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1、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。日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
2、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
3、机燃烧室主要设计特点日前，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、RR、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
4、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，基本代表了日前 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。表1现代其型低污染懈烧室的设计特点生产厂宗型号（系 殂燃烧室主要爆t特点装如甘舱CFMICFM*戒环腔燃烧室F相对ICAO%标准,NOI降抵了AJ2!, A-J20, A319.A319, A3出 , !GEGEW双环腔嫩烧室3采用多斜孔冷却璃枸B?77-QERB777-.WQLRGEllx.寇环顼混旋流燃烧室技术1两个彝形共用同心Pa: kri Ha ptuM燃洁窝化喷WiBT!PIAEV25Q0箪皤环形燃蟠室*:畅壁（11
5、通合金博桃）窿 部警构改善勘却皴率消除应力,每段可独立更 换,曜护费用低f满足现有排放拣准（CAEP/2和 CAEPZ4排放限贵A320展AJ1,、A32O.A321.MD-90PWTalon u环形燃烧室,冲击气膜的浮动壁火糖筒t 富油/快速地灭/统油（KyL）燃燧技术A3W . A31Q.B747, B767. A13(l. B777PW仰队Talon n环形撇烧室曲击气膜的浮动壁火焰筒A318.A32OT自也-X燃烧室篥二代浮动壁单片蜻造扩压器R.- RRB2U-524G-T环形麟燃也金属外机匣和镣基合金燃烧室8个 空气篱化燃油啧嘴B747lE76TCfeflt TOO球形惚蟠室必4个燃
6、烧器和南个点火器。揉基合 佥火焰筒,带焦障涂屈，改进几何结构控制A33OTrent m单环腔燃燃室应4个籍烧器B777Tn?nt 为 8新的带20啧曜的五段设计，单个可更换的棘席 些火焰简A34(l-300Trent m先进瓦块站构.丁如it州，燃烧室的派生、洲个岬器A瑚Tient 1(300林后察扩的舰扩田器语段可柄瓦垛（18 块、群畴火靖筒帆袖果用帽件机械饷工无岸痿处（ 气动雾化浙B7?GE和 PW沿勇CF6的单环校燃芝室，热障徐L-：.NQf 比 ICAO 的 CAEP-4 低 40% H卵8 摄的（COfaUHC比也制侑世8聘AesoTimE； an空制瞳故 www.amte.ne t
7、en1组织燃烧现代民用发动机燃烧室主要有传统的单环腔、双环腔和日前最新 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。1.1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。RR公司的发动机
8、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。P
9、W和RR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。P
10、W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，使NOx和CO排放量达到最少。RR公司也开发了轴向分 级燃烧室，并已将其应用到BR715发动机上。TALON燃烧室是PW和MTU实施的联合技术验证机计划 （JTDP）研制的单环腔燃烧室，其将PW的RQL（富油快速熄灭贫油 燃烧）技术应用于民用燃烧室中，在所有工作状态燃烧室前部设计非 常富油，远高于化学恰当比油气比燃烧，同时也确保低功率状态稳定 性。
