CN103277816B - 贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室 - Google Patents
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Abstract
一种贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室，其包括：扩压器，空气自扩压器进入所述燃烧室中；机匣，机匣包括有外机匣和内机匣；分流装置，空气自分流装置分为内外涵气流和主流气流；凹腔，凹腔包括有内环凹腔和外环凹腔，凹腔上设置有凹腔前壁进气孔和凹腔后壁进气孔；火焰筒，火焰筒上设置有若干火焰筒壁面冷却孔；主流钝体，主流钝体用以稳定火焰；联焰板，联焰板用以传递火焰；贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室还包括有为内环凹腔和外环凹腔提供燃料的主燃级燃油总管和值班级燃油总管。
Description
技术领域：
本发明涉及一种贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室，尤其涉及一种用于民用航空燃气涡轮发动机和地面工业燃气涡轮上的贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室，属于燃气轮机低排放燃烧技术领域。
背景技术：
随着对环境保护的日益重视，世界各国及相关国际组织制定了日益严格的环保法规，对各种动力装置的排放标准作了明确的规范和规定。比如针对航空动力，近30年来国际民航组织(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。从全球燃烧污染排放的总量来看，发动机的排放所占的份额虽然很小，但其具有局部性和高空性的污染特点，因此需要开发具有低排放性能的发动机燃烧室，以减少对环境和健康的影响。低排放燃烧室和燃烧技术正是此研究背景的推动下不断发展和提高的。为适应不断严格的环保标准规范，保证未来对市场的占有率，欧美各国均投入了大量人力财力开展低排放燃烧技术的研究，并已取得明显的效果。如美国上世纪七十年代的高效节能发动机(E3)计划，环境清洁燃烧室项目(ECCP)、90年代的高速研究机(HSR)计划、先进亚声速技术(AST)计划及1999年发起的超高效发动机技术(UEET)计划，欧洲2000年以来制订了EFFAE计划、VITAL计划及GEAE和SNECMA联合发起的TECH56(1998～2003)和随后的LEAP56计划等。
贫油预混预蒸发(Lean Premixed Prevaporized，LPP)燃烧技术是把燃油预先蒸发，预先与空气混合，然后在主燃烧室内形成均匀贫油混气进行燃烧。NOx的形成在很大程度上取决于局部温度和油气比。对于当量比接近1的混气，NOx的形成呈现出一个极大峰值，而贫油燃烧可降低燃烧温度，在燃烧室上游实现预混预蒸发，可减小局部高温区，缩短驻留时间，从而抑制NOx的生成。LPP燃烧室的优点是不积炭、冷却火焰筒的空气量减少。其缺点是在燃烧室上游的预混合预蒸发可能导致在高进口温度下发生自燃或回火。
在燃烧室发展历程中，靠旋流稳定的传统燃烧室的得到了不断改进，这些改进减少了污染物排放，但仍面临瓶颈和挑战，越来越难满足日趋严格的排放标准的要求。与此同时，各种新概念燃烧系统和燃烧技术蓬勃发展，驻涡燃烧技术就属于其中之一。美国是最早提出驻涡燃烧室(Trapped-vortex Combustor，TVC)概念的国家，其对TVC技术的研究最早，成果也最多。上世纪九十年代，美国Hsu等人设计出了第一代TVC模型，之后又发展了第二代、第三代及带高压装置的第三代TVC。TVC技术经过十几年的发展，其原理也趋于明朗，性能也逐步被挖掘发现。国外研究发现驻涡燃烧室在真实条件下可以获得非常好的性能：与常规技术相比，在点火性能、贫油熄火性能、高空点火性能方面提高了50％；氮氧化物排放量比1996年ICAO标准CAEP2降低了40％～60％；燃烧效率达到或超过99％的工作范围加宽40％以上。美国空军、海军、能源部、NASA等都在探索将该技术移植到可能的军用小涵道比涡扇发动机、商用大涵道比涡扇发动机、工业和舰船燃气轮机中。NAVY计划在F414实验台上装TVC做验证。
因此，本发明的目的在于提供一种贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室以改进现有技术之不足。
发明内容：
本发明提供一种贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室，通过将贫油预混预蒸发低排放燃烧技术运用到驻涡燃烧室中，并结合分级燃烧技术，兼顾稳定性和高效率，有效降低气态污染物排放。
本发明采用如下技术方案：一种贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室，其包括：
扩压器，空气自所述扩压器进入所述燃烧室中；
机匣，所述机匣包括有外机匣和内机匣；
分流装置，所述空气自所述分流装置分为内外涵气流和主流气流；
凹腔，所述凹腔包括有内环凹腔和外环凹腔，所述凹腔上设置有凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口；
火焰筒，所述火焰筒上设置有若干火焰筒壁冷却孔；
主流钝体，所述主流钝体用以稳定火焰；
联焰板，所述联焰板用以传递火焰；
所述贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室还包括有为所述内环凹腔和外环凹腔提供燃料的主燃级燃油总管和值班级燃油总管，所述贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室还包括有与所述主燃级燃油总管相连通的主燃级供油喷嘴，所述主燃级供油喷嘴为离心喷嘴，所述贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室还包括有与所述值班级燃油总管相连通的值班级供油喷嘴，所述值班级供油喷嘴安装于所述凹腔前壁进气口处，与空气一起进入凹腔中参与燃烧。
