CN104406197A - 一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室 - Google Patents
一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，空气通过径向分级的三级旋流器从头部进入火焰筒，燃油通过值班级和主燃级两级油路进入燃烧室，在燃烧室头部形成值班区和主燃区，值班区以扩散方式燃烧，主燃区以预混方式燃烧，燃烧后的高温产物流向下游，经排气弯管转过180°后排出燃烧室。中心值班级在燃烧室处于点火、启动和慢车等低负荷时工作，提高燃烧效率，降低未燃物CO和UHC的排放；在慢车以上的较大负荷时，主燃级与值班级共同工作，其中值班级为主燃级提供稳定点火源，拓宽燃烧室工作边界，主燃区设计成当量比为0.6～0.65的贫油燃烧，其反应温度远低于绝热火焰温度，降低氮氧化物NOX的生成与排放。本发明提出的多级旋流进气燃油分级方案，可用于航空发动机燃烧室或地面燃气轮机燃烧室。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用燃油分级方案的低排放燃烧室，特别是与径向旋流进气方案相匹配的低排放回流燃烧室，结构简单紧凑。采用该方案的燃烧室稳定工作边界大幅拓宽，并能显著降低排放。
背景技术
随着全球经济的迅速发展和日益上升的环境保护意识，航空发动机和地面燃气轮机作为最高效的动力设备，其污染物排放水平越来越受到严格限制。国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)对航空发动机的排放物尤其是氮氧化物NOX排放的要求愈发苛刻。国际民航组织根据其下属的航空环境保护委员会(CAEP)的建议对民航飞机污染物排放的有关规定，称之为CAEP1。航空发动机要取得认证，须按照上述规定执行。该标准实施之后，飞机排出的CO和UHC有显著降低，但是NOX降低程度却不甚明显。这是因为近三十年来航空发动机燃烧室的进气温度和进气压力有了显著的提高，一方面有助于提高发动机的工作效率，促进燃料完全燃烧，从而降低CO和UHC的排放；但同时由于燃烧温度提高，NOX生成量也大大增加。为了进一步降低NOX排放，ICAO又陆续颁布了CAEP2、CAEP4、CAEP6和CAEP8标准，对NOX排放的要求越来越严。CAEP6排放标准比CAEP4严格了18％～26％，最新的CAEP8标准要求NOX排放将在CAEP6基础上再减少15％。
世界几大航空工业大国及几大燃气轮机公司如GE、PW和R-R针对环境危害最大的NOX排放问题，在航空发动机研究中将NOX的控制作为重点课题进行了深入细致的研究。在实现低NOX排放的新燃烧技术方面取得了一系列的丰硕成果，目前已经应用的低排放燃烧技术，包括GE公司的双环预混旋流燃烧室、PW公司的富油/淬熄/贫油和R-R公司的贫油预混预蒸发燃烧室和贫油直接喷射燃烧室等。
GE公司提出的双环预混旋流燃烧室是一种燃油分级低排放燃烧室，其特点是采用值班级和主燃级产生两股共轴的环形旋转射流，每股旋转射流都由为满足特定目标而专门设计的旋流器产生，值班级与主燃级两级采用同轴布置方式。中心值班级可以满足点火和低功率工作(启动、慢车等)的雾化要求，也满足点火、起动、贫油燃烧稳定性和燃烧效率等设计要求所需的流场特性。外侧为主燃级，采用的是径向旋流器，燃油射入旋流器通道，使得油气预先在通道中混合均匀，然后进入燃烧室以确保在较低温度下均匀燃烧从而减少NOX生成，满足发动机处于大功率状态要求(进场以上的状态，包括起飞、爬升等)。该燃烧室能够建立理想的预混环境，取得较高的燃烧效率、较低且均匀的火焰温度，进而不仅能够降低NOX的排放，也能够明显延长下游热端部件的寿命。该型燃烧室的缺点在于，燃油喷射到主旋流器的下游，形成预混预蒸发的油气混合物，但是采用这种喷射方式燃油不能得到充分雾化和蒸发，为了使得油气混合物掺混的均匀，这种喷射方式所需的掺混距离较长，蒸发时间也较长，这非常不利于减轻燃烧室的长度和重量。
