CN106500130A - 一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，其头部油气掺混器分为预燃级、内层主燃级和外层主燃级三层，相应的头部燃烧区域也分为预燃区、内层主燃区和外层主燃区。经过主燃级内层燃油喷射孔喷入主燃级内旋流器空气通道的燃油在预燃级收敛扩张段外表面吸热并迅速蒸发，从而以气态的形式进入内层主燃区参与掺混和燃烧。因此，本发明利用主燃级燃油预热预蒸发技术和头部三级分层分区燃烧技术，进一步降低分级燃烧室的污染物排放。

Description

一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室

技术领域

本发明涉及航空发动机燃烧室技术领域，尤其涉及一种利用主燃级燃油预热预蒸发的三级分层燃烧技术降低污染物排放的部分预混燃烧室。

背景技术

目前，发展航空发动机低污染燃烧室的主要技术途径就是增强燃烧室内的空气和燃油混合程度，如贫油预混预蒸发燃烧室通过燃油分级实现大部分燃油与空气的预混预蒸发，并以贫油预混或部分预混的燃烧模式完成燃烧；贫油多点喷射燃烧室通过增加燃烧室头部燃油喷嘴的数目，增大燃油与空气的接触面积，从而改善燃油和空气混合质量，降低氮氧化物的排放。

燃油和空气分级是提高燃烧室内油气混合质量的主要方式。TAPS燃烧室是最具代表性的低污染燃烧室，其采用燃油分级的概念，一小部分燃油经中心喷嘴喷入燃烧室预燃级，并以扩散燃烧方式燃烧，保证燃烧室的低功率燃烧稳定性；大部分燃油经多点喷射孔横向喷入主燃级空气通道，在空气的作用下发生雾化、混合和蒸发，以贫油预混燃烧方式降低污染物排放。由此可见，TAPS燃烧室属于LPP概念的低污染燃烧室，在TAPS I燃烧室技术的基础上，通过精心组织燃油雾化和掺混过程，GE公司发展了TAPS II低污染燃烧室，应用于GE 9X发动机。Rolls-Royce公司的Lean Burn燃烧室进一步细化了燃油和空气分级策略，其预燃级和主燃级分别包括两级空气旋流器和一个预膜式燃油雾化喷嘴，利用预膜喷嘴与内外两级旋流空气的相互作用提高油气混合质量。从以上分析可以看出，优化燃油和空气混合过程是进一步降低燃烧室污染物排放的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提高燃烧室头部的油气掺混质量，进一步降低燃烧室的污染物排放。针对该技术问题，本发明旨在提供一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，主燃级火焰进一步分为两层燃烧，并且主燃级部分燃油进行预热预蒸发，以气态燃料方式参与掺混和燃烧，从而提高主燃级油气混合质量，降低燃烧室的污染物排放。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，包括火焰筒和头部油气掺混器，所述头部油气掺混器设置在所述火焰筒的前端壁，包括位于所述头部油气掺混器中心的预燃级组件和位于外围的主燃级组件，所述预燃级组件将流经预燃级的燃油和空气掺混并进入预燃区燃烧，所述主燃级组件将流经主燃级的燃油和空气掺混并进入主燃区燃烧，其特征在于：

--所述预燃级组件包括由内到外、同轴布置的预燃级中心锥体、预燃级内旋流器、预燃级预膜喷嘴、预燃级外旋流器和预燃级收敛扩张段，其中，

所述预燃级预膜喷嘴包括预燃级预膜喷嘴内壁、预燃级预膜喷嘴外壁以及两者之间的预燃级环腔，所述预燃级环腔的前部形成预燃级油腔，后部形成一狭缝式预燃级预膜段；

所述的预燃级中心锥体和预燃级预膜喷嘴内壁构成了预燃级内旋流器空气通道；所述的预燃级预膜喷嘴外壁和预燃级收敛扩张段构成了预燃级外旋流器空气通道；

在所述预燃级预膜段内设置有预燃级燃油旋流器，预燃级燃油在所述预燃级燃油旋流器的旋转作用下，在预燃级预膜喷嘴出口形成油膜，所述油膜在预燃级内旋流器和预燃级外旋流器旋转气流的剪切作用下雾化，之后进入所述预燃区燃烧，预燃区燃烧时，预燃级收敛扩张段的壁面受到加热；

