CN102022753A

CN102022753A - 一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室

Info

Publication number: CN102022753A
Application number: CN 201010623917
Authority: CN
Inventors: 付镇柏; 林宇震; 许全宏; 张弛
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102022753B

Abstract

一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，采用单环腔结构，包括扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、火焰筒外壁、火焰筒内壁和燃烧室头部；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；主燃级采用预混燃烧方式，预燃级采用旋流稳定的扩散燃烧与旋流预混燃烧相结合的方式。预燃级采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，在不影响稳定燃烧的同时降低了小工况下的污染物排放。本发明预燃级结构简单，在不影响燃烧稳定性的同时，降低了小工况下的污染排放，从而使航空发动机燃烧室的整个着陆起飞循环(Landing and Take-off，LTO)的污染排放得到进一步降低。

Description

一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室

技术领域

本发明涉及一种利用预混预蒸发燃烧技术的航空燃气轮机低污染燃烧室。采用分级燃烧的模式，主燃级采用预混燃烧的方式，主要用于降低大工况下的污染排放；预燃级采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，在保证燃烧室稳定燃烧的同时，降低小工况下的污染排放，从而降低航空发动机整个LTO循环的污染排放。

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。

现代民用航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。民用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CAEP6(Committee on Aviation Environmental Protection)标准对污染排放物的规定已经非常严格，特别是对NOx污染排放要求；而最新的CAEP8标准提出了将NOx的排放在CAEP6的排放标准上降低15％，随着航空业的迅猛发展和人们环保意识的不断提高，未来对燃气轮机燃烧室污染排放会提出更高的要求。

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 Mixing Combustion，贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS(Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃烧室。该燃烧室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％。GE公司申请了多项美国专利：申请号6363726、6389815、6354072、6418726、0178732、6381964和6389815，所有这些专利都是预燃级采用扩散燃烧、主燃级采用预混燃烧的燃烧组织方式，目的是降低排放指数最大的大工况下的NOx排放。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对低污染燃烧室也申请了200910238793.X、201010101574.X、201010034141.7、201010277014.X等多项专利，采用的方案是预燃级采用扩散燃烧方式，主燃级采用预混燃烧方式，主燃级为环形结构，轴向或径向供油，采用多点喷射或是预膜雾化方式，目的是降低大工况下的NOx排放，从而使整个LTO循环的NOx的排放得到降低，但要进一步降低整个LTO循环的NOx的排放水平难度较大。

以上所述的专利，都是针对在大工况下降低污染排放，而根据国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)规定的一个标准循环下的排放物指数，用LTO Emission来表达这个参数，计算如下式：

LTO Emission (g / kN) = \frac{D_{p}}{F_{oo}} = \frac{Σ_{i}^{N} {EI}_{m, i} {\overset{\cdot}{m}}_{mf, i} T_{m, i}}{F_{oo}}

由上式可知，LTO Emission跟四个工况下的NOx排放量有关，即既与大工况下的NOx排放有关，还与小工况下的NOx排放有关。

标准LTO循环中的运行模式、每个运行模式下的推力和运行时间，如下表所示。

表1 ICAO规定的LTO循环中的运行模式和时间

运行模式	推力设置	运行时间(min)
			起飞(Take-off)	100％F_oo	0.7
爬升(Climb)	85％F_oo	2.2
			进场(Approach)	30％F_oo	4.0
滑行/地面慢车(Taxi/ground idle)	7％F_oo	26.0

常规或者现役的推力在140KN的CFM56-5B/3发动机的NOx排放如下表，数据来源于ICAO Emission data bank。

表2 CFM56-5B/3的NOx排放水平

参数	单位	慢车	进场	爬升	起飞
						排放指数(EI)	g/(kgf)	4.45	9.28	19.77	26.18
燃油流量	kg/s	0.112	0.448	1.086	1.325
						运行时间	g	1560	240	132	42
排放量	g/kN	777.5	997.8	2834.1	1456.9

燃烧室采用分级燃烧，预燃级为扩散燃烧方式，主燃级为预混燃烧方式，降低了大工况下的NOx排放，可以达到的NOx排放如下表所示：

表3主燃级采用预混燃烧可以达到的NOx排放水平

参数	单位	慢车	进场	爬升	起飞
						NOx排放指数(EI)	g/(kgf)	4.45	9.28	4	4.1
燃油流量	kg/s	0.112	0.448	1.086	1.325
						运行时间	g	1560	240	132	42
排放量	g/kN	777.5	997.8	594	228