11、首台TALON燃烧室在PW4098中使用，PW4000、PW6000 系列发动机采用改进后的TALONH燃烧室，PW8000采用TALON III燃烧室结构。TALON III和TALON X燃烧室进一步增大了主燃区 容积，确保了最佳化的淬火混合，燃烧时间短，着陆和起飞时NOx 排放比ICAO96标准减少了 70%。1.2双环腔燃烧室为了满足低功率状态性能和排放要求，GE发动机公司首先设计 了满足低排放标准需求的双环腔燃烧室。双环腔燃烧室一般采用径向 分级结构，具有排放低、火焰筒的长/高比合理、长度短、重量轻、 转子动力学问题少和防积炭等特点。GE公司设计的CFM56-5B是A320家族中唯一
12、采用先进的双 环腔燃烧室技术的发动机，CFM56的DAC将NOx降低了 45%之 多。GE90双环腔燃烧室在发动机起动/慢车状态，只向外环腔供油，此 时外环腔油气比高、气流速度低、燃烧时间长，不仅降低了 CO/CH 排放水平，还提高了起动性能和空中点火能力，扩展了熄火边界；在 其他工作状态，同时向2个环腔供油，内环腔是按大工况、高速度优 化设计的，故头部的油气比低、气流速度高、燃烧时间短，可降低 NOx的排放水平，并使燃烧室出口径向温度分布更均匀。1.3 TAPS技术燃烧室GEnx是GE公司为250座级客机B787和A350研制的推力 级为236.6320.23kN的双转子、超大涵道比大型环保
13、型清洁民 用涡扇发动机，其结构源于超大推力的GE90发动机。其几何结构 完全不同于GE90和CFM56-5的双环腔（DAC）结构，采用了双 环预混旋流燃烧室（TAPS ）燃烧技术。该发动机大大降低了燃油消 耗量和污染物排放量，是日前世界上同等推力级最清洁、最环保的发 动机。r A应1惟能队发动机的taps尴;(KE M BHTAPS技术的工作原理是采用两个环形同心Parker Hannifin燃 油雾化喷嘴分别向中心旋流器出口供油和外环旋流器中喷油，在燃烧 室头部形成均匀的油气混合。在一般的燃烧室中，点燃前富油掺混， 点燃后转为贫油，在油气混合物从前向后流动和燃烧由富油向贫油转 换中，由于燃烧
14、温度高将产生NOx。而在TAPS中，燃烧开始初期， 强力的双环预混旋流器使得油气一开始就掺混得很好，油气混合物在 从前向后流动的燃烧过程中，富油向贫油转换过程短，不仅NOx减 少了 50%且燃烧室工作温度降低了 200C。GE公司进行的TAPS 燃烧室模型实验表明，该技术实现了低NOx排放水平和低涡轮进口 温度不均匀度2个日标。2火焰筒冷却现代民机燃烧室头部一般为贫油设计，用于冷却的空气量比传统 燃烧室大大降低；同时发动机总压比高，燃烧室进口温度比传统燃烧 室高许多，燃烧室工作环境要比传统燃烧室恶劣得多，为适应燃烧室 长寿命的需要，必须采用更为先进的燃烧室冷却结构。现有大型民用 发动机的冷却主
15、要采用冲击气膜加浮动壁或多斜孔壁等先进的复合 冷却结构。2.1浮动壁火焰筒浮动壁火焰筒一般由许多环形段和隔热环连接而成。环形段背向 火焰的一面有对流散热的凸环，并有能形成冷却隔热气膜的缝隙。隔 热环由“浮动瓦片组成，并用螺栓连接在外环段上。“浮动瓦片采用 精密铸造，可以更换。在冷却隔热环的局部喷涂热障涂层，可以降低 部件表面温度。浮动壁火焰筒具有改善火焰筒壁工作条件、延长火焰 筒寿命、改善燃烧室温度分布等特点。20世纪90年代初，PW公司将浮动壁火焰筒应用到V2500发动 机上，后来又应用到了 F119军用发动机和PW4000、PW6000、 PW8000系列等民用发动机上。近年来，在IHPTET计划下，PW 公司又在全环形燃烧室试验件上验证了涂有SiC/SiC陶瓷基复合材 料涂层的“浮动瓦片和冲击气膜冷却技术。SiC/SiC陶瓷基复合材料 涂层是一种强化技术，能避免“浮动瓦片受腐蚀，提高其耐高温能力， 延长其寿命。而冲击气膜冷却技术可使浮动壁燃烧室在高温、高油气 比下工作，获得均匀的温度场分布。典型的浮动瓦块结构如V2500发动机燃烧室的浮动瓦块结构，其头 部采用浮动挡溅板多斜孔冷却结构。浮动瓦块选取阻热合金和可能的 耐更高温度的材料和增强陶瓷/ODS材料进行加工，它把火焰筒外面 结构与辐射热流隔离掉。通过冲击、对流、气膜加热