--所述主燃级组件包括由内到外环形布置的主燃级内旋流器、主燃级油腔、主燃级外旋流器，其中，

所述预燃级收敛扩张段和主燃级内旋流器外壁之间的空间构成主燃级内旋流器的空气通道；所述主燃级外旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁之间的空间构成主燃级外旋流器的空气通道；

所述主燃级油腔呈环形，由主燃级内旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁包围而成，在主燃级内旋流器外壁上设置主燃级内层燃油喷射孔，在主燃级外旋流器内壁上设置主燃级外层燃油喷射孔，所述主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔用于分别向主燃级内旋流器和主燃级外旋流器的空气通道内喷射燃油，其中，

所述主燃级内层燃油喷射孔将燃油喷射到预燃级收敛扩张段的外表面，并吸收预燃级收敛扩张段外表面和主燃级内旋流器空气通道内空气的热量，实现燃油完全或部分蒸发并与空气掺混，

所述主燃级外层燃油喷射孔将燃油喷入主燃级外旋流器空气通道中，在横向射流空气的作用下雾化并与空气掺混，

控制向主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔的喷油量，使得主燃级内旋流器空气通道内的燃空当量比大于主燃级外旋流器空气通道内的燃空当量比，将主燃区分为内层主燃区和外层主燃区，且内层主燃区的燃空当量比大于外层主燃区，以提高主燃级的燃烧稳定性并降低燃烧室的污染物排放。

优选地，所述预燃级内旋流器是轴向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述预燃级内旋流器空气通道的出口直径小于入口直径。

优选地，所述预燃级外旋流器为轴向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述预燃级外旋流器空气通道的出口直径小于入口直径。

优选地，所述主燃级外旋流器为轴向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述主燃级外旋流器空气通道的出口直径小于进口直径。

优选的，所述预燃级内旋流器的气流旋转方向与预燃级外旋流器的气流旋转方向相同或相反。

优选的，所述的预燃级外旋流器在轴向上设置于预燃级内旋流器下游，在径向上设置于预燃级预膜喷嘴外侧。

优选的，所述的预燃级燃油旋流器为6-8个旋流孔，孔的直径为Φ0.3-0.5mm，旋转角度10-40度，旋转方向与预燃级内旋流器气流旋转方向相同或相反。

优选的，所述的预燃级收敛扩张段为文丘里管结构，包括收敛段、喉部和扩张段，其喉部处位于预燃级预膜喷嘴下游。

优选的，所述的预燃级外旋流器的气流旋转方向与主燃级内旋流器的气流旋转方向相同或相反。

优选的，所述的主燃级外旋流器的气流旋转方向与主燃级内旋流器的气流旋转方向相同或相反。

优选的，所述的预燃级收缩扩张段的扩张段长度与头部油气掺混器的轴向长度尺寸之比在0.3～0.5之间。

优选的，所述的主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔的个数均为10-30之间。

优选的，所述的主燃级内层燃油喷射孔直径在0.3～0.5mm之间，所述的主燃级外层燃油喷射孔直径在0.4-0.7mm之间。

优选的，所述的头部油气掺混器预燃级的空气流量占头部总进气量的8％～15％，所述的头部油气掺混器主燃级空气流量占头部总进气量的40％～70％，所述的预燃级内旋流器空气流量占预燃级空气流量的30％～50％，所述的主燃级内旋流器的空气流量占主燃级空气流量的35％～55％。

优选的，所述的头部油气掺混器的预燃级当量比范围为1.2-1.8之间，所述的内层主燃区当量比范围为0.6-0.8之间，所述的外层主燃区的当量比范围为0.4-0.7之间。

本发明的主燃级燃油预热预蒸发三级分层部分预混燃烧室，空气经过四级旋流器进入火焰筒内部，燃油经过预燃级预膜喷嘴、主燃级的两排燃油喷射孔供入火焰筒，参与油气掺混和燃烧。其中，预燃级燃油经过预燃级预膜喷嘴形成油膜，并在预燃级内旋流器和预燃级外旋流器旋转气流的剪切作用下雾化；主燃级油腔内的主燃级燃油经过主燃级的两排燃油喷射孔分别喷入主燃级外旋流器空气通道和主燃级内旋流器空气通道，其中，喷入主燃级外旋流器空气通道的燃油在横向射流空气的作用下雾化并与主燃级空气掺混，而喷入主燃级内旋流器空气通道内的燃油与预燃级收敛扩张段外表面发生碰撞，并吸收预燃级收敛扩张段表面热量和主燃级内旋流器空气通道内空气的热量，实现燃油完全或部分蒸发，从而以气态燃料形式参与掺混过程。控制向主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔的开孔面积比，就可控制主燃级内旋流器和主燃级外旋流器空气通道内的当量比，从而将主燃区进一步分为内层主燃区和外层主燃区。

