CN106594799B - 一种采用叶片前缘轴向喷射的低排放燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用叶片前缘轴向喷射的低排放燃烧室，采用单环腔结构，主要结构包括扩压器、燃烧室机匣、火焰筒和燃烧室头部；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，采用中心分级燃烧方案，分为预燃级和主燃级；主燃级采用预混燃烧方式，预燃级以非预混燃烧方式为主；预燃级采用轴向或径向旋流器；主燃级采用轴向叶片式旋流器，在主燃级叶片中开有径向的通油孔，在叶片前缘指定位置开有喷油孔；燃油从喷油孔沿轴向喷出，在主燃级通道中与气流充分混合，再进入火焰筒参与燃烧。本发明主燃级采用叶片前缘轴向喷射方式供油，提高了燃油在主燃级通道内的径向分布均匀度，弱化了发动机工况变化对燃油掺混的影响，能够显著降低燃烧室的氮氧化物排放。

Description

一种采用叶片前缘轴向喷射的低排放燃烧室

技术领域

本发明涉及一种低排放燃烧室，特别涉及一种采用叶片前缘轴向喷射的低排放燃烧室。

背景技术

航空工业号称工业皇冠，而航空发动机更是被誉为工业皇冠上的明珠，其设计和制造水平代表了一个国家的整体工业水平，是极具挑战性的工业产品。航空发动机大体可以分作军用发动机和民用发动机。相对于军机对推力、性能的要求，民用航空发动机对可靠性、环保性、舒适性等方面提出了更高的要求。其中，环保性方面的指标主要依靠低排放燃烧室来实现。

根据国际民航组织(ICAO)指定的标准，对航空发动机在典型工况下的氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃碳氢(UHC)和冒烟(Smoke)等排放物做出了严格的限制，给航空发动机燃烧室的设计带来了更大的挑战。其中，氮氧化物的控制又是低排放燃烧室考虑的重点。根据现有研究，NOx主要受热力型机理控制，高温下空气中的氮气受氧化生成，因此控制燃烧室内的火焰温度是减少NOx生成量的关键。而火焰温度过低影响燃烧效率，同时易造成CO、UHC、Smoke排放过高。研究发现，当燃烧室头部当量比在0.6～0.8时，能够较好地兼顾这两类排放物。综上，现代低排放燃烧室的核心技术就是，在保持头部贫油燃烧的同时，加强燃油与空气的掺混，从而为火焰筒提供更加均匀的油气混合物，避免出现局部高温区。

由于主燃级燃油流量占总燃油流量的绝大部分，因此主燃级燃油的掺混决定了整个燃烧室的油雾分布。现有低排放燃烧室燃油喷射方案，主要是采用壁面径向喷射方案(TAPS燃烧室，TELESS燃烧室)和预膜喷射方案(Lean Burn燃烧室)。其中，预膜喷射方案结构复杂，适用范围局限。壁面径向喷射方案得到了广泛的应用，如图12所示，但在大工况下，主燃级燃油动量比高，径向喷射穿透较深，而在小工况下，燃油动量比低，会出现径向喷射穿透深度不足的情况，因此燃油的雾化和分布受工况影响较大，各个工况之间难以兼顾，燃油的径向分布均匀度较差，此外，由于喷孔位于壁面表面，容易出现部分燃油贴附壁面的情况，造成结焦、自燃、回火等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了降低航空发动机污染物的综合排放，需要加强燃油与空气的掺混，而主燃级燃油的掺混决定了整个燃烧室的油雾分布。现有低排放燃烧室主要采用壁面径向喷射方案，该方案的燃油穿透主要受动量比控制，而动量比随着工况变化而变化，因此燃油的雾化和分布受工况影响较大，各个工况之间难以兼顾，燃油的径向分布均匀度较差，此外，由于喷孔位于壁面表面，容易出现部分燃油贴附壁面的情况，造成结焦、自燃、回火等问题。

为了提高燃油径向分布均匀度，弱化工况变化对燃油分布的影响，本发明提出在主燃级叶片前缘开设喷油孔，使燃油沿轴向喷射的方案，如图13所示。燃油从叶片前缘的喷油孔喷出，直接与主燃级旋流掺混，喷雾张角几乎不随工况变化而改变，因此在不同工况下具有浓度分布稳定性，尤其改善了径向上的燃油分布均匀性。同时，喷油孔原理主燃级通道内避免，避免了燃油贴壁的问题。此外，喷油孔的直径、数量、位置和角度可以根据需要调整设计，具有很宽的适用范围。