国内科研院所所提出的低污染燃烧室技术，均不同程度地存在以下缺点：主燃级燃油在旋流器叶片末端喷入，掺混长度较短；值班区燃油的雾化效果不好，不能和旋流空气充分掺混，不利于值班级的稳焰作用；在中心值班级和外侧主燃级之间增加中间级，在一定程度上阻断值班级和主燃级火焰的耦合，造成主燃级火焰熄火的可能性；主燃级燃油采用切向或轴向供油方式，增加了燃烧室头部燃油和空气混合装置的复杂性，也不利于燃烧室减重；其主燃级燃油的喷射源不是位于旋流器叶片通道内，燃油不能和旋流空气剧烈掺混，使得燃油和空气的预混效果欠佳。
无论采取何种方案的低排放燃烧室，都面临降低氮氧化物NOX和降低一氧化碳CO、UHC未燃碳氢化合物之间的矛盾，这是由于燃烧室在低负荷和高负荷状态的主要排放物生成机理不同。抑制NOX和控制CO、UHC的排放是一个相互矛盾的过程，要想抑制或者降低NOX的排放，特别是热力型NOX的排放，需要控制主燃烧区温度，因为一旦过了1700K，其生成量随温度呈指数上升关系。如果能够实现温和的低温燃烧，就能从根本上实现NOX的减排；但另一方面如果燃烧温度过低，会造成燃烧不完全，使CO、UHC排放增加，会降低燃烧效率。
在各种排放物之间进行折衷是很常见的策略，即寻求一个合适的温度燃烧范围，使NOX和CO都能实现较低排放。根据NOX和CO产生机理和温度区间不同，燃烧室主燃区当量比应该位于0.6～0.8区间，并且在所有工况下都应该如此。其核心措施是在较宽广的工况范围内控制燃烧区的当量比和并实现当量比在局部的均匀性，而燃烧区当量比的均匀性取决于燃油的雾化蒸发效果及燃油和空气掺混的均匀性，这就需要燃油在进入燃烧室之前必须和空气进行充分的预混，本发明专利提出的径向旋流进气燃油分级方案解决了这一问题。
发明内容
本发明解决的技术问题：为克服上述现有燃烧技术的不足，本发明提供了一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，结构简单紧凑，且能充分兼顾燃烧室在全工况范围内NOX的减排和UHC、CO的排放，尤其是降低高负荷时的NOX排放。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，空气采用多级旋流进气，燃油采用分级供油方案，所述低排放回流燃烧室包括燃烧室外机匣、头部机匣、燃烧室内机匣、排气弯管、喷嘴装置和火焰筒，其特征在于，所述喷嘴装置设置于所述火焰筒的头部，包括值班级喷嘴组件和主燃级喷嘴组件，火焰筒头部燃烧区域分为相互耦合燃烧的位于中心的值班区和靠近外侧的主燃区，其中，
--所述值班级喷嘴组件包括同轴设置的值班级供油嘴、喷嘴、第一级旋流器、文氏管和第二级旋流器；所述值班级供油嘴一端与第一路燃油总管连通，另一端与所述喷嘴的进油端连通，值班级燃油经所述值班供油嘴从喷嘴的离心喷口喷出；所述第一级旋流器的出口端面连接所述文氏管，所述文氏管的出口段处套设所述第二级旋流器，空气从所述第一级旋流器和第二级旋流器进入火焰筒头部；所述值班级燃油在第一级旋流器喷出的空气的作用下形成油雾锥体，油雾打在所述文氏管的内壁面形成值班级油膜沿着内壁向下游运动，与从所述第一级旋流器和第二级旋流器进来的空气迅速掺混形成油气混合物，油气混合物在旋流器下游的中心回流区以扩散方式燃烧，形成稳定燃烧的值班区；
--所述主燃级喷嘴组件包括主燃级供油嘴、供油管和第三级旋流器，所述第三级旋流器套设在所述第二级旋流器的出口段，所述主燃级供油嘴一端与第二路燃油总管连通，另一端经供油管与主燃级储油槽连通，所述主燃级储油槽开设于所述第二级旋流器和第三级旋流器之间的侧壁内部，主燃级燃油经所述供油嘴和供油管进入所述主燃级储油槽，而后经设置在第三级旋流器叶片外表面的多点直射喷嘴喷射进入第三级空气旋流通道中，与从所述第三级旋流器进来的空气均匀掺混后形成油气混合物，在第三级旋流器出口处形成油气锥体，油气锥体中掺混均匀的油气混合物在外侧回流区中燃烧，形成主燃区。
