CN105927980B - 一种用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，属于燃气涡轮发动机技术领域。其包括前端系统，空气进气段，连接段，安装段，旋流器系统，压紧件；系统采用多点进油‑多点出油的燃料进给方式，为了避免在各个管路中燃料分流不均匀的缺陷，可以采用燃料前端稳压器，其运用两个稳压罐，进行预储和稳压，保证燃料的进入状态稳定，其次进气管共六根在正方形的平面上下对称分布，保证其对于各个喷油杆的分流均匀，以实现各个点的均一的油气混合。调节燃料流量后实现实验预计的各个点的贫油燃烧，实现较低的污染物排放。可解决单点进油‑多点出油的设计方案造成各个喷嘴处的燃油流量不同而造成的局部富油燃烧，消除了因系统设计不合理而造成的温度分布不均现象。

Description

一种用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统

技术领域

本发明涉及一种用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，属于燃气涡轮发动机技术领域。

背景技术

如今航空发动机在追求越来越高的效率时，也同时要求更少的空气污染排放。而高效率意味着提高发动机燃烧室的整体温度，污染物排放的减少则与降低燃烧室的最高温度直接相关。追求高效率与降低污染物排放往往是针锋相对的矛盾。而在各种污染物的排放中，Nox(氮氧化物)的降低最受关注。燃烧生成Nox的化学反应速率与燃烧室中的反应物的最大温度成指数函数关系，即使燃烧室内的达到最大温度间隔极短，也会产生大量的Nox。低油气比贫油燃烧作为降低Nox的常用手段之一，其中前景最为广阔的即为贫油直接喷射技术。

贫油直接喷射燃烧技术(LDI)就是将燃料以贫油的方式直接喷入燃烧区与空气混合直接燃烧，贫油燃烧的火焰温度低，可大幅降低Nox的产生。而为了消除燃烧室中的局部高温区，贫油燃烧要求在燃烧之前，燃料和空气已经很好的掺混。因此，LDI要求燃料的均一掺混，为实现此条件，LDI多使用多个油气混合单元的组合。

作为极具前景的低污染燃烧室概念，国内外都对LDI多单元组合进行了大量的研究。也产生了多种燃料供给和喷射系统方案。例如美国专利<multi-point fuel injectionmodule>(专利号：6959695B2)与《fuel trim system for a multiple chamber gasturbine combustion system》。前一种方案设计了一种多点的燃料喷射装置，其采用单杆单点进油，4点出油的方式，但是进油点并不位于出油点的平均位置处。这种空间位置分布的不均匀，会导致燃料的分流与最后的各个出油点处的油气当量比不同，远端油气比较低，近端则较高。而后一种方案为航空发动机设计了一种进燃料的方案，主燃级与预燃级均为单点进油，多点出油的方式。两种结构均使用了单点进油-多点出油的供油方式，其造成的燃烧室内油气分布不均匀导致燃烧室内部温度梯度大，燃烧室的热应力过大的问题可能会缩短燃烧室的寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于贫油直喷燃烧室的均匀喷射系统，该系统不仅可以实现燃料的多点喷射，而且可以使得进入燃烧室内的油气混合物均匀一致，使燃烧充分高效，同时降低了污染物的排放。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，其中的贫油直喷燃烧室包括依次连接的空气进气段,安装段及燃烧室本体；本系统在所述安装段轴向法平面上均匀设置若干个旋流器组件，每个旋流器组件由一个文氏管和一个安装在文氏管中的轴向旋流器组成，由空气进气段流入的空气从文氏管中流过并由轴向旋流器作用形成旋流空气；轴向旋流器的主轴中空，用于输入燃料的喷杆穿入该主轴中，在靠近喷杆顶部的轴向法平面上开有阵列小孔，燃料从小孔中喷出，与文氏管中的旋流空气混合后进入后部的燃烧室本体燃烧。

作为改进，所述轴向旋流器由若干片与主轴成倾角的叶片固定在主轴外壁面制成，喷杆上的阵列小孔位于叶片与文氏管喉道之间。

作为进一步改进，所述旋流器组件采用九点阵列方式安装于安装段。

为了提高燃料输入的均匀性，所述喷杆可以与一个燃料喷射装置相连，该燃料喷射装置包括前端稳压器、连接段、进气管和过渡管；前端稳压器将稳压的燃料输入并列的若干根进气管，各进气管通过预先在空气进气段壁面上的开孔进入空气进气段内部，进气管与开孔之间密封；过渡管两端分别伸入连接段两侧的凹槽内；凹槽在安装完成进气管与过渡管后封闭，过渡管与进气管在凹槽空腔内交汇，完成燃料运输，连接段外轮廓与安装段内部台阶面的形状配合实现安装定位；喷杆一端连接在过渡管上使燃气从过渡管进入到喷杆内。