在小工况(地面慢车、进场)下，虽然NOx排放指数较低，根据表1可知小工况下的运行时间远远高于其他大工况，根据表3可知，当主燃级采用预混燃烧方式时，可以使大工况下的NOx排放指数得到大幅度降低，此时预燃级的NOx排放总量在整个LTO循环的污染排放排放中占的比重最大，因此要想进一步降低整个LTO循环的NOx排放，就需要考虑降低预燃级的NOx排放。

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度，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，在大状态时，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。在小状态时，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，运用预混预蒸发燃烧技术，提供了一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，该燃烧室的主燃级采用预混燃烧方式，能在大工况下保持较低的污染排放；预燃级采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，在小工况下既能保证发动机稳定工作又能降低污染排放，从而降低了整个LTO循环中的污染排放。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：预燃级采用部分预混燃烧的方式，主燃级采用完全预混燃烧的方式。该低污染燃烧室采用单环腔结构，其特征在于：由扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、火焰筒外壁、火焰筒内壁和燃烧室头部组成；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，燃油喷嘴供给燃烧室所有燃油，主燃级通过头部整体端壁与火焰筒外壁和火焰筒内壁固定，预燃级则通过预燃级头部端壁与主燃级联接，并与主燃级同心；所述预燃级由预燃级旋流器组成，其中预燃级旋流器包括预燃级外环管、预燃级内环管、预燃级旋流器叶片；预燃级外环管为一整体结构，可以分为预燃级外环管前直段、预燃级外环管后弯段两部分；预燃级内环管为一整体结构，可以分为预燃级内环管前直段、预燃级内环管后弯段两部分；预燃级旋流器叶片沿预燃级外环管前直段和预燃级内环管前直段周向均匀布置，并连接在预燃级外环管前直段内表面和预燃级内环管前直段外表面上，从而将预燃级外环管和预燃级内环管连接在一起；预燃级外环管和预燃级内环管形成预燃级外通道，预燃级外通道27包括三部分，预燃级叶片通道、预燃级上游外通道和预燃级下游外通道，其中预燃级外环管前直段、预燃级内环管前直段以及各预燃级旋流器叶片形成多个预燃级叶片通道，在预燃级叶片通道上游的预燃级外通道称为预燃级上游外通道，预燃级叶片通道下游的预燃级外通道称为预燃级下游外通道，预燃级内环管形成预燃级内通道，预燃级内通道包括两部分，预燃级喷嘴定位环上游内通道和预燃级喷嘴定位环下游内通道；预燃级内环管前直段内表面有凸出的预燃级喷嘴定位环，预燃级喷嘴定位环将预燃级内通道分为预燃级喷嘴定位环上游内通道和预燃级喷嘴定位环下游内通道；在预燃级内环管前直段或预燃级内环管后弯段开有预燃级内通道进气孔；经过预燃级叶片通道的来流一部分经过预燃级内通道进气孔进入预燃级喷嘴定位环下游内通道，一部分仍在预燃级外通道里流动；在预燃级内环管前直段开有预燃级周向喷油孔，预燃级周向喷油孔沿预燃级内环管前直段周向均匀分布，预燃级周向喷油孔处在预燃级叶片通道里或预燃级下游外通道里；预燃级通过预燃级旋流器安装边与预燃级头部端壁相连；所述主燃级由预混预蒸发环管外环、预混预蒸发环管内环、主燃级出口导流支撑和主燃级旋流器、主燃级旋流器安装环、主燃级进口挡板构成，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腔；主燃级旋流器嵌在主燃级进口挡板的主燃级旋流器定位孔中，主燃级进口挡板与预混预蒸发环管外环、预混预蒸发环管内环焊接在一起，主燃级旋流器安装环将主燃级旋流器紧压在主燃级进口挡板，将主燃级旋流器与预混预蒸发环管外环、预混预蒸发环管内环联接在一起；所述燃油喷嘴向燃烧室供给所有燃油，燃油喷嘴包括预燃级一级喷油嘴、预燃级二级喷油嘴和主燃级喷油嘴，燃油喷嘴从燃烧室头部的上游直接插入主燃级和预燃级中；其中预燃级一级喷油嘴为单个喷嘴，直接插入到预燃级喷嘴定位环下游内通道里，经过预燃级燃油管路的燃油一部分通过预燃级一级喷油嘴形成预燃级一级油雾，预燃级一级油雾打在预燃级旋流器文氏管内壁面上形成油膜，在经过预燃级内通道进气孔的来流作用下进行雾化，在预燃级出口进行扩散燃烧；预燃级二级喷油嘴由预燃级二级燃油集油箱组成，预燃级二级喷油嘴直接插入预燃级喷嘴定位环上游内通道中，并通过预燃级喷嘴定位环对预燃级二级喷油嘴进行轴向定位，同时保证了预燃级一级喷油嘴插入到预燃级喷嘴定位环下游内通道里；预燃级二级燃油集油箱为环形结构，开有预燃级二级燃油集油箱环腔，预燃级二级燃油集油箱环腔上沿周向均匀开设了多个预燃级集油环腔直射喷口，多个预燃级集油环腔直射喷口与对应的预燃级周向喷油孔是同心的；在预燃级燃油管路上沿周向均匀开设了若干个预燃级燃油分级孔，经过预燃级燃油管路的燃油一部分通过预燃级燃油分级孔进入预燃级二级燃油集油箱环腔，然后依次经过预燃级集油环腔直射喷口、预燃级周向喷油孔形成多股预燃级二级油雾，向预燃级叶片通道或预燃级下游外通道内喷射，在预燃级叶片通道或预燃级下游外通道内，预燃级二级油雾在旋流的作用下进行蒸发和预混，然后经过预燃级外通道出口进入预燃级出口进行预混燃烧；预燃级采用预燃级一级喷油嘴扩散燃烧和预燃级二级喷油嘴预混燃烧相结合的方式，在不影响稳定燃烧的同时降低了小工况下的污染物排放；主燃级喷油嘴为直射式喷嘴，主燃级喷油嘴沿主燃级燃油环管均匀布置，各主燃级喷油嘴也分别插入到对应的主燃级喷油嘴安装孔中，从而也对预燃级二级喷油嘴进行了周向定位，使各预燃级集油环腔直射喷口与同心的预燃级周向喷油孔一一对应；经过主燃级燃油管路的燃油经过主燃级喷油嘴形成主燃级油雾，在经过主燃级旋流器的空气作用下对燃油进行初始雾化，在预混预蒸发环腔内旋流实施二次雾化、蒸发和掺混，在较短的几何尺寸内实现燃油快速蒸发并与空气均匀掺混，最后燃油蒸汽与空气的预混气以一定的旋流形式进入火焰筒燃烧，保证较低的污染排放。