优选地，所述火焰筒包括火焰筒外筒、火焰筒内筒和火焰筒头部，所述火焰筒外筒和火焰筒内筒的壁面上分别开设有一排掺混孔和一排补燃孔，其中所述补燃孔可以根据实际情况保留或者取消。火焰筒外筒上开设有三排气膜孔，火焰筒内筒上也开设有三排气膜孔。
优选地，所述值班区和主燃区两个区域中的燃烧耦合在一起，燃烧产物向下游流动，从火焰筒外筒和火焰筒内筒上开设的补燃孔和掺混孔进来的空气对高温产物进行冷却，而后经设置于火焰筒尾部的排气弯管后折转180°，折流后的后高温燃气从燃烧室排除，进入设置于所述排气弯管出口处的涡轮导向叶片。
优选地，所述第一级旋流器为斜切孔旋流器，包括圆筒状的空气套和法兰段，所述喷嘴设置于所述第一级旋流器的圆筒状空气套的中心，在所述空气套和法兰段的连接位置处沿周向均布设置若干带有倾斜角度的斜切孔，所述斜切孔的数量优选为6～12个，所述斜切孔中心线沿轴向和径向均呈一定角度，其倾斜角度优选为30°～60°。
优选地，在第一级旋流器的空气套靠近出口位置沿周向均布设置若干与其轴线呈一定角度的空气套进气孔，且在所述喷嘴的喷嘴套上与所述空气套进气孔对应的位置处设置喷嘴套进气孔，所述空气套进气孔和喷嘴套进气孔的数量相同，优选为4～8个。
优选地，从所述喷嘴的离心喷口喷射出来的值班级燃油在从所述空气套进气孔和喷口套进气孔进来的空气并进一步在从所述斜切孔进来的第一级旋流空气作用下，形成带有角度的环状油雾锥体打在文氏管的内壁上，并沿着文氏管内壁向下游运动，形成值班级油膜。所述值班级油膜沿着文氏管的内壁向下游运动，在第一级旋流空气和第二级旋流空气的作用下迅速掺混，形成油气混合物，在第二级旋流器下游的值班区以扩散方式燃烧。
优选地，所述第一级旋流器和第二级旋流器的旋向相同，以利于燃油的破碎雾化蒸发。
优选地，第二级旋流器叶片和第三级旋流器叶片的数量均优选为8～16个，一般取偶数，叶片安装角度和叶片个数取决于通过旋流器的空气流量和通流面积。
优选地，所述第二、三级旋流器均为径向旋流器，二者的旋向相反，叶片可以为弯曲叶片或直叶片，叶片安装角为40°～75°。
优选地，所述多点直射喷嘴直径为0.3～0.6mm，沿周向均布4～12个，和第三级旋流叶片的个数N有关，其个数等于叶片个数N，或者为叶片个数N的1/2或者1/4。
优选地，所述排气弯管包括排气弯管外壁、排气弯管内壁和安装边，其中所述排气弯管内壁上开设有多排倾斜的发汗冷却孔，对壁面进行有效冷却。
优选地，从压气机出来的高压空气经安装在扩压器机匣上的整流叶片后进入燃烧室，气流经外机匣绕头部机匣旋转180°；经掺混冷却后的高温产物流经排气弯管后再次旋转180°，经燃烧室出口进入设置于所述排气弯管出口处的涡轮导向叶片。
优选地，在发动机处于低工况工作时，值班级单独工作，所有燃油从中心喷嘴进入值班区以扩散方式燃烧；在发动机处于较高工况工作时，燃油分成两路分别供入值班级喷嘴和主燃级直射孔，主燃级燃油以多点直接喷射方式进入第三级旋流器叶片通道，在旋流空气强烈的剪切作用下，迅速破碎雾化蒸发，在旋流器出口截面处形成均匀预混的油气混合物，在主燃区以贫预混方式燃烧，值班区当量比保持在化学恰当比1和稍富油的当量比如1.4之间高温扩散燃烧。
本发明的低排放回流燃烧室可以用于航空发动机低排放燃烧室和高温升燃烧室，也可用于地面燃气轮机燃烧室。
本发明提出的径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，为了兼顾低负荷时的燃烧效率和高负荷时的低排放目标，本发明遵循了两条基本原则，一是遵循低排放燃烧技术的基本原理，二是满足燃烧室在全工况范围内燃烧特性要求。本发明提出的径向旋流进气燃油分级分区方案，具体来说头部采用多级径向旋流进气方式，一方面考虑是径向旋流器和低排放回流燃烧室比较匹配，从压气机过来的空气可以较为顺畅地从径向旋流器进入燃烧室头部，压力损失较小；另一方面考虑是采用分级的三级旋流进气方式，与燃油分级相匹配。内侧两级旋流空气和第一路燃油形成值班级，外侧第三级旋流空气和第二路燃油构成主燃级。
