CN103277813B - 一种在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室，该燃烧室总体上采用预混贫燃方式，头部采用了预燃级和主燃级中心分级燃烧，火焰筒总体结构为单环腔。预燃级采用扩散燃烧方式，保证稳定燃烧；主燃级采用预混燃烧方式，降低大工况污染排放。而预燃级和主燃级可以分别或同时采取加氢辅助燃烧，保证极贫燃烧的效率和稳定性，拓宽贫燃极限，降低燃烧区温度和燃烧脉动，达到减少氮氧化物NOx污染排放的目的。本发明对航空燃油燃烧实施加氢辅助，通过极低贫燃烧大幅降低NOx污染排放，燃料仍然以航空燃油为主，加氢只起辅助燃烧作用，氢气总消耗量小，对发动机和飞行器硬件改造要求低，具有燃料灵活性特征。

Description

一种在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室

技术领域

本发明涉及航空燃气轮机的技术领域，具体涉及一种在航空燃油燃烧中加氢的低污染燃烧室，通过加氢燃烧增强航空燃油的贫燃稳定性，可以在极贫状态下高效、稳定燃烧，达到不降低燃烧效率而降低氮氧化物等污染排放的目的，同时符合未来低污染燃烧室对燃料灵活性的要求。该发明有利于降低航空发动机着陆-起飞循环（Landing and Take-off,LTO）的污染排放，并保证发动机全工况安全可靠运行。

背景技术

为了应对局部人类健康和全球气候变化，现代民用航空发动机燃烧室的主要发展需求是安全性和环保性。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。目前实施的国际民航组织ICAO（International Civil Aviation Organization）的CAEP/6（Committee onAviation 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CAEP/8标准提出了将NOx（氮氧化物）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。同时，除了传统航空煤油以外，未来低污染燃烧室还需要可同时使用合成燃料和生物燃料等液体航空燃油或者氢燃料，对其燃料灵活性也提出了需求。

世界三大航空发动机制造商GE、PW和RR对低污染燃烧室早已着手研究。例如：GE公司针对TAPS（Twin Annular Premixing Swirler）技术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，目的是降低大工况下的NOx排放，2011年已通过适航取证的GEnx发动机NOx排放比CEAP/6标准低50%-65%。而国际上也已经明确提出未来航空发动机减排目标：ICAO中期（到2016年）NOx较现行CAEP/6标准低45%，远期（到2026年）则比CAEP/6标准低60%，均按照增压比30航空发动机来换算；美国NASA下一代航空器研制计划N+3提出NOx排放比CAEP/6低至少75%。

在中国，北京航空航天大学也已经针对航空燃气轮机低污染燃烧室申请了200710178394.X、200810105062.3、200810105061.9、200810104686.3、200810104684.4、200910238793.X、201010101574.X、201010034141.7、201010277014.X、201010571594.3、201010623917.9、201010623920.0等多项专利，采用的方案是预燃级采用扩散或部分预混燃烧方式，主燃级采用预混燃烧方式，主燃级为环形结构，采用多点喷射或预膜雾化方式，重点是降低大工况下和部分小工况下的NOx排放，从而使整个LTO循环的NOx排放得到降低，但进一步降低污染排放的难度越来越大。而国内也制定了民用航空发动机计的减排目标，到2020年污染排放要比CAEP/6标准低50%，更远的未来超低排放燃烧室NOx将比CEAP/6低75%。

以上所述的低污染燃烧室目标和专利，都是针对国际民航组织ICAO规定的一个标准着陆-起飞循环下的排放物指数，用LTO Emission来表达：

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

由上式可知，LTO Emission跟四个考察工况下的NOx排放量均有关。这四个考察工况下的推力和运行时间，如下表所示：

表1ICAO规定的LTO循环运行模式

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

推力F_oo=142.3KN的CFM56-5B/3发动机NOx排放如下表（数据来源于ICAO EmissionDatabank Issue18A）：

表2CFM56-5B/3发动机NOx排放

推力F_oo=255.3KN的GEnx-1B发动机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NOx排放，具体如下表（数据来源于ICAO EmissionDatabank Issue18A）：

表3GEnx-1B发动机NOx排放

从表2和表3可以看出，在大工况下（爬升和起飞）燃烧室内高温区域大，导致NOx排放指数很高；而小工况下（地面慢车和进场）燃烧室内温度相对较低，NOx排放指数较低，但表1显示此时的运行时间远远高于大工况，累积NOx排放也不小。对于主燃级采用贫油预混燃烧的低污染燃烧室而言，尽管大工况下NOx排放指数得到大幅度降低，但预燃级的NOx排放总量在整个LTO循环的污染排放中占的比重明显增大。因此要想进一步降低整个LTO循环的NOx排放，除了降低大工况污染排放以外，小工况也是需要考虑的重要因素。

