CN101788157A - 一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，采用单环腔结构，由燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、外火焰筒、内火焰筒和燃烧室头部组成；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，采用分级燃烧方案，分为预燃级和主燃级；主燃级由预混预蒸发环管、主燃级喷嘴和主燃级旋流器构成，燃油在预混预蒸发环管内蒸发混合，形成均匀混合可燃气后再进入火焰筒，属于预混燃烧；燃油喷嘴供给预燃级燃油和主燃级燃油；燃烧室稳定工作范围主要受预燃级控制，确保在较宽的工作范围内燃烧室均能稳定燃烧，同时也为主燃级提供了稳定点火源；燃烧室污染排放则主要受主燃级控制，将主燃级预混气当量比控制在低污染燃烧范围内即可保证整个燃烧室的污染排放大大降低。本发明预混预蒸发结构尺寸小，结构简单，具备模块化特征，不但能降低航空发动机燃烧室污染排放，还能保证良好的燃烧稳定性。

Description

一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室

技术领域

本发明涉及一种利用预混预蒸发环管作为主燃级的航空燃气轮机低污染燃烧室，能够降低污染排放，并保证燃烧室高效稳定工作。

背景技术

现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于现代航空发动机燃烧室来说，仍然存在大量的难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念的发展应用才是保证其持续进步的源泉。

现代航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。航空发动机燃烧室必须满足日益严格的航空发动机污染排放标准。目前采用的CAEP4(Committee on AviationEnvironmental Protection)标准的要求已经非常严格，特别是对NOx污染排放要求，2008年采用的CAEP6标准则更为严格。

美国航空发动机的两个著名公司GE和PW对低污染燃烧室早已着手研究，GE首先研发了双环腔低污染燃烧DAC(用于GE90和CFM56)，PW公司采用了类RQL(富油燃烧-淬熄-贫油燃烧，Rich burn-Quench-Lean burn，简称RQL)低污染燃烧室TALON II(用于PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃烧室方面，GE公司采用LDM(Lean Direct MixingCombustion，贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS(Twin AnnularPremixing Swirler)低污染燃烧室。该燃烧室已经进入整机验证阶段，即将取证，在台架全环试验验证中，NOx污染排放比CAEP2排放标准降低了50％。并且GE公司申请了多项美国专利：申请号6389815、6354072、6418726、0178732、6381964和6389815等美国专利的主燃级方案采用主燃级燃油喷入到轴向或径向旋流器的后部从而形成预混预蒸发油气混合物，但要达到一定的混合度和蒸发度所需的混合和蒸发距离较长，从而影响燃烧室乃至发动机的长度和重量要求，申请号6363726的美国专利存在同样的问题，上述几个美国专利都实现了整个发动机工作范围内的低污染要求，但主燃级燃油喷射点离旋流器出口都有一段不小的距离，增加了燃烧室头部轴向长度。PW公司继续采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃烧室为TALON X，采用的头部形式是PW公司发展的空气雾化喷嘴，燃烧室为单环腔，在V2500发动机扇型试验段上的试验结果比CAEP2标准降低了50％。Rolls-Royce公司采用LDM技术发展的低污染燃烧室是ANTLE，该燃烧室是一个单环腔分级燃烧室，其NOx污染排放比CAEP2标准降低了50％，用于其新一代发动机湍达1000。

中国的北京航空航天大学也就低污染燃烧室申请了ZL200810104686.3、ZL200810105061.9、200810105062.3和200810104684.4等多项专利，采用的方案是在旋流器叶片内部或拐弯区就喷入主燃级燃油，与美国GE公司的专利相比将主燃级燃油的喷入点位置提前了，从而在几何尺寸上可以缩短主燃级长度。但这些专利中主燃级的蒸发及掺混效果受旋流器流动影响很大，要进一步降低污染排放水平难度较大，于是北京航空航天大学又提出了专利申请200910238793.x的方案，采用预膜空气环的预混预蒸发结构，并在主燃级出口设置了主燃级出口导流支撑，从而提高主燃级的蒸发掺混效果，但主燃级的复杂度和重量有所增加。

