CN103017203B - 一种主燃级全环进气的分级燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主燃级全环进气的分级燃烧室。该分级燃烧室包括：环形火焰筒，包括同轴的火焰筒内环和火焰筒外环，其前段呈内径逐渐增大的锥形；主燃级组件，位于环形火焰筒的前段，用于提供主燃级燃烧所需的燃料和空气，包括：环形钝体，其内环表面与火焰筒内环的内表面之间构成内环空气流道，其外环表面与火焰筒外环的内表面构成外环空气流道；内/外环油腔，附着与环形钝体的内/外侧，其容置的燃料可通过位于环形钝体内/外环表面的若干个喷射孔喷射至环形空气流道；以及若干个值班级组件，位于环形钝体所围成的空间内。本发明分级燃烧器中，主燃级空气采用全环进气方式进入燃烧室，降低了燃烧室的压力损失，减少发动机的耗油率。

Description

一种主燃级全环进气的分级燃烧室

技术领域

本发明涉及航空发动机低污染燃烧室领域，尤其涉及一种主燃级空气全环进气燃油直接喷射的分级燃烧室。

背景技术

为了满足民用大涵道比涡扇发动机更经济、更环保、更安全的要求，要求航空发动机燃烧室具有压力损失小、出口温度分布均匀、污染物尤其是NO_x排放低。燃烧室NO_x的产生水平与燃烧区的火焰温度密切相关，燃烧区温度超过1800K将会导致NO_x的大量生成，常规燃烧室由于头部采用扩散燃烧方式，燃烧区的当量比接近1，燃烧区温度接近绝热火焰温度，导致NO_x的大量产生。目前已有的低污染燃烧技术分为两类，一种是贫油燃烧，通过在燃烧区实现贫油当量比燃烧来降低火焰温度和污染物排放，LPP(贫油预混预蒸发)和LDI(贫油直接喷射)属于此类；另一种是富油燃烧，燃烧区的当量比远大于1.0，从而避免出现局部高温区，RQL(富油-快速淬熄-贫油)属于此类技术。

纵观燃烧室的整个发展过程，燃烧室结构形式由结构复杂的分管燃烧室，发展到环管燃烧室，进而进化成如今的环形燃烧室，其发展趋势是沿着全环进气的方向发展的。而现在的环形燃烧室尽管扩压器进气是全环进气，但空气还是通过独立的头部旋流进入燃烧室的，民用低污染航空发动机为了实现预混燃烧，降低污染物排放，采用了更为复杂的头部结构，这无疑增加了燃烧室的结构复杂性和压力损失。为了解决这个问题，必须避免大部分空气通过旋流器进入燃烧室。

GE公司基于LDI概念设计了其低污染燃烧室TAPS(双环预混旋流器)，如图1所示。该燃烧室是一款分级燃烧室，头部分为值班级(Pilot)和主燃级(Cyclone)，燃烧区域上分为值班区(PilotRecirculationZone)和主燃区(PremixingCycloneFlameZone)。值班级在小负荷工况下工作，高负荷下为主燃级提供连续的点火源，可以稳定燃烧。主燃级采用燃油直接喷射的方式与主燃级旋流器进气均匀掺混，实现贫油预混燃烧，从而降低主燃区的温度和NO_x排放水平。在主燃区和值班区之间，存在两者的相互作用的区域(Pilot/CycloneInteractionZone)。TAPS燃烧室目前已经在GE90和GEnx发动机中取得了应用，污染物排放水平比CAEP2低50％。在此基础上，GE公司在LEAP56计划下开发了更低排放的第II代TAPS燃烧室，以期望使NO_x排放较第I代TAPS降低50％。

虽然GE公司的TAPS低污染燃烧技术取得了巨大的成功，但是该燃烧室仍然存在以下几方面缺点：

(1)50％-70％的空气由燃烧室头部旋流器进入燃烧室，而旋流器通过旋流压降加强湍流掺混，这增大了燃烧室的压力损失，进而增大了发动机的耗油率，不适合在更为先进的发动机上应用；

(2)燃烧室燃烧后的高温燃气进入涡轮部件中做功，驱动涡轮带动整机旋转，因此燃烧室出口温度分布的均匀性对于涡轮叶片的寿命具有重要影响。TAPS燃烧室采用分头部进气和供油的策略，其燃烧产生的火炬形火焰形态容易在出口造成局部高温，不利于出口温度分布均匀性；