目前燃烧室内的NOx生成仍然以热力型为主，因此低污染燃烧室降低NOx排放的核心问题是降低燃烧区平均温度并提高温度场均匀性，但在降低温度的同时要保证完全燃烧，即CO（一氧化碳）和UHC（未燃碳氢化合物）的排放也要够低。对于燃用传统航空煤油的航空燃气轮机低污染燃烧室来说，只能通过增强燃油雾化和油气掺混而改善燃烧区当量比均匀性来实现，但由于航空煤油基础燃烧性质的限制很难满足当今日趋严格的污染排放要求。

为此，国际上也在不断需求利用航空替代燃料的解决方案，液氢（LH2）由于其燃烧方面的优越性和零碳排放性，曾被视为推进动力的最佳燃料。由于其储存过程需要低温环境，有时称这种燃料为低温燃料（Cryogenic fuels）。2000年的欧盟第五框架CRYOPLANE计划，旨在寻求将液氢作为航空替代燃料的可行方法，可大大减少污染排放，并且有非常宽的稳定工作范围，提高航空发动机的操作性和耐久性，但需要设计专门的燃烧系统、供油系统和储存系统。美国在NASA零碳排放(ZCET)计划中对液氢作为航空燃料进行了详细研究，以减少航空二氧化碳的排放。但由于液氢存在体积热值小、发动机和飞机结构改动大、所需基础建设大等诸多缺陷，短期内根本无法作为单独的航空燃料使用。不过，随着先进飞行器技术的发展，煤油重整制氢和低温超导余氢成为可能，可以与传统航空燃油共同作为燃料使用。美国专利7162864B1采用过在燃油管路中加入氢气同燃油一起喷入到燃烧室中以降低NOx污染排放的方式，但这种方式由于氢气和燃油直接混合，需要对下游的燃油喷嘴进行改动，而且很难解决氢气自燃的问题。

