CN103277815A

CN103277815A - 贫油部分预混预蒸发均质供油装置

Info

Publication number: CN103277815A
Application number: CN2013101711398A
Authority: CN
Inventors: 何小民; 方杰; 金义; 吴泽俊; 蒋波; 彭春梅; 丁国玉; 朱志新; 赵自强
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-10
Also published as: CN103277815B

Abstract

一种贫油部分预混预蒸发均质供油装置，其包括有平直段蒸发腔、与所述平直段蒸发腔相连的钝体蒸发腔、设置于所述平直段蒸发腔内的燃油喷嘴及连接所述燃油喷嘴的油管，所述贫油部分预混预蒸发均质供油装置为环形结构，所述喷嘴为周向均匀排布且位于所述平直段蒸发腔内沿轴向顺流喷射燃油，所述油管沿周向呈“波瓣”状，本发明贫油部分预混预蒸发均质供油装置通过将燃油混气在燃烧室周向和高度方向上均匀供给并在主燃形成贫油燃烧，实现低排放的目标。

Description

贫油部分预混预蒸发均质供油装置

技术领域

本发明涉及一种贫油部分预混预蒸发均质供油装置，尤其涉及一种应用于民用航空发动机燃烧室、地面燃气轮机燃烧室中的贫油部分预混预蒸发均质供油装置，属于燃气轮机低排放技术领域。

背景技术

在民用航空领域，国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）陆续制定了CAEP1（1986年）、CAEP2（1996年）、CAEP4（2004年）、CAEP6（2008年）和CAEP8（2010年）等多个排放标准条例。为了使航空发动机的排放符合国际民航组织（ICAO）关于污染物排放的规定，针对燃烧室排放性能的要求日益严苛，尤其是对NOX的限制。

在低排放燃烧室的研究过程中，研究人员掌握了CO2、CO、NOX和UHC等排放气体与燃烧温度、驻留时间、混气成分和油气状态间的变化规律，发展了分区分级燃烧、贫油预混预蒸发（Lean Premixed Prevaporized，简称 LPP）燃烧、富油/快速淬熄/贫油（Rich-Quench-Lean，简称RQL）燃烧、贫油直接喷射（Lean Direct Injection，简称LDI）燃烧、贫油直接混合（Lean Direct Mix，简称LDM）和双环腔预混技术等大量低排放燃烧技术，也成功研制并应用了双环腔燃烧室（用于CFM56－5B和GE90）、Ⅱ代TALON燃烧室（用于PW4000、PW6000系列）等低排放燃烧室，下一代的双环腔预混燃烧室、第四代TALON、R.R.公司基于LDM技术的ANTLE燃烧室等也已在发动机上通过初步验证。

实际上，对于供油装置而言，要实现低排放，关键技术在于如何在较短的距离内达到油气在燃烧室周向和径向的均匀混合；同时，控制主燃区当量比落在低污染的燃烧区间内。不仅仅要保证整个燃烧区的总当量比，更为核心的是控制局部当量比，即当量比的均匀性。

贫油预混预蒸发（Lean Premixed Prevaporized，简称 LPP）燃烧技术中降低NOX排放的供油方案是一个贫油燃料燃烧、预先混合均匀的以及对液体燃料预先蒸发完全的燃烧方式。实现LPP的基本模式是将燃料完全蒸发并混合均匀供入燃烧区，在燃烧区是贫油燃烧、燃烧区的当量比越小越能降低NOX排放。当然，其下限是贫油熄火极限，燃烧区的当量比不能低于该极限。这种供油方式带来的优势还在于加快燃烧速度和提高燃油燃烧的程度从而大大优化了燃烧室的性能。但LPP燃烧方式存在一定的局限性：冷启动难、易回火、易自燃、燃烧不稳定。

