CN103185355A - 一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，采用单环腔结构，燃烧室采用分级燃烧方式，燃烧室头部分为预燃级和主燃级，预燃级采用扩散燃烧，在保证燃烧稳定性的同时降低小工况的污染物排放；主燃级采用预混预蒸发燃烧方式，能有效的降低燃烧污染物。本发明采用中心分级的结构，预燃级结构简单；主燃级采用多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴和预混预蒸发段相结合的方案，利用主燃级喷嘴安装环进行定位和安装，主燃级结构简单，燃油在两股旋流作用下雾化、蒸发及掺混，并在预混预蒸发段内与旋流空气相互作用形成均匀的油气混合物，有利于航空发动机燃烧室整个着陆起飞循环的污染排放水平。

Description

一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室

技术领域

本发明涉及航空燃气轮机的技术领域，具体涉及一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，该燃烧室采用中心分级燃烧的模式，预燃级在中心，采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，用以保证燃烧室工作的稳定性和安全性，同时降低小工况下的污染排放；主燃级在预燃级径向外围，采用预混预蒸发燃烧的方式，主燃级头部轴向多点供入燃油。该发明有利于于降低整个燃烧室的污染排放，并保证燃烧室高效稳定工作，从而降低航空发动机整个着陆起飞循环（Landing and Take-off,LTO）循环的污染排放水平。

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 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％。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。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。

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（InternationalCivil 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：

$\mathrm{LTOEmission}(g/\mathrm{kN})=\frac{D_p}{F_{\mathrm{oo}}}=\frac{\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{EI}}_{m,i}{m}_{\mathrm{mf},i}{T}_{m,i}}{F_{\mathrm{oo}}}$

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1ICAO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%Foo	0.7
爬升（Climb）	85%Foo	2.2
			进场（Approach）	30%Foo	4.0
滑行/地面慢车（Taxi/ground idle）	7%Foo	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2CFM56-5B/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	s	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	s	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。

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提出了专利申请200910238793.x、201110214595.7和201210335832.X等方案，采用预膜空气环或是预膜板的预混预蒸发结构，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，同时在较小状态下主燃级油雾的径向均匀性较难保证。为此，北京航空航天大学又提出了专利申请201010101574.X、201010571594.3等方案，但这些方案存在结构较复杂且安装定位困难，且难降低小工况下的污染排放问题。

