CN104676648A

CN104676648A - 一种预燃级rql,主燃级lpp的中心分级低污染燃烧室

Info

Publication number: CN104676648A
Application number: CN201510011730.6A
Authority: CN
Inventors: 王晓峰; 林宇震; 张弛
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2035-01-09
Also published as: CN104676648B

Abstract

本发明提供一种预燃级为富油焠熄贫燃预燃室，主燃级为贫油预混预蒸发环形通道的中心分级低污染燃烧室，燃烧室采用单环腔结构，包括扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、火焰筒外壁、火焰筒内壁及燃烧室头部，燃烧室采用分级燃烧方案，燃烧头部分为预燃室和主燃级，主燃级采用常用的预混预蒸发燃烧方式，利于贫油均匀燃烧。本发明采用中心分级的结构，预燃室内采用RQL概念，采用旋流稳定的富油扩散燃烧方式，这样使得燃烧室小工况下工作稳定，贫油熄火边界宽，同时将旋流室末端设计为大小交错的焠熄孔，使得污染排放降低，由于旋流室RQL设计的引入，使得航空发动机燃烧室在慢车、进场、爬升、大状态四个ICAO规定的LTO循环工况下的NOx污染排放都得到有效控制。

Description

一种预燃级RQL,主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室

技术领域

本发明涉及航空燃气轮机的技术领域，具体涉及一种预燃级RQL，主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室。该燃烧室采用分级燃烧的模式，预燃级在中心，采用富油燃烧-快速焠熄-贫油燃烧(RQL)方式，在保证燃烧室稳定燃烧的同时，降低小工况下的污染排放；主燃级在预燃级外围，采用预混预蒸发燃烧的方式，主要用于降低大工况下的污染排放，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。

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 AviationEnvironmental 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％。GE公司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，目的是降低排放指数最大的大工况下的NOx排放。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。

中国的北京航空航天大学对低污染燃烧室也申请了200910238793.X、201010101574.X、201010034141.7、201010277014.X、201210335832X、2013102448658、等多项专利，大部分专利集中于主燃级进气排布及供油方式的创新，使得主级油气混合更加均匀，从而降低NOx的排放。但是考虑到发动机的稳定燃烧室性能，预燃级都采用了扩散燃烧方式。

由于发动机的工况变化范围广，慢车油气比与大状态油气比的比例大致为1:2，所以考虑到慢车状态下的贫熄性能，预燃级头部一般为富油设计，这就使得燃烧室内各工况下的预燃区域的局部当量比都大于1，产生局部高温区域，成为NOx排放进一步降低的瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种预燃级为富油焠熄贫燃(Richburn-Quench-Lean burn，RQL)预燃室，主燃级为贫油预混预蒸发(Lean Premixed Prevaporized,LPP)环形通道的中心分级低污染燃烧室，将已经在低污染燃烧室中应用成熟的RQL燃烧概念应用于中心分级低污染燃烧室的预燃级。采用RQL概念的预燃级扩展为预燃室，从而使得小工况慢车状态下的贫熄性能与燃烧性能分开。既能保证预燃室整体处于贫油燃烧状态，降低了燃烧温度，从而降低了NOx排放，而且又保证存在有富油扩散燃烧的值班级，保证了小工况的稳定燃烧。大工况下，相应的调节预燃室与主燃级的燃油供给分配，可以使得主燃级与预燃室的局部当量比都处于贫油燃烧状态，有效控制了发动机的污染排放，尤其是NOx的排放。所以，预燃室的引入可以从原理上提升低污染燃烧室降低排放能力，使得航空发动机整个LTO循环的污染排放达到一个更低的程度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种预燃级RQL，主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室，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；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒；采用分级燃烧方案，分为预燃室和主燃级，预燃室燃油通过预燃室供油路供给，主燃级燃油通过主燃级供油路供给，预燃室与主燃级同心；所述预燃室由旋流空气雾化喷嘴、预燃室筒壁、预燃室头部挡溅板、焠熄段组成；焠熄段气流的加入使得预燃室由富油燃烧快速变为贫油燃烧，降低了污染排放。

进一步的，所述的燃烧室头部沿周向均匀布置，个数为15～30个，燃烧室头部的空气量占燃烧室总空气量的50％～80％，其中预燃室占头部空气量的20％-50％，主燃级占头部空气量的50％～80％。

进一步的，所述旋流空气雾化喷嘴在各个燃烧工况中充当值班级，旋流空气雾化喷嘴由压力雾化喷嘴、一级旋流器、一级收口段、二级旋流器和外环套筒构成，压力雾化喷嘴为双油路离心喷嘴，一级旋流器的形式可以是斜切孔、轴向叶片或者槽道，旋流数在0.6～1.2之间，二级旋流器的形式可以是轴向叶片或者槽道，旋流数在0.6～1.2之间，一级旋流器、一级收口段、二级旋流器和外环套筒通过焊接成一整体，压力雾化喷嘴直接插入一级旋流器中；旋流空气雾化喷嘴空气量占预燃室空气量的10％～40％，其中一级旋流器进气量占空气旋流杯雾化喷嘴空气量的20％～50％，二级旋流器进气量占空气旋流杯雾化喷嘴空气量的50％～80％。