所述预燃级一级喷油嘴为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。

所述预燃级采用的预燃级旋流器为叶片式旋流器，叶片安装角度为30°～70°，预燃级旋流器的级数n为1≤n≤3；每级叶片式旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器；当预燃级旋流器级数n＝1时，预燃级旋流器直接与预燃级头部整体端壁联接；当预燃级旋流器级数n＞1时，各级叶片式旋流器先连接成一个整体，组成预燃级旋流器后再与预燃级头部端壁连接。

所述燃油喷嘴供应燃烧室所需的全部燃油，包括预燃级一级喷油嘴、预燃级二级喷油嘴和主燃级喷油嘴，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％。

所述预燃级燃油管路上开有预燃级燃油分级孔，个数为2～6，预燃级燃油管路同时向预燃级一级喷油嘴、预燃级二级喷油嘴供油，其中预燃级二级喷油嘴燃油流量占预燃级燃油流量的50％～80％。

所述预燃级周向喷油孔与预燃级集油环腔直射喷口是一一对应且同心的；预燃级周向喷油孔与预燃级集油环腔直射喷口的有效流通面积比值为2∶1～5∶1；预燃级旋流器叶片通道的个数与预燃级周向喷油孔的个数之比为1∶1～5∶1。

所述预燃级周向喷油孔在预燃级叶片通道里或预燃级下游外通道里；预燃级周向喷油孔的中心与预燃级出口的轴向距离为20～50mm。

所述预燃级内环管前直段、预燃级内环管后弯段上开有若干级预燃级内通道进气孔，预燃级内通道进气孔的级数m为1≤m≤3，有效面积占预燃级总进气有效面积的20％～50％；预燃级内通道进气孔与预燃级内环管壁面所形成的倾角均为10°～90°，旋向可以与预燃级旋流器旋向相同或相反。

所述预混预蒸发环管外环和预混预蒸发环管内环上开有若干级进气孔，进气孔的级数p为1≤p≤5；进气孔与预混预蒸发环管壁面所形成的倾角均为10°～90°。

所述燃烧室头部沿周向均匀布置，个数为10～60个，燃烧室头部的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％。