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，运用预混预蒸发燃烧技术，提供了一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，燃烧室采用中心分级燃烧的模式，预燃级在中心，采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，以保证燃烧室工作的稳定性和安全性，同时降低污染排放；主燃级采用双级空气辅助雾化喷嘴和预混预蒸发段相结合的方式，结构简单，易于安装，既降低了小工况下的污染排放，又保证了主燃级燃油径向和周向的均匀性，有利于降低航空发动机燃烧室整个着陆起飞循环的污染排放水平。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，该低污染燃烧室采用单环腔结构，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；扩压器通过内、外壁和燃烧室外机匣和燃烧室内机匣焊接在一起，火焰筒外壁通过后缘的支板和燃烧室外机匣连接在一起，火焰筒内壁同样通过后部的支板和燃烧室内机匣连接固定；在火焰筒外壁后部设置有火焰筒外环掺混孔，在火焰筒内壁后部设置有火焰筒内环掺混孔，燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，掺混空气由火焰筒内环掺混孔和火焰筒外环掺混孔进入火焰筒，以调整燃烧室出口温度分布；所述燃烧室采用中心分级燃烧方案，分为预燃级和主燃级，燃油杆供给燃烧室所有燃油，燃油分为两路，包括预燃级油路和主燃级油路；所述主燃级通过头部端壁与火焰筒外壁和火焰筒内壁固定；预燃级通过隔离段与主燃级联接，并与主燃级同心；所述主燃级由主燃级双级空气辅助雾化喷嘴、主燃级预混预蒸发段内环和主燃级预混预蒸发段外环构成；其中主燃级双级空气辅助雾化喷嘴由压力雾化喷嘴、一级切向孔旋流器、二级切向槽旋流器和主燃级喷嘴安装环构成，压力雾化喷嘴能有效解决发动机小状态下的燃油雾化问题，主燃级双级空气辅助雾化喷嘴采用在同一圆周上设置多个压力雾化喷嘴的多点喷射方式；压力雾化喷嘴插入到二级集油槽端壁上，采用焊接固定，一级切向孔旋流器通过安装环面嵌入到二级切向槽旋流器中通过焊接构成主燃级双级空气辅助雾化喷嘴的两级轴向排布的初始雾化旋流装置，一级集油槽端壁、一级集油槽、二级集油槽、主燃级双级空气辅助雾化喷嘴的初始雾化旋流装置和主燃级喷嘴安装环焊接为一个整体；主燃级双级空气辅助雾化喷嘴采用整体安装，主燃级喷嘴安装环的内外环面为安装定位面，主燃级双级空气辅助雾化喷嘴通过主燃级喷嘴安装环插入到主燃级预混预蒸发段的内环、主燃级预混预蒸发段外环中，有效解决了主燃级双级空气辅助雾化喷嘴的安装和定位问题；燃油杆与主燃级双级空气辅助雾化喷嘴在一级集油槽端壁进油口处焊接形成主燃级油路；燃油杆与预燃级喷嘴螺纹连接形成预燃级油路；一级集油槽上开有燃油节流孔将一级集油槽和二级集油槽连通；预燃级燃油通过燃油杆的预燃级油路流进预燃级喷嘴中；主燃级燃油经过燃油杆的主燃级油路进入主燃级一级燃油集油槽中，再经燃油节流孔、二级集油槽和压力雾化喷嘴）轴向依次喷入一级空气雾化通道和二级空气雾化通道中，燃油在一级切向孔旋流器和二级切向槽旋流器所产生的旋转气流作用下进行雾化蒸发，主燃级预混预蒸发段内环切向槽旋流器和主燃级预混预蒸发段外环切向槽旋流器产生强旋气流对燃油进行进一步的雾化、蒸发和掺混，采用串联式空气雾化燃油方式提高了进入主燃级的空气利用率，充分利用燃烧室有效的轴向空间，结构简单、易于实现却能使主燃级燃油能更加高效的雾化和蒸发；多个主燃级双级空气辅助雾化喷嘴喷射的主燃级燃油在两级轴向旋流空气的剪切作用下，迅速形成均匀的油气混合物，保证燃油进入预混预蒸发段时的径向均匀性，利于解决预模式燃油雾化可能带来的油气径向不均匀的问题，多股油气混合物在预混预蒸发段汇合，在主燃级预混预蒸发段外环切向槽旋流器和主燃级预混预蒸发段内环切向槽旋流器所产生的强旋空气作用下，迅速实现主燃级燃油的周向均匀，并进一步提高燃油的径向均匀性，最后燃油蒸汽与空气的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。

进一步的，所述预燃级采用的喷嘴结构是压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。

进一步的，所述预燃级采用的旋流器的级数为1≤n≤3；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，旋流器直接与隔离段连接；当预燃级的级数1<n≤3时，各级旋流器先连接成一个整体，再与隔离段连接；当预燃级的级数1<n≤3时，各级旋流器的旋流方向或是同旋，或是反旋。

进一步的，所述主燃级的主燃级双级空气辅助雾化喷嘴一级雾化旋流器是切向孔旋流器；主燃级双级空气辅助雾化喷嘴的二级雾化旋流器是切向槽旋流器。

进一步的，所述主燃级预混预蒸发段内环旋流器为切向槽旋流器，切向角度为20-70°，主燃级预混预蒸发段外环旋流器为切向槽旋流器，切向角度为20-70°。

进一步的，所述的主燃级燃油经过主燃级油路进入一级集油槽中，再经燃油节流孔、二级集油槽和压力雾化喷嘴喷入一级空气雾化通道和二级空气雾化通道中；主燃级油路和主燃级双级空气辅助雾化喷嘴焊接为一个整体，利用主燃级喷嘴安装环将主燃级双级空气辅助雾化喷嘴整体与主燃级预混预蒸发段内环、主燃级预混预蒸发段外环进行焊接，利于主燃级双级空气辅助雾化喷嘴。

进一步的，所述主燃级采用的供油喷嘴为压力雾化喷嘴，主燃级燃油经过压力雾化喷嘴依次喷入两级轴向排布的雾化旋流空气中进行辅助空气雾化，随后油气混合物汇合到预混预蒸发段内，在预混预蒸发段内环旋流器和外环旋流器的气流剪切下，进一步破碎、雾化、蒸发和掺混，增加了油气周向和径向均匀性。

进一步的，所述的燃油杆供应燃烧室所需的全部燃油，燃油分为两路，包括预燃级油路，主燃级油路；主燃级双级空气辅助雾化喷嘴个数为6-30个，主燃级燃油占总燃油量的比例为50%～90%。

进一步的，所述的燃烧室头部沿周向均匀布置，个数为14～40个，燃烧室头部的空气量占燃烧室总空气量的40%～75%，其中主燃级占头部空气量的65%～90%，预燃级占头部空气量的10%～35%。