而不管是何种先进的低污染燃烧室，其关键技术就是降低NOX(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、UHC(未燃碳氢化合物)和冒烟的燃烧技术，核心问题是降低燃烧区的温，同时使燃烧区温度场均匀，即整体和局部的当量比控制，而主燃区当量比的均匀性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均匀性。

本发明是针对航空发动机低污染燃烧的新方法。根据NOx与CO产生的机理及试验结果可知：燃烧室的主燃区当量比在0.6～0.8范围内产生的NOx与CO(UHC和CO的排放规律类似)很少。基于此原理，要兼顾NOx与CO、UHC的排放量都处于低值范围，应考虑两个因素：其一是主燃区的平均当量比，其二是主燃区平均当量比的均匀性，并且在所有航空发动机的工作情况下都应如此。而主燃区当量比的均匀性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均匀性。这主要取决于两方面：一是燃油颗粒直径分布的均匀性，即SMD的分布均匀性；二则是燃油油雾浓度分布的均匀性。从燃烧方式讲，应采用均匀的预混燃烧，达到主燃区当量比均匀性要求以降低污染排放。

目前的常规燃烧方式无法降低NOx、CO和UHC。原因是目前燃烧室的设计方法所决定的。对于常规燃烧室来说，在高功率状态时，由于采用液雾扩散燃烧方式，燃烧区局部当量比总是在1附近，远超过上述低污染燃烧所需当量比范围要求，此时虽然CO和UHC的排放低，但NOx的排放达到最大。在低功率状态时，燃烧区当量比又很低，远低于上述低污染燃烧所需当量比区间，此时虽然NOx排放低，但CO和UHC排放又很高。另外，由于常规燃烧室普遍采用扩散燃烧方式，局部当量比不均匀，因此对于常规燃烧室来说，无法满足在整个发动机工作范围内的低污染要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种带预混预蒸发环管的航空发动机低污染燃烧室，该燃烧室燃烧区油气分布均匀，不但能在大部分工况下保持低的污染排放，在低工况下又能保证发动机稳定工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，采用单环腔结构，其特征在于：由燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、外火焰筒、内火焰筒和燃烧室头部组成；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，掺混空气由掺混孔射入；采用分级燃烧方案，分为预燃级和主燃级，燃油喷嘴供给燃油，主燃级通过主燃级头部整体端壁与外火焰筒和内火焰固定，预燃级则通过预燃级头部端壁与主燃级联接；主燃级由预混预蒸发环管外环、预混预蒸发环管内环、主燃级喷嘴和主燃级旋流器构成，其中预混预蒸发环管外环和预混预蒸发环管内环构成了预混预蒸发环管，主燃级旋流器安装环将主燃级旋流器与预混预蒸发环管联接在一起，主燃级喷嘴采用直射式喷嘴插入主燃级旋流器，进行初始雾化，在预混预蒸发环管内旋流实施二次雾化、蒸发和掺混，形成均匀混合可燃气，从预混预蒸发环管出口以一定的旋流形式进入火焰筒。

所述的预混预蒸发环管外环上开有预混预蒸发环管外环一级进气孔、预混预蒸发环管外环二级进气孔、预混预蒸发环管外环三级进气孔，预混预蒸发环管内环上开有预混预蒸发环管内环一级进气孔、预混预蒸发环管内环二级进气孔预混预蒸发环管内环三级进气孔，孔与预混预蒸发环管壁面所形成的倾角均在10°～90°范围内。

所述的燃烧室头部沿周向均匀布置，个数为10～60个，其空气量占燃烧室总空气量的20％～80％，其中主燃级占头部空气量的60％～90％，预燃级占头部空气量的10％～40％。

所述的主燃级旋流器采用双级旋流结构，由主燃级旋流器内旋流进气孔和主燃级旋流器外旋流进气孔进气，进气比例为1∶4～1∶2。

所述的燃油喷嘴供应燃烧室所需的全部燃油，包括预燃级喷嘴和主燃级喷油嘴，其中主燃级喷油嘴的个数为6～30个，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％。