所述燃烧室的火焰筒外壁和火焰筒内壁的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。

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，在小工况下，只有预燃级供油工作，在大工况下，主燃级和预燃级共同供油工作。在小工况下，只有预燃级供油工作，预燃级部分燃油经过预燃级一级喷油嘴在预燃级出口处燃烧，为扩散燃烧方式；预燃级部分燃油经过预燃级二级喷油嘴进入旋流器的空气流道，在旋流作用下进行预先蒸发和与空气掺混，在预燃级出口处参与燃烧，为预混燃烧方式。由于预燃级出口为较强的回流区，扩散燃烧的预燃级燃油和预混燃烧的预燃级油气混合物都在该强回流区内燃烧，因此保证了燃烧的稳定性，同时由于油气混合均匀性得到提高，从而降低了小工况下的污染排放；在大工况下，主燃级和预燃级同时供油工作，而主燃级的燃油流量占大部分，污染物排放主要受主燃级控制，而主燃级采用的均匀油气混合气预混燃烧，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，该型燃烧室确保了航空发动机在宽的工作范围内拥有低污染排放，从而进一步降低了整个LTO循环下的NOx排放，同时保证了燃烧稳定性。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

(1)本发明预燃级采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的燃烧方式，通过将预燃级燃油分级的方式达到预燃级两种燃烧方式共存的目的，在不影响燃烧室工作稳定性的同时，降低了小工况下的污染排放。

(2)本发明主燃级采用了完全预混燃烧的方式，预燃级采用了部分预混燃烧的方式，可以将大工况下和小工况下的污染排放同时降低，从而进一步降低了整个LTO循环的污染排放。

(3)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，主燃级和预燃级结构较简单，易于加工。

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是本发明的预燃级与预燃级一级喷油嘴、预燃级二级喷油嘴的装配剖视图；

