广泛应用范围的新技术发展水平，对象包括空间飞行器，飞机系统，飞机发动机以及各部件。这里所用各项术语的定义相当通用，这样可以适用于很广的技术范围。本文的目的是将这种方法具体化到一个具有新技术和新特点的发动机部件，即低污染燃烧室，并描述了为达到某一个低污染燃烧的TR1所必须的分析和试验。图1说明了以下两个概念：a.从新技术概念到产品（例如低污染燃烧）大体上三大步：基本原理和技术概念（主要是大学教授们的工作），由政府部门（例如航宇局或能源部）组织技术研发，转到工业界进入产品（型号）发展；b.除了军用项目之外，政府在组织技术研发上的

3、功用到某一阶段（例如第六阶段）为止。9在运作冲实际系统得刹“飞行证明”8通过试验和演小，实际系统完成并“分型考核”7在行环境中系统初型得到ftUf工业界在他们的产品上应用该技术至此NASA的项目止步IEI111g1111-E1e1WM11趣K莱Vw举胆与NASA技术成熟程度(水平)(TR1)的分级6在相关的环境下系统/业系统模型或仞型方到依证或泮估5在相关的环境下的部仃聆证4汴试验室环境F的部件试验3从分析I一和状验匕检验了关键性的功能，或确定性的慨念证明2技术概念和/或其应用已经形成(候选名已选定)I已经观察到的和已经报告的基A理图INASA技术成熟程度(TR1)的分级2.低污染燃烧室要求对

4、民用飞机低污染燃烧室的要求，可以分为以下三个方面：2.1性能a.燃烧效率高。具体要求是在最大起飞推力时，效率99.9%；在高空最大巡航状态，效率99.5%；在地面慢车状况，效率99%；b.污染排放少。包括相应工况下N0,CO,UHC要低，符合燃烧室设计目标(ICAo规定)，例如相对于CAEP4N0降低多少，CO和HC降低多少；排气冒烟符合CAEP规定；c.总压损失符合要求。从扩压器进口到燃烧室出口/P/P,例如，7%；火焰筒/P/P4%；北出口温度分布质量符合要求，例如出口温度热点指标0.25；径向温度分布指标010;巳燃烧室点火性能好，例如地面冷空气(-29),冷油(-29)下可以点着，点火

5、油气比不影响发动机悬挂或失速;f.高空点火能力强，例如在高度9144米(30000英尺)及在某个飞行M数下，能够点火成功并保证飞机拉起；g.火焰稳定，慢车状态下贫油熄火油气比不高于0.006o2.2.燃烧室工作性能良好燃烧室的作用总结如下;燃烧室是燃料或推进剂在其中燃烧生成高温燃气的装置。它是燃气涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机的重要部件，由扩压器、燃烧室壳体、火焰筒、燃料喷嘴、点火装置构成。是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备。燃烧室不能在高温、大负荷、变工况、具有腐蚀性的环境、燃烧在高速气流及贫油混合气情况下进行工作。发动机燃烧室的主要作用是将来自压气机的高压空气与燃料喷嘴喷入的燃料混合

6、并经过等压燃烧，将蕴储在燃料中的化学能转化为热能，形成高温燃气送入透平做功。随着现代技术的发展，全球排放标准的限制和人类对于环境的要求越来越高，高效节能、低污染已成为现代汽车的发展趋势。综合考虑发动机燃油经济性、功率和排放等指标，新型燃烧室在现在汽车中的应用也越来越广泛。燃烧室主要部分位于气缸盖凹入的排气门下方，直径很小，结构紧凑，有一定的挤气面，可形成较强的挤气紊流。同时，进气门浅凹坑处与主燃烧室有浅槽相通。优点是：可以燃烧非常稀薄的混合气，空燃比可达26,降低了燃油消耗率。其缺点是，必须用高辛烷值汽油，对积碳敏感，需严格控制压缩比。2.3.经济性，加工性a.燃烧室一次性成本不能高于对应的非

7、低污染燃烧室；b.大修寿命要长于对应的非低污染燃烧室。与上一点综合起来，以总寿命计算的每小时运作的燃烧室成本降低；c.便于维护和修理；d.在加工性上，主要是没有特殊加工设备的要求。对燃烧室的排放要求包括在一个起飞着陆(1To)循环内氮氧化物(NOx)、一氧化碳(C0)、未燃碳氢化合物(UHC)和冒烟(或特定尺寸范围内的微粒子)的排放指标要求，同时还包括在巡航状态下的NOX和微粒子排放指标要求。综上所述，为保证发动机安全和高效的运行，燃烧室必须满足一系列的关键性的性能、工作特性和寿命上的要求，表1总结了当代民用飞机低污染燃烧室的典型要求。表1当代发动机燃烧室典型的性能和工作特性要求序号要求数值最

8、大/最小1燃烧效率99.9最小一起飞推力工况()一慢车()99.0最小2低压点火能力(MPa)0.03最大3贫油熄火油气比(低工况下)0.006最大4地面点火油气比(冷空气、冷油)0.010最大5总压损失压气机出口到涡轮进口()5.0最大6出口温度分布0.25最大一出口温度分布热点指标一径向温度分布指标0.10最大7燃烧室动态压力(动态压力范围/进口压力，%)3最大8火焰筒壁温(K)1120最大9至第一次大修循环寿命(循环)5000最小在每一个新燃烧室的研制过程当中，都必须要对燃烧室的排放、性能、工作特性和寿命进行验证和评估。需要说明的是，并非对所有技术都要进行验证和评估，例如，对一个新的燃油