而本发明就是在航空发动机上利用将氢加入到航空燃油燃烧中来降低污染排放的一种新方法，对于未来的航空发动机超低排放燃烧室有良好的应用前景。

发明内容

本发明要解决的问题：克服现有技术不足，运用预混预蒸发极贫燃烧技术，提供了一种在航空燃油加氢辅助燃烧的航空燃气轮机低污染燃烧室，头部采用了预燃级和主燃级中心分级燃烧，采取加氢辅助燃烧措施，保证极贫燃烧的效率和稳定性，拓宽贫燃极限，降低燃烧区温度和燃烧脉动，减少各工况下的氮氧化物NOx污染排放，进一步大幅降低航空发动机在整个着陆-起飞LTO循环内的污染排放。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室，所述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；所述燃烧室头部采用中心分级燃烧，周向个数为10～30，它由主燃级和预燃级组成；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整体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；所述主燃级包括主燃级油路系统、主燃级空气雾化系统和主燃级加氢系统，其中主燃级油路系统由主燃级油路、主燃级一级集油槽端壁、主燃级一级集油槽、燃油节流孔、主燃级二级集油槽、主燃级直射式喷嘴组成，主燃级直射式喷嘴采用同一圆周上多点喷射方式，通过安装孔焊接在主燃级二级集油槽端壁上，在主燃级二级集油槽上铣有定位安装面，主燃级一级集油槽插入安装定位面内焊接固定；主燃级空气雾化系统包括一级切向孔旋流器、二级切向槽旋流器、主燃级预混段外环旋流器和主燃级预混段内环旋流器，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空气雾化的两级轴向排布的初始雾化旋流装置，二级切向槽旋流器和主燃级预混段外环旋流器、主燃级预混段内环旋流器采用一体成型加工为一个整体；主燃级加氢系统共有两路，第一路由主燃级一级氢气流道、主燃级一级氢气集气箱、主燃级一级氢气集气箱端壁、主燃级一级氢气喷射孔组成，在主燃级预混段外环旋流器端壁上通过铣切加工出主燃级一级氢气集气箱，主燃级一级氢气集气箱端壁通过定位面与主燃级一级氢气集气箱焊接固定，主燃级第一路氢气经主燃级一级氢气流道进入主燃级一级氢气集气箱，再经主燃级一级氢气喷射孔进入主燃级预混预蒸发段内与油气进行混合，利用氢气保证了主燃级贫油燃烧时的稳定性和燃烧效率，通过铣切加工在主燃级预混段外环端壁出开有主燃级二级氢气集气箱，同样主燃级二级氢气集气箱端壁通过定位面与主燃级一级氢气集气箱焊接固定，并与主燃级二级氢气流道焊接构成主燃级第二路加氢系统，主燃级第二路氢气经主燃级二级氢气流道、主燃级二级氢气集气箱、主燃级二级氢气喷射孔直接进入火焰筒进行燃烧，降低污染排放，同时避免自燃；所述预燃级为扩散燃烧，同样由预燃级油路系统、预燃级空气雾化系统和预燃级加氢系统组成；燃油杆与预燃级喷嘴螺纹连接形成预燃级油路，安装于预燃级喷嘴安装孔内；预燃级一级旋流器槽道、文氏管、预燃级二级旋流器槽道和预燃级套筒通过安装环面焊接构成了预燃级空气雾化系统；预燃级加氢系统由三路组成，预燃级一级氢气流道、预燃级一级氢气集气箱、预燃级一级氢气集气箱端壁和预燃级一级氢气喷射孔构成了预燃级第一路加氢系统，采用铣切加工出预燃级一级氢气集气箱并通过焊接与预燃级一级氢气集气箱端壁构成密闭腔体，预燃级一级氢气喷射孔通过钻孔得到，方向垂直于壁面，预燃级一级氢气流道焊接在预燃级一级氢气集气箱端壁，预燃级第一路氢气经预燃级一级氢气流道进入预燃级一级氢气集气箱，然后通过预燃级一级氢气喷射孔喷入预燃级一级旋流器槽道内与油气进行掺混，形成预混燃气；预燃级第二路加氢系统由预燃级二级氢气流道、预燃级二级氢气集气箱、预燃级二级氢气喷射孔、预燃级二级氢气集气箱端壁组成，在文氏管上铣出预燃级二级氢气集气箱并通过定位面与预燃级二级氢气集气箱端壁焊接形成密闭环腔，预燃级二级氢气喷射孔位于文氏管上，通过钻孔得到，方向垂直于壁面，预燃级第二路氢气经预燃级二级氢气流道进入预燃级二级氢气集气箱，然后由预燃级二级氢气喷射孔喷入预燃级二级旋流器槽道内，与进入的旋流空气进行强烈的混合，形成第二股预混燃气；预燃级第二路加氢系统由预燃级三级氢气流道、预燃级三级氢气集气箱端壁、预燃级三级氢气集气箱、预燃级三级氢气喷射孔组成，燃级三级氢气集气箱开在预燃级套筒上，通过铣切加工而成，可以有效减轻预燃级的重量，预燃级三级氢气集气箱端壁焊接在燃级三级氢气集气箱上，预燃级三级氢气喷射孔为斜孔，与轴向成一定角度，预燃级第三路氢气流经预燃级三级氢气流道、预燃级三级氢气集气箱，最后经预燃级三级氢气喷射孔喷入预燃级旋转射流空气中，形成半预混的可燃气体。在航空发动机慢车、进场等小工况时，只有预燃级喷油工作，预燃级一级氢气喷射孔和预燃级二级氢气喷射孔单独或者共同喷注氢气，与预燃级燃油、空气混合；在航空发动机巡航中等工况时，预燃级和主燃级均喷油工作，预燃级一级氢气喷射孔、预燃级二级氢气喷射孔、预燃级三级氢气喷射孔、主燃级一级氢气喷射孔、主燃级二级氢气喷射孔均可喷注氢气；在航空发动机爬升、起飞大工况时，预燃级和主燃级均喷油工作，预燃级三级氢气喷射孔和主燃级二级氢气喷射孔共同喷注氢气。

进一步的，所述的预燃级其特征在于：预燃级一级氢气喷射孔均匀布置于预燃级一级旋流器叶片之间，个数为4～20，垂直喷入旋流通道内；预燃级二级氢气喷射孔均匀布置于预燃级二级旋流器叶片之间，个数为4～30，垂直喷入旋流通道内；预燃级三级氢气喷射孔个数为4～30，喷射角-30°≤β≤120°。

进一步的，所述的预燃级，其特征在于：预燃级的氢气与燃油质量比0～0.5，预燃级燃油与空气质量比0.01～0.2，利用氢气保证预燃级贫油燃烧时的点火性能、熄火性能、稳定性和燃烧效率，同时由于极其贫油燃烧，减少热力NOx生成。

进一步的，所述的主燃级，其特征在于：主燃级一级氢气喷射孔个数为6～40，位于主燃级预混段外环旋流器和主燃级预混段内环旋流器之前；主燃级二级氢气喷射孔（38）个数为6～60，位于主燃级预混段外环出口，喷射角-30°≤α≤90°。

