CN102175045B - 一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，采用单环腔结构，由燃烧室外机匣、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，采用分级燃烧方案，分为预燃级和主燃级；预燃级采用旋流稳定的扩散燃烧组织方式，主燃级采用斜向供油的预混燃烧组织方式。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，同时为主燃级提供稳定的点火源；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简单，在保证燃烧室良好的燃烧稳定性同时，也大大降低了污染排放。

Description

一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室

技术领域

本发明涉及一种利用预混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，预燃级采用扩散燃烧组织方式，主燃级采用预混燃烧组织方式，主燃级采用头部多点斜向供入燃油。该发明能够保证燃烧室的较宽的稳定工作范围，同时降低燃烧室污染排放。

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 AviationEnvironmental 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。在台架全环试验验证中，TAPS低污染燃烧室的NOx污染排放比CAEP2排放标准降低了50％。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TALONX，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。

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，在大工况时，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。在小工况时，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。因此，针对民用航空发动机燃烧室的发展要求，需要发展一种能够大幅度降低污染排放的燃烧室，而同时又不会使其他性能较常规燃烧室差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，运用预混燃烧技术，提供了一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，该燃烧室燃烧区油气分布均匀，不但能在大工况下保持低的污染排放，在小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：主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，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，燃油喷嘴供给燃油，主燃级通过头部整体端壁与火焰筒外壁和火焰筒内壁连接固定；预燃级通过预燃级头部端壁与主燃级联接，并与主燃级同心；所述的主燃级主要由主燃级进口挡板、主燃级外环管和主燃级内环管构成，其中主燃级外环管和主燃级内环管构成了预混预蒸发环腔；主燃级进口挡板与轴向成一定的角度，所成角度称为主燃级进口挡板半锥角，主燃级进口挡板为锥形结构，与主燃级外环管和主燃级内环管焊接在一起；燃油喷嘴包括预燃级喷油嘴和主燃级喷油嘴，其中预燃级喷油嘴插入预燃级喷油嘴安装孔中，预燃级喷油嘴供油形成预燃级油雾，主燃级喷油嘴为直射式喷嘴，沿周向均布于主燃级燃油环管上，各个主燃级喷油嘴与轴向成一定的角度，即主燃级喷油嘴与轴向的角度，插入主燃级进口挡板上的主燃级进口挡板进油孔中，主燃级喷油嘴斜向供油，形成多股主燃级油雾，在预混预蒸发环腔内在多股旋流作用下实施雾化、蒸发和掺混，在长度不超过50mm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混气以旋流数不超过0.5的弱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。

所述预燃级采用的旋流器的级数为1≤n≤5；每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；当预燃级的级数n＝1时，旋流器直接与预燃级头部端壁连接；当预燃级的级数1＜n≤5时，各级旋流器先连接成一个整体，组成预燃级后再与预燃级头部端壁连接。预燃级采用旋流器结构，可以在预燃级出口形成较强的稳定的回流区，使火焰能够稳定在预燃级出口，使燃烧室的工作更稳定，而且旋流器结构设计较为成熟，具有更高的可靠性。

所述主燃级外环管上开有主燃级外环管一级进气孔、主燃级外环管二级进气孔、主燃级外环管三级进气孔和主燃级外环管四级进气孔；主燃级内环管上开有主燃级内环管一级进气孔、主燃级内环管二级进气孔和主燃级内环管三级进气孔；上述所有进气孔与混预蒸发环管壁面所形成的倾角均为10°～90°；主燃级外环管一级进气孔、主燃级外环管二级进气孔和主燃级内环管一级进气孔为直孔或斜孔，作用除了对主燃级油雾进行雾化、蒸发和掺混外，主要作用是向内径方向冲击主燃级油雾，防止其喷射到主燃级外环管的内壁面上或防止液体燃油沉积在主燃级内环管的内壁面上，主燃级外环管三级进气孔和主燃级外环管四级进气孔以及主燃级内环管二级进气孔和主燃级内环管三级进气孔为斜孔，产生旋流，可以加强对主燃级油雾进行蒸发和搅拌掺混的效果；