在小工况时只有值班级供油并单独工作，值班级当量比较高，易于成功点火，且不易熄火，拓宽燃烧室在低负荷的稳定工作边界。在大工况时两级同时工作，值班级起稳定的点火源点燃外侧的主燃区，主燃区设计成贫燃油气比，通过降低反应区燃烧温度来实现对NOX生成和排放的控制。
在大工况时如进场以上的状态时燃油分级成两路参与燃烧，其中第一路从中心值班喷嘴喷射进入燃烧室，以一定的角度打在文氏管内壁，贴着内壁形成很薄的油膜，在内侧两级旋流器组成的双级旋流杯的作用下雾化蒸发后在值班区燃烧，值班区这种燃烧方式为扩散燃烧。在发动机处于进场、慢车等小负荷状态或者燃烧室处于点火启动时仅值班级供油且单独工作，此时值班区为富油燃烧，局部当量比远远大于1，燃烧室因此能高效稳定地工作，有效降低污染物CO和UHC的排放。
第二路燃油采用平直孔多点直接喷射。第三级旋流器侧面壁面上开有环形储油槽，沿圆周均布的旋流器叶片内部也开通储油管，两者相互联通，在叶片轴向位置中间处且在法向方向布置直径为0.3～0.6mm的平直小孔喷口，燃油通过平直喷口横向射流进入旋流器叶片通道中，在空气的旋流作用下快速破碎雾化蒸发，经过长距离的掺混后，在旋流器通道出口处形成十分均匀的油-气混合物，而后在下游回流区内被值班级高温燃气点燃，形成主燃区，主燃区通过气动优化设计成计当量比为0.6～0.8的贫油预混燃烧，这种燃烧方式兼有贫油直接喷射(LDI)和贫油预混预蒸发(LPP)的双重优点，主燃区内不仅形成贫油气比的环境，而且油气比在整个主燃区区域内都相当均匀，因此能全面降低主燃区反应温度，控制在1800K以下，有效抑制NOX尤其是热力型NOX的生成与排放。在燃烧室大工况或者发动机进场以上的大负荷如起飞和爬升时，值班级和主燃级共同工作，值班区的扩散燃烧为主燃区起到稳定点火源作用，既保证了CO、UHC和NOX低排放要求，又兼顾了燃烧室在宽广范围内的工作稳定性，全面提高燃烧室在全工况范围内的燃烧特性。
为了与低排放回流燃烧室结构相匹配，在燃烧室下游布置有排气弯管，经掺混孔进气冷却后的高温燃气，流经排气弯管后旋转180°，达到燃烧室出口所需要的温度分布质量，最后进入涡轮导向叶片通道。排气弯管采用双层结构，内层壁面采用多排发汗冷却孔，有效减轻高温燃气对弯管的热冲击，弯管内壁附近被一层冷却气膜保护，同样地在火焰筒上也开设了几排气膜冷却孔，有效保护火焰筒和排气弯管。
而之前的常规燃烧室通常采取头部旋流杯加主燃孔方案，其特点是所有工况下燃油都从一个喷嘴或者一个位置喷出，其点火特性和熄火特性通过旋流杯的富油气比来保证。在大工况或者设计点工作时旋流杯极其富油，燃油无法完全雾化蒸发，不能充分燃烧，在下游通过主燃孔进气来形成主反应区，把十分富油的混合物掺混到化学当量比，再次燃烧，这种传统方案使得反应区燃烧温度较高，无法取得较低的NOX排放，且通常会产生严重的冒烟现象，也无法取得较低的CO和UHC排放。
本发明提出的低排放燃烧技术方案，由于头部采取了燃油分级、径向多级旋流进气方案，并联合贫油直接喷射和预混预蒸发的措施，主燃区的油气掺混的相当均匀，当量比为0.6～0.8的贫油工况，不再需要像常规燃烧室那样借助主燃孔进气来稀释富油混合物。为此本方案取消了主燃孔，仅保留掺混孔，而补燃孔视实际情况可以选择保留或者取消。
所述方案主燃级供油采取多点平口直射，孔径为0.3～0.6mm，个数为4～12个，为偶数，具体个数与燃油供油压力和叶片通道个数有关。
所述方案第一级旋流器为斜切孔旋流器，斜切孔个数为6～12个，孔中心线沿径向和轴向均有一定倾斜角度，旋流器中心安装燃油喷嘴。
所述方案第二级和第三级旋流器为径向旋流器，叶片个数为8～16个，叶片为弯曲叶片或者直叶片，叶片安装角为40°～75°，角度取决于所需要的旋流强度和流通面积。