(3)TAPS燃烧室头部采用三级旋流器结构，而且还有复杂的供油管路、冷却气路以及吹除积碳的气路，造成燃烧室结构非常复杂，对燃烧室的可靠性和减重都有不利的影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提出了一种主燃级全环进气燃油直接喷射的分级燃烧室。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种分级燃烧室。该分级燃烧室包括：环形火焰筒，包括同轴的火焰筒内环和火焰筒外环，其前段呈内径逐渐增大的锥形；主燃级组件，位于环形火焰筒的前段，用于提供主燃级燃烧所需的燃料和空气，包括：环形钝体，位于环形火焰筒的前段，其中心轴线与环形火焰筒的中心轴线重合，其纵切面呈锥形，其内环表面与火焰筒内环的内表面之间构成内环空气流道，其外环表面与火焰筒外环的内表面构成外环空气流道；内环油腔，附着与环形钝体的内侧，其容置的燃料可通过位于环形钝体内环表面的若干个内环喷射孔喷射至内环空气流道；外环油腔，附着于环形钝体的外侧，其容置的燃料可通过位于环形钝体外环表面的若干个外环喷射孔喷射至外环空气流道；以及若干个值班级组件，位于环形钝体所围成的空间内，用于提供值班级燃烧所需的燃料和空气。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的分级燃烧室具有以下有益效果：

(1)主燃级空气采用全环进气方式进入燃烧室，与传统的旋流器进气方式相比，这可以大大降低燃烧室的压力损失，减少发动机的耗油率；

(2)采用燃油分级措施，燃油分别供给值班级喷嘴和主燃级多点喷射孔，与传统的所有燃油从中心喷嘴喷出相比，燃油液滴在空间上分布比较均匀，有效抑制局部热斑的形成；

(3)结构简单紧凑，与现有燃烧室相比有助于较少燃烧室的长度和重量，大大简化了燃烧室的结构复杂性；

(4)燃油采用多点喷射的方式进入主燃级空气流道，在主燃级空气横向剪切作用下雾化，燃油与空气掺混较为均匀，在主燃区形成预混或部分预混燃烧，可以降低污染物的产生；

(5)主燃区为贫油预混燃烧，主燃区气体可以对值班区燃烧产生的CO和UHC进行补燃掺混，这可以有效的提高燃烧效率并进一步改善出口温度分布特性。

附图说明

图1为现有技术GE公司双环预混旋流器的结构示意图；

图2为依据本发明实施例一分级燃烧室的左视图；

图3为图2所示分级燃烧室沿A-A方向剖视面的放大图；

图4为依据本发明实施例二分级燃烧室沿A-A方向的剖视图；

图5为依据本发明实施例三分级燃烧室沿A-A方向的剖视图；

图6为依据本发明实施例四分级燃烧室沿A-A方向的剖视图。

【本发明主要元件符号说明】

1：离心喷嘴，2：旋流器组件，

3：全环钝体，4：火焰筒内环，

5：火焰筒外环，6：火焰筒出口，

7：值班级内旋流器，8：值班级外旋流器，

9：文丘里管，10：外旋流器出口锥面，

11：内环油腔，12：外环油腔，

13：内环直接喷射孔，14：外环直接喷射孔，

15：内环空气流道，16：外环空气流道，

17：火焰筒内环掺混孔，18：火焰筒外环掺混孔，

19：值班级扩散燃烧区，20：主燃级外环预混燃烧区，

21：主燃级内环预混燃烧区，22：外环支板，

23：内环支板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种分级燃烧室。图2为依据本发明实施例分级燃烧室的左视图。图3为图2所示分级燃烧室沿A-A方向剖视面的放大图。请参考图2和图3，该分级燃烧室包括：环形火焰筒、主燃级组件和值班级组件。

环形火焰筒由同轴的火焰筒内环4和火焰筒外环5组合而成，按其纵切面的形状划分为：内径逐渐增大的，呈锥形的前段，用于容置主燃级组件和值班级组件；内径基本保持不变的中段，构成燃烧区；及内径逐渐减小，最后收缩为环形火焰筒出口6的后段，构成燃烧后气体的排出口。当然，后段的内径也可以等于终端的内径，此处不再详细说明。

在环形火焰筒的火焰筒内环4和火焰筒外环5，分别设置有火焰筒内环掺混孔17和火焰筒外环掺混孔18。该火焰筒内环掺混孔17和火焰筒外环掺混孔18用于调节火焰筒出口温度分布至涡轮可以承受的范围内。

主燃级组件提供主燃级燃烧所需的燃料和气体，包括：环形钝体3、内环油腔12和外环油腔11、内环直接喷射孔13、外环直接喷射孔14。

环形钝体3位于环形火焰筒前段内，其中心轴线与环形火焰筒的中心轴线重合。该环形钝体3的纵切面同样呈锥形，其内环表面与火焰筒内环4的内表面通过内环支板23固接，两者之间构成内环空气流道15；其外环表面和火焰筒外环5的内表面通过内环支板22固接，两者之间构成外环空气流道16。