由NASA(美国航空航天局)提出的贫油喷射系统LDI燃烧方式是贫油预混预蒸发模型(LPP) 的一种变形。不同于贫油预混预蒸发模型的是,贫油喷射系统中的供油方案是燃油直接射入燃烧区,因此没有LPP模型自燃和回火的隐患。正因为燃油没有经过预混和预蒸发过程，LDI低污染燃烧室以贫油状态将燃油直接喷射到主燃区与空气混合进行燃烧,降低主燃区的温度,从而降低NOX 的排放，但效果没有LPP模型来得显著。为了进一步提高LDI燃烧室低污染、好的温度出口分布的能力,NASA又提出一种贫油多点喷射LDI燃烧室模型,即在燃烧室头部采用多个旋流器和喷嘴实现分级分区供油。多点供油能有效保证油雾场的均匀分布和局部低当量比，可以保证发动机全功率状态下的燃烧和排放性能，但缺点是结构复杂，重量增加，控制难度增大，可靠性变差。

因此，针对现有技术中的不足，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容

本发明提供一种贫油部分预混预蒸发均质供油装置，该贫油部分预混预蒸发均质供油装置通过将燃油混气在燃烧室周向和高度方向上均匀供给并在主燃形成贫油燃烧，实现低排放的目标。

本发明采用如下技术方案：一种贫油部分预混预蒸发均质供油装置，其包括有平直段蒸发腔、与所述平直段蒸发腔相连的钝体蒸发腔、设置于所述平直段蒸发腔内的燃油喷嘴及连接所述燃油喷嘴的油管，所述贫油部分预混预蒸发均质供油装置为环形结构，所述喷嘴为周向均匀排布且位于所述平直段蒸发腔内沿轴向顺流喷射燃油，所述油管沿周向呈“波瓣”状。

所述钝体蒸发腔的表面设置有4排供所述钝体蒸发腔中的燃油混气通过的钝体蒸发腔出流孔。

所述钝体蒸发腔出流孔沿周向和径向排布。

所述周向钝体蒸发腔出流孔交错排布，所述径向钝体蒸发腔出流孔射流的起始高度和射流方向不同。

所述钝体蒸发腔的下游形成有加强蒸发腔外空气和燃油混气的掺混的蒸发腔下游回流区。

所述贫油部分预混预蒸发均质供油装置还包括有设置于所述钝体蒸发腔尾部的钝体蒸发腔“内凹”形结构。

本发明具有如下有益效果：

（1）. 贫油部分预混预蒸发均质供油装置是实现贫油部分预混合预蒸发低排放燃烧技术的关键部件之一；

（2）.运用贫油部分预混预蒸发供油装置有利于防止回火、自燃进而提高燃烧稳定性；

（3）. 贫油部分预混预蒸发均质供油装置结构简单紧凑，进而达到均质供油的效果，有效降低燃烧污染物的排放。

附图说明

图1为本发明贫油部分预混预蒸发均质供油装置的立体结构示意图。

图2为图1所示贫油部分预混预蒸发均质供油装置中油管及燃油喷嘴的结构示意图。

图3为图1所示贫油部分预混预蒸发均质供油装置中平直段蒸发腔和钝体蒸发腔的局部剖视图。

图4为图1所示贫油部分预混预蒸发均质供油装置的工作原理示意图。

其中：

1-油管、2-燃油喷嘴、3-平直段蒸发腔、4-钝体蒸发腔、5-油管接头、6-钝体蒸发腔出流孔、7-钝体蒸发腔“内凹”形结构、8-蒸发腔下游回流区。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

请参照图1至图4所示，本发明贫油部分预混预蒸发均质供油装置包括有油管1，燃油喷嘴2，平直段蒸发腔3及钝体蒸发腔4。所述平直段蒸发腔3与钝体蒸发腔4相连，所述燃油喷嘴2设置于所述平直段蒸发腔3内，油管1连接燃油喷嘴2。本发明中贫油部分预混预蒸发均质供油装置为环形结构。

高温空气一部分进入平直段蒸发腔3，燃油经燃油喷嘴2沿平直段蒸发腔3内空气流向供入平直段蒸发腔3，在平直段蒸发腔3内高温空气的作用下，燃油开始蒸发并与空气混合。燃油混气最终从钝体蒸发腔4表面沿周向均布的上下四排钝体蒸发腔出流孔6流出，进入主燃区参与燃烧。