本发明的原理：参与燃烧的燃油和空气都分别采取分级方案，燃油通过值班级喷嘴和主燃级多点平口直射孔进入燃烧室，参与反应的空气从径向旋流器进入火焰筒头部。从中心值班喷嘴进来的燃油和内侧两级旋流空气形成值班级，在发动机处于低工况工作时，如点火、慢车或进场状态时，燃烧室总当量比较小，值班级单独工作，所有燃油从中心喷嘴进入值班区以扩散方式燃烧，值班区局部当量当量比远大于1，能够稳定燃烧，提高燃烧效率，较高的燃烧效率可以有效降低CO和UHC的排放，同时拓宽燃烧室的熄火边界。而到了较高工况如进场以上直至起飞状态时，燃油分成两路分别供入值班级喷嘴和主燃级直射孔，燃油分级方案有利于实现燃油和空气的均匀掺混，保证当量比在反应区内的均匀性。主燃级燃油以多点直接喷射方式进入第三级旋流器叶片通道，在旋流空气强烈的剪切作用下，迅速破碎雾化蒸发，在旋流器出口截面处形成均匀预混的油气混合物，主燃区的当量比设计为0.6～0.8，主燃区不存在化学恰当比，整个区域为贫预混燃烧，反应温度低于1800K，有效抑制NOX尤其是热力型NOX的生成与排放；值班区当量比保持在化学恰当比1和稍富油的当量比如1.4之间，能够高效稳定的燃烧，值班区和主燃区存在交叉区域，值班区的高温扩散燃烧，起到连续稳定的点火源，因此值班级的存在保证了整个反应区的持续稳定的燃烧。反应后的高温产物向燃烧室下游流动，从火焰筒掺混孔进来的冷却气对高温燃气进行冷却和掺混，经过排气弯管折转180°后，从燃烧室出口排出进入涡轮部件。本发明充分兼顾燃烧室在全工况范围内降低NOX和CO、UHC排放，同时保证较高的燃烧效率，拓宽燃烧室稳定工作边界。
本发明与现有技术相比所具有的优点：
(1)本发明采取了径向旋流器加掺混孔方案，与传统的双级旋流杯加主燃孔、补燃孔、掺混孔方案相比，头部进气量显著增加，在旋流器下游形成均匀的且当量比较贫的燃烧区，反应区温度全面降低，有效抑制热力型NOX的生成。
(2)本发明采用径向旋流进气方案，与离心压气机比较匹配，更适用于低排放回流燃烧室，具有流路顺畅，压力损失小等优势。
(3)本发明提出的径向旋流进气燃油分级低排放低排放回流燃烧室，结构简单紧凑，与现有常规燃烧室相比不但在提高燃烧效率，拓宽稳定工作范围，显著降低UHC、CO和NOX排放方面有巨大优势，同时可以显著减少燃烧室的长度和重量，尤其适用于中小型航空发动机燃烧室。
(4)本发明采取燃油分级供给方式，分别通过值班喷嘴和主燃级多点平口直射孔进入燃烧室，与传统技术方案的所有燃油从单一喷嘴喷出相比，燃油在空间上分布更为均匀，有效抑制局部热斑的形成，利于消除局部高温。
(5)本发明采取了分区分级耦合燃烧方案，燃烧室在较低负荷时，仅值班级工作，局部偏富油保证了较高的燃烧效率，有效控制未燃物UHC、CO的排放。在较高负荷时，值班级和主燃级共同工作，中心值班区被外围的主燃区环绕包围着，值班区和主燃区存在交叉耦合区域，值班区起稳定火源作用，拓宽了燃烧室的可靠工作边界；贫预混的主燃区通过降低反应区温度来实现NOX特别是热力型NOX的减排。
附图说明
图1是本发明提出的一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室剖视图；
图2是本发明的低排放回流燃烧室的三级径向旋流器组合图；
图3是本发明的低排放回流燃烧室的多级径向旋流和燃油分级方案图；
图4是本发明的火焰筒和排气弯管剖视图；
图5是本发明的第一级旋流器立体图；
图6-1是本发明的带弯曲叶片的第二级旋流器立体图；
图6-2是本发明的带直叶片的第二级旋流器立体图；
图7-1是本发明的带弯曲叶片的第三级旋流器立体图；
图7-2是本发明的带直叶片的第三级旋流器立体图；
图8-1是本发明中弯曲叶片上主燃级多点平直孔的剖切图；
图8-2是本发明中直叶片上主燃级多点平直孔的剖切图；
图9是污染物相对排放量与反应区燃烧温度之间的关系；
