燃气轮机燃烧室的现状及发展趋势

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（LPP）燃烧室、富油燃烧焠熄贫油燃烧（RQL）低污染燃燒室以及驻涡燃烧室（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

中图分类号： TK 473.2 文献标志码： A

Abstract： Aimed at the pollutant emissions status of gas turbine combustor in our country，the standards of pollutant emissions for the civil aviation and industrial gas turbine were introduced.The formation mechanism and influential factors of the main pollutants in gas turbine combustor were summarized.Then the improvements for reducing the pollutant emissions were discussed.A brief introduction of four advanced lowemission combustors which were typical and had good potentials were made，including twin annular premixing swirler（TAPS） combustor，lean premixed prevaporized（LPP） combustor，rich burningquick mixinglean burning（RQL） lowemission combustor and trapped vortex combustor（TVC）.The current situation and bottlenecks of high temperature rise combustor were introduced.Finally，four combustor cooling methods were discussed，such as effusion cooling，impingement/effusion cooling，multilaminate sheets cooling and impingement/film cooling.

Keywords： combustor； lowemission； high temperature rise； cooling method

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1 680～1 750 K，第四代涡轮进口温度达到1 850～1 980 K，未来一代的涡轮进口温度将达到2 200 K.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 燃气轮机燃烧污染物排放要求

燃气轮机排放的气态污染物主要是一氧化碳（CO）、未燃碳氢（UHC）、氮氧化物（NOx）和硫化物（SOx），颗粒污染物主要是燃烧室的冒烟.大气污染物中的氮氧化物和未燃碳氢由于光化学反应生成的二次污染物，对环境的破坏更加严重.虽然从污染物排放总量上来说，燃气轮机燃烧污染物排放所占比例很小，但是在局部地区，如机场附近或者使用燃气轮机的场所会聚集高浓度的污染物.在空中，各类飞机产生的排放污染物是高空大气污染物的唯一来源，因此，燃气轮机的排放受到了越来越严格的限制.再者，由于具有燃气轮机安全和高效的特点，在联合循环和提供能源和动力方面，其所占的份额也会越来越大[2].因此，首先要解决的就是如何实现低污染排放.

1.1 民用航空燃气轮机燃烧排放标准

民用航空燃气轮机的污染物排放标准由国际民航组织（ICAO）颁布.该标准不仅对航空用燃气轮机的污染排放作出了规定，同时对污染物排放的测试方法作出了严格规定.1983年ICAO成立了负责组织环境保护的航空保护委员会（CAEP）；1986年通过了第一个污染排放标准（CAEP1）；1996年召开了第二次正式会议，通过了CAEP2；在2004年召开的会议上，加强了对NOx的排放要求，标准修订版称为CAEP4.2005年的修订版（CAEP6）中更进一步加强了对NOx的排放限制.

值得注意的是，除了对NOx的排放规定日益严格外，对其他污染物如一氧化碳、未燃碳氢以及冒烟的规定没有变化.CAEP4中规定的NOx排放水平比CAEP2的规定值降低了16%，CAEP6中规定的标准又比CAEP4的降低了12%.这是因为NOx的排放最难控制且危害最大[3].

1.2 工业燃气轮机燃烧排放标准

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