所述外环凹腔和内环凹腔均包括前后外三个壁面，所述内外环凹腔前壁在偏离主流气流一侧开孔进气，所述内外环凹腔后壁在靠近主流气流一侧开孔进气，内外环凹腔前后壁面的开孔面积比例为3/2，进气流量比例为5/3。
所述空气进入燃烧室经过所述扩压器减速增压后到达所述火焰筒头部。
所述内外涵气流的一部分自所述凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口进入所述凹腔中，所述内外涵气流的另一部分自所述火焰筒的冷却孔进入所述火焰筒。
本发明具有如下有益效果:
(1).本发明在驻涡燃烧室上实现了贫油预混预蒸发(LPP)低排放燃烧技术，有效地降低了污染物的排放；
(2).本发明结合了分级燃烧技术，在降低排放的同时，兼顾了火焰稳定性能与燃烧效率。
附图说明：
图1为本发明贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室的立体结构示意图。
图2为图1所示贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室的局部剖视图。
图3为图1所示贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室中的火焰筒结构局部剖视图。
图4为图1所示贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室中的主流钝体与联焰板的结构示意图。
图5为图1所示贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室中的燃油总管结构示意图。
图6为图1所示贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室主流截面燃烧过程示意图。
图7为图1所示贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室联焰板截面燃烧过程示意图。
其中：
1-贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室、2-外机匣、3-内机匣、4-扩压器、5-高能电嘴、6-主燃级燃油总管进口、7-值班级燃油总管进口、8-主燃级燃油总管、9-值班级燃油总管、10-分流装置、11-火焰筒、12-火焰筒壁冷却孔、13-凹腔前壁冷却气进口、14-主流钝体、15-凹腔前壁进气口、16-凹腔后壁进气口、17-外环凹腔、18-内环凹腔、19-联焰板、20-主燃级供油喷嘴、21-值班级供油喷嘴、22-凹腔主涡、23-凹腔副涡、24-主燃区。
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5所示，本发明贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室1主要由机匣(包括外机匣2及内机匣3)、扩压器4、主燃级燃油总管8、值班级燃油总管9、分流装置10、火焰筒11、主流钝体14、外环凹腔17、内环凹腔18。所述外环凹腔17和内环凹腔18均包括前后外三个壁面，所述前壁偏离主流气流一侧开孔进气，所述后壁靠近主流气流一侧开孔进气。前后壁面的开孔面积比例为3/2，进气流量比例为5/3。
所述贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室还包括有与主燃级燃油总管8相连通的主燃级供油喷嘴20及与值班级燃油总管9燃油总管相连通的值班级供油喷嘴21。空气从扩压器进口进入燃烧室，经过扩压器4减速增压，以利于燃烧的组织。火焰筒11壁面根据冷却需要分布了大量的冷却孔12；主流钝体14与联焰板19共同承担传递火焰和稳定火焰的作用；主燃级燃油总管8和主燃级供油喷嘴20为外环凹腔17和内环凹腔18提供燃料；在分流装置10的作用下，空气分别进入内外涵道和主流；内外涵气流分别从凹腔前壁进气口15和凹腔后壁进气口16进入凹腔，其余空气分别从火焰筒壁冷却孔12进入火焰筒11；主流空气从联焰板19之间的间隙进入火焰筒11。
请参照图3所示，本发明贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室1壁面采用多斜孔方式冷却。在其他实施例中，可以使用其他更为先进的冷却方式，满足不同的需求，比如冲击冷却、冲击气膜。
请参照图4所示，本发明贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室1中，设置有主流钝体14和联焰板19。如上所述，联焰板19不仅起到传焰作用，还可起到主流点火源的作用。同样地，在主流钝体14的尾迹流中也会形成低速回流区，有利于火焰传递和火焰稳定，并且增加了凹腔已燃高温混气与主流混气的接触面积，可增加点火源面积，提高效率。
请参照图5所示，本发明贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室1中的供油系统分为主燃级燃油总管8和值班级燃油总管9。该实施例中，主燃级供油喷嘴20为离心喷嘴，在主流上游供入具有较好雾化质量的燃油，并与空气进行混合、蒸发，形成较均匀的贫油预混气，然后进入主燃区24进行燃烧。值班级供油喷嘴21安装在凹腔前壁进气口15，与空气一起进入凹腔，参与燃烧。
请参照图1至图5并结合图6至图7所示，本发明贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室1的值班级工作过程为：部分空气和燃料进入凹腔进行燃烧作为整个燃烧室的值班级。压缩空气进入燃烧室后，分别进入主流和燃烧室内外涵道。燃烧室内外涵气流分别从凹腔前壁进气口15和凹腔后壁进气口16进入外环凹腔17和内环凹腔18。对凹腔尺寸进行合理的设计，能够使气流流经凹腔时的损失达到最小。同时，凹腔前壁进气口15和凹腔后壁进气口16位置和尺寸布置得当的情况下，在燃烧室主流截面将会形成稳定的双涡结构。如图6中所示，值班级供油喷嘴21安装在凹腔前壁进气口15处，值班级燃油与凹腔前壁空气一起进入凹腔中，并随空气一起在凹腔形成的双涡中运动，形成可燃混合气。在某一特定时刻，点火系统接通，高能电嘴5两个电极电压高过空气击穿阀值，发出电火花，形成一个类似扩散火焰形状的高温等离子区，点燃电嘴附近的可燃混合气，形成具有足够尺寸和温度的核心火团。该核心火团在向四周传播火焰的同时，随气流一起运动，在这两重作用下，火焰传播到凹腔主涡22的回流区内，形成稳定点火源；新鲜混合气进入凹腔后，在该稳定点火源的作用下进行加热并被点燃；火焰的周向传播，将点燃相邻的头部，进一步将整个外环凹腔17将被点燃，这样就标志着点火成功。如图7所示，在联焰板19所在截面，从前壁进入凹腔的混合气一部分进入凹腔主涡22回流区内，另一部分在压差作用的驱动下流向联焰板19的尾迹流中。在联焰板19的尾迹流中，内环凹腔18未燃混合气与外环凹腔17已燃高温混合气接触，并被点燃，然后火焰传播到内环凹腔18中，最终整个值班级被点燃并稳定燃烧。