作为优选，喷杆上的阵列小孔的直径在1mm～5mm,且与轴向的倾斜角度在0～75度之间。

上述前端稳压器包括第一气态燃料气源、第二气态燃料气源、第一压力表、第二压力表、第三压力表、第一稳压罐与第二稳压罐、第一闸阀,第二闸阀，节流阀；燃料流量计组成；其中第一及第二气态燃料气源各自经对应的第一、第二压力表及第一、第二闸阀连接至第一稳压罐以导入气态燃料；第一稳压罐后端再依次连接节流阀、第三压力表、燃料流量计至第二稳压罐，第二稳压罐出气管数量与燃料喷射装置的进气管数量对应，并相互连接。

作为优选，第二稳压罐出气管数量与燃料喷射装置的进气管数量为六根。

作为进一步改进，燃烧室本体四个外壁面开有方形孔，其中左右两侧安装石英玻璃作观察窗，上方的方形孔放置点火电嘴附板，下方的方形孔放置火焰温度传感器附板。

本发明与其他燃料喷射系统相比，有以下优点：

1、采用了文氏管和轴向旋流器组成的旋流器组件，提高了燃料与空气混合的均匀性，进气管及与之配套的旋流器组件在轴向法平面上对称分布，保证其对于各个喷杆的分流均匀，以实现各个点的均一的油气混合，使燃烧更充分，实现较低的污染物排放。

2、喷杆的喷口接近文氏管旋流器的喉道处且燃料喷出方向与空气来流方向基本垂直，保证了燃料与空气的充分混合，提高了燃烧性能；

3、过渡管与进气管的燃料运输在连接段的密闭凹槽内完成，大大简化了系统设计，且连接段与安装段通过台阶配合，螺钉连接的方式实现了精确定位。

4、增加了燃料稳压器，在使用两个燃料源来保证燃料流量的情况下，使用两个稳压罐使得在燃料流动中接近稳定流动，大大减少了两个燃料源可能造成的燃料的不稳定流动，优化了燃料的喷射稳定性与均匀性。

附图说明

图1为贫油直接喷射低排放燃烧室结构示意图，其中包括固定板10，石英玻璃9，紫铜垫片8，空气进气段进口法兰1，空气进气段15，空气进气段出口法兰2，连接段3，安装段进口法兰14，安装段13，安装段出口法兰12，旋流器组件4，压紧件5，燃烧室进口法兰11，燃烧室本体6，燃烧室出口法兰7；

图2为安装段前部结构示意图，其中包括安装段凸台16；

图3为安装段内部的结构示意图，其中包括安装段安装旋流器用圆孔17，安装段内部台阶面18，螺纹孔19；

图4为燃料喷射系统后部的结构示意图，其中包括燃料进气管26，螺母24，螺母25，连接段螺纹孔23，燃料过渡管22，凹槽内台阶20，凹槽21；

图5为燃料喷射系统前部的结构示意图；

图6为温度传感器附板(左)和点火电嘴附板(右)的结构示意图，其中包括电嘴螺栓孔28，螺纹孔64，固定板凸台65，电嘴孔29，温度传感器放置孔28，

图7为文氏管旋流器的结构示意图，其中包括旋流器外端面台阶面31，旋流器叶片32，旋流器空气流道33，主轴34，旋流器外端面台阶35，文氏管36；

图8文氏管旋流器的装配关系显示；

图9为燃烧室前部的结构示意图；

图10燃烧室后部的结构示意图，其中包括燃烧室A面42，固定板39，石英玻璃40，紫铜垫片41，燃烧室出口螺栓孔44，燃烧室B面方孔台阶43；

图11为空气进气段的结构示意图，其中包括空气进气段左端法兰1，进气管焊接段48，进气管道右端法兰端面51，过渡管外壁面，螺栓孔45，喷杆46；；

图12为第一稳压罐的结构示意图。

图13为稳压罐b的结构示意图；

图14为燃料系统的概念示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

如图1、图2、图3、图11所示，贫油直喷燃烧室主要包括贫油直喷燃烧室包括依次连接的空气进气段15,安装段13及燃烧室本体6。其中空气进气段为一矩形截面进气道，空气进气段13两侧端部分别设有空气进气段进口法兰1和空气进气段出口法兰2，空气进气段进口法兰1连接上游空气来流管道；空气进气段上下壁面均开孔，通过与进气管外壁面48焊接固定进气管28。空气进气段出口法兰2上设计有一凸台47，用以与下游安装段13配合，并起到密封作用；空气进气段出口法兰2的法兰端面先与空气进气段15的外壁面焊接在一起，再通过螺栓连接下游安装段15的进口法兰14；安装段13内部台阶面12与连接段3右端面接触，并通过螺钉19连接实现连接与定位；安装段13加工出九点阵列的圆孔17用以安装及定位旋流器，其中内壁面处为一台阶面用以与旋流器组件4外壁面的台阶面22配合以定位旋流器组件4；安装段右侧壁面设计一安装段内部台阶面18，用以放置压紧件5并在与下游燃烧室本体6的连接中与台阶38配合起密封作用。压紧件5对应加工出九点阵列圆孔与旋流器组件4配合，在四角及中心四角加工出螺纹孔用以连接安装段并定位旋流器。