进一步的，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不同工况下燃烧室内燃烧区的当量比和以及燃烧的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，头部进气量相对于常规燃烧室大很多，使燃烧室主燃区当量比较小，有利于燃烧区污染排放的降低；同时采用中心分级燃烧方案，预燃级在中心，为扩散燃烧方式，用于保证整个燃烧室的燃烧稳定性和安全性；主燃级在预燃级径向外围，为预混燃烧模式，燃油在主燃级内进行雾化、蒸发并与空气不断掺混，形成均匀的可燃气进入燃烧室参与燃烧，有利于整个燃烧室内污染排放的降低；主燃级采用主燃级双级空气辅助雾化喷嘴与预混预蒸发段相结合的方案，主燃级燃油经过压力雾化喷嘴喷入一级空气雾化通道和二级空气雾化通道中，燃油在一级切向孔旋流器和二级切向槽旋流器所产生的旋转气流作用下进行辅助空气雾化蒸发，主燃级预混预蒸发段的内环旋流器和外环旋流器产生强旋气流对燃油进行进一步的雾化、蒸发和掺混，这样大部分的燃油和空气掺混均匀后再进入燃烧区燃烧，对降低航空发动机整个起飞着陆循环的污染排放有利。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

（1）主燃级采用主燃级双级空气辅助雾化喷嘴和预混预蒸发段相结合的方案。空气辅助雾化喷嘴既能克服小状态下污染排放高的问题，又能保证燃油进入预混预蒸发段时的径向均匀性，利于解决预模式燃油雾化可能带来的油气径向不均匀的问题，预混预蒸发段内外环采用切向槽式旋流器则保证了燃油的周向均匀性，串联式空气雾化燃油方式的应用提高了进入主燃级的空气利用率，充分利用燃烧室有效的轴向空间，结构简单、易于实现却使主燃级燃油能更加高效的雾化和蒸发。

（2）主燃级油路和主燃级双级空气辅助雾化喷嘴焊接为一个整体，利用主燃级喷嘴安装环将主燃级双级空气辅助雾化喷嘴整体与预混预蒸发段内环、外环进行焊接，简化了主燃级双级空气辅助雾化喷嘴的定位和安装；

（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是本发明的主燃级气动雾化部分前视立体图；

图7是本发明的主燃级喷嘴安装环前视立体图；

图8是本发明的主燃级双级空气辅助雾化喷嘴剖视图；

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是火焰筒外环掺混孔，12是火焰筒内环掺混孔，13是燃烧室头部，14是主燃级，15是预燃级，16是燃油杆，17是隔离段，18档溅盘，19是头部端壁，20是预燃级油路，21是主燃级油路，22是预燃级喷嘴，23是预燃级一级旋流器，24是预燃级文氏管，25是预燃级旋流器出口套筒，26是主燃级油雾，27是预燃级油雾，28是预燃级喷嘴安装孔，29是预燃级一级旋流叶片，30是预燃级二级旋流器，31是一级集油槽端壁，32是一级集油槽端壁进油口，33是燃油节流孔，34是二级集油槽，35是一级雾化空气进气孔，36是一级切向孔旋流器，37是压力雾化喷嘴；38是二级雾化空气进气槽，39是主燃级喷嘴安装环，40是主燃级预混预蒸发段外环，41是主燃级预混预蒸发段内环，42是二级切向槽旋流器，43是一级集油槽，44是二级空气雾化通道，45是一级空气雾化通道，46是主燃级双级空气辅助雾化喷嘴，47是主燃级预混预蒸发段内环切向槽旋流器，48是主燃级预混预蒸发段外环切向槽旋流器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

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，燃烧室头部采用中心分级结构，预燃级在中心，主燃级在预燃级径向外围。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的高速来流空气经过扩压器10经过降速扩压后进入燃烧室，空气由火焰筒外壁8和火焰筒内壁9的掺混孔和冷却孔，以及燃烧室头部13的旋流器和冷却孔进入由火焰筒外壁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，使出口温度分布达到设计要求。燃烧室头部13包括主燃级14、预燃级15、燃油杆16及预燃级喷嘴22，主燃级14通过头部端壁19与火焰筒外壁8和火焰筒内壁9焊接固定，而预燃级15由隔离段17与主燃级14固定联接，燃油杆16供给预燃级15和主燃级14全部燃油。档溅盘18焊接在头部端壁19上，使其与火焰筒内的高温燃气分开。