本发明的原理如下：通过控制航空发动机燃烧室内燃烧区的当量比和均匀度来达到降低污染排放的目的。燃烧用空气全部从燃烧室头部进入火焰筒，使大部分的燃油和空气掺混均匀后再进入火焰筒燃烧，对控制燃烧区当量比降低污染排放有利。采用分级燃烧方案，扩散燃烧预燃级保证整个燃烧室的燃烧稳定性，确保主燃级在宽的当量比范围内燃烧完全，而主燃级则利用预混预蒸发环管将液态燃油蒸发并与空气掺混，给燃烧室提供均匀可燃混气，从而控制整个燃烧区的当量比和均匀性。预混预蒸发环管采用了三级进气孔，并且带有一定的倾角，加强了二次雾化、蒸发和掺混的程度，又使主燃级混合气在燃烧区内与燃烧后的高温燃气迅速掺混。在低工况下，预燃级局部当量比较高，具有较好的稳定性，尽管当时燃烧室总体当量比很低，却能保证燃烧室稳定工作。在大工况下，主燃级和预燃级同时工作，而主燃级的油流量占大部分，而该部分采用的均匀混气预混燃烧，使燃烧区的当量比在污染排放较低的范围内，从而控制了大工况下的污染排放。因此，燃烧室的污染排放主要受主燃级控制，而稳定工作范围主要受预燃级控制，确保了航空发动机在宽的工作范围内拥有低污染排放，同时在低工况和转级过程中具有良好的稳定性。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

(1)本发明主燃级采用预混预蒸发环管结构，能在较短的几何尺寸内实现快速蒸发掺混，出口混合气更均匀，可以在极短的时间内燃烧完全，燃烧效率高，加之燃烧当量比严格控制在一定范围内，可降低燃烧室的污染排放。

(2)本发明采用单环腔燃烧室结构，燃烧用空气全部由头部供入，火焰筒上只有掺混孔和必要的冷却孔，具有模块化特征，简化了燃烧室结构，预混预蒸发环管结构也较简单，易于加工；

(3)本发明采用分级燃烧概念，预燃级提供稳火源，主燃级实现低污染燃烧，在降低污染排放的同时可确保航空发动机燃烧室的稳定性。

附图说明

图1是发动机结构示意图；

图2是本发明的燃烧室结构剖视图；

图3是本发明的燃烧室头部结构剖视图；

图4是本发明的预燃级结构剖视图；

图5是本发明的主燃级结构剖视图；

图6是本发明的主燃级结构立体图；

图7是本发明的燃油喷嘴结构剖视图；

图8是本发明的燃油喷嘴结构立体图。

其中1是低压压气机，2是高压压气机，3是燃烧室，4是高压涡轮，5是低压涡轮，6是燃烧室外机匣，7是燃烧室内机匣，8是外火焰筒，9是内火焰筒，10是扩压器，11是外掺混孔，12是内掺混孔，13是燃烧室头部，14是主燃级，15是预燃级，16是燃油喷嘴，17是预燃级油雾，18是主燃级油雾，19是预燃级内旋流器，20是预燃级外旋流器，21是主燃级旋流器，22是预混预蒸发环管外环，23是预混预蒸发环管内环，24是预燃级出口直径，25是预混预蒸发环管出口内径，26是预混预蒸发环管出口外径，27是预燃级喷油嘴安装孔，28是预燃级内旋流器安装环，29是预燃级内旋流文氏管，30是预燃级安装边，31是主燃级喷油嘴安装孔，32是主燃级旋流器内旋流进气孔，33是主燃级旋流器外旋流进气孔，34是主燃级旋流器安装环，35是预混预蒸发环管外环一级进气孔，36是预混预蒸发环管外环二级进气孔，37是预混预蒸发环管外环三级进气孔，38是预混预蒸发环管内环一级进气孔，39是预混预蒸发环管内环二级进气孔，40是预混预蒸发环管内环三级进气孔，41是预燃级燃油管路，42是预燃级喷油嘴，43是主燃级燃油管路，44是主燃级燃油环管，45是主燃级喷油嘴，46是主燃级头部整体端壁，47是主燃级头部整体导流片，48是预燃级头部端壁，49是预燃级头部导流片。