如图1，图6、图9、图10，燃烧室本体6两端分别设有燃烧室进口法兰11和燃烧室出口法兰7；燃烧室进口法兰11通过螺栓与安装段连接，其在四个外壁面开方形孔，左、右面用以安装石英玻璃作观察窗，孔上加工出台阶以定位石英玻璃9，阶梯上附装紫铜垫片8密封，后用螺钉连接42将固定板10与燃烧室本体6连接以压紧石英玻璃9；B面上开方孔放置点火电嘴附板30，其上开孔29放置点火电嘴；D面上开方孔放置火焰温度传感器附板27，其上开孔28放置温度传感器；B,D面上的方孔加工出阶梯以固定电嘴和传感器附板，并放置石棉垫片密封，分别由螺纹连接于燃烧室本体6；燃烧室出口法兰7通过螺栓44连接下游尾气收集段，将出口尾气排入尾气收集段中。

如图4和图5所示，燃料喷射系统主要由出气管55，进气管26，过渡管22，喷油杆46组成；出气管55为铜管，并通过六根铜管组成的气路导出燃料至进气管26，各管道均采用螺母24连接；进气管26通过预先在空气进气段15上的开孔进入空气进气段15内部，并将外壁面48焊接在进气段的外壁面上；过渡管22两端各伸入连接段53的上下各开的凹槽21内并将其外壁面51焊接在连接段3内壁壁面上；其中凹槽21在安装完成进气管26与过渡管22的安装后，焊接一铁板在凹槽内台阶20上将其密封，过渡管22与进气管26在凹槽21空腔内交汇，完成燃料运输。螺母25将连接段53与过渡段固定。喷杆46一端焊接在过渡管22上使燃气从过渡管22进入到喷杆46内；喷油杆46一端呈圆台形，在靠近顶部的轴向法平面上开一系列圆形阵列小孔37，使得燃料可从孔37中喷出，与旋流空气混合后进入燃烧室6燃烧；

如图12至图14所示，本发明为了提高燃料喷入的稳定性，还设置了燃料前端稳压器，燃料前端稳压器主要包括第一气态燃料气源56、第二气态燃料气源57、第一压力表58、第二压力表59、第三压力表65、第一稳压罐62与第二稳压罐67、第一闸阀60、第二闸阀61、节流阀64及燃料流量计66组成；其中第一及第二气态燃料气源56、57各自经对应的第一、第二压力表58、59及第、第二闸阀60、61连接至第一稳压罐62以导入气态燃料罐内；第一稳压罐62后端再依次连接节流阀64、第三压力表65、燃料流量计66至第二稳压罐67，第二稳压罐67出气管55数量与燃料喷射装置的进气管26数量对应，并相互连接。稳压罐与燃料源连接，导入燃料至罐内，再由瓶身上六个出气管55导入燃料至进气管26，其中气源与单管通过软管连接，卡箍固定并密封；出气管55为铜管，通过六根铜管组成的气路导出气态燃料至进气管26，各管道均采用螺母连接。

如图7和图8所示，旋流器组件4采用九点阵列安装于安装段13上，通过圆孔内部阶梯及压紧件5与旋流器组件4的外端面的阶梯31、35配合以实现定位。旋流器组件4为文氏管旋流器，由一个轴向旋流器34和一个文氏管36组成；其中轴向旋流器由六片与主轴成一角度的叶片32焊接于管道34外壁面组成空气内流道33，使得流过的空气旋转，进而产生回流区以保证燃烧稳定；文氏管喉道处由喷口37喷出燃料与空气快速掺混后进入燃烧区燃烧。

本发明通过进气储气瓶的预储以及多点进气使得旋流器出口喷气更加均匀，最大化实现燃烧室各个燃烧区的贫油燃烧，使实验结果不会产生因设计问题而出现的巨大误差。理论模型如下：

假设由凹槽到喷口的流动均为低速冷态稳定流动，故认为燃料不可压，且三根过渡管中的流场相同，流动上下对称流动中仅考虑沿程损失，并流动绝热。取凹槽内静压为p0，第一根喷杆进口静压为p1,第二根喷杆进口静压为p2,喷杆出口背压pb，过渡管内单位长度沿程损失为px,喷杆内沿程损失为pl,喷杆进口速度分别为v1i,v2i,出口速度分别为v1o,v2o,