进一步的，所述的主燃级，其特征在于：主燃级的氢气与燃油质量比0～0.5，主燃级燃油与空气质量比0.01～0.06，利用氢气保证主燃级贫油燃烧时的稳定性和燃烧效率，同时由于极其贫油燃烧，减少热力NOx生成。

本发明的原理如下：单纯使用航空燃油时，预混燃烧室燃烧区当量比在0.6～0.8范围内产生的NOx与CO（UHC和CO的排放规律类似）都很少，燃烧区当量比低于0.6的话，NOx会更低，但CO明显增多，燃烧效率降低，更会导致振荡燃烧或熄火；而只需加入少量氢气（氢气与航空燃油质量比小于0.1），就可在航空燃油燃烧当量比0.4左右保持CO不增加，燃烧脉动振幅降低100倍以上，与正常的航空燃油可燃极限内燃烧相比相当于减少NOx排放50%以上。利用了氢气燃烧所产生的大量羟基（OH）对CO氧化和火焰传播的促进作用，提高火焰传播速度、加快反应速度、提高火焰稳定性。由于氢气的加入，使极贫燃烧成为可能，不会导致CO和UHC的增多，保证燃烧效率，降低燃烧温度，控制热力NO_x的产生，从而达到在不增加CO和UHC的前提下减少NO_x的目的。通过控制不同工况下的氢气喷注量，保证所有工况下燃烧室都处于低污染燃烧状态。在慢车、进场工况时，仅预燃级工作，加氢可降低预燃级的富油燃烧程度，保证稳定性，进而减少NO_x生成，而加氢后的稳定性可保证恶劣天气（如暴雨、冰雹、暴雪）下的安全性。在起飞、爬升工况时，主燃级贫油燃烧，加氢可进一步主燃级的油气比，实际极贫燃烧，也可减少NO_x生成。在巡航工况时，仅用极少量的氢气保证燃烧稳定性并降低污染排放，减少氢气用量，对发动机和飞行器硬件结构改造要求低。

本发明与现有技术相比具有的优点：

（1）在航空燃油燃烧中加氢，促进CO氧化和火焰传播，在保证燃烧效率和稳定性不变的情况下，实现极贫燃烧，大大降低燃烧温度，比现有的燃烧技术更能减少NOx排放；

（2）在预燃级和主燃级中分别喷注氢气辅助燃烧，灵活性更强，更容易调整匹配，保证各工况下预燃级和主燃级都能在更低的油气比下正常工作，减少污染排放；

（3）预燃级内有三个氢气喷注位置，可根据具体情况调整喷注的量和位置，实现预燃级氢气的预混和非预混燃烧，保证燃烧稳定性、燃烧效率，降低污染排放，同时避免自燃；

（4）主燃级内有两个氢气喷注位置，可根据具体情况调整喷注的量和位置，实现主燃级氢气的预混和非预混燃烧，保证燃烧稳定性、燃烧效率，降低污染排放，同时避免自燃；

（5）航空燃油与氢气分开喷注，防止两种燃料在传输管路中的相互干扰而引发脉动，同时有效地避免了氢气自燃的风险；

（6）通过燃烧室头部预燃级和主燃级的优化匹配，可用很少的氢气量起到辅助燃烧、降低污染排放的作用，而主要燃料仍然为航空燃油，氢气总消耗量小，对发动机和飞行器硬件改造要求低。

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是本发明的主燃级结构剖视图；

图5是本发明的预燃级结构立体视图；

图6是本发明的预燃级结构剖视图；

图7是本发明的预燃级旋流杯一级槽道后视图；

图8是本发明的主燃级部分立体视图。

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是燃油杆，12是主燃级一级氢气流道，13是主燃级二级氢气流道，14是燃烧室头部，15是预燃级，16是档溅盘，17是头部整体端壁，18是主燃级油路，19是预燃级油路，20是隔离段，21是主燃级，22是预燃级油雾，23是主燃级油雾，24是预燃级喷嘴，25是主燃级喷嘴，26是主燃级一级集油槽端壁，27是主燃级一级集油槽，28是燃油节流孔，29是主燃级二级集油槽，30是主燃级直射式喷嘴，31是一级切向孔旋流器，32是二级切向槽旋流器，33是主燃级一级氢气集气箱，34是主燃级一级氢气喷射孔，35是主燃级预混段外环旋流器，36是主燃级预混段外环，37是主燃级二级氢气集气箱，38是主燃级二级氢气喷射孔，39是主燃级预混段内环，40是主燃级预混段内环旋流器，41是主燃级二级氢气集气箱端壁，42是主燃级一级氢气集气箱端壁，43是预燃级二级氢气流道，44是预燃级一级氢气流道，45是预燃级三级氢气流道，46是预燃级喷嘴安装孔，47是预燃级一级氢气集气箱，48是预燃级一级旋流器槽道，49是预燃级二级氢气集气箱，50是预燃级二级旋流器槽道，51是预燃级套筒，52是预燃级三级氢气集气箱端壁，53是预燃级三级氢气集气箱，54是预燃级三级氢气喷射孔，55是预燃级二级氢气喷射孔，56是预燃级一级氢气集气箱端壁，57是预燃级一级氢气喷射孔，58是二级氢气集气箱端壁，59是文氏管。