9、分级的燃烧室概念，需要进行所有技术方面的验证与评估，而对一种采用新型高温材料以增加燃烧室寿命的低污染燃烧室，要求进行所有与寿命相关的试验，而不需要进行有关污染排放的试验。3 .成熟度分级为验证和评估燃烧室的排放、性能、工作特性和寿命要求，要通过各种TR1水平上的试验验证，图2给出了低污染燃烧室研发过程的概括性描述。图2表明，随着技术的更加成熟，要求的实验的复杂性也随之提高，这与技术成熟度是密不可分的。例如，单管火焰筒的实验一般来说对应于TR13水平的研发，扇形段实验对应于TR14水平的研发，全环形实验对应于TR15水平的研发,而发动机整机上的燃烧室实验对应于TR16水平的研发。在某种技术的研发

10、过程当中，TR16是起始点，而且在TR16之前已经进行了关键性的污染排放、性能、工作和寿命方面的评估。在TR16水平，仍然在与最终产品相关的成本、适航性、环保性和技术这种等方面存在一定的不确定性，例如，在适航性方面，诸如在整个飞行范围的空中启动能力和稳定性等内容，在TR16水平并未全部解决。然而，如果TR16水平的所有要求都成功地得以验证，那么可以非常有信心地保证通过TR19阶段（这一阶段花费巨大）的飞行试验验证。图2低污染燃烧室研发过程表2列出为验证低污染燃烧技术成熟性的典型要求。表2验证低污染燃烧技术成熟性的典型要求TR1典型的要求验证污染排放性能工作寿命1基本原理专家意见专家意见专家意见

11、专家意见2概念形成简单数据关系一元和三元简单数据关系一元简单的传CFD分析式热分析3关键性功能火焰筒火焰筒火焰筒火焰筒4实验室试验扇形段试验三元CFD由扇扇形段试验扇形段试验一低压CO/HC形段试验数据一低压贫油熄一单喷嘴高压试验验证火试验结构温度一单个喷嘴高一低于大气压压NO/微粒子高空起动试验5部件试验一环形试验台一全环形试验一全环形试验-4到5喷嘴测CO/HC一扩压器模型包括低于大气的高压扇形段-4到5喷嘴试验压的试验试验高压扇形段试验No/微粒子6系统试验一地面发动机地面发动机试地面发动机试地面发动机试试验测起落循验一试验单位验（包括失速，验一飞行循环环污染排放燃油消耗率雷雨，冰雹吸考

12、验一全环形试验入试验）决定巡航状态修正TR1典型的要求验证污染排放性能工作寿命7飞行试验一飞行的真实一高空起动包8飞行定型硬件重发飞行试验一噪音测量依据定型要求线确定一快速加速，快速减速9飞行经验绝大部分现场出现的问题都在几台发动机超过3000小时的飞行后暴露出来以下就低污染燃烧技术说明从TR11到TR19的各阶段的任务描述。TR11这个阶段可以简单到一个研究报告，说明采用何种方法可以减少污染排放。例如20世纪70年代，有若干个基本试验表明贫油-预蒸发预混合燃烧可以明显的降低NoX的排放。这样美国航空宇航管理局召开一次燃烧专家会议，由政府、研究所、学术单位以及工业界来的燃烧专家们，经讨论大家同

13、意，飞机发动机的贫油预蒸发预混合燃烧室(1PP)是应该研发的技术。这样一次专家会议，确定一种可以采纳予以研发新技术工作会议(TR11水平)的耗费少于10万欧元；TR12这个阶段涉及上述概念如何在某个特定的用途和场合下应用，例如，如何将这个概念在一个现存的发动机中结合进去。这就需要有一张发动机的总的简图，有一些简化分析，对污染排放，性能，工作特性及寿命的原始性的要进行评估。在TR12阶段，一个主要的目标是要明确在哪些领域还要做进一步的基本研究，这些基本研究可以给设计者提供必要的数据和分析的能力，来确定上述新技术概念是否具有合理的机会以满足一个发动机燃烧室的实际要求。对低污染燃烧1PP中有关预蒸发

14、和自燃(autoignition)的基本研究是典型例子。用以评估1PP燃烧室的TR12水平的研究参见参考文献和。TR12水平的设计研究耗费典型地在几百万欧元的水平。这里需要指出的是，中国的低污染燃烧技术的研发，不必从TR11和TR12起步，这可以借鉴国外的成功经验，完全可以直接从TR13开始。TR13在有关TR13水平的试验上，有很大的发展和变化。在最初航宇局的看法是TR13的试验典型地在理想化的“火焰筒”中进行，随着低污染燃烧技术研发的进展，发现这个火焰筒的单管燃烧试验完全可以，也应该接近于发动机上实际燃烧情况来进行。没有必要用陶瓷的正方形的火焰筒，完全应该用圆形的，金属的，带空气冷却的火焰筒来做。实际上TR13是解决低污染燃烧技术研发中的气动热力一燃烧设计的主要一步。经验证明，在研发人员的知识，技术和经验水平可以符合要求情况下，TR13的试验与分析耗费大概在五百万至一千万欧元之间。TR14TR14试验典型地在一个扇形段燃烧室试验台上做，这个扇形段是环形燃烧室的一部分（典型的为90扇形段）。一般在真实的发动机燃烧室进口温度和进口压力下来做试验，用扇形段可以减小尺寸，并减少要求的空气流量，但扇形段有两个侧壁是不利因素。TR14试验的耗费要比TR13的试验高出很多，同样在研发人员水平符合要求的情况下，大致在一千万至二千万欧元之间。TR15这一阶段中典型地是全