本发明的主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，其工作原理：燃烧室的头部油气掺混器分为外围的主燃级和中心的预燃级，其中，预燃级空气通过预燃级内旋流器和预燃级外旋流器进入预燃区，预燃级燃油通过预燃级预膜喷嘴形成油膜进入预燃区，并在预燃级两级旋流器的剪切作用下雾化。主燃级燃油通过主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔分别向主燃级内旋流器空气通道和主燃级外旋流器空气通道内喷射燃油，控制主燃级内层燃油喷射孔与主燃级外层燃油喷射孔的开孔面积之比，从而在主燃级内旋流器空气通道和主燃级外旋流器空气通道内形成不同燃空当量比的油气掺混物，进而形成内层主燃区和外层主燃区，为了保证主燃级火焰的稳定性，一般内层主燃区的当量比大于外层主燃区的当量比。

经过主燃级内层燃油喷射孔喷入主燃级内旋流器空气通道内的燃油与预燃级收敛扩张段外表面发生碰撞。由于预燃级收敛扩张段内表面受到预燃级火焰的加热作用，其温度很高，因此当主燃级内层燃油喷射孔的燃油到达预燃级收敛扩张段外表面时，迅速吸热并蒸发，未蒸发完全的液滴在主燃级内级旋流器空气的加热作用下继续蒸发，因此主燃级内旋流器通道内的燃油是以气态形式与空气进行掺混的，这有利于提高内层主燃区的掺混程度，进一步降低主燃区的污染物排放。同时，由于主燃级燃油进一步分为两级，喷入主燃级内旋流器通道内的燃油相对减少，从而保证喷射到预燃级收敛扩张段外表面的燃油能够有效蒸发。

主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室的燃油控制规律如下：在慢车及以下的低负荷工况，燃油只供入到预燃级预膜喷嘴，由于预燃级预膜喷嘴采用空气雾化方式进行雾化，其燃油调节比大，能够在宽广工作范围内保持较高雾化质量，从而改善预燃级火焰的稳定性；在慢车以上直到大车的高负荷工况，预燃级和主燃级同时供油，控制主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔的燃油流量，使得内层主燃区的当量比大于外层主燃区的当量比，预燃区、内层主燃区和外层主燃区的当量比逐级降低，火焰逐级稳定，在保证燃烧稳定性的同时，实现了精心组织燃油分级分区燃烧降低污染物排放的目的。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

(1)本发明的主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，其预燃级采用预膜喷嘴供油，匹配两级空气旋流器，可以使预燃级在较为宽广的燃油流量范围内保证较好的雾化质量，从而有效提高头部油气掺混器的燃烧稳定性。

(2)本发明的主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，其主燃级采用两排燃油喷射孔供油。控制主燃级内层燃油喷射孔与主燃级外层燃油喷射孔的开孔面积比例，就能使内层主燃区的当量比大于外层主燃区，这有利于提高主燃级的燃烧稳定性并降低燃烧室的污染物排放。

(3)本发明的主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，通过主燃级内层燃油喷射孔喷入主燃级内旋流器空气通道内的燃油与预燃级收敛扩张段的外表面发生碰撞，吸收高温表面的热量并迅速蒸发，因此内层主燃区的燃油是以气态形式发生掺混和燃烧的，这有利于进一步提高掺混质量和降低污染物排放。

附图说明

图1是本发明的主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室示意图；

图2是本发明的主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室的头部油气掺混器示意图；

图3是头部油气掺混器的预燃级组件结构图；

图4是头部油气掺混器的主燃级组件结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

如图1所示，本发明的主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，包括扩压器1、燃烧室外机匣2、燃烧室内机匣3、燃烧室出口4、火焰筒外环5、火焰筒内环6、帽罩外环7、帽罩内环8、供油杆9和头部油气掺混器12。其中供油管9内部包括预燃级油路10和主燃级油路11。通过扩压器1进入燃烧室的空气分为三股，一股从火焰筒外环5上的冷却孔进入燃烧室，用于冷却火焰筒外环5；一股从火焰筒内环6上的冷却孔进入燃烧室，用于冷却火焰筒内环6；其余空气全部从头部油气掺混器12进入燃烧室参与燃烧。燃油经过供油杆9的预燃级油路10和主燃级油路11供入头部油气掺混器12，在头部油气掺混器12的组织下，燃油与空气分区掺混并燃烧，产生的高温燃气经由燃烧室出口4流出。