具体采用的解决方案为：一种采用叶片前缘轴向喷射的低排放燃烧室，采用单环腔结构，主要结构包括扩压器、燃烧室机匣、燃烧室头部和火焰筒；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，冷却用空气从火焰筒上的冷却孔进入；燃烧室头部与火焰筒连接，并固定在燃烧室机匣上；燃烧室采用中心分级燃烧方案，主燃级安装于预燃级外围，通过级间段与预燃级连接，并与预燃级和预燃级喷嘴共轴；预燃级为非预混燃烧，采用轴向或径向旋流器方案；主燃级为预混燃烧；燃油通过主燃级燃油供应路进入主燃级集油腔；主燃级叶片中间开有径向的主燃级通油孔，并在下游的叶片前缘指定位置开有主燃级喷油孔；燃油沿着主燃级通油孔进入叶片，通过主燃级喷油孔沿轴向喷出，在内主燃级旋流和外主燃级旋流的作用下形成主燃级油雾，从而形成充满主燃级通道的均匀的油气混合物，进入火焰筒参与燃烧。

其中，所述每个主燃级叶片的主燃级喷油孔数量为1～6个，沿径向分布在叶片前缘，每个主燃级喷油孔的轴向角度和切向角度可根据需要分别设计；喷油孔高度与主燃级通道最小高度之比为0.2～0.8，喷油孔轴向角度为-50～50°，喷油孔与叶片角度的相对关系为45°～135°；一般情况下，油孔高度、喷油孔轴向角度选取应避免主燃级喷油孔延长线与主燃级通道内壁面相交。

其中，所述主燃级喷油孔与主燃级通油孔的直径之比为0.2～1.0，主燃级通油孔直径与主燃级叶片厚度之比为0.3～0.8。

其中，所述主燃级可以采用单级或者多级轴向叶片式旋流器；主燃级喷嘴由主燃级集油环、主燃级外环和主燃级叶片装配而成，形成主燃级集油腔。

其中，所述主燃级通道为环形通道，主燃级通道最小高度与主燃级叶片高度之比为 0.4～1.0。

本发明的工作原理：用于燃烧的空气占燃烧室总空气量的大部分，并且全部从头部进入火焰筒，从而降低了头部当量比，有利于控制燃烧区温度减少NOx的生成。燃烧组织采用中心分级方式，预燃级在中心，采用非预混燃烧的方式，提供稳定的中心回流区以引燃主燃级；主燃级在外围，采用预混燃烧的方式，燃油沿着主燃级叶片内的径向通油孔，从叶片前缘的的喷油孔沿轴向喷出。燃油从叶片前缘的喷油孔喷出，直接与主燃级旋流掺混，喷雾张角几乎不随工况变化而改变，因此在不同工况下都具有较好的掺混性能，尤其改善了径向上的燃油分布均匀性。同时，喷油孔远离主燃级通道内壁面，避免了燃油贴壁的问题。此外，喷油孔的直径、数量、位置和角度可以根据需要调整设计，具有很宽的适用范围。

本发明主燃级采用叶片前缘轴向喷射方式供油，提高了燃油在主燃级通道内的径向分布均匀度，减小了发动机工况变化对燃油浓度分布的影响，避免了燃油贴壁问题，能够显著降低燃烧室的氮氧化物排放。具体而言：

(1)本发明的主燃级采用在叶片前缘开孔轴向喷射的方式，提升了燃油喷射的高度，将燃油引入主燃级通道的主流，改善了主燃级通道燃油径向分布均匀度；

(2)本发明的主燃级采用在叶片前缘开孔轴向喷射的方式，燃油从叶片前缘的喷油孔喷出，直接与主燃级旋流掺混，喷雾张角几乎不随工况变化而改变，因此在不同工况下具有浓度分布稳定性；