进一步的，所述焠熄段由焠熄小孔、焠熄大孔组成，焠熄孔中心线与预燃室筒壁垂直或者成一角度，这个角度变化范围在60°～120°之间，焠熄小孔与焠熄大孔交错排列且个数相同，焠熄孔个数变化范围在4-10之间，焠熄小孔的孔径变化范围为1～8mm，焠熄大孔的孔径变化范围为4～15mm，通过焠熄孔的空气量占预燃室空气量的40％～70％，从而形成强力的焠熄作用，将旋流空气雾化喷嘴富油扩散燃烧降低为贫油燃烧，降低污染排放。

进一步的，所述焠熄段的焠熄孔形式可以是圆孔、方孔、漏斗孔、缝槽，而且可以存在周向入射角度，使得焠熄孔射流存在旋向，达到与上游空气旋流杯雾化喷嘴扩散火焰快速焠熄、充分混合的目的。

进一步的，发动机慢车工况下，预燃室供油路供给燃油，通过压力雾化喷嘴的副油路进入预燃室，发动机进场工况下，预燃室供油路供给燃油，通过压力雾化喷嘴的副油路和主油路共同进入预燃室，发动机爬升、巡航、起飞工况，预燃室供油路与主燃级供油路一起供给燃油，主燃级燃油占总燃油量的比例为40％-90％。

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燃烧室内燃烧区内的局部当量比来达到降低污染排放的目的。中心分级燃烧室主燃级采用常用的LPP燃烧方式，贫油预混燃烧降低了大工况下污染排放，预燃级采用预燃室RQL燃烧方式，这种设计从原理上解决了以往中心分级燃烧室预燃级设计的困境：预燃级扩散燃烧既要保证各工况下火焰稳定，又要考量富油燃烧带来的局部高温区域所产生的NOx排放。预燃室的引入主要功能是RQL特殊的燃烧方式解决了小工况下火焰稳定的问题，可以使得小工况下在状态点时预燃室整体处于贫油燃烧模式，而且预燃室的头部又存在富油值班级使得燃烧室可以稳定的燃烧。预燃室RQL燃烧方式既保证了燃烧室各个工况下能够稳定燃烧，而且又能保证各个工况下的预燃室整体当量比都处于贫油燃烧，降低了污染排放。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

(1)、本发明在中心分级低污染燃烧室中预燃级采用RQL燃烧方式的预燃室，将慢车状态点的局部模式由以往的富油燃烧转变为贫油燃烧，原理上降低了NOx的排放。

(2)、本发明在中心分级低污染燃烧室中预燃级采用RQL燃烧方式的预燃室，在发动机的各个工况下，预燃室的头部时刻存在富油值班级保证火焰稳定，可以通过调节燃油分配使得预燃室、主燃级的局部当量比都处于贫油燃烧状态，而以往的燃烧室各工况下预燃级为富油燃烧状态，相比之有效降低了各个工况下的NOx排放。

(3)、本发明所采用的RQL预燃室概念成熟，应用广泛，其燃烧组织模式认识较为清晰，可以直接应用于中心分级燃烧室的预燃级，易于对现有燃烧室进行改进，通过简单的再处理能够达到降低污染排放的目的。

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是本发明的预燃室结构剖视图；

图5是本发明的旋流空气雾化喷嘴结构剖视图；

图中：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是燃烧室头部，12是预燃室，13是燃烧室主级，14是旋流空气雾化喷嘴，15是预燃室供油路，16是主燃级供油路，17是预燃室筒壁，18是预燃室挡溅盘，19是焠熄段，20是焠熄小孔，21是焠熄大孔，22是压力雾化喷嘴，23是外环套筒，24二级旋流器，25是一级收口段，26是一级旋流器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明。

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，预燃室在中心，主燃级在预燃室外围。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的来流空气从扩压器10经过降速扩压后进入燃烧室，在火焰筒外壁8、火焰筒内壁9和燃烧室头部11所包围的空间内与燃油完成燃烧。

图3是一个燃烧室头部11结构的剖视图，燃烧室头部包括预燃室12、主燃级13、预燃室供油路15、主燃级供油路16。主燃级13和预燃室12按照同心的方式布置在一起，预燃室在中心，主燃级布置在预燃室的外围。燃烧室头部11沿周向均匀布置，个数为15～30个，燃烧室头部的空气量占燃烧室总空气量的50％～80％，其中预燃室12占头部空气量的20％-50％，主燃级13占头部空气量的50％～80％。

图4是预燃室12结构剖视图，预燃室12由旋流空气雾化喷嘴14、预燃室筒壁17、预燃室头部挡溅板18、焠熄段19组成；焠熄段19由焠熄小孔20、焠熄大孔21组成，焠熄孔中心线与预燃室筒壁17垂直或者成一角度，这个角度变化范围在60°～120°之间，焠熄小孔20与焠熄大孔21交错排列且个数相同，焠熄孔个数变化范围在4-10之间，焠熄小孔20的孔径变化范围为1～8mm，焠熄大孔21的孔径变化范围为4～15mm，通过焠熄孔的空气量占预燃室12空气量的40％～70％，从而形成强力的焠熄作用，将旋流空气雾化喷嘴14富油扩散燃烧降低为贫油燃烧，降低污染排放。