对于喷杆进出口列写能量方程：

喷杆1：

喷杆2：

对于沿过渡管列写沿程损失

P1＝P0-ρgl*Px

P2＝P0-2ρgl*Px

列写连续方程：

(V1o+V2o)*d＝V0*D

因进口速度V1i与V2i均较小,故认为V1i＝V2i＝0，解以上各式可得：

估算后两喷杆流量差距量级为，差距很小，说明其燃料流量分配比较均匀。

在实验之前，检查确定前端系统中所有阀门和流量计关闭后，首先开启燃料气源压力表的阀门，再打开第一稳压罐62前的两个闸阀60,61，让燃料通过气路进入第一稳压罐61，观察气源压力表58,59示数，待两压力表示数稳定一致后，开启节流阀64至最大，使得燃料通过气路,观察燃料流量计66前的第三压力表65示数，待其稳定后可开启流量计调节燃料流量使得燃料进入第二稳压罐67。再通过出气管55与进气管46由喷杆头部的圆形阵列小孔37喷出与空气混合进入燃烧室燃烧。若实验过程中发现调节流量计，最大流量不能满足实验工况时，可调节燃料气源压力表阀门，增大出口压力，提高流量。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，该贫油直喷燃烧室包括依次连接的空气进气段（15）,安装段（13）及燃烧室本体（6）;其特征在于，所述燃料多点均匀喷射系统是在安装段（13）轴向法平面上均匀设置若干个旋流器组件（4），每个旋流器组件（4)由一个文氏管（36）和一个安装在文氏管（36）中的轴向旋流器组成，由空气进气段（15）流入的空气从文氏管（36）中流过并由轴向旋流器作用形成旋流空气；轴向旋流器的主轴中空，用于输入燃料的喷杆（46）穿入该主轴（34）中，在靠近喷杆（46）顶部的轴向法平面上开有阵列小孔（37），燃料从小孔（37）中喷出，与文氏管中的旋流空气混合后进入后部的燃烧室本体（6）燃烧；所述喷杆（46）与燃料喷射装置相连，该燃料喷射装置包括燃料前端稳压器、连接段（3）、进气管（26）和过渡管（22）；前端稳压器将稳压的燃料输入并列的若干根进气管（26），各进气管（26）通过预先在空气进气段（15）壁面上的开孔进入空气进气段（15）内部，进气管（26）与开孔之间密封；过渡管（22）两端分别伸入连接段（3）两侧的凹槽（21）内；凹槽（21）在安装完成进气管（26）与过渡管（22）后封闭，过渡管（22）与进气管（26）在凹槽（21）空腔内交汇，完成燃料运输，连接段（3）外轮廓与安装段（15）内部台阶面（18）的形状配合实现安装定位；喷杆（46）一端连接在过渡管（22）上使燃气从过渡管（22）进入到喷杆（46）内。

2.根据权利要求1所述的用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，其特征在于，所述轴向旋流器（34）由若干片与主轴成倾角的叶片（32）固定在主轴（34）外壁面制成，喷杆（46）上的阵列小孔（37）位于叶片（32）与文氏管喉道之间。

3.根据权利要求1或2所述的用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，其特征在于，所述旋流器组件（4）采用九点阵列方式安装于安装段（13）。

4.根据权利要求1或2所述的用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，其特征在于，喷杆（46）上的阵列小孔（37）的直径在1mm~5mm,且与轴向的倾斜角度在0~75度之间。

5.根据权利要求1或2所述的用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，其特征在于，燃料前端稳压器包括第一气态燃料气源（56）、第二气态燃料气源（57）、第一压力表（58）、第二压力表（59）、第三压力表（65）、第一稳压罐（62）与第二稳压罐（67）、第一闸阀（60）,第二闸阀（61），节流阀（64）及燃料流量计（66）组成；其中第一及第二气态燃料气源各自经对应的第一、第二压力表（58、59）及第一、第二闸阀（60、61）连接至第一稳压罐（62）以导入气态燃料；第一稳压罐（62）后端再依次连接节流阀（64）、第三压力表（65）、燃料流量计（66）至第二稳压罐（67），第二稳压罐（67）出气管（55）数量与燃料喷射装置的进气管（26）数量对应，并相互连接。

6.根据权利要求5所述的用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，其特征在于，第二稳压罐（67）出气管（55）数量与燃料喷射装置的进气管（26）数量为六根。

7.根据权利要求1或2所述的用于贫油直喷燃烧室的燃料多点均匀喷射系统，其特征在于，燃烧室本体（6）四个外壁面开有方形孔，其中左右两侧安装石英玻璃作观察窗，上方的方形孔放置点火电嘴附板（30），下方的方形孔放置火焰温度传感器附板（27）。