(3)本发明的主燃级采用在叶片前缘开孔轴向喷射的方式，喷油孔远离主燃级通道内壁面，避免了燃油贴壁的问题。

(4)本发明的主燃级采用在叶片前缘开孔轴向喷射的方式，喷油孔的直径、数量、位置和角度可以根据需要调整设计，具有很宽的适用范围。

附图说明

图1为发动机结构示意图；

图2为本发明的燃烧室结构示意图；

图3为本发明的燃烧室头部结构剖视图图；

图4为本发明的主燃级结构示意图；

图5为本发明的主燃级尺寸关系示意图；

图6为本发明的主燃级叶栅结构示意图；

图7为本发明的主燃级油雾轨迹示意图；

图8为本发明每个主燃级叶片开多个喷油孔的结构示意图；

图9为本发明的主燃级喷油孔与叶片角度的相对关系结构示意图；

图10为本发明每个主燃级叶片开两个喷油孔的装配示意图；

图11为本发明主燃级采用双级轴向叶片式旋流器方案的的装配示意图；

图12为壁面径向喷射主燃级油雾分布示意图，其中图12(a)为大工况壁面径向喷射主燃级油雾分布示意图，图12(b)为小工况壁面径向喷射主燃级油雾分布示意图；

图13为叶片前缘轴向喷射油雾分布(俯视图)；

图中：1低压压气机，2高压压气机，3发动机机匣，4燃烧室，5高压涡轮，6低压涡轮，7扩压器，8预燃级燃油供应路，9主燃级燃油供应路，10燃烧室机匣，11燃烧室头部， 12火焰筒，13预燃级喷嘴，14预燃级，15级间段，16主燃级，17主燃级外环，18主燃级安装边，19主燃级通道内壁面，20主燃级叶片高度，21喷油孔间距，22预燃级套筒，23 级间段冷却孔，24级间段挡板，25预燃级套筒冷却孔，26主燃级集油环，27主燃级外环， 28主燃级叶片，29主燃级集油腔，30主燃级叶片厚度，31外主燃级叶片，32主燃级通道， 33主燃级冷却孔，34主燃级挡板，35主燃级吹扫气，36主燃级喷油孔，37主燃级通油孔， 38内主燃级旋流，39外主燃级旋流，40主燃级油雾轨迹，41主燃级油雾，42喷油孔高度， 43喷油孔轴向角度，44主燃级通道最小高度，45主燃级叶栅气流，46喷油孔与叶片角度的相对关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

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4，高压涡轮5和低压涡轮6，外面包裹发动机机匣3。发动机工作时，空气经过低压压气机1和高压压气机2压缩后进入燃烧室4，通过喷入燃油并组织燃烧，形成高温高压的燃气，冲击高压涡轮 5和低压涡轮6，从而驱动低压压气机1和高压压气机2做功，并输出动力。

如图2(图中虚线为中心线，燃烧室为轴对称结构，上图中仅画出上半部分)所示，燃烧室采用单环腔结构，主要结构包括扩压器7、燃烧室机匣10、燃烧室头部11和火焰筒12；燃烧用空气全部由燃烧室头部11进入火焰筒12，冷却用空气从火焰筒12上的冷却孔进入；燃烧室头部11与火焰筒12连接，并固定在燃烧室机匣10上。燃油分别通过预燃级燃油供应路8和主燃级燃油供应路9进入燃烧室头部11，与旋流空气掺混形成均匀的混合物进入火焰筒并参与燃烧。燃烧后的高温燃气从燃烧室出口排出。

如图3和图4(图中虚线为中心线，主燃级为轴对称结构，上图中仅画出上半部分)所示，燃烧室头部11通过主燃级安装边18与火焰筒12连接。燃烧室采用分级燃烧方案，分为预燃级14和主燃级16，两者与预燃级喷嘴13共轴。主燃级16布置在预燃级14外围，通过级间段15与之连接。预燃级14可以采用径向或轴向旋流器方案。空气通过级间段冷却孔 23，一部分冲击级间段挡板24进行冷却，另一部分通过预燃级套筒冷却孔25对预燃级套筒 22进行冷却。主燃级16采用预混燃烧，可以采用单级或多级轴向叶片式旋流器，下面以单级轴向叶片式旋流器为例介绍。主燃级喷嘴由主燃级集油环26、主燃级外环27和主燃级叶片28装配而成，形成主燃级集油腔29。燃油从主燃级燃油供应路9进入主燃级集油腔29，接着沿着主燃级通油孔37进入主燃级叶片28，最后从主燃级喷油孔36喷出形成主燃级油雾 41，进入主燃级通道32。主燃级通道32为环形通道，在内主燃级旋流38和外主燃级旋流 39的气动剪切作用下实现燃油的破碎雾化，最终在主燃级通道32内形成均匀的油气混合物，进入火焰筒12参与燃烧。主燃级叶片28外装配有内主燃级安装环30，和外主燃级叶片31 配合安装。主燃级安装边18上开有主燃级冷却孔33，并与主燃级挡板34连接，从而冷却主燃级挡板34避免结构损坏，同时形成一股主燃级吹扫气35，可以防止主燃级回火。

如图5和图6所示，主燃级通道最小高度44与主燃级叶片高度20之比为0.3～1.0。每个主燃级叶片28的主燃级喷油孔36数量为1～6个，沿径向分布在叶片前缘，喷油孔高度42与主燃级通道最小高度44之比为0.2～0.8，喷油孔轴向角度43为-50°～50°，喷油孔与叶片角度的相对关系46为45°～135°。喷油孔高度42、喷油孔轴向角度43和喷油孔与叶片角度的相对关系46的选取应避免主燃级喷油孔36延长线与主燃级通道内壁面19相交。主燃级喷油孔36与主燃级通油孔37的直径之比为0.2～1.0，主燃级通油孔37 直径与主燃级叶片厚度30之比为0.3～0.8。