图10是污染物排放量与主燃区当量比之间的关系。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和所具优势更加详尽清楚，下面结合所属示意图，列出具体施例，对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明提出的一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室剖视图，低排放回流燃烧室包括燃烧室外机匣4、头部机匣5、燃烧室内机匣6、排气弯管1、喷嘴装置和火焰筒，其特征在于，喷嘴装置设置于火焰筒的头部，包括值班级喷嘴组件和主燃级喷嘴组件，火焰筒头部燃烧区域分为相互耦合燃烧的位于中心的值班区和靠近外侧的主燃区。
值班级喷嘴组件包括同轴设置的值班级供油嘴17、喷嘴8、第一级旋流器23、文氏管11和第二级旋流器12；值班级供油嘴17一端与第一路燃油总管26连通，另一端与喷嘴8的进油端连通，值班级燃油46经值班供油嘴17从喷嘴8的离心喷口43喷出；第一级旋流器23的出口端面连接文氏管11，文氏管11的出口段处套设第二级旋流器12，空气从第一级旋流器23和第二级旋流器12进入火焰筒头部；值班级燃油46在第一级旋流器23喷出的空气的作用下形成油雾锥体53，油雾打在文氏管11的内壁面形成值班级油膜18沿着内壁向下游运动，与从第一级旋流器23和第二级旋流器12进来的空气迅速掺混形成油气混合物，油气混合物在旋流器下游的中心回流区以扩散方式燃烧，形成稳定燃烧的值班区48。
主燃级喷嘴组件包括主燃级供油嘴25、供油管24和第三级旋流器13，第三级旋流器13套设在第二级旋流器12的出口段，主燃级供油嘴25一端与第二路燃油总管27连通，另一端经供油管24与主燃级储油槽50连通，主燃级储油槽50开设于第二级旋流器12和第三级旋流器13之间的侧壁内部，主燃级燃油45经供油嘴25和供油管24进入主燃级储油槽50，而后经设置在第三级旋流器叶片16外表面的多点直射喷嘴52喷射进入第三级空气旋流通道中，与从第三级旋流器13进来的空气均匀掺混后形成油气混合物，在第三级旋流器出口31处形成油气锥体19，油气锥体19中掺混均匀的油气混合物在外侧回流区中燃烧，形成主燃区49。
从压气机过来的高压空气经整流叶片3整流后进入燃烧室，经图2所示的径向旋流器进入火焰筒头部，与燃油掺混后，燃烧过程发生在值班区48和主燃区49，而后从掺混孔39进来的新鲜空气对高温产物进行充分的掺混和冷却，而后气流经过排气弯管1折转180°，最终高温燃气42从燃烧室出口排出，达到符合设计要求的温度分布，进入涡轮导向叶片7。
该本发明中的分级燃烧方案包括值班级和主燃级，空气通过三级旋流、燃油通过两级供油的方式分别进入燃烧室参与反应。其中值班级包括喷嘴8、第一级旋流器23、第二级旋流器12和文氏管11，喷嘴8外面的喷嘴外套和第一级旋流器23成一体。值班级燃油46从值班级供油嘴17进入离心喷嘴8，从离心喷口43喷射出来，在从空气套进气孔20和喷口套进气孔21进来的空气作用下，形成带有角度为α的油雾锥体53，油雾打在文氏管11上沿着内壁面形成值班级油膜18，油膜沿着内壁向下游运动，与从第一级旋流器23和第二级旋流器12进来的空气迅速掺混，油气混合物在旋流器下游的值班区48以扩散方式燃烧。这两级旋流器的旋向相同，有利于燃油的破碎雾化蒸发。值班级燃油46占总燃油量的15％～25％。剩余75％～85％的主燃级燃油45从主燃供油嘴25和供油管24进入主燃级储油槽50，储油槽50位于第二级旋流器12和第三级旋流器13中间的侧壁内部，主燃级燃油通过4～12个直径为0.3～0.6mm多点直射喷嘴52横向射流进入第三级旋流器叶片16通道，形成带有较小角度的油雾锥体14，与从主燃级旋流器13进来的旋流空气29剧烈掺混雾化蒸发，经过叶片通道直至旋流器出口之间长距离的掺混后，形成预混均匀的油气混合物31从旋流器出口进入火焰筒头部，在主燃区49中以贫预混方式燃烧。主燃区49位于所述值班区48的外圈，两个区域有交叉耦合部分，两个区域同轴分布，形成中心分级。