图6是本发明的过预燃级周向喷油孔中心截面(A-A截面)的剖视图；

图7是本发明的过预燃级旋流器内通道进气孔中心截面(B-B截面)的剖视图；

图8是本发明的预燃级旋流器叶片和预燃级内环管组合结构立体图；

图9是本发明的主燃级结构剖视图；

图10是本发明的主燃级结构前视立体图；

图11是本发明的主燃级结构后视立体图；

图12是本发明的燃油喷嘴结构剖视图；

图13是本发明的过预燃级集油环腔直射喷口中心截面(C-C截面)的剖视图；

图14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是火焰筒外壁，9是火焰筒内壁，10是扩压器，11是火焰筒外壁掺混孔，12是火焰筒内壁掺混孔，13是燃烧室头部，14是主燃级，15是预燃级，16是燃油喷嘴，17是预燃级一级油雾，18是预燃级二级油雾，19是主燃级油雾，20是预燃级旋流器，21是预燃级外环管，22是预燃级内环管，23是预燃级旋流器叶片，24是预燃级喷嘴定位环，25是预燃级外环管前直段，26是预燃级外环管后弯段，27是预燃级内环管前直段，28是预燃级内环管后弯段，29是预燃级外环管前直段内表面，30是预燃级内环管前直段内表面，31是预燃级内环管前直段外表面，32是预燃级外通道，33是预燃级内通道，34是预燃级叶片通道，35是预燃级上游外通道，36是预燃级下游外通道，37是预燃级喷嘴定位环上游内通道，38是预燃级喷嘴定位环下游内通道，39是预燃级内通道进气孔，40是预燃级周向喷油孔，41是预燃级旋流器文氏管，42是预燃级旋流器文氏管内壁面，43是预燃级安装边，44是预燃级外通道出口，45是预燃级出口，46是主燃级旋流器安装环，47是主燃级进口挡板，48是主燃级旋流器，49是预混预蒸发环管外环，50是预混预蒸发环管内环，51是预混预蒸发环腔，52是主燃级出口导流支撑，53是预燃级出口直径，54是预混预蒸发环管出口内径，55是预混预蒸发环管出口外径，56是主燃级喷油嘴安装孔，57是主燃级旋流器进气孔，58是主燃级旋流器定位孔，59是预混预蒸发环管外环进气孔，60是预混预蒸发环管内环进气孔，61是预燃级燃油管路，62是预燃级一级喷油嘴，63是预燃级二级喷油嘴，64是预燃级二级燃油集油箱，65是预燃级二级燃油集油箱环腔，66是预燃级燃油分级孔，67是预燃级集油箱直射喷口，68是主燃级燃油管路，69是主燃级燃油环管，70是主燃级喷油嘴，71是头部整体端壁，72是头部整体导流片，73是预燃级头部端壁，74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，在火焰筒外壁8、火焰筒内壁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通过头部整体端壁69与火焰筒外壁8和火焰筒内壁9焊接固定，而预燃级15则由预燃级头部端壁71与主燃级14固定联接，燃油喷嘴16供给全部燃油。头部整体导流片70与预燃级头部导流片72分别焊接在头部整体端壁69与预燃级头部端壁71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。图4是预燃级结构剖视图，从图4中可以看到，预燃级15由预燃级旋流器20组成。从图4、图8、图9可以看到，预燃级旋流器20为叶片式旋流器，预燃级旋流器20可以由单级叶片式旋流器组成，可以由多级叶片式旋流器组成，每级叶片式旋流器的结构可以是轴向旋流器，或是径向旋流器；当预燃级旋流器20采用单级叶片式旋流器时，预燃级旋流器20直接与预燃级头部整体端壁73连接，当预燃级旋流器20采用多级叶片式旋流器时，各级叶片式旋流器先连接成一个整体，组成预燃级旋流器20后再与预燃级头部端壁73连接；预燃级旋流器20与预燃级头部整体端壁73连接采用预燃级旋流器安装边43与预燃级头部整体端壁73焊接或螺纹加锁紧的方式实现；预燃级旋流器20包括预燃级外环管21、预燃级内环管22、预燃级旋流器叶片23；预燃级外环管21为一整体结构，可以分为预燃级外环管前直段25、预燃级外环管后弯段26两部分；预燃级内环管22为一整体结构，可以分为预燃级内环管前直段27、预燃级内环管后弯段28两部分；预燃级旋流器叶片23沿预燃级外环管前直段25和预燃级内环管前直段27周向均匀布置，并焊接在预燃级外环管前直段内表面29和预燃级内环管前直段外表面31上，从而将预燃级外环管21和预燃级内环管22连接在一起，预燃级旋流器叶片23的叶片安装角度为30°～70°；预燃级外环管21和预燃级内环管22形成预燃级外通道32，预燃级外通道32包括三部分，预燃级叶片通道34、预燃级上游外通道35和预燃级下游外通道36，其中预燃级外环管前直段25、预燃级内环管前直段27以及各预燃级旋流器叶片23形成多个预燃级叶片通道34，在预燃级叶片通道34上游的预燃级外通道32称为预燃级上游外通道35，预燃级叶片通道34下游的预燃级外通道32称为预燃级下游外通道36，预燃级内环管22形成预燃级内通道33，预燃级内通道33包括两部分，预燃级喷嘴定位环上游内通道37和预燃级喷嘴定位环下游内通道38；预燃级内环管前直段内表面30有凸出的预燃级喷嘴定位环24，预燃级喷嘴定位环24与预燃级内环管22作为一个整体结构；预燃级喷嘴定位环24将预燃级内通道33分为预燃级喷嘴定位环上游内通道37和预燃级喷嘴定位环下游内通道38；从图4、图7可以看到，在预燃级内环管前直段27或预燃级内环管后弯段28开有预燃级内通道进气孔39，经过预燃级叶片通道34的来流一部分经过预燃级内通道进气孔39进入预燃级喷嘴定位环下游内通道38，一部分仍在预燃级外通道32里流动；预燃级内通道进气孔39的级数m为1≤m≤3，有效面积占预燃级总进气有效面积的20％～50％；预燃级内通道进气孔39与预燃级内环管22壁面所形成的倾角均为10°～90°，旋向可以与预燃级旋流器20旋向相同或相反。从图4、图6可以看到，在预燃级内环管前直段27开有预燃级周向喷油孔40，预燃级周向喷油孔40沿预燃级内环管前直段27周向均匀分布，预燃级周向喷油孔40处在预燃级叶片通道34里或预燃级下游外通道36里；预燃级旋流器叶片通道34的个数与预燃级周向喷油孔40的个数之比为1∶1～5∶1，预燃级周向喷油孔40的中心与预燃级出口45的轴向距离为20～50mm。图5是预燃级与预燃级一级喷油嘴、预燃级二级喷油嘴的装配剖视图，从图5可以看到，通过预燃级燃油管路61的燃油一部分通过预燃级一级喷嘴62形成预燃级一级油雾17，预燃级一级油雾17喷射在预燃级旋流器文氏管内壁面42上形成油膜，在经过预燃级内通道进气孔39的来流作用下进行雾化，在预燃级出口45进行扩散燃烧，预燃级另一部分燃油通过预燃级燃油分级孔66进入预燃级二级燃油集油箱环腔65，通过预燃级集油箱直射喷口67进入预燃级周向喷油孔40形成预燃级二级油雾18进入预燃级叶片通道34或预燃级下游外通道36中，在预燃级叶片通道34和预燃级下游外通道36里，预燃级二级油雾18在旋流的作用下进行蒸发和预混，然后经过预燃级外通道出口44进入预燃级出口45进行预混燃烧；预燃级一级油雾17在预燃级出口45为扩散燃烧方式，预燃级二级油雾18在预燃级出口45为预混燃烧方式，因此预燃级15采用了扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，即预燃级燃油部分进行了预混预蒸发。本实施方案中，预燃级周向喷油孔40的个数为8，预燃级周向喷油孔40的中心与预燃级出口45距离为26mm，预燃级叶片通道34的数量与预燃级周向喷油孔40数量之比为1∶1，预燃级二级喷油嘴63的个数为2，预燃级二级喷油嘴63的燃油流量占预燃级15燃油流量的70％。