在燃烧室中受到尺寸和结构的限制，蒸发段（包括平直段蒸发腔3和钝体蒸发腔4）不能太长，所以燃油只能达到部分蒸发的效果。蒸发段的总长度以能保证腔内气态油气比略高于富油边界为宜，这样可以防止蒸发腔内产生回火。

本发明贫油部分预混预蒸发均质供油装置中燃油喷嘴2类型为离心喷嘴，且燃油喷嘴2之间通过油管1相连接，油管接头5外接燃油总管（未图示）。为了保证蒸发腔进口的流通面积不被油管1阻塞，油管1沿周向设计成“波瓣”状。在设置燃油喷嘴1的间距时主要保证未蒸发的燃油颗粒沿燃油喷嘴1的雾化嘴角到达钝体蒸发腔出流孔6时能布满整个圆周。

钝体蒸发腔4表面的四排钝体蒸发腔出流孔6孔径相同，钝体蒸发腔4内燃油混气通过钝体蒸发腔出流孔6结构射流进入主燃区，一方面，沿周向钝体蒸发腔出流孔6交错排布，有利于提高燃油混气在燃烧室周向分布的均匀性；另一方面，沿径向钝体蒸发腔出流孔6射流的起始高度和射流方向不同，有利于提高燃油混气在燃烧室高度方向分布的均匀性。

请参照图4所示，从蒸发腔（包括平直段蒸发腔3和钝体蒸发腔4）外部经过的空气流过钝体蒸发腔4会在蒸发腔下游形成蒸发腔下游回流区8，蒸发腔下游回流区8加强蒸发腔外空气和燃油混气的掺混，同时能起到稳定火焰燃烧的作用。因此，蒸发腔尾部将会被高温火焰包围，不利于结构的耐久性，必须有相应的冷却措施。燃油混气的射流能起到一定的冷却作用；另外，本发明中将钝体蒸发腔4尾部设计成钝体蒸发腔“内凹”形结构7，钝体蒸发腔4内一部分未蒸发燃油颗粒会在钝体蒸发腔“内凹”形结构7锥面上形成油膜，能对蒸发腔尾部起到冷却的效果。这种结构同时利用了主燃区高温来加强蒸发效果，缩短蒸发段的长度，减轻供油装置的重量。

本发明贫油部分预混预蒸发均质供油装置是实现贫油部分预混合预蒸发低排放燃烧技术的关键部件之一，其有利于防止回火、自燃进而提高燃烧稳定性，同时该贫油部分预混预蒸发均质供油装置结构简单紧凑，能够有效降低燃烧污染物的排放。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种贫油部分预混预蒸发均质供油装置，其包括有平直段蒸发腔、与所述平直段蒸发腔相连的钝体蒸发腔、设置于所述平直段蒸发腔内的燃油喷嘴及连接所述燃油喷嘴的油管，其特征在于：所述贫油部分预混预蒸发均质供油装置为环形结构，所述喷嘴为周向均匀排布且位于所述平直段蒸发腔内沿轴向顺流喷射燃油，所述油管沿周向呈“波瓣”状。

2.如权利要求1所述的贫油部分预混预蒸发均质供油装置，其特征在于：所述钝体蒸发腔的表面设置有4排供所述钝体蒸发腔中的燃油混气通过的钝体蒸发腔出流孔。

3.如权利要求2所述的贫油部分预混预蒸发均质供油装置，其特征在于：所述钝体蒸发腔出流孔沿周向和径向排布。

4.如权利要求3所述的贫油部分预混预蒸发均质供油装置，其特征在于：所述周向钝体蒸发腔出流孔交错排布，所述径向钝体蒸发腔出流孔射流的起始高度和射流方向不同。

5.如权利要求4所述的贫油部分预混预蒸发均质供油装置，其特征在于：所述钝体蒸发腔的下游形成有加强蒸发腔外空气和燃油混气的掺混的蒸发腔下游回流区。

6.如权利要求5所述的贫油部分预混预蒸发均质供油装置，其特征在于：所述贫油部分预混预蒸发均质供油装置还包括有设置于所述钝体蒸发腔尾部的钝体蒸发腔“内凹”形结构。