本发明贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室1的主燃级工作过程为：主流进行贫油预混预蒸发燃烧，作为燃烧室的主燃级。在主流截面，凹腔内形成双涡结构，值班级燃油在凹腔主涡22和凹腔副涡23中燃烧。在凹腔副涡23与主流的交界处，两者之间存在速度差，从而形成剪切层。剪切层内湍流度很高，且存在大量的涡，这样的流动结构有利于凹腔高温燃气与主流未燃混合物的质量交换，从而点燃主流混合物。另外，在联焰板19所在截面，凹腔内部分燃气在压差驱动下流向联焰板19的尾迹流中，从而在联焰板19的尾迹区形成高温区，主流亦可在此处被点燃。因此，联焰板19不仅起到传焰作用，还可起到主流点火源的作用。然后火焰传播到主流中心位置。进入主流的混合气在上游预先蒸发混合，形成比较均匀的贫油预混气(当量比在0.5-0.6)后进入主燃区24。这样主燃区24将在非常均匀且贫油的状态下进行燃烧，火焰温度很低，且减少局部高温区，从而抑制NOx的生成。
在本发明所列举的实施例中，贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室为环形燃烧室，且整个燃烧室设计为22个头部。
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 (4)
1.一种贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室，其包括：
扩压器，空气自所述扩压器进入所述燃烧室中；
机匣，所述机匣包括有外机匣和内机匣；
分流装置，所述空气自所述分流装置分为内外涵气流和主流气流；
凹腔，所述凹腔包括有内环凹腔和外环凹腔，所述凹腔上设置有凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口；
火焰筒，所述火焰筒上设置有若干火焰筒壁冷却孔；
主流钝体，所述主流钝体用以稳定火焰；
联焰板，所述联焰板用以传递火焰；
其特征在于：所述贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室还包括有为所述内环凹腔和外环凹腔提供燃料的主燃级燃油总管和值班级燃油总管，所述贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室还包括有与所述主燃级燃油总管相连通的主燃级供油喷嘴，所述主燃级供油喷嘴为离心喷嘴，所述贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室还包括有与所述值班级燃油总管相连通的值班级供油喷嘴，所述值班级供油喷嘴安装于所述凹腔前壁进气口处，与空气一起进入凹腔中参与燃烧。
2.如权利要求1所述的贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室，其特征在于：所述外环凹腔和内环凹腔均包括前后外三个壁面，所述内外环凹腔前壁在偏离主流气流一侧开孔进气，所述内外环凹腔后壁在靠近主流气流一侧开孔进气，内外环凹腔前后壁面的开孔面积比例为3/2，进气流量比例为5/3。
3.权利要求2所述的贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室，其特征在于：所述空气进入燃烧室经过所述扩压器减速增压后到达所述火焰筒头部。
4.权利要求3所述的贫油预混预蒸发低排放驻涡燃烧室，其特征在于：所述内外涵气流的一部分自所述凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口进入所述凹腔中，所述内外涵气流的另一部分自所述火焰筒的冷却孔进入所述火焰筒。
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| CN115076722B (zh) * | 2022-06-01 | 2023-06-06 | 南京航空航天大学 | 一种燃油预蒸发式凹腔驻涡火焰稳定器及其工作方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101650038A (zh) * | 2009-09-02 | 2010-02-17 | 北京航空航天大学 | 一体化扩压导向燃烧室 |
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| CN102777934A (zh) * | 2011-05-10 | 2012-11-14 | 中国科学院工程热物理研究所 | 驻涡柔和燃烧室 |
-
2013
- 2013-05-10 CN CN201310171168.4A patent/CN103277816B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型冷态流场试验;秦伟林;《航空动力学报》;20120630;第27卷(第6期);第1.1小节第1段，第2.2节最后1段，图1 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103277816A (zh) | 2013-09-04 |
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