在图10、图11和图12中，主燃级14由预混预蒸发环管外环49、预混预蒸发环管内环50、主燃级出口导流支撑52和主燃级旋流器48、主燃级旋流器安装环46、主燃级进口挡板47构成，其中预混预蒸发环管外环49和预混预蒸发环管内环50所组成的环管结构可称之为预混预蒸发环腔51，主燃级旋流器48与嵌在主燃级进口挡板47的主燃级旋流器定位孔58中，主燃级进口挡板47与预混预蒸发环管外环49和预混预蒸发环管内环50焊接在一起，则通过主燃级旋流器安装环46压紧可将主燃级旋流器48与预混预蒸发环管外环49和预混预蒸发环管内环50联接在一起，且具有一定的浮动性。空气通过预混预蒸发环管外环进气孔59和预混预蒸发环管内环进气孔60进入预混预蒸发环腔51，并使空气具有旋流特征，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54、预混预蒸发环管出口外径55和主燃级出口导流支撑52尺寸用来确定主燃级14的预混预蒸发环管出口面积，保证主燃级14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％。主燃级出口导流支撑52一方面起连接预混预蒸发段内环50与预混预蒸发段外环49的作用，另一方面可以调整经过预混预蒸发环腔51气流出口角度以及使出口混合气更加均匀更加容易的与燃烧后的高温燃气掺混。

燃油喷嘴16的结构如图13、图14、图15所示。燃油喷嘴16向燃烧室供入所有燃油，包括预燃级一级喷油嘴62、预燃级二级喷油嘴63、主燃级喷油嘴70。预燃级一级喷油嘴62采用一个离心喷嘴，预燃级二级喷油嘴63包括预燃级二级燃油集油箱64，预燃级二级燃油集油箱64为环形，并开了预燃级二级燃油集油环腔65，在预燃级二级燃油集油环腔65上沿周向均匀开设了多个预燃级集油环腔直射喷口67，多个预燃级集油环腔直射喷口67与对应的预燃级周向喷油孔40是同心的；在预燃级燃油管路61上沿周向均匀开设了若干个预燃级燃油分级孔66，经过预燃级燃油管路61的燃油一部分通过预燃级燃油分级孔66进入预燃级二级喷油嘴63。预燃级燃油管路61向预燃级一级喷油嘴62和预燃级二级喷油嘴63同时供油，预燃级二级喷油嘴63的燃油流量占预燃级总燃油流量的50％～80％，预燃级燃油一部分通过预燃级一级喷油嘴61形成预燃级一级油雾17，预燃级一级油雾17打在预燃级旋流器文氏管内壁面42上形成油膜，在经过预燃级内通道进气孔39的来流作用下进行雾化，在预燃级出口45进行扩散燃烧；预燃级燃油一部分通过预燃级燃油分级孔66进入预燃级二级燃油集油箱环腔65，然后依次经过多个预燃级集油环腔直射喷口67、预燃级周向喷油孔40形成多股预燃级二级油雾18，喷射到预燃级叶片通道34或预燃级下游外通道36，在预燃级叶片通道34或预燃级下游外通道36内，预燃级二级油雾18在旋流的作用下进行蒸发和预混，然后经过预燃级外通道出口44进入预燃级出口45进行预混燃烧；主燃级喷油嘴70为直射式喷嘴，沿主燃级燃油环管69周向均匀布置，个数为6～30个，通过主燃级燃油管路68的燃油进入主燃级燃油环管69中，经过主燃级喷油嘴70喷射到预混预蒸发环腔51供油。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％。