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。

图2是燃烧室结构剖视图，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14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，预燃级15由隔离段20与主燃级21固定联接，头部整体端壁与火焰筒的内、外壁焊接在一起，档溅盘16焊接在头部端壁上，使其与火焰筒内的高温燃气分开，燃烧室头部14作为一个整体通过主燃级安装环固定在头部端壁上。

图3是本发明的燃烧室头部结构的剖视图，燃油杆11与预燃级喷嘴24组成预燃级油路。燃油杆11、主燃级一级集油槽端壁26、主燃级一级油槽27、主燃级二级油槽29及主燃级喷嘴25通过焊接形成主燃级油路。主燃级21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21布置在预燃级15外围。燃烧室头部14沿整个发动机周向均匀布置，个数为12～25个，预燃级喷嘴25为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴，喷嘴流量数在8～22kg/(hrMPa^0.5)之间，喷雾张角在60～120°之间。

图4为本发明的主燃级结构剖视图，主燃级由三级气路、一级油路、两级加氢路组成。主燃级由三级气路、一级油路、两级加氢路组成。主燃级预混段外环与主燃级预混段内环通过精密铸造成型，通过铣切加工出主燃级一级氢气集气箱、主燃级二级氢气集气箱，主燃级一级氢气集气箱、主燃级一级氢气集气箱端壁、主燃级一级氢气流道和主燃级二级氢气集气箱、主燃级二级氢气集气箱端壁、主燃级二级氢气流道通过焊接构成主燃级的两级加氢系统。主燃级一级集油槽端壁、主燃级一级集油槽端壁、燃油节流孔、二级集油槽和主燃级喷嘴通过焊接组成主燃级油路系统。一级切向孔旋流器、二级切向槽旋流器及主燃级预混段内环旋流器和主燃级预混段外环旋流器构成了主燃级的气路系统。主燃级一级切向孔旋流器的内壁通过安装环面与主燃级二级集油槽焊接固定。一级切向孔旋流器，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30°～50°，气流流过倾斜孔形成旋流。二级切向槽旋流器，开槽个数为6～12个，开槽斜角为30°～60°。主燃级预混预蒸发段内环旋流器，开槽个数为12～30个，开槽斜角为30°～45°，主燃级预混预蒸发段外旋流器，开槽个数为12～30个，开槽斜角为30°～45°。

图4为本发明的主燃级结构剖视图，主燃级由油路系统、空气雾化系统和加氢系统组成。主燃级预混段外环36与主燃级预混段内环39通过精密铸造成型，通过铣切加工出主燃级一级氢气集气箱33、主燃级二级氢气集气箱37；主燃级一级氢气集气箱33、主燃级一级氢气集气箱端壁42、主燃级一级氢气流道44和主燃级二级氢气集气箱33、主燃级二级氢气集气箱端壁41、主燃级二级氢气流道43通过焊接构成主燃级的两级加氢系统。主燃级一级集油槽端壁26、主燃级一级集油槽27、燃油节流孔28、主燃级二级集油槽29和主燃级直射式喷嘴30通过焊接组成主燃级油路系统。一级切向孔旋流器31、二级切向槽旋流器32及主燃级预混段内环旋流器40和主燃级预混段外环旋流器35构成了主燃级的空气雾化系统。主燃级一级切向孔旋流器31的内壁通过安装环面与主燃级二级集油槽29焊接固定。一级切向孔旋流器31，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30°～50°，气流流过倾斜孔形成旋流。二级切向槽旋流器32，开槽个数为6～12个，开槽斜角为30°～60°。主燃级预混预蒸发段内环旋流器40，开槽个数为12～30个，开槽斜角为30°～45°，主燃级预混预蒸发段外旋流器35，开槽个数为12～30个，开槽斜角为30°～45°。