具体实施方式

图1是发动机结构示意图，包括低压压气机1，高压压气机2，燃烧室3，高压涡轮4和低压涡轮5。发动机工作时，空气经过低压压气机1压缩后，进入高压压气机2，高压空气再进入燃烧室3中与燃油燃烧，燃烧后形成的高温高压燃气进入到高压涡轮4和低压涡轮5，通过涡轮做功分别驱动高压压气机2和低压压气机1。

如图2所示，燃烧室3采用单环腔结构，燃烧室外机匣6和燃烧室内机匣7构成了燃烧室的外轮廓，并与前后的高压压气机2和高压涡轮4连接。高压压气机2的来流空气从扩压器10经过降速扩压后进入燃烧室，在外火焰筒8、内火焰筒9和燃烧室头部13所包围的空间内与燃油完成燃烧。在外掺混孔11和内掺混孔12以前的区域为燃烧区，掺混空气从掺混孔进入火焰筒，与燃烧区的高温燃气掺混，使出口温度达到设计要求。燃烧室头部13包括主燃级14、预燃级15以及燃油喷嘴16，主燃级14通过主燃级头部整体端壁46与外火焰筒8和内火焰筒9焊接固定，而预燃级15则由预燃级头部端壁48与主燃级14固定联接，燃油喷嘴16供给全部燃油。主燃级头部整体导流片47与预燃级头部导流片49分别焊接在主燃级头部整体端壁46与预燃级头部端壁48上，将它们和火焰筒内的高温燃气分开，以保护结构完整性。

图3是一个燃烧室头部结构的剖视图，可清楚的看出主燃级14和预燃级15按照同心的方式布置在一起。在图4中，预燃级15采用了双旋流器结构，主要由预燃级内旋流器19和预燃级外旋流20组成，预燃级出口直径24的大小可控制预燃级出口气流速度，从而达到优化的预燃级稳火效果。预燃级内旋流文氏管29和预燃级外旋流20焊接，预燃级内旋流器19则通过预燃级内旋流器安装环28与预燃级内旋流文氏管29连接，同时可浮动。预燃级安装边30则与预燃级头部端壁48和预燃级头部导流片49连接，可采用焊接或螺纹加锁紧的方式。预燃级油雾17利用预燃级内旋流文氏管29进一步雾化。在图5和图6中，主燃级14则主要由主燃级旋流器21、预混预蒸发环管外环22和预混预蒸发环管内环23构成，其中预混预蒸发环管外环22和预混预蒸发环管内环23所组成的环管结构可称之为预混预蒸发环管，主燃级旋流器21与预混预蒸发环管则通过主燃级旋流器安装环34压紧联接在一起，也具有一定的浮动性。而且主燃级旋流器21也采用双级旋流结构，旋流器进气通过主燃级旋流器内旋流进气孔32和主燃级旋流器外旋流进气孔33实现，两者的进气比例为1∶4～1∶2，可对主燃级油雾18进行雾化。本实施例中预混预蒸发环管外环22上开有16个直径3mm的预混预蒸发环管外环一级进气孔35、48个直径2.5mm的预混预蒸发环管外环二级进气孔36和48个直径2.5mm的预混预蒸发环管外环三级进气孔37；预混预蒸发环管内环23同样开有16个直径3mm的预混预蒸发环管内环一级进气孔38、48个直径2.5mm的预混预蒸发环管内环二级进气孔39和48个直径2.5mm的预混预蒸发环管内环三级进气孔40，这些进气孔与预混预蒸发环管壁面之间的倾角为10°～90°，使预混预蒸发环管内的空气具有旋流特征，使液体燃油蒸发更加完全，相互掺混更均匀，并以一定旋流进入火焰筒，增强燃烧区掺混，稳定性更佳。预混预蒸发环管出口内径25和预混预蒸发环管出口外径26则用来确定主燃级14的预混预蒸发环管出口面积，保证主燃级均匀混合气以合理的速度射入燃烧区。燃烧室头部13沿周向均匀布置，个数为10～60个，其空气量占燃烧室总空气量的20％～80％，其中主燃级14占头部空气量的60％～90％，预燃级15占头部空气量的10％～40％。