图5是旋流空气雾化喷嘴结构剖视图，旋流空气雾化喷嘴14在各个燃烧工况中充当值班级，旋流空气雾化喷嘴14由压力雾化喷嘴22、一级旋流器26、一级收口段25、二级旋流器24和外环套筒23构成，压力雾化喷嘴22为双油路离心喷嘴，一级旋流器26的形式可以是斜切孔、轴向叶片或者槽道，旋流数在0.6～1.2之间，二级旋流器24的形式可以是轴向叶片或者槽道，旋流数在0.6～1.2之间，一级旋流器26、一级收口段25、二级旋流器24和外环套筒23通过焊接成一整体，压力雾化喷嘴22直接插入一级旋流器中。旋流空气雾化喷嘴14空气量占预燃室12空气量的10％～40％，其中一级旋流器26进气量占空气旋流杯雾化喷嘴14空气量的20％～50％，二级旋流器24进气量占空气旋流杯雾化喷嘴14空气量的50％～80％。

本发明未公开的技术内容属于本技术领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种预燃级RQL，主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室，其特征在于：该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(11)组成；燃烧用空气全部由燃烧室头部(11)进入火焰筒；采用分级燃烧方案，分为预燃室(12)和主燃级(13)，预燃室(12)燃油通过预燃室供油路(15)供给，主燃级燃油通过主燃级供油路(16)供给，预燃室(12)与主燃级(13)同心；所述预燃室(12)由旋流空气雾化喷嘴(14)、预燃室筒壁(17)、预燃室头部挡溅板(18)、焠熄段(19)组成；焠熄段(19)气流的加入使得预燃室(12)由富油燃烧快速变为贫油燃烧，降低了污染排放。

2.根据权利要求1所述的一种预燃级RQL，主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室，其特征在于：所述的燃烧室头部(11)沿周向均匀布置，个数为15～30个，燃烧室头部(11)的空气量占燃烧室总空气量的50％～80％，其中预燃室(12)占头部空气量的20％-50％，主燃级(13)占头部空气量的50％～80％。

3.根据权利要求1所述的一种预燃级RQL，主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室，其特征在于：所述旋流空气雾化喷嘴(14)在各个燃烧工况中充当值班级，旋流空气雾化喷嘴(14)由压力雾化喷嘴(22)、一级旋流器(26)、一级收口段(25)、二级旋流器(24)和外环套筒(23)构成，压力雾化喷嘴(22)为双油路离心喷嘴，一级旋流器(26)的形式可以是斜切孔、轴向叶片或者槽道，旋流数在0.6～1.2之间，二级旋流器(24)的形式可以是轴向叶片或者槽道，旋流数在0.6～1.2之间，一级旋流器(26)、一级收口段(25)、二级旋流器(24)和外环套筒(23)通过焊接成一整体，压力雾化喷嘴(22)直接插入一级旋流器中；旋流空气雾化喷嘴(14)空气量占预燃室(12)空气量的10％～40％，其中一级旋流器(26)进气量占空气旋流杯雾化喷嘴(14)空气量的20％～50％，二级旋流器(24)进气量占空气旋流杯雾化喷嘴(14)空气量的50％～80％。

4.根据权利要求1所述的一种预燃级RQL，主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室，其特征在于：所述焠熄段(19)由焠熄小孔(20)、焠熄大孔(21)组成，焠熄孔中心线与预燃室筒壁(17)垂直或者成一角度，这个角度变化范围在60°～120°之间，焠熄小孔(20)与焠熄大孔(21)交错排列且个数相同，焠熄孔个数变化范围在4-10之间，焠熄小孔(20)的孔径变化范围为1～8mm，焠熄大孔(21)的孔径变化范围为4～15mm，通过焠熄孔的空气量占预燃室(12)空气量的40％～70％，从而形成强力的焠熄作用，将旋流空气雾化喷嘴(14)富油扩散燃烧降低为贫油燃烧，降低污染排放。

5.根据权利要求1所述的一种预燃级RQL，主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室，其特征在于：所述焠熄段(19)的焠熄孔形式可以是圆孔、方孔、漏斗孔、缝槽，而且可以存在周向入射角度，使得焠熄孔射流存在旋向，达到与上游空气旋流杯雾化喷嘴(14)扩散火焰快速焠熄、充分混合的目的。

6.根据权利要求1所述的一种预燃级RQL，主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室，其特征在于：发动机慢车工况下，预燃室供油路(15)供给燃油，通过压力雾化喷嘴(22)的副油路进入预燃室，发动机进场工况下，预燃室供油路(15)供给燃油，通过压力雾化喷嘴(22)的副油路和主油路共同进入预燃室，发动机爬升、巡航、起飞工况，预燃室供油路(15)与主燃级供油路(16)一起供给燃油，主燃级燃油占总燃油量的比例为40％-90％。

7.根据权利要求1所述的一种预燃级RQL，主燃级LPP的中心分级低污染燃烧室，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。