环形钝体外环和内环与环形钝体中心轴线的夹角θ为10°～45°，该夹角略大于火焰筒内环4和火焰筒外环5与中心轴线的夹角。从而，环形钝体外环与火焰筒外环5的距离，环形钝体内环与火焰筒内环4的距离均逐渐减小，换句话说，即由前往后，外环空气流道(16)和内环空气流道(15)截面均逐渐收敛，使空气在流道内逐渐加速，改善燃油直接喷射雾化效果。主燃级直接喷射燃油通过空气雾化方式与主燃级空气充分混合，因此其燃烧方式为预混燃烧或部分预混燃烧。

内环油腔12附着于环形钝体的内侧，其容置的燃料可通过位于环形钝体内环表面的内环喷射孔14喷射至内环空气流道15。外环油腔11附着于所述环形钝体的外侧，其容置的燃料可通过位于环形钝体外环表面的外环喷射孔13喷射至外环空气流道16。由外环喷射孔13和内环喷射孔14喷射的燃油经横向射流空气雾化的方式掺混，可以达到较为均匀的预混效果，在火焰筒内形成主燃级外环预混燃烧区20和主燃级外环预混燃烧区21。

外环喷射孔13和内环喷射孔的孔径为0.4mm～1.5mm，外环喷射孔13和内环喷射孔14个数可以根据需要进行设定。

在主燃级组件中，空气通过主燃级内、外环空气流道进入燃烧室，流动面积突扩导致流速降低，并在环形钝体后形成回流区，这将有助于预混均匀和稳定燃烧。均匀混合的主燃级预混燃烧区将会大大降低污染物的排放，并对值班级燃烧产生的CO和UHC进行补燃，这对于提高燃烧室的燃烧效率、降低燃烧室出口温度不均匀性有益。更为重要的是，由于主燃级空气进气不再经过旋流器，而是经过全环空气流道，这将大大降低燃烧室的压力损失，减小发动机耗油率。

环形主燃级钝体内均匀设置若干个值班级组件。该值班级组件的个数根据需要进行设定。设值班级组件的个数N，外环喷射孔13和内环喷射孔14的个数均为M，则N＝18～24，M/N为2～5。

每一个值班级组件包括一离心喷嘴1及依次套设与该离心喷嘴1外侧的内旋流器7、文丘里管9和外旋流器8。其中，内旋流器7和外旋流器8的旋流方向相反。离心喷嘴1为单油路离心雾化喷嘴，燃油喷射后在向下游的流动过程中撞击到文丘里管9内侧，在内旋流器7和外旋流器8的旋流剪切作用下雾化。

值班级空气通过布置在离心喷嘴的周围的旋流器进入值班燃烧区，并对离心喷嘴喷出的燃油进行二次雾化。值班级燃油经离心喷嘴1喷出后与值班级旋流空气采用扩散方式燃烧，在火焰筒中心形成值班级扩散燃烧区19。为了稳定燃烧，值班级油气比一般大于当量油气比，即值班级一般为富油燃烧。

值班级组件采用的离心雾化喷嘴可以保证燃烧室在低负荷工况时仍然具有较好的雾化性能，确保燃烧室点火和贫油熄火性能。当燃烧室工作在高负荷工况时，值班级组件和主燃级组件同时工作，主燃级的燃油通过布置在全环钝体上的油腔和直接喷射孔喷入主燃级空气流道中，在横向高速气流的剪切作用下破碎雾化，形成较为均匀的预混气体。

本实施例分级燃烧室中，值班级油路和主燃级外环油腔12、内环油腔11分级供应燃油，进而通过离心喷嘴1和外环喷射孔14、内环喷射孔13喷射雾化。值班级燃油占燃油总量的10-30％，主燃级燃油占燃油总量的70-90％。

本实施例分级燃烧室中，旋流器(7和8)和主燃级空气流道(16和15)均分级供应空气。值班级空气流量占总空气量的10-20％，主燃级空气流量占总空气量的30-50％，剩余空气从火焰筒壁面上的冷却孔和掺混孔进入燃烧室，一方面冷却火焰筒壁面，提高火焰筒耐久性，另一方面使燃烧室出口温度分布不均匀性降低到涡轮叶片可以承受的程度。

图4为依据本发明实施例二分级燃烧室沿A-A方向的剖视图。该分级燃烧室的结构与图2所示分级燃烧室的结构类似，其区别仅在于，值班级组件采用一级轴向旋流器。图4中给出了燃烧室中空气的流动路线。值班级空气经过该一级轴向旋流器进入燃烧室，如图中C、D所示。主燃级空气经过内、外环空气流道(15和16)进入燃烧室后，在主燃级全环钝体(3)后形成回流区，如图中A、B所示，主燃级空气回流不仅可以改善油气掺混效果，有效稳定燃烧，而且可以对值班级燃烧产生的CO和UHC进行补燃，提高燃烧室的燃烧效率，改善燃烧室出口温度分布。