图5是本发明的预燃级结构的立体视图，预燃级采用两级切向旋流器，三级氢气喷射系统。预燃级一、二、三级氢气流道通过焊接与其相应的预燃级氢气集气箱连接。

图6是本发明的预燃级结构的剖视图，预燃级由两级空气路、一级油路和三级加氢路组成。预燃级一级旋流器通过精密铸造成型，铣出旋流器空气流道和预燃级一级氢气集气箱，预燃级一级氢气集气箱端壁通过焊接与其相连，预燃级一级氢气喷射孔通过钻孔得到，方向垂直于壁面。预燃级二级旋流器和文氏管也通过精密铸造成型，铣出二级旋流器空气流道和二级氢气集气箱，二级氢气集气箱端壁通过焊接与其相连，预燃级二级氢气喷射孔通过钻孔得到，个数为8～16，方向垂直于壁面。同样通过精密铸造的方法铸造出预燃级套筒，然后铣出预燃级三级氢气集气箱并将预燃级三级集气箱端壁与其焊接在一起，预燃级三级氢气喷射孔通过钻孔得到，个数为10～20，喷射角20°～60°。预燃级一级旋流器、文氏管、预燃级二级旋流器和套筒通过各自端面的焊接构成预燃级。

图7是本发明的预燃级旋流杯一级槽道后视图，可以看到预燃级一级氢气喷射孔开在预燃级一级旋流器空气流道内，沿周向个数为4～10个，有利于预燃级一级喷射氢气与空气的掺混，不但增加了结构的紧凑度而且减少了结构的重量。

图5、图6和图7分别是本发明的预燃级结构的立体视图和剖视图以及预燃级旋流杯一级槽道后视图，预燃级同样由油路系统、空气雾化系统和加氢系统组成。预燃级一级旋流器槽道48通过精密铸造成型和铣切加工成型，并在预燃级一级旋流器槽道48的端壁上铣出预燃级一级氢气集气箱47，预燃级一级氢气集气箱端壁56通过焊接与其相连，预燃级一级氢气喷射孔57通过钻孔得到，方向垂直于壁面，预燃级一级氢气喷射孔57开在预燃级一级旋流器槽道48内，沿周向个数为4～10个，有利于预燃级一级喷射氢气与空气的掺混，不但增加了结构的紧凑度而且减少了结构的重量。预燃级二级旋流器槽道50和文氏管59也通过精密铸造成型，并在文氏管59外环端壁处铣出预燃级二级氢气集气箱49，预燃级二级氢气集气箱端壁58通过焊接与其相连，预燃级二级氢气喷射孔55通过钻孔得到，个数为8～16，方向垂直于壁面。同样通过精密铸造的方法铸造出预燃级套筒51，然后在预燃级套筒51靠近出口处铣出预燃级三级氢气集气箱53并将预燃级三级集气箱端壁52与其焊接在一起，预燃级三级氢气喷射孔54通过钻孔得到，个数为10～20，喷射角20°～60°。预燃级一级旋流器槽道48、文氏管59、预燃级二级旋流器槽道50和预燃级套筒51通过各自端面焊接组合在一起。

图8是本发明的主燃级部分的立体视图，主燃级与预燃级同轴，主燃级一级切向孔旋流器与主燃级二级切向槽旋流器焊接在一起，主燃级二级切向槽旋流器通过焊接将主燃级预混段内外环相连，主燃级预混段内、外环旋流器可通过精密铸造与主燃级内、外环一体成型。

图8是本发明的主燃级部分的立体视图，主燃级21与预燃级15同轴，一级切向孔旋流器31与二级切向槽旋流器32焊接在一起，二级切向槽旋流器32通过焊接将主燃级预混段内环39、主燃级预混段外环36相连，主燃级预混段内环旋流器40、主燃级预混段外环旋流器35可通过在主燃级预混段内环39和主燃级预混段外环36上铣切加工成型。

对于不同的发动机工作模式，燃烧室内的预燃级和主燃级油气比，以及各自的加氢量，可按以下方式调节。在航空发动机慢车、进场等小工况时，只有预燃级15喷油工作，预燃级一级氢气喷射孔57和预燃级二级氢气喷射孔55单独或者共同喷注氢气，与预燃级燃油、空气混合，氢气与燃油质量比0～0.2，燃油与空气质量比0.01～0.2，保证小工况的燃烧稳定性和燃烧效率，降低污染排放；在航空发动机巡航中等工况时，由于燃烧室进口温度不太高，预燃级15和主燃级21均喷油工作，预燃级一级氢气喷射孔57、预燃级二级氢气喷射孔55、预燃级三级氢气喷射孔54、主燃级一级氢气喷射孔34、主燃级二级氢气喷射孔38均可喷注氢气，相互配合，其中预燃级氢气与燃油质量比0～0.2，预燃级燃油与空气质量比0.01～0.15，主燃级氢气与燃油质量比0～0.1，主燃级燃油与空气质量比0.01～0.04，保证贫油燃烧的稳定性和燃烧效率，降低污染排放；在航空发动机爬升、起飞大工况时，预燃级15和主燃级21均喷油工作，预燃级三级氢气喷射孔54和主燃级二级氢气喷射孔38共同喷注氢气，其中预燃级氢气与燃油质量比0～0.1，预燃级燃油与空气质量比0.01～0.1，主燃级氢气与燃油质量比0～0.1，主燃级燃油与空气质量比0.01～0.05，既保证贫油燃烧的稳定性和燃烧效率，降低污染排放，又可以防止氢气自燃。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