所述方案第一级旋流器斜切孔22个数为6～12，图5中所示的结构为6个，斜切孔中心线沿轴向和径向均呈一定角度，为30°～60°，空气套进气孔个数为4～8个，图5中所示的结构为6个。第二级旋流器12的叶片15个数为为8～16个，一般取偶数，图6和图7分别所示的弯曲叶片和直叶片个数为8个均布。第三级旋流器13的叶片16个数为8～16个，一般取偶数，图8和图9分别所示弯曲叶片和直叶片个数为8个均布。在第三级旋流器13侧壁上装有多点直射喷嘴52，其个数等于叶片通道个数或者为通道个数的一半，图7-1和图7-2所示的多点直射喷嘴52个数分别为8个和12个。
该本发明中的径向旋流进气低排放回流燃烧室，空气量按照一定的比例从各部位进入燃烧室。其中内侧两级旋流器23、12进气比例为4％～6％，第三级旋流器13进气比例为30％～35％，从头部进去火焰筒的总气量比例为45％～50％，从掺混孔计入火焰筒的气量比例为20％～25％，从排气弯管1上的发汗冷却孔47进来的空气比例为10％左右，剩余15％～20％空气从火焰筒内筒36和外筒35上面的气膜冷却孔(38、41进来对火焰筒进行有效冷却。
该本发明中燃油分级按照一定比例进行分配，其中在低负荷如点火启动、慢车和进场状态时，燃油仅输入值班级供油嘴17，值班级富油燃烧，保证可靠的点火和熄火。在进场以上的高负荷如爬升和起飞状态时，燃油按照比例从值班级和主燃级进入燃烧室，其中值班级燃油所占比例为15％～25％，相应的主燃级燃油所占比例为75％～85％。
按照上述空气和燃油分配情况，值班区48为当量比为1.2～1.4的稍富油工况，保证了高效燃烧；主燃区49当量比为0.6～0.8，此区间反应温度为1600K～1800K，恰好位于如图9和图10所示的低NOX和CO排放区间，从而实现低排放和高效燃烧目标。
以上所述方案仅为本发明的优选实施方式而已，对于本技术领域的其他人员来说，在不脱离本技术方案和原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰优化，这些改进和润饰等均应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，空气采用多级旋流进气，燃油采用分级供油方案，所述低排放回流燃烧室包括燃烧室外机匣、头部机匣、燃烧室内机匣、排气弯管、喷嘴装置和火焰筒，其特征在于，所述喷嘴装置设置于所述火焰筒的头部，包括值班级喷嘴组件和主燃级喷嘴组件，火焰筒头部燃烧区域分为相互耦合燃烧的位于中心的值班区和靠近外侧的主燃区，其中，
--所述值班级喷嘴组件包括同轴设置的值班级供油嘴、中心喷嘴、第一级旋流器、文氏管和第二级旋流器；所述值班级供油嘴一端与第一路燃油总管连通，另一端与所述中心喷嘴的进油端连通，值班级燃油经所述值班供油嘴从中心喷嘴的离心喷口喷出；所述第一级旋流器的出口端面连接所述文氏管，所述文氏管的出口段处套设所述第二级旋流器，空气从所述第一级旋流器和第二级旋流器进入火焰筒头部；所述值班级燃油在第一级旋流器喷出的空气的作用下形成油雾锥体，油雾打在所述文氏管的内壁面形成值班级油膜沿着内壁向下游运动，与从所述第一级旋流器和第二级旋流器进来的空气迅速掺混形成油气混合物，油气混合物在旋流器下游的中心回流区以扩散方式燃烧，形成稳定燃烧的值班区；
--所述主燃级喷嘴组件包括主燃级供油嘴、供油管和第三级旋流器，所述第三级旋流器套设在所述第二级旋流器的出口段，所述主燃级供油嘴一端与第二路燃油总管连通，另一端经供油管与主燃级储油槽连通，所述主燃级储油槽开设于所述第二级旋流器和第三级旋流器之间的侧壁内部，主燃级燃油经所述供油嘴和供油管进入所述主燃级储油槽，而后经设置在第三级旋流器叶片外表面的多点直射喷嘴喷射进入第三级空气旋流通道中，与从所述第三级旋流器进来的空气均匀掺混后形成油气混合物，在第三级旋流器出口处形成油气锥体，油气锥体中掺混均匀的油气混合物在外侧回流区中燃烧，形成主燃区。