图5为依据本发明实施例三分级燃烧室沿A-A方向的剖视图。该分级燃烧室的结构与图2所示分级燃烧室的结构类似，其区别仅在于，值班级组件采用两级径向旋流器。

图6为依据本发明实施例四分级燃烧室沿A-A方向的剖视图。该分级燃烧室的结构与图2所示分级燃烧室的结构类似，其区别仅在于，值班级组件采用一级径向旋流器。

综上所述，本发明提供了燃油和空气均为分级供应的燃烧室，主燃级组件采用全环进气形式，头部全环钝体结构与火焰筒内、外环构成了主燃级空气流道。主燃级空气通过全环空气流道进入燃烧室头部，同时采用空气雾化的方式与从多点喷射孔中喷射出的燃油加速雾化掺混，进入主燃级钝体下游的回流区内，形成均匀的预混燃烧区域。由于主燃级采用全环进气方式和预混燃烧方式，可以大幅度降低燃烧室的压力损失、出口温度分布不均匀度以及污染物的排放。本发明提出的分级燃烧室可以用于航空发动机低污染燃烧室和工业燃气轮机燃烧室等领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种主燃级全环进气的分级燃烧室，其头部混合器特征在于，包括：

环形火焰筒，包括同轴的火焰筒内环和火焰筒外环，其前段呈内径逐渐增大的锥形；

主燃级组件，位于所述环形火焰筒的前段，用于提供主燃级燃烧所需的燃料和空气，包括：

环形钝体，位于所述环形火焰筒的前段，其中心轴线与所述环形火焰筒的中心轴线重合，其纵切面呈锥形，其内环表面与所述火焰筒内环的内表面之间构成内环空气流道，其外环表面与所述火焰筒外环的内表面构成外环空气流道；

内环油腔，附着与所述环形钝体的内侧，其容置的燃料可通过位于所述环形钝体内环表面的若干个内环喷射孔喷射至所述内环空气流道；

外环油腔，附着于所述环形钝体的外侧，其容置的燃料可通过位于所述环形钝体外环表面的若干个外环喷射孔喷射至所述外环空气流道；以及

若干个值班级组件，位于所述环形钝体所围成的空间内，用于提供值班级燃烧所需的燃料和空气。

2.根据权利要求1所述的主燃级全环进气的分级燃烧室，其特征在于，所述外环空气流道和所述内环空气流道截面均由前向后逐渐收敛。

3.根据权利要求1所述的主燃级全环进气的分级燃烧室，其特征在于，所述环形钝体外环和内环与环形钝体中心轴线的夹角θ介于10°～45°之间。

4.根据权利要求1所述的主燃级全环进气的分级燃烧室，其特征在于，所述外环喷射孔和所述内环喷射孔的孔径介于0.4mm至l.5mm之间。

5.根据权利要求1所述的主燃级全环进气的分级燃烧室，其特征在于，所述值班级组件包括：

离心喷嘴，设置于所述环形钝体的内环和外环所包围的空间中，用于提供值班级燃烧所需的燃料：以及

至少一旋流器，安装于所述离心喷嘴上，用于提供值班级燃烧所需的旋流空气。

6.根据权利要求5所述的主燃级全环进气的分级燃烧室，其特征在于，所述值班级组件包括：

内旋流器，套设与所述离心喷嘴的外侧，用于提供第一旋流；

文丘里管，套设于所述内旋流器的外侧，其前端向前伸出；以及

外旋流器，套设于所述文丘里管的外侧，用于提供与所述第一旋流方向相反的第二旋流。

7.根据权利要求5所述的主燃级全环进气的分级燃烧室，其特征在于，所述旋流器为径向旋流器或轴向旋流器。

8.根据权利要求5所述的主燃级全环进气的分级燃烧室，其特征在于：M/N＝2～5；

其中，N为所述值班级组件的个数，M为所述外环喷射孔或内环喷射孔的个数。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的主燃级全环进气的分级燃烧室，其特征在于，所述环形火焰筒的火焰筒内环和火焰筒外环的终端布置掺混孔和冷却孔；

所述内环空气流道、外环空气流道和所述若干个值班级组件均采用分级供气，值班级空气流量占总空气量的10-20％，主燃级空气流量占总空气量的30-50％，剩余空气从所述冷却孔和掺混孔进入燃烧室。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的主燃级全环进气的分级燃烧室，其特征在于，所述若干个值班级组件的油路和外环油腔、内环油腔分级供应燃油；

其中，值班级燃油占燃油总量的10-30％，其燃烧类型为富油燃烧；主燃级燃油占燃油总量的70-90％，其燃烧类型为贫油燃烧。