如图7所示，在主燃级叶栅气流45的作用下，主燃级油雾轨迹40与主燃级叶片28的方向大致相同。

如图8(图中虚线为中心线，主燃级叶片为轴对称结构，上图中仅画出上半部分)所示，每个主燃级叶片28可以开1～6个主燃级喷油孔36，每个主燃级喷油孔36的直径、径向位置、角度可以根据需要分别设计，此处以3个主燃级喷油孔36为例。图上每个主燃级喷油孔36的直径、喷油孔轴向角度43、喷油孔间距21都不相同，可以根据需要灵活设计。

如图9所示，喷油孔与叶片角度的相对关系46为45°～135°，每个主燃级喷油孔36可根据需要单独设计。

如图10所示，每个主燃级叶片布置两个喷油孔的装配示意图。

如图11所示，主燃级采用双级轴向叶片式旋流器的装配关系，主燃级叶片28和外主燃级叶片31共轴。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (1)

1.一种采用叶片前缘轴向喷射的低排放燃烧室，其特征在于：采用单环腔结构，主要结构包括扩压器（7）、燃烧室机匣（10）、燃烧室头部（11）和火焰筒（12）；燃烧用空气全部由燃烧室头部（11）进入火焰筒（12），冷却用空气从火焰筒（12）上的冷却孔进入；燃烧室头部（11）与火焰筒（12）连接，并固定在燃烧室机匣（10）上；燃烧室采用中心分级燃烧方案，主燃级（16）安装于预燃级（14）外围，通过级间段（15）与预燃级（14）连接，并与预燃级（14）和预燃级喷嘴（13）共轴；预燃级（14）为非预混燃烧，采用轴向或径向旋流器方案；主燃级（16）为预混燃烧；燃油通过主燃级燃油供应路（9）进入主燃级集油腔（29）；主燃级叶片（28）中间开有径向的主燃级通油孔（37），并在下游的叶片前缘指定位置开有主燃级喷油孔（36）；燃油沿着主燃级通油孔（37）进入叶片，通过主燃级喷油孔（36）沿轴向喷出，在内主燃级旋流（38）和外主燃级旋流（39）的作用下形成主燃级油雾（41），从而形成充满主燃级通道（32）的均匀的油气混合物，进入火焰筒（12）参与燃烧；

每个主燃级叶片（28）的主燃级喷油孔（36）数量为1~6个，沿径向分布在叶片前缘，每个主燃级喷油孔（36）的直径、轴向角度（43）和切向角度（46）可根据需要分别设计；喷油孔高度（42）与主燃级通道最小高度（44）之比为0.2~0.8，喷油孔轴向角度（43）为-50~50°，喷油孔与叶片角度的相对关系（46）为45°~135°；喷油孔高度（42）、喷油孔轴向角度（43）选取应避免主燃级喷油孔（36）延长线与主燃级通道内壁面（19）相交；

主燃级喷油孔（36）与主燃级通油孔（37）的直径之比为0.2~1.0，主燃级通油孔（37）直径与主燃级叶片厚度（30）之比为0.3~0.8；

主燃级（16）可以采用单级或者多级轴向叶片式旋流器；主燃级喷嘴由主燃级集油环（26）、主燃级外环（27）和主燃级叶片（28）装配而成，形成主燃级集油腔（29）；

主燃级通道（32）为环形通道，主燃级通道最小高度（44）与主燃级叶片高度（20）之比为0.4~1.0；

用于燃烧的空气占燃烧室总空气量的大部分，并且全部从头部进入火焰筒，从而降低了头部当量比，有利于控制燃烧区温度减少NOx的生成；燃烧组织采用中心分级方式，预燃级在中心，采用非预混燃烧的方式，提供稳定的中心回流区以引燃主燃级；主燃级在外围，采用预混燃烧的方式，燃油沿着主燃级叶片内的径向通油孔，从叶片前缘的的喷油孔沿轴向喷出；燃油从叶片前缘的喷油孔喷出，直接与主燃级旋流掺混，喷雾张角几乎不随工况变化而改变，因此在不同工况下都具有较好的掺混性能，尤其改善了径向上的燃油分布均匀性；同时，喷油孔远离主燃级通道内壁面，避免了燃油贴壁的问题；此外，喷油孔的直径、数量、位置和角度可以根据需要调整设计，具有很宽的适用范围；

主燃级采用叶片前缘轴向喷射方式供油，提高了燃油在主燃级通道内的径向分布均匀度，减小了发动机工况变化对燃油浓度分布的影响，避免了燃油贴壁问题，能够显著降低燃烧室的氮氧化物排放。