所述主燃级进口挡板与轴向成一定的角度，所成角度称为主燃级进口挡板半锥角，范围为30°～60°；主燃级进口挡板上开有主燃级进口挡板混合孔、主燃级挡板外环进气孔、主燃级挡板内环进气孔；(上述所有孔为直孔或斜孔)，当为斜孔时，孔中心线与轴向所形成的夹角不大于60°；主燃级进口挡板进油孔的孔径为主燃级喷油嘴外径的1.2～2.5倍。主燃级挡板外环进气孔向预混预蒸发环腔供气，可以防止主燃级进口挡板与主燃级外环管的夹角处形成回流区，并防止主燃级油雾喷射到主燃级外环管的内壁面上；主燃级挡板内环进气孔向预混预蒸发环腔供气，可以防止主燃级进口挡板与主燃级内环管的夹角处形成回流区，并防止主燃级油雾沉积在的主燃级进口挡板内壁面上。

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％。

所述燃油喷嘴供应燃烧室所需的全部燃油，包括预燃级喷油嘴和主燃级喷油嘴，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％；主燃级喷油嘴与轴向的夹角为30°～60°，主燃级喷油嘴采用斜向供油，一是可以大幅度减小主燃级燃油环管的直径，进而减小整个燃油喷嘴的尺寸；二来以一定角度喷射到预混预蒸发环腔，可以加强与空气的混合效果，使雾化、蒸发以及掺混效果更好。

所述主燃级喷油嘴插入主燃级进口挡板上的主燃级进口挡板进油孔中，应保证主燃级燃油喷射点距离主燃级出口长度不大于50mm。

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。

在所述的火焰筒外壁后部设置有火焰筒外壁掺混孔，在所述的火焰筒内壁后部设置有火焰筒内壁掺混孔，掺混用气分别从火焰筒外壁掺混孔和火焰筒内壁掺混孔进入火焰筒，以控制燃烧室出口温度分布。

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，预燃级采用扩散燃烧方式，用于保证整个燃烧室的燃烧稳定性，而主燃级采用预混燃烧方式，利用预混预蒸发环管将液态燃油预先蒸发并与空气掺混，然后给燃烧室提供均匀可燃混合气，通过控制整个燃烧区的当量比，可以大幅度降低燃烧室的污染排放。主燃级的外环管和内环管采用了多级进气孔，并且带有一定的倾角，径向进气并在预混预蒸发环腔内形成旋流；主燃级的进口挡板采用了多级进气孔和混合孔，轴向或斜向进气，在预混预蒸发环腔内与通过环管进气孔的空气发生强烈的混合、搅拌，因此加强了主燃级油雾的二次雾化、蒸发和掺混的程度，并在出口处混合气以弱旋流的形式进入火焰筒参与燃烧。在小工况下，只有预燃级喷油嘴供油，尽管当时燃烧室总体当量比很低，但预燃级局部当量比较高，仍保证了燃烧室具有较好的稳定性；在大工况下，主燃级喷油嘴和预燃级喷油嘴同时供油工作，而主燃级的油流量占大部分，该部分采用了均匀的可燃混合气进行预混燃烧，控制燃烧区的当量比在污染排放较低的范围内，而且燃烧区的可燃混合气均匀，从而控制了大工况下的污染排放。因此，预燃级只要控制了燃烧室的稳定工作范围，主燃级主要控制了燃烧室的污染排放燃烧室的污染排放，采用预燃级扩散燃烧、主燃级预混燃烧的分级方案，可以确保航空发动机在宽的稳定工作范围内拥有较低的污染排放，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)本发明主燃级采用头部多点射流的供油方式，能够使燃油在较短的长度范围内实现快速蒸发和与空气掺混，获得均匀的混合气；主燃级采用多点斜向供油的方式，相比于前期申请的轴向供油方式，能够使燃油喷嘴的尺寸大大缩小，可以解决全环燃烧室上各燃油喷嘴之间安装间隙过小、不便安装的问题；相比于前期申请的径向供油方式，主燃级采用斜向供油方式，简化了燃油喷嘴和主燃级结构，同时使燃油喷嘴与主燃级预混预蒸发管的装配变得容易；