燃油喷嘴16的结构如图7和图8所示。预燃级喷油嘴42采用一个离心喷嘴，通过预燃级燃油管路41供油，通过预燃级喷油嘴安装孔27与预燃级内旋流器19配合。主燃级喷油嘴45为直射式喷嘴，个数为6～30个，孔径0.3～1.0mm，通过主燃级燃油管路43和主燃级燃油环管44供油，通过主燃级喷油嘴安装孔31与主燃级旋流器21配合。形成了整体喷嘴结构，可采用铸造和机加工相配合的方式制造而成。燃油喷嘴16供应燃烧室所需的全部燃油，其中主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％。另外，由于主燃级旋流器安装环34和预燃级内旋流器安装环28的存在，燃油喷嘴16在与主燃级14和预燃级15配合上都具有可浮动性，一是为了便于安装，二是防止燃烧室工作时火焰筒产生的轴向和径向热应力对结构产生破坏。

Claims (5)

1.一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，其特征在于：燃烧室采用单环腔结构，由燃烧室外机匣(6)和燃烧室内机匣(7)构成其外轮廓，由外火焰筒(8)、内火焰筒(9)和燃烧室头部(13)形成燃烧区域，燃烧用空气全部由燃烧室头部(13)进入火焰筒，掺混空气由外火焰筒(8)上的外掺混孔(11)和内火焰筒(9)上的内掺混孔(12)射入；所述的燃烧室头部(13)采用分级燃烧方案，分为主燃级(14)和预燃级(15)，由燃油喷嘴(16)供给燃油，主燃级(14)通过主燃级头部整体端壁(46)与外火焰筒(8)和内火焰(9)固定；预燃级(15)通过预燃级头部端壁(48)与主燃级(14)联接，并与主燃级(14)同心；所述的主燃级(14)由预混预蒸发环管外环(22)、预混预蒸发环管内环(23)、主燃级喷油嘴(45)和主燃级旋流器(21)构成，其中预混预蒸发环管外环(22)和预混预蒸发环管内环(23)构成了预混预蒸发环管，主燃级旋流器安装环(34)将主燃级旋流器(21)与预混预蒸发环管联接在一起，主燃级喷油嘴(45)为直射式喷嘴插入主燃级旋流器(21)上的主燃级喷油嘴安装孔(31)，通过主燃级旋流器(21)进行初始雾化，在预混预蒸发环管内旋流实施二次雾化、蒸发和掺混，与空气均匀混合，在较短的几何尺寸内实现快速蒸发掺混，并以一定的旋流形式进入火焰筒燃烧，保证燃烧的稳定性和低的污染排放。

2.根据权利要求1所述的一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，其特征在于：所述的预混预蒸发环管外环(22)上开有预混预蒸发环管外环一级进气孔(35)、预混预蒸发环管外环二级进气孔(36)和预混预蒸发环管外环三级进气孔(37)；预混预蒸发环管内环(23)上开有预混预蒸发环管内环一级进气孔(38)、预混预蒸发环管内环二级进气孔(39)和预混预蒸发环管内环三级进气孔(40)；上述所有进气孔与预混预蒸发环管壁面所形成的倾角均为10°～90°。

3.根据权利要求1所述的一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，其特征在于：所述的燃烧室头部(13)沿周向均匀布置，个数为10～60个，燃烧室头部(13)的空气量占燃烧室总空气量的20％～80％，其中主燃级(14)占头部空气量的60％～90％，预燃级(15)占头部空气量的10％～40％。

4.根据权利要求1所述的一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，其特征在于：所述的主燃级旋流器(21)采用双级旋流结构，由主燃级旋流器内旋流进气孔(32)和主燃级旋流器外旋流进气孔(33)进气，对应的进气比例为1∶4～1∶2。

5.根据权利要求1所述的一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，其特征在于：所述的燃油喷嘴(16)供应燃烧室所需的全部燃油，包括预燃级喷嘴(42)和主燃级喷油嘴(45)，主燃级喷油嘴(45)的个数为6～30个，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％。

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