图3是一个燃烧室头部13结构的剖视图，主燃级14和预燃级15按照同心的方式装配在一起，预燃级15在中心，主燃级14布置在预燃级15外围。燃烧室头部13沿整个发动机周向均匀布置，个数为12～30个，燃烧室头部13的空气量占燃烧室3总空气量的40%～75%，其中主燃级14占头部空气量的65%～90%，预燃级15占头部空气量的10%～35%。预燃级喷嘴22为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴，喷雾张角在60～120°之间。

在图4中，预燃级15采用了双旋流器结构，由预燃级一级旋流器23、预燃级二级旋流30、预燃级文氏管24及预燃级旋流器出口套筒25、隔离段17组成，四者焊接在一起。预燃级油雾27在预燃级两级旋流作用下进一步雾化、蒸发，进入燃烧区中。

在图5、6、7中，主燃级14由主燃级双级空气辅助雾化喷嘴46和主燃级预混预蒸发段内环40、主燃级预混预蒸发段外环41构成。主燃级双级空气辅助雾化喷嘴46由一级集油槽端壁31、一级集油槽43、二级集油槽34、压力雾化喷嘴37、一级切向孔旋流器36、二级切向槽旋流器42和主燃级喷嘴安装环39悍接为一个整体；主燃级喷嘴安装环39的内外环面为安装定位面；主燃级双级空气辅助雾化喷嘴46通过主燃级喷嘴安装环39插入到预混预蒸发段的内环40、主燃级预混预蒸发段外环41中。

在图5、6、7可以看到，主燃级双级空气辅助雾化喷嘴46的一级切向孔旋流器36，开孔排数为1～3排，每排开孔的孔数为4～10个，开孔倾斜角为20～50度，气流流过倾斜孔形成旋流。主燃级双级空气辅助雾化喷嘴46的二级切向槽旋流器42，开槽个数为6-12个，开槽斜角为20～60度。主燃级预混预蒸发段内环切向槽旋流器47，开槽个数为12-30个，开槽斜角为20～60度，主燃级预混预蒸发段外环切向槽旋流器48，开槽个数为12-30个，开槽斜角为20～60度。

在图8中燃烧室头部的全部燃油由燃油杆16供给，燃油杆16内包含两路燃油：预燃级油路20，主燃级油路21；主燃级14燃油经过燃油杆16的主燃级油路21进入一级集油槽43中，再经节流孔33、二级集油槽34和压力雾化喷嘴37喷入一级空气雾化通道45和二级空气雾化通道44中，主燃级压力雾化喷嘴个数为6～30个，喷雾张角为40-80°。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术；另外以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述低污染燃烧室采用单环腔结构，由扩压器（10）、燃烧室外机匣（6）、燃烧室内机匣（7）、火焰筒外壁（8）、火焰筒内壁（9）和燃烧室头部（13）组成，扩压器（10）通过内、外壁和燃烧室外机匣（6）和燃烧室内机匣（7）焊接在一起，火焰筒外壁（8）通过后缘的支板和燃烧室外机匣（6）连接在一起，火焰筒内壁（9）同样通过后部的支板和燃烧室内机匣（7）连接固定；在火焰筒外壁（8）后部设置有火焰筒外环掺混孔（11），在火焰筒内壁（9）后部设置有火焰筒内环掺混孔（12），燃烧用空气全部由燃烧室头部（13）进入火焰筒，掺混空气由火焰筒内环掺混孔（12）和火焰筒外环掺混孔（11）进入火焰筒，以调整燃烧室出口温度分布；所述燃烧室采用中心分级燃烧方案，分为预燃级（15）和主燃级（14），燃油杆（16）供给燃烧室(3)所有燃油，燃油分为两路，包括预燃级油路（20）和主燃级油路（21）；所述主燃级（14）通过头部端壁（19）与火焰筒外壁（8）和火焰筒内壁（9）固定；预燃级（15）通过隔离段（17）与主燃级（14）联接，并与主燃级（14）同心；所述主燃级（14）由主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）、主燃级预混预蒸发段内环（40）和主燃级预混预蒸发段外环（41）构成；其中主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）由压力雾化喷嘴（37）、一级切向孔旋流器（36）、二级切向槽旋流器（42）和主燃级喷嘴安装环（39）构成，压力雾化喷嘴（37）能有效解决发动机小状态下的燃油雾化问题，主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）采用在同一圆周上设置多个压力雾化喷嘴（37）的多点喷射方式；压力雾化喷嘴（37）插入到二级集油槽（34）端壁上，采用焊接固定，一级切向孔旋流器（36）通过安装环面嵌入到二级切向槽旋流器（42）中通过焊接构成主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）的两级轴向排布的初始雾化旋流装置，一级集油槽端壁（31）、一级集油槽（43）、二级集油槽（34）、主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）的初始雾化旋流装置和主燃级喷嘴安装环（39）焊接为一个整体；主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）采用整体安装，主燃级喷嘴安装环（39）的内外环面为安装定位面，主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）通过主燃级喷嘴安装环（39）插入到主燃级预混预蒸发段内环（40）、主燃级预混预蒸发段外环（41）中，有效解决了主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）的安装和定位问题；燃油杆（16）与主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）在一级集油槽端壁进油口（32）处焊接形成主燃级油路；燃油杆（16）与预燃级喷嘴（22）螺纹连接形成预燃级油路；一级集油槽（43）上开有燃油节流孔（33）将一级集油槽（43）和二级集油槽（34）连通；预燃级燃油通过燃油杆（16）的预燃级油路（20）流进预燃级喷嘴（22）中；主燃级燃油经过燃油杆（16）的主燃级油路（21）进入一级集油槽（43）中，再经燃油节流孔（33）、二级集油槽（34）和压力雾化喷嘴（37）轴向依次喷入一级空气雾化通道（45）和二级空气雾化通道（44）中，燃油在一级切向孔旋流器（36）和二级切向槽旋流器（42）所产生的旋转气流作用下进行雾化蒸发，主燃级预混预蒸发段内环切向槽旋流器（47）和主燃级预混预蒸发段外环切向槽旋流器（48）产生强旋气流对燃油进行进一步的雾化、蒸发和掺混，采用串联式空气雾化燃油方式提高了进入主燃级的空气利用率，充分利用燃烧室有效的轴向空间，结构简单、易于实现却能使主燃级燃油能更加高效的雾化和蒸发；多个主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）喷射的主燃级燃油在两级轴向旋流空气的剪切作用下，迅速形成均匀的油气混合物，保证燃油进入预混预蒸发段时的径向均匀性，利于解决预模式燃油雾化可能带来的油气径向不均匀的问题，多股油气混合物在预混预蒸发段汇合，在主燃级预混预蒸发段外环切向槽旋流器（48）和主燃级预混预蒸发段内环切向槽旋流器（47）所产生的强旋空气作用下，迅速实现主燃级燃油的周向均匀，并进一步提高燃油的径向均匀性，最后燃油蒸汽与空气的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所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级喷嘴（22）结构是压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。