(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，火焰筒上只有冷却孔和必要的掺混孔，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，预燃级提供稳定点火源，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是本发明的预燃级结构立体图；

图6是本发明的主燃级结构剖视图；

图7是本发明的主燃级结构前视立体图；

图8是本发明的燃油喷嘴结构剖视图；

图9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是主燃级进口挡板，22是主燃级外环管，23是主燃级内环管，24是预混预蒸发环腔，25是主燃级出口，26是预燃级出口直径，27是预混预蒸发环腔出口内径，28是预混预蒸发环腔出口外径，29是主燃级喷油嘴与轴向的角度，30是主燃级燃油喷射点距离主燃级出口长度，31是主燃级进口挡板半锥角，32是预燃级喷油嘴安装孔，33是预燃级内旋流器安装环，34是预燃级内旋流文氏管，35是预燃级安装边，36是主燃级进口挡板混合孔，37是主燃级挡板外环进气孔，38是主燃级挡板内环进气孔，39是主燃级外环管一级进气孔，40是主燃级外环管二级进气孔，41是主燃级外环管三级进气孔，42是主燃级外环管四级进气孔，43是主燃级内环管一级进气孔，44是主燃级内环管二级进气孔，45是主燃级内环管三级进气孔，46是预燃级燃油管路，47是预燃级喷油嘴，48是主燃级燃油管路，49是主燃级燃油环管，50是主燃级喷油嘴，51是头部整体端壁，52是头部整体导流片，53是预燃级头部端壁，54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51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53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52与预燃级头部导流片54分别焊接在头部整体端壁51与预燃级头部端壁53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和图5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26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34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33与预燃级内旋流文氏管34连接，同时可浮动。预燃级安装边35则与预燃级头部端壁53和预燃级头部导流片54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34进一步雾化。在图6、图7中，主燃级14则主要由主燃级进口挡板21、主燃级外环管22、主燃级内环管23构成，其中主燃级外环管22和主燃级内环管23构成了预混预蒸发环腔24；主燃级进口挡板21与轴向成一定的角度，所成角度称为主燃级进口挡板半锥角31，范围为30°～60°，与主燃级外环管22和主燃级内环管23焊接在一起；主燃级外环管22和主燃级内环管23壁面上开了多级进气孔，与预混预蒸发环管壁面所形成的倾角均为10°～90°，其中主燃级外环管一级进气孔39和主燃级外环管二级进气孔40的作用除了对主燃级油雾18进行雾化、蒸发和掺混外，主要作用是向内径方向冲击主燃级油雾18，防止其喷射到主燃级外环管22的内壁面上，主燃级外环管三级进气孔41和主燃级外环管四级进气孔42的作用主要对主燃级油雾18进行蒸发和搅拌掺混；主燃级内环管一级进气孔43的作用除了对主燃级油雾18进行雾化、蒸发和掺混外，主要作用是向外径方向冲击主燃级油雾18，防止液体燃油沉积在主燃级内环管23的内壁面上；主燃级进口挡板21上开了主燃级进口挡板混合孔36、主燃级挡板外环进气孔37和主燃级挡板内环进气孔38，其中主燃级进口挡板混合孔36的孔径为主燃级喷油嘴50外径的1.2～2.5倍，其作用为：一是使主燃级喷油嘴50容易插入，使燃油进入预混预蒸发环腔24内，二是使部分空气通过该孔进入预混预蒸发环腔24内，从而可以协助主燃级油雾18的喷射，并对主燃级油雾18进行雾化和掺混；主燃级挡板外环进气孔37开在主燃级进口挡板混合孔36的向外的半径处，向预混预蒸发环腔24供气，可以防止主燃级进口挡板21与主燃级外环管22的夹角处形成回流区，并防止主燃级油雾18喷射到主燃级外环管22的内壁面上；主燃级挡板内环进气孔38开在主燃级进口挡板混合孔36的向内的半径处，向预混预蒸发环腔24供气，可以防止主燃级进口挡板21与主燃级内环管23的夹角处形成回流区，并防止主燃级油雾18沉积在的主燃级进口挡板21内壁面上；主燃级进口挡板21上开的主燃级进口挡板混合孔36、主燃级挡板外环进气孔37、主燃级挡板内环进气孔38为直孔或斜孔，当为斜孔时，孔中心线与轴向所形成的夹角不大于60°；主燃级外环管22和主燃级内环管23的径向进气与主燃级进口挡板21的轴向或斜向进气，在预混预蒸发环腔24中，可以使多股气流混合搅拌剧烈，从而加强了主燃级油雾18的雾化、蒸发和掺混效果，可以形成更加均匀的混合气。本实施例中，在主燃级外环管22上均匀开了80个孔径为2mm的主燃级外环管一级进气孔39，与主燃级外环管22壁面所形成的倾角均为90°，在主燃级外环管22不同轴向位置处分别均匀开了64个孔径为1.5mm的主燃级外环管二级进气孔40、主燃级外环管三级进气孔41、主燃级外环管四级进气孔42，与主燃级外环管22壁面所形成的倾角均为45°；在主燃级内环管23上均匀开了48个孔径为2mm的主燃级内环管一级进气孔43，与主燃级内环管23壁面所形成的倾角均为90°，在主燃级内环管23不同轴向位置处分别均匀开了48个孔径为1.5mm的主燃级内环管二级进气孔44、主燃级内环管三级进气孔45，与主燃级内环管23壁面所形成的倾角均为45°；主燃级进口挡板21与轴向成一定的角度称之为主燃级进口挡板半锥角31，主燃级进口挡板半锥角31为50°；在主燃级进口挡板21上开了16个孔径为5mm的主燃级进口挡板混合孔36，与轴向所形成的夹角为50°，在主燃级进口挡板混合孔36的向外的半径处，均匀开了80个孔径为1mm的主燃级挡板外环进气孔37，在主燃级进口挡板混合孔36的向内的半径处，均匀开了64个孔径为1mm的主燃级挡板内环进气孔38，这两种进气孔为直孔。