图2为头部油气掺混器12的结构示意图，头部油气掺混器12包括预燃级组件13和主燃级组件14。其中，预燃级组件13将流经预燃级的燃油和空气掺混并进入预燃区15燃烧，主燃级14负责将流经主燃级的空气和燃油掺混并分别进入内层主燃区16和外层主燃区17进行燃烧。

图3为头部油气掺混器12的预燃级组件13的详细结构，包括预燃级中心锥体18，预燃级内旋流器19，预燃级预膜喷嘴内壁20，预燃级预膜喷嘴外壁22，预燃级外旋流器25，预燃级收敛扩张段26。预燃级预膜喷嘴内壁20和预燃级预膜喷嘴外壁22包围的空间构成前部的预燃级油腔21和后部的预膜喷嘴预膜段24，在预膜喷嘴预膜段24设置有预燃级燃油旋流器23。预燃级预膜喷嘴出口形成的油膜在预燃级内旋流器19和预燃级外旋流器25的空气剪切作用下雾化，保证预燃级燃油在宽广的燃油流量范围内有效雾化，从而有利于预燃级火焰的稳定燃烧。预燃级收敛扩张段26是一种文丘里管结构，包括收敛段、喉部和扩张段，它不仅有利于预燃区15火焰的稳定，而且预燃区15的火焰将预燃级收敛扩张段26的扩张段加热，有助于主燃级内层燃油喷射孔的燃油在预燃级收敛扩张段26的外表面蒸发。

图4为头部油气掺混器12的主燃级组件14的详细结构，包括主燃级内旋流器27，主燃级内旋流器内壁26(同时也是预燃级收敛扩张段)，主燃级内旋流器外壁28，主燃级外旋流器内壁29，主燃级外旋流器31，主燃级外旋流器外壁32以及主燃级油腔前壁30。其中，主燃级内旋流器27和主燃级外旋流器31为轴向旋流器(气流方向为轴向)，包括若干数量径向直叶片。主燃级内旋流器外壁28、主燃级外旋流器内壁29和主燃级油腔前壁30包围形成主燃级油腔，在主燃级内旋流器外壁28和主燃级外旋流器内壁29上分别设置有主燃级内层燃油喷射孔33和主燃级外层燃油喷射孔34，分别向主燃级内旋流器27空气通道和主燃级外旋流器31空气通道内喷射燃油。主燃级内层燃油喷射孔33喷射的燃油到达预燃级收敛扩张段26的外表面并吸热迅速蒸发成气态，在主燃级内旋流器27横向空气作用下发生掺混，进入内层主燃区16燃烧。主燃级外层燃油喷射孔34喷射的燃油在流经主燃级外旋流器31的横向空气作用下雾化，进入外层主燃区17燃烧。控制主燃级内层燃油喷射孔33和外层燃油喷射孔34的燃油量，就可以控制内层主燃区16的当量比大于外层主燃区17的当量比，从而提高主燃级火焰的燃烧稳定性。

当燃烧室工作于低功率状态时，只有预燃级油路10供油，主燃级油路11不供油，此时预燃级预膜喷嘴形成的雾锥使预燃级火焰稳定在预燃区15。当燃烧室功率升高时，主燃级油路11和预燃级油路10同时供油，预燃区15火焰加热预燃级收敛扩张段26，使得主燃级内层燃油喷射孔33喷射到预燃级收敛扩张段26外表面的燃油吸热迅速蒸发，从而提高内层主燃区油气掺混质量。预燃区15对内层主燃区16起到稳燃作用，内层主燃区16对外层主燃区17起到稳定作用，其当量比由内到外逐级递减，从而实现增强头部燃烧稳定性的同时，进一步降低燃烧室的污染物排放。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种主燃级燃油预热预蒸发的三级分层部分预混燃烧室，包括火焰筒和头部油气掺混器，所述头部油气掺混器设置在所述火焰筒的前端壁，包括位于中心的预燃级组件和位于外围的主燃级组件，所述预燃级组件将流经预燃级的燃油和空气掺混并进入预燃区燃烧，所述主燃级组件将流经主燃级的燃油和空气掺混并进入主燃区燃烧，其特征在于：

