只为梦中那片通彻的蓝天，“大发”设计之低排放燃烧室篇（十一）
刚刚从电视上领略了北京的“阅兵蓝”，秋日的上海也难得地迎来了连续的蓝天美景，各位小主请关注今天的另一条微信内容，一大波美图等着大家哦。
节能降耗，还大家一片蓝天，这是当今社会的共识与梦想，今天我们的主题也与此有关，我们的冠琼美眉将为大家带来航发攻城狮们为降低排放努力奋斗的那些事。
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作者：汤冠琼
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一个星期过去了，大家工作还顺利不，不知是否还记得上期的点火青年燃烧室啊，他最近可陷入了郁闷和矛盾中，为了什么呢，还不是上头又出了新政策。
其实这个烦恼也不是一天两天了，那个拥有洋名字“ICAO”及中文名“国际民航组织”的老大哥，一直怀揣绿色航空梦，时不时出个新规定，比如规定污染物排放标准的CEAP8要求NOx排放比CEAP6降低15%这一条，就弄得基层的民用航空发动机们费劲心思，CFM公司的LEAP-X发动机一下子就将NOx排放在CEAP6标准上降了50%。
当然，这一切的努力，都是为了我们所期盼的那一片蓝天。
今天，我们就要为大家隆重推出航空发动机降低排放的主力军——燃烧室，一起来看看，现在和未来都会有哪些绿色科技来实现这一目标吧。
绿色科技入门篇
降低排放的三大流派
·燃烧室
对于烧航空煤油的燃烧室来说，要想彻底和污染物说拜拜是不可能的啦，提高燃油效率，减小燃油消耗倒是一个可行的办法。于是乎，出现了大涵道比涡轮风扇发动机。根据估算，现在的大涵道比飞机油耗与采用早期喷气发动机的飞机相比，下降了70%。
但随着发动机技术的进步，燃烧室燃烧效率不断提升，工作温度也越来越高，这使得氮氧化物在高温下的生成量有所增大。
其实，燃烧的污染产物主要包括氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氢、冒烟。攻城狮们好好研究了这些污染物的生成机理，从学术的角度看清了它们的来源，嘿嘿，这样子就可以对症下药啦。
氮氧化物和一氧化碳简直就是一对冤家，简单粗暴地讲，氮氧化物喜欢高温，在燃油和空气配比刚好的时候活跃得不得了，一氧化碳却恰恰相反，在高温下性命堪忧，若燃油和空气刚好按照完全反应的比例混合，生成就非常少。
要满足ICAO老大哥的减排要求，必须找一个两全其美的办法，都说退一步海阔天空，我们在燃烧室设计中充分理解了这句话的意思，找个氮氧化物生成率比较低（不是最低）一氧化碳生成率也可以接受的油气混合比例就可以啦~~
·图片来自于网络
事实上，各大航空发动机寡头就是这么干的。
现在主流的低排放燃烧技术有预混预蒸发燃烧，富油-萃熄-贫油燃烧，贫油直接喷射燃烧，对应的简称就是LPP、RQL、LDI。咳咳，下面要开始学术了。
流派1：预混预蒸发燃烧（LPP）
实现LPP的基本模式是将燃料完全蒸发并混合均匀供入燃烧区，在燃烧区是贫油（空气过量）燃烧，越是贫油，NOx的排放降得越多，当然油实在太少了也会熄火，所以燃油和空气的比例必须在这个熄火极限以内。
从过程来看，LPP燃烧方式分为三个阶段。
第一阶段是燃料喷射阶段，有没有想起上一期中的喷嘴啊，这个阶段，喷嘴要负责将燃料喷射出来，保证燃油的雾化质量，让雾化后的颗粒在空间均匀散布。
第二阶段是喷射出来的油和空气混合，由于经过高压压气机后的空气温度远高于燃油沸点，燃油就会边和空气混合边蒸发，经过一段旅程后，油和空气就成一家人了，家庭名字叫“油气混合物”。
第三阶段，当然是燃烧了，油气混合物进入燃烧区燃烧后产生高温燃气，燃气再接再厉，进入涡轮完成后面的使命。