燃油喷嘴16的结构如图9和图10所示。燃油喷嘴16包括预燃级喷油嘴47和主燃级喷油嘴50，预燃级喷油嘴47采用一个离心喷嘴，通过预燃级燃油管路46供油，通过预燃级喷油嘴安装孔32与预燃级内旋流器19配合，形成预燃级油雾17。主燃级喷油嘴50为直射式喷嘴，个数为6～30个，孔径0.3～1.0mm，沿周向均布于主燃级燃油环管49上，各个主燃级喷油嘴50与轴向成一定的角度，即主燃级喷油嘴与轴向的角度29，范围为30°～60°，插入主燃级进口挡板21上的主燃级进口挡板混合孔36中，通过主燃级燃油管路48和主燃级燃油环管49供油，形成多股主燃级油雾18斜向进入预混预蒸发环腔24中，主燃级燃油喷射点距离主燃级出口长度30不大于50mm。在该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混气以旋流数不超过0.5的弱旋流形式进入火焰筒燃烧，保证较低的污染排放。本实施例中，主燃级喷油嘴50沿主燃级燃油环管49均匀布置了16个，主燃级喷油嘴与轴向的角度29为40°，主燃级燃油喷射点距离主燃级出口长度30为32mm。燃油喷嘴16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，由于预燃级内旋流器安装环29的存在以及主燃级进口挡板混合孔36的孔径为主燃级喷油嘴50外径的1.2～2.5倍，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 (7)