2.根据权利要求1所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，其特征在于：所述火焰筒包括火焰筒外筒、火焰筒内筒和火焰筒头部，所述火焰筒外筒和火焰筒内筒的壁面上分别开设有一排掺混孔和一排补燃孔，其中所述补燃孔可以根据实际情况保留或者取消。火焰筒外筒上开设有三排气膜孔，火焰筒内筒上也开设有三排气膜孔。
3.根据权利要求2所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，其特征在于：所述值班区和主燃区两个区域中的燃烧耦合在一起，燃烧产物向下游流动，从火焰筒外筒和火焰筒内筒上开设的补燃孔和掺混孔进来的空气对高温产物进行冷却，而后经设置于火焰筒尾部的排气弯管后折转180°，折流后的后高温燃气从燃烧室排除，进入设置于所述排气弯管出口处的涡轮导向叶片。
4.根据权利要求1所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，其特征在于：所述第一级旋流器为斜切孔旋流器，包括圆筒状的空气套和法兰段，所述中心喷嘴设置于所述第一级旋流器的圆筒状空气套的中心，在所述空气套和法兰段的连接位置处沿周向均布设置若干带有倾斜角度的斜切孔，所述斜切孔的数量优选为6～12个，所述斜切孔中心线沿轴向和径向均呈一定角度，其倾斜角度优选为30°～60°。
5.根据权利要求4所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，其特征在于：在第一级旋流器的空气套靠近出口位置沿周向均布设置若干与其轴线呈一定角度的空气套进气孔，且在所述喷嘴的喷嘴套上与所述空气套进气孔对应的位置处设置喷嘴套进气孔，所述空气套进气孔和喷嘴套进气孔的数量相同，优选为4～8个。
6.根据权利要求5所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，其特征在于：从所述中心喷嘴的离心喷口喷射出来的值班级燃油在从所述空气套进气孔和喷口套进气孔进来的空气并进一步在从所述斜切孔进来的第一级旋流空气作用下，形成带有角度的环状油雾锥体打在文氏管的内壁上，并沿着文氏管内壁向下游运动，形成值班级油膜。所述值班级油膜沿着文氏管的内壁向下游运动，在第一级旋流空气和第二级旋流空气的作用下迅速掺混，形成油气混合物，在第二级旋流器下游的值班区以扩散方式燃烧。
7.根据权利要求1至6所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，其特征在于：所述第一级旋流器和第二级旋流器的旋向相同，以利于燃油的破碎雾化蒸发。
8.根据权利要求1所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，其特征在于：第二级旋流器叶片和第三级旋流器叶片的数量均优选为8～16个，一般取偶数，叶片安装角度和叶片个数取决于通过旋流器的空气流量和通流面积。
9.根据权利要求8所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，其特征在于：所述第二、三级旋流器均为径向旋流器，二者的旋向相反，叶片可以为弯曲叶片或直叶片，叶片安装角为40°～75°。
10.根据权利要求1所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，其特征在于：所述多点直射喷嘴直径为0.3～0.6mm，沿周向均布4～12个，和第三级旋流叶片的个数N有关，其个数等于叶片个数N，或者为叶片个数N的1/2或者1/4。
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