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 (5)

1.一种在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室，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(14)组成，扩压器(10)通过火焰筒内壁(9)、火焰筒外壁(8)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；所述燃烧室头部(14)采用中心分级燃烧，周向个数为12～25，它由主燃级(21)和预燃级(15)组成；燃油杆(11)供给燃烧室(3)所有燃油，燃油分为两路，包括预燃级油路(19)和主燃级油路(18)；所述主燃级(21)通过头部整体端壁(17)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(20)与主燃级(21)联接，并与主燃级(21)同心；所述主燃级(21)包括主燃级油路系统、主燃级空气雾化系统和主燃级加氢系统，其中主燃级油路系统由主燃级油路(18)、主燃级一级集油槽端壁(26)、主燃级一级集油槽(27)、燃油节流孔(28)、主燃级二级集油槽(29)、主燃级直射式喷嘴(30)组成，主燃级直射式喷嘴(30)采用同一圆周上多点喷射方式，通过安装孔焊接在主燃级二级集油槽(29)端壁上，在主燃级二级集油槽(29)上铣有定位安装面，主燃级一级集油槽(27)插入定位安装面内焊接固定；主燃级空气雾化系统包括一级切向孔旋流器(31)、二级切向槽旋流器(32)、主燃级预混段外环旋流器(35)和主燃级预混段内环旋流器(40)，一级切向孔旋流器(31)通过安装环面嵌入到二级切向槽旋流器(32)中通过焊接构成主燃级空气雾化的两级轴向排布的初始雾化旋流装置，二级切向槽旋流器(32)和主燃级预混段外环旋流器(35)、主燃级预混段内环旋流器(40)采用一体成型加工为一个整体；主燃级加氢系统共有两路，第一路由主燃级一级氢气流道(12)、主燃级一级氢气集气箱(33)、主燃级一级氢气集气箱端壁(42)、主燃级一级氢气喷射孔(34)组成，在主燃级预混段外环旋流器(35)端壁上通过铣切加工出主燃级一级氢气集气箱(33)，主燃级一级氢气集气箱端壁(42)通过定位面与主燃级一级氢气集气箱(33)焊接固定，主燃级第一路氢气经主燃级一级氢气流道(12)进入主燃级一级氢气集气箱(33)，再经主燃级一级氢气喷射孔(34)进入主燃级预混预蒸发段内与油气进行混合，利用氢气保证了主燃级贫油燃烧时的稳定性和燃烧效率，通过铣切加工在主燃级预混段外环端壁开有主燃级二级氢气集气箱(37)，同样主燃级二级氢气集气箱端壁(41)通过定位面与主燃级二级氢气集气箱(37)焊接固定，并与主燃级二级氢气流道(13)焊接构成主燃级第二路加氢系统，主燃级第二路氢气经主燃级 二级氢气流道(13)、主燃级二级氢气集气箱(37)、主燃级二级氢气喷射孔(38)直接进入火焰筒进行燃烧，降低污染排放，同时避免自燃；所述预燃级(15)为扩散燃烧，同样由预燃级油路系统、预燃级空气雾化系统和预燃级加氢系统组成；燃油杆(11)与预燃级喷嘴(24)螺纹连接形成预燃级油路，安装于预燃级喷嘴安装孔(46)内；预燃级一级旋流器槽道(48)、文氏管(59)、预燃级二级旋流器槽道(50)和预燃级套筒(51)通过安装环面焊接构成了预燃级空气雾化系统；预燃级加氢系统由三路组成，预燃级一级氢气流道(44)、预燃级一级氢气集气箱(47)、预燃级一级氢气集气箱端壁(56)和预燃级一级氢气喷射孔(57)构成了预燃级第一路加氢系统，采用铣切加工出预燃级一级氢气集气箱(47)并通过焊接与预燃级一级氢气集气箱端壁(56)构成密闭腔体，开在预燃级一级旋流器槽道(48)内的预燃级一级氢气喷射孔(57)通过钻孔得到，方向垂直于预燃级一级旋流器槽道(48)壁面，预燃级一级氢气流道(44)焊接在预燃级一级氢气集气箱端壁(56)，预燃级第一路氢气经预燃级一级氢气流道(44)进入预燃级一级氢气集气箱(47)，然后通过预燃级一级氢气喷射孔(57)喷入预燃级一级旋流器槽道(48)内与油气进行掺混，形成预混燃气；预燃级第二路加氢系统由预燃级二级氢气流道(43)、预燃级二级氢气集气箱(49)、预燃级二级氢气喷射孔(55)、预燃级二级氢气集气箱端壁(58)组成，在文氏管(59)上铣出预燃级二级氢气集气箱(49)并通过定位面与预燃级二级氢气集气箱端壁(58)焊接形成密闭环腔，预燃级二级氢气喷射孔(55)位于文氏管(59)上，通过钻孔得到，方向垂直于壁面，预燃级第二路氢气经预燃级二级氢气流道(43)进入预燃级二级氢气集气箱(49)，然后由预燃级二级氢气喷射孔(55)喷入预燃级二级旋流器槽道(50)内，与进入的旋流空气进行强烈的混合，形成第二股预混燃气；预燃级第二路加氢系统由预燃级三级氢气流道(45)、预燃级三级氢气集气箱端壁(52)、预燃级三级氢气集气箱(53)、预燃级三级氢气喷射孔(54)组成，燃级三级氢气集气箱(53)开在预燃级套筒(51)上，通过铣切加工而成，可以有效减轻预燃级的重量，预燃级三级氢气集气箱端壁(52)焊接在燃级三级氢气集气箱(53)上，预燃级三级氢气喷射孔(54)为斜孔，与轴向成一定角度，预燃级第三路氢气流经预燃级三级氢气流道(45)、预燃级三级氢气集气箱(53)，最后经预燃级三级氢气喷射孔(54)喷入预燃级旋转射流空气中，形成半预混的可燃气体；在航空发动机慢车、进场等小工况时，只有预燃级(15)喷油工作，预燃级一级氢气喷射孔(57)和预燃级二级氢气喷射孔(55)单独或者共同喷注氢气，与预燃级燃油、空气混合，保证小工况的燃烧稳定性和燃烧效率，降低污染排放；在航空发动机巡航中等工况时，由于燃烧室进口温度不太高，预燃级(15)和主燃级(21)均喷油工作，预燃级一级氢气喷射孔(57)、预燃级二级氢气喷射孔(55)、预燃级三级氢气喷射孔(54)、主燃级一级氢气喷射孔(34)、主燃级二级氢气喷射孔(38)均可喷 注氢气，相互配合，保证贫油燃烧的稳定性和燃烧效率，降低污染排放；在航空发动机爬升、起飞大工况时，预燃级(15)和主燃级(21)均喷油工作，预燃级三级氢气喷射孔(54)和主燃级二级氢气喷射孔(38)共同喷注氢气，既保证贫油燃烧的稳定性和燃烧效率，降低污染排放，又可以防止氢气自燃。