1.一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，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，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)，燃油喷嘴(16)向燃烧室供给全部燃油，主燃级(14)通过头部整体端壁(51)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(53)与主燃级(14)联接，并与主燃级(14)同心；所述的主燃级(14)由主燃级进口挡板(21)、主燃级外环管(22)和主燃级内环管(23)构成，其中主燃级外环管(22)和主燃级内环管(23)之间构成了预混预蒸发环腔(24)，所述主燃级外环管(22)上开有主燃级外环管一级进气孔(39)、主燃级外环管二级进气孔(40)、主燃级外环管三级进气孔(41)和主燃级外环管四级进气孔(42)；主燃级内环管(23)上开有主燃级内环管一级进气孔(43)、主燃级内环管二级进气孔(44)和主燃级内环管三级进气孔(45)；上述所有进气孔与主燃级外环管和主燃级内环管壁面所形成的倾角均为10°～90°；主燃级进口挡板(21)与轴向成一定的角度，所成角度称为主燃级进口挡板半锥角(31)，所述主燃级进口挡板半锥角(31)的范围为30°～60°；主燃级进口挡板(21)上开有主燃级进口挡板混合孔(36)、主燃级挡板外环进气孔(37)、主燃级挡板内环进气孔(38)，主燃级进口挡板混合孔(36)、主燃级挡板外环进气孔(37)、主燃级挡板内环进气孔(38)为直孔或斜孔，当为斜孔时，孔中心线与轴向所形成的夹角不大于60°；主燃级进口挡板混合孔(36)的孔径为主燃级喷油嘴(50)外径的1.2～2.5倍；主燃级进口挡板(21)为锥形结构，与主燃级外环管(22)和主燃级内环管(23)焊接在一起；燃油喷嘴(16)包括预燃级喷油嘴(47)和主燃级喷油嘴(50)，其中预燃级喷油嘴(47)插入预燃级喷油嘴安装孔(32)中，预燃级喷油嘴(47)供油形成预燃级油雾(17)，主燃级喷油嘴(50)为直射式喷嘴，沿周向均布于主燃级燃油环管(49)上，各个主燃级喷油嘴(50)与轴向成一定的角度，称之为主燃级喷油嘴与轴向的角度(29)，所述主燃级喷油嘴与轴向的角度(29)为30°～60°，所述主燃级喷油嘴(50)插入主燃级进口挡板(21)上的主燃级进口挡板混合孔(36)中，应保证主燃级燃油喷射点距离主燃级出口长度(30)不大于50mm，主燃级喷油嘴(50)斜向供油，形成多股主燃级油雾(18)，在预混预蒸发环腔(24)内在多股旋流作用下实施雾化、蒸发和掺混，在长度不超过50mm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混气以旋流数不超过0.5的弱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所述的一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，其特征在于：所述预燃级喷油嘴(47)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所述的一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，其特征在于：所述预燃级(15)为旋流器结构，旋流器的级数n为1≤n≤5；每级旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；当级数n＝1时，旋流器直接与预燃级头部端壁(53)连接；当级数n为1＜n≤5时，各级旋流器先连接成一个整体，组成预燃级(15)后再与预燃级头部端壁(53)连接。

4.根据权利要求1所述的一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，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％。

5.根据权利要求1所述的一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，其特征在于：所述主燃级喷油嘴(50)的个数为6～30个，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％；。

6.根据权利要求1所述的一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，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。

7.根据权利要求1所述的一种主燃级头部多点斜向进油的低排放燃烧室，其特征在于：在所述的火焰筒外壁(8)后部设置有火焰筒外壁掺混孔(11)，在所述的火焰筒内壁(9)后部设置有火焰筒内壁掺混孔(12)，掺混用气分别从火焰筒外壁掺混孔(11)和火焰筒内壁掺混孔(12)进入火焰筒，以控制燃烧室出口温度分布。

Images