· LPP示意
美国通用电气研制的GETAPS燃烧室采用的是LPP燃烧。
· GE TAPS II燃烧室
流派2：富油-萃熄-贫油燃烧（RQL）
RQL的基本方式是先采用一个富油的燃烧区，然后大量的空气冲锋进来，与该燃烧区的产物迅速混合（怎么让我想起侵略者进村抢夺燃油的场景，啧啧），混合之后，原来的富油一点也不“富有”了，空气过量，于是进入一种贫油燃烧状态，燃烧完成后燃气离开燃烧室进入涡轮。
RQL燃烧直面世界的方式就是要么富要么贫，就是不让燃油和空气量混合得刚刚好，千万别以为它是个神经病，其实是抓住了NOx的软肋，如果空气含量不足，空气中的大头N2也少了，这就减少了生成NOx的机会。更一般地，在缺氧或者空气过量的情况下，相对燃油和空气混合刚刚好的情况燃烧温度较低，不适合NOx的生成。
嘿嘿，RQL是不是很聪明啊，但是……过富的燃烧会导致燃烧室出口出现大量的冒烟，所以咧，看着办吧。
·RQL示意
RQL在普惠的发动机上有所应用，其低污染燃烧名称为TALON X。没找到燃烧室实物图，抱歉。
流派3：贫油直接喷射燃烧（LDI）
LDI的基本方法是燃油直接喷入燃烧区进行燃烧，或燃油预先与空气有一定程度混合后喷入燃烧区进行燃烧，使得燃烧区处于贫油状态。
它与LPP有点相似，两者最大的区别就是，在进入燃烧区前燃油和空气是否已完全混合好组成一个完整的家庭“油气混合物”。
相比于LPP，LDI由于少了预混预蒸发段，燃油和空气的相处时间变少了，为了改善他俩的混合效果，可以采用多点喷射的方法，增加与空气的面积。
·LDI示意
LDI现在还处于实验室研究阶段，不过看起来是很有发展空间的。
至于今后哪种低排放技术会独占江山或者各自鼎力，就要看未来的发展了。
看到这，你可能还是不明白什么是LPP，什么是RQL，什么是LDI，其实这些低排放技术的关注点都是怎样把空气分级，怎样喷油，怎样分配燃油和空气的混合比例。
通过控制燃烧室内局部的燃油/空气比例，降低火焰温度，从而减小氮氧化物的生产，通过提高气流速度，或者减小火焰筒长度，减小燃气在燃烧室内的停留时间，也可以达到减小氮氧化物排放的效果。
总之，一切的一切，都是为了减排，减排，减排，重要的事说三遍。
绿色科技进阶篇
生物燃料拥抱“低碳时代”
说了那么多关于氮氧化物的故事，碳家族会不高兴的。其实在“低碳经济”呼声高涨的时代，降低碳排放也是个很好的卖点。如果将航空煤油更换成生物燃料，生物在长成的过程中会吸收二氧化碳，这就可以抵消一部分碳排放，就它的整个生命周期而言，生物燃料算得上是“低碳经济”的忠实拥护者。
这里告诉大家一个好消息，生物燃料的应用不只停留在实验室阶段，它……已经……实现了……
·图片来自网络
2009年1月7日，美国大陆航空公司以海藻油与麻风树油的混合物为燃料，利用一架波737-800飞机进行了成功的试飞，这次试飞也是海藻油在航空领域的首次应用。大陆航空公司宣称，在这次试飞中，生物燃料的能效相对于标准航空燃油提高了1.1%，而二氧化碳的减排量达到惊人的60 ~ 80%。
在波音公司进行的试飞中，生物燃料与传统燃料的比例为 5 :5，未来将提升到9:1，最后将是100%采用生物燃料替代传统燃料。
据估计，只要航空业每年消耗燃料总量中的1%采用生物燃料，便可以维持生物燃料市场。如果完全使用生物燃油，整个行业每年降低碳排放的数量非常可观，在征收碳税的大趋势下，这将为航空公司节省一笔明显的支出。而生物燃料带来的节油性能将节省一笔更大的开销，整个行业可能因为生物燃油而获得1000亿美元的收益。（以上数据来自于新华网）
·图片来自网络（新华网）
绿色科技究极篇
太阳能飞行畅想
那么有没有可能连油都不烧了，使飞机成为真正的绿色使者呢？接下来，先插播一条新闻。