--所述预燃级组件包括由内到外、同轴布置的预燃级中心锥体、预燃级内旋流器、预燃级预膜喷嘴、预燃级外旋流器和预燃级收敛扩张段，其中，

所述预燃级预膜喷嘴包括预燃级预膜喷嘴内壁、预燃级预膜喷嘴外壁以及两者之间的预燃级环腔，所述预燃级环腔的前部形成预燃级油腔，后部形成一狭缝式预燃级预膜段；

所述的预燃级中心锥体和预燃级预膜喷嘴内壁构成了预燃级内旋流器空气通道；所述的预燃级预膜喷嘴外壁和预燃级收敛扩张段构成了预燃级外旋流器空气通道；

在所述预燃级预膜段内设置有预燃级燃油旋流器，预燃级燃油在所述预燃级燃油旋流器的旋转作用下，在预燃级预膜喷嘴出口形成油膜，所述油膜在预燃级内旋流器和预燃级外旋流器旋转气流的剪切作用下雾化，之后进入所述预燃区燃烧，预燃区燃烧时，预燃级收敛扩张段的壁面受到加热；

--所述主燃级组件包括由内到外环形布置的主燃级内旋流器、主燃级油腔、主燃级外旋流器，其中，

所述预燃级收敛扩张段和主燃级内旋流器外壁之间的空间构成主燃级内旋流器的空气通道；所述主燃级外旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁之间的空间构成主燃级外旋流器的空气通道；

所述主燃级油腔呈环形，由主燃级内旋流器外壁和主燃级外旋流器内壁包围而成，在主燃级内旋流器外壁上设置主燃级内层燃油喷射孔，在主燃级外旋流器内壁上设置主燃级外层燃油喷射孔，所述主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔用于分别向主燃级内旋流器和主燃级外旋流器的空气通道内喷射燃油，其中，

所述主燃级内层燃油喷射孔将燃油喷射到预燃级收敛扩张段的外表面，并吸收预燃级收敛扩张段外表面和主燃级内旋流器空气通道内空气的热量，实现燃油完全或部分蒸发并与空气掺混，

所述主燃级外层燃油喷射孔将燃油喷入主燃级外旋流器空气通道中，在横向射流空气的作用下雾化并与空气掺混，

控制向主燃级内层燃油喷射孔和主燃级外层燃油喷射孔的喷油量，使得主燃级内旋流器空气通道内的燃空当量比大于主燃级外旋流器空气通道内的燃空当量比，将主燃区分为内层主燃区和外层主燃区，且控制内层主燃区的燃空当量比大于外层主燃区，同时预燃区的燃空当量比大于内层主燃区。

2.根据上述权利要求所述的燃烧室，其特征在于，所述预燃级内旋流器是轴向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述预燃级内旋流器空气通道的出口直径小于入口直径。

3.根据上述权利要求所述的燃烧室，其特征在于，所述预燃级外旋流器为轴向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述预燃级外旋流器空气通道的出口直径小于入口直径。

4.根据上述权利要求所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级外旋流器为轴向旋流器，包含一定数量的直叶片，所述主燃级外旋流器空气通道的出口直径小于进口直径。

5.根据上述权利要求所述的燃烧室，其特征在于，所述预燃级内旋流器的气流旋转方向与预燃级外旋流器的气流旋转方向相同或相反。

6.根据上述权利要求所述的燃烧室，其特征在于，所述的预燃级外旋流器在轴向上设置于预燃级内旋流器下游，在径向上设置于预燃级预膜喷嘴外侧。

7.根据上述权利要求所述的燃烧室，其特征在于，所述的预燃级燃油旋流器为6-8个旋流孔，旋流孔的直径为0.3-0.5mm，旋转角度10-40度，旋转方向与预燃级内旋流器气流旋转方向相同或相反。

8.根据上述权利要求所述的燃烧室，其特征在于，所述的预燃级收敛扩张段为文丘里管结构，包括收敛段、喉部和扩张段，其喉部处位于预燃级预膜喷嘴下游。

9.根据上述权利要求所述的燃烧室，其特征在于，所述的预燃级外旋流器的气流旋转方向与主燃级内旋流器的气流旋转方向相同或相反。

10.根据上述权利要求所述的燃烧室，其特征在于，所述的主燃级外旋流器的气流旋转方向与主燃级内旋流器的气流旋转方向相同或相反。