Claims

1.一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述燃烧室采用单环腔结构，它由燃烧室外机匣(6)和燃烧室内机匣(7)构成其外轮廓；外界空气通过扩压器(10)进入，火焰筒外壁(8)、火焰筒内壁(9)和燃烧室头部(13)组成燃烧区域，燃烧用空气全部由燃烧室头部(13)进入火焰筒，掺混空气由火焰筒外壁(8)上的外掺混孔(11)和火焰筒内壁(9)上的内掺混孔(12)射入；所述燃烧室头部(13)采用分级燃烧方案，分为主燃级(14)和预燃级(15)，主燃级(14)通过头部整体端壁(71)与火焰筒外壁(8)和火焰筒内壁(9)连接固定；预燃级(15)通过预燃级头部端壁(73)与主燃级(14)联接，并与主燃级(14)同心；所述预燃级(15)由预燃级旋流器(20)组成，其中预燃级旋流器(20)包括预燃级外环管(21)、预燃级内环管(22)、预燃级旋流器叶片(23)；预燃级外环管(21)为一整体结构，可以分为预燃级外环管前直段(25)、预燃级外环管后弯段(26)两部分；预燃级内环管(22)为一整体结构，可以分为预燃级内环管前直段(27)、预燃级内环管后弯段(28)两部分；预燃级旋流器叶片(23)沿预燃级外环管前直段(25)和预燃级内环管前直段(27)周向均匀布置，并连接在预燃级外环管前直段内表面(29)和预燃级内环管前直段外表面(31)上，从而将预燃级外环管(21)和预燃级内环管(22)连接在一起；预燃级外环管(21)和预燃级内环管(22)形成预燃级外通道(32)，预燃级外通道(32)包括三部分，预燃级叶片通道(34)、预燃级上游外通道(35)和预燃级下游外通道(36)，其中预燃级外环管前直段(25)、预燃级内环管前直段(27)以及各预燃级旋流器叶片(23)形成多个预燃级叶片通道(34)，在预燃级叶片通道(34)上游的预燃级外通道(32)称为预燃级上游外通道(35)，预燃级叶片通道(34)下游的预燃级外通道(32)称为预燃级下游外通道(36)，预燃级内环管(22)形成预燃级内通道(33)，预燃级内通道(33)包括两部分，预燃级喷嘴定位环上游内通道(37)和预燃级喷嘴定位环下游内通道(38)；预燃级内环管前直段内表面(30)有凸出的预燃级喷嘴定位环(24)，预燃级喷嘴定位环(24)将预燃级内通道(33)分为预燃级喷嘴定位环上游内通道(37)和预燃级喷嘴定位环下游内通道(38)；在预燃级内环管前直段(27)或预燃级内环管后弯段(28)开有预燃级内通道进气孔(39)；经过预燃级叶片通道(34)的来流一部分经过预燃级内通道进气孔(39)进入预燃级喷嘴定位环下游内通道(38)，一部分仍在预燃级外通道(32)里流动；在预燃级内环管前直段(27)开有预燃级周向喷油孔(40)，预燃级周向喷油孔(40)沿预燃级内环管前直段(27)周向均匀分布，预燃级周向喷油孔(40)处在预燃级叶片通道(34)里或预燃级下游外通道(36)里；预燃级(15)通过预燃级旋流器安装边(43)与预燃级头部端壁(73)相连；所述主燃级(14)由预混预蒸发环管外环(49)、预混预蒸发环管内环(50)、主燃级出口导流支撑(52)和主燃级旋流器(48)、主燃级旋流器安装环(46)、主燃级进口挡板(47)构成，其中预混预蒸发环管外环(49)和预混预蒸发环管内环(50)构成了预混预蒸发环腔(51)；主燃级旋流器(48)嵌在主燃级进口挡板(47)的主燃级旋流器定位孔(58)中，主燃级进口挡板(47)与预混预蒸发环管外环(49)、预混预蒸发环管内环(50)焊接在一起，主燃级旋流器安装环(46)将主燃级旋流器(48)紧压在主燃级进口挡板(47)，将主燃级旋流器(48)与预混预蒸发环管外环(49)、预混预蒸发环管内环(50)联接在一起；所述燃油喷嘴(16)向燃烧室供给所有燃油，燃油喷嘴(16)包括预燃级一级喷油嘴(62)、预燃级二级喷油嘴(63)和主燃级喷油嘴(70)，燃油喷嘴(16)从燃烧室头部(13)的上游直接插入主燃级(14)和预燃级(15)中；其中预燃级一级喷油嘴(62)为单个喷嘴，直接插入到预燃级喷嘴定位环下游内通道(38)里，经过预燃级燃油管路(61)的燃油一部分通过预燃级一级喷油嘴(62)形成预燃级一级油雾(17)，预燃级一级油雾(17)打在预燃级旋流器文氏管内壁面(42)上形成油膜，在经过预燃级内通道进气孔(39)的来流作用下进行雾化，在预燃级出口(45)进行扩散燃烧；预燃级二级喷油嘴(63)由预燃级二级燃油集油箱(64)组成，预燃级二级喷油嘴(63)直接插入预燃级喷嘴定位环上游内通道(37)中，并通过预燃级喷嘴定位环(24)对预燃级二级喷油嘴(63)进行轴向定位，同时保证了预燃级一级喷油嘴(62)插入到预燃级喷嘴定位环下游内通道(38)里；预燃级二级燃油集油箱(64)为环形结构，开有预燃级二级燃油集油箱环腔(65)，预燃级二级燃油集油箱环腔(65)上沿周向均匀开设了多个预燃级集油环腔直射喷口(67)，多个预燃级集油环腔直射喷口(67)与对应的预燃级周向喷油孔(40)是同心的；在预燃级燃油管路(61)上沿周向均匀开设了若干个预燃级燃油分级孔(66)，经过预燃级燃油管路(61)的燃油一部分通过预燃级燃油分级孔(66)进入预燃级二级燃油集油箱环腔(65)，然后依次经过预燃级集油环腔直射喷口(67)、预燃级周向喷油孔(40)形成多股预燃级二级油雾(18)，向预燃级叶片通道(34)或预燃级下游外通道(36)内喷射，在预燃级叶片通道(35)或预燃级下游外通道(36)内，预燃级二级油雾(18)在旋流的作用下进行蒸发和预混，然后经过预燃级外通道出口(44)进入预燃级出口(45)进行预混燃烧；预燃级(15)采用预燃级一级喷油嘴(62)扩散燃烧和预燃级二级喷油嘴(63)预混燃烧相结合的方式，在不影响稳定燃烧的同时降低了小工况下的污染物排放；主燃级喷油嘴(70)为直射式喷嘴，主燃级喷油嘴(70)沿主燃级燃油环管(69)均匀布置，各主燃级喷油嘴(70)也分别插入到对应的主燃级喷油嘴安装孔(56)中，从而也对预燃级二级喷油嘴(63)进行了周向定位，使各预燃级集油环腔直射喷口(67)与同心的预燃级周向喷油孔(40)一一对应；经过主燃级燃油管路(68)的燃油经过主燃级喷油嘴(70)形成主燃级油雾(19)，在经过主燃级旋流器(48)的空气作用下对燃油进行初始雾化，在预混预蒸发环腔(51)内旋流实施二次雾化、蒸发和掺混，在较短的几何尺寸内实现燃油快速蒸发并与空气均匀掺混，最后燃油蒸汽与空气的预混气以一定的旋流形式进入火焰筒燃烧，保证较低的污染排放。