3.根据权利要求1所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级（15）采用的旋流器的级数为1≤n≤3；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（15）的级数n=1时，旋流器直接与隔离段（17）连接；当预燃级（15）的级数1<n≤3时，各级旋流器先连接成一个整体，再与隔离段（17）连接；当预燃级（15）的级数1<n≤3时，各级旋流器的旋流方向或是同旋，或是反旋。

4.根据权利要求1所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级（14）中的主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）的一级切向孔旋流器（36）是切向旋流器，或是径向旋流器；主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）的二级切向槽旋流器（42）是切向旋流器，或是径向旋流器，或是轴向旋流器。

5.根据权利要求1所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级（14）的主燃级预混预蒸发段内环切向槽旋流器（47）为切向旋流器，或是径向旋流器；主燃级预混预蒸发段外环切向槽旋流器（48）为切向旋流器，或是径向旋流器。

6.根据权利要求1所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级油路（21）和主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）焊接为一个整体，利用主燃级喷嘴安装环（39）将主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）整体插入到主燃级预混预蒸发段内环（41）、主燃级预混预蒸发段外环（40）中，利于主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）的定位和安装。

7.根据权利要求1所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级（14）采用的供油喷嘴为压力雾化喷嘴（37），主燃级燃油经过压力雾化喷嘴（37）依次喷入两级轴向排布的雾化旋流空气中进行辅助空气雾化，随后油气混合物汇合到预混预蒸发段内，在主燃级预混预蒸发段内环切向槽旋流器（47）和主燃级预混预蒸发段外环切向槽旋流器（48）的气流剪切下，进一步破碎、雾化、蒸发和掺混，增加了油气周向和径向均匀性。

8.根据权利要求1所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级双级空气辅助雾化喷嘴（46）个数为6-30个，主燃级燃油占总燃油量的比例为50%～90%。

9.根据权利要求1所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述燃烧室头部（13）沿周向均匀布置，个数为14～40个，燃烧室头部（13）的空气量占燃烧室总空气量的30%～80%。

10.根据权利要求1所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级（14）占燃烧室头部（13）空气量的65%～90%，预燃级（15）占燃烧室头部（13）空气量的10%～35%。

11.根据权利要求1所述的一种多点轴向双级空气辅助雾化喷嘴主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，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。

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