2015年3月9日，一架名为 “阳光动力2号”的飞机从阿联酋首都阿布扎比出发，展开预期约5个月的环球之旅，它是是人类有史以来最大的太阳能飞机，这次飞行也是太阳能飞机执行的首次环球飞行。
·图片来自网络（新华网）
听着很酷炫，太阳能飞机，这不就是绿色航空吗？是的，没有油，没有排放，未来的天空会因此而高兴。想象着以后天湛蓝湛蓝的，连乘着的飞机也好像变成绿色的了，该是件多么美好的事。
·图片来自网络
通往绿色梦想的拦路虎们
说到这，是不是觉得前途一片光明，嘿嘿，可别忘了，要想真的实现这个梦想还有很长的一段路要走，而现在大部分的航空发动机烧的还是航空煤油，忧心的是怎样把上文提到的那三种低污染燃烧技术变得更成熟。
第一个拦路虎，伴随着低污染燃烧技术，出现了一个令人头疼的问题，那就是燃烧不稳定性，你可以简单的理解为一种大振幅的压力脉动。一不注意，一个原本好好的燃烧室就会变成这样：
·燃烧不稳定性的破坏作用
回顾过去的动力系统，如丘比特/雷神、宇宙神、前苏联的RD-0110发动机的研制过程中，都曾经在燃烧不稳定问题及其解决办法上做了大量工作。有时在实验阶段有着良好的稳定性的发动机安装到飞行器上后又出现了严重的不稳定问题，这种情况下又不得不返回去研究和改进，大大延长了研制和生产周期。
上述的这些推进系统，在历史上都是很成功的，但是其研制过程无不充满艰辛。为了缩短研制周期、减小事故发生率，在前期做好不稳定性的研究和预防工作十分必要。
为什么采用了低污染燃烧技术就容易发生燃烧不稳定性呢，不要忘了，前面提到过LPP，它的英文全称是Lean-premixed-prevaporized，第一个英文单词lean就是贫油的意思。
那为什么贫油就容易出现燃烧不稳定性呢？是因为油气混合物中油太少了，就很容易熄火，实际中出现的情况是，燃烧区局部由于油气比处于贫油熄火边界附近，很容易出现局部吹熄，就这样，反复地吹熄和点燃，原先小小的压力脉动被放大以后就成了一股不可忽视的破坏性力量。当然，燃烧不稳定性的机理很复杂，这里就不展开说了，大家只要知道有这回事就行。
·脉动示意图 图片来自于网络
第二个拦路虎，除了污染排放、燃烧不稳定性，燃烧室还面临一个很传统的问题——高温冷却。
为了提高发动机推力，燃烧温度自然是越高越好。但是愿望是美好的，现实是骨感的。虽然现在的燃烧室燃气温度越来越高，但是温度的增大并不是无限制的。
一方面，燃烧室本身的材料有最高温度限制，另一方面，燃烧室出口还有涡轮管着呢，你烧太高的温度，还让不让涡轮活了，即使用最先进的耐高温材料，涡轮也只能承受1700多度的温度。另外，燃烧室的出口温度分布也是必须考量的指标，不能出现温度过高的热点，否则对涡轮的寿命和发动机的安全都是不利的。
于是乎，就出现了各种各样的冷却方式，出口温度分布调节方法。现有大型民用发动机的冷却主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。
·冷却举个例子
还没完呢，燃烧室还要预防积碳、自燃问题。
火焰筒壁上的积碳会使壁面冷却变坏，造成过热，变形、甚至开裂；涡轮叶片上的积碳使叶片的气动性能变差，降低涡轮效率，并影响发动机转子的平衡。
而自燃呢，从字面上看，就是燃油没点火之前自己就发生燃烧了，这个现象容易在燃油和空气预先混合好的情况下发生，自燃后，火焰就跑到喷嘴或者旋流器里面去了，这是不按设计走啊，自然燃烧室的性能就不达标了。防止自燃也是一门大学问呢。
讲到这里，你是否觉得这个点火青年太苦命了，忧心的事情那么多，但是乐观一点讲，正是这些新的挑战推动了一次次的技术创新，我们可爱的攻城狮们也正挖空心思寻找解决办法呢，总有一天，绿色航空梦会实现，让我们翘首以待吧。
作者：汤冠琼
责编：赵诗棋