2.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级一级喷油嘴(62)为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。

3.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级(15)采用的预燃级旋流器(20)为叶片式旋流器，叶片安装角度为30°～70°，预燃级旋流器(20)的级数n为1≤n≤3；每级叶片式旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器；当预燃级旋流器(20)级数n＝1时，预燃级旋流器(20)直接与预燃级头部整体端壁(73)联接；当预燃级旋流器(20)级数n＞1时，各级叶片式旋流器先连接成一个整体，组成预燃级旋流器(20)后再与预燃级头部端壁(73)连接。

4.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述燃油喷嘴(16)供应燃烧室所需的全部燃油，包括预燃级一级喷油嘴(62)、预燃级二级喷油嘴(63)和主燃级喷油嘴(70)，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％。

5.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级燃油管路(61)上开有预燃级燃油分级孔(66)，个数为2～6，预燃级燃油管路(61)同时向预燃级一级喷油嘴(62)、预燃级二级喷油嘴(63)供油，其中预燃级二级喷油嘴(63)燃油流量占预燃级燃油流量的50％～80％。

6.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级周向喷油孔(40)与预燃级集油环腔直射喷口(67)是一一对应且同心的；预燃级周向喷油孔(4.)与预燃级集油环腔直射喷口(67)的有效流通面积比值为2∶1～5∶1；预燃级旋流器叶片通道(34)的个数与预燃级周向喷油孔(40)的个数之比为1∶1～5∶1。

7.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级周向喷油孔(40)在预燃级叶片通道(34)里或预燃级下游外通道(36)里；预燃级周向喷油孔(40)的中心与预燃级出口(45)的轴向距离为20～50mm。

8.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级内环管前直段(27)、预燃级内环管后弯段(28)上开有若干级预燃级内通道进气孔(39)，预燃级内通道进气孔(39)的级数m为1≤m≤3，有效面积占预燃级总进气有效面积的20％～50％；预燃级内通道进气孔(39)与预燃级内环管(22)壁面所形成的倾角均为10°～90°，旋向可以与预燃级旋流器(20)旋向相同或相反。

9.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述预混预蒸发环管外环(49)和预混预蒸发环管内环(50)上开有若干级进气孔，进气孔的级数p为1≤p≤5；进气孔与预混预蒸发环管壁面所形成的倾角均为10°～90°。

10.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述燃烧室头部(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％。

11.根据权利要求1所述的一种预燃级部分预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于：所述燃烧室的火焰筒外壁(8)和火焰筒内壁(9)的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。