2.根据权利要求1所述的在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级一级氢气喷射孔(57)均匀布置于预燃级一级旋流器叶片(48)之间，个数为4～20，垂直喷入预燃级一级旋流器槽道内；预燃级二级氢气喷射孔(55)均匀布置于预燃级二级旋流器叶片(50)之间，个数为4～30，垂直喷入预燃级二级旋流器槽道内；预燃级三级氢气喷射孔(54)个数为4～30，喷射角-30°≤β≤120°。

3.根据权利要求1所述的在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室，其特征在于：所述预燃级的氢气与燃油质量比为0～0.5，预燃级燃油与空气质量比为0.01～0.2，利用氢气保证预燃级贫油燃烧时的点火性能、熄火性能、稳定性和燃烧效率，同时由于极其贫油燃烧，减少热力NOx生成。

4.根据权利要求1所述的在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级一级氢气喷射孔(34)个数为6～40，位于主燃级预混段外环旋流器(35)和主燃级预混段内环旋流器(40)之前；主燃级二级氢气喷射孔(38)个数为6～60，位于主燃级预混段外环(36)出口，喷射角-30°≤α≤90°。

5.根据权利要求1所述的在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级的氢气与燃油质量比为0～0.5，主燃级燃油与空气质量比为0.01～0.06，利用氢气保证主燃级贫油燃烧时的稳定性和燃烧效率，同时由于极其贫油燃烧，减少热力NOx生成。