CN107228362B - 一种带有预燃室的多点贫油直喷低污染燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有预燃室的多点贫油直喷低污染燃烧室，采用单环腔结构，主要由火焰筒、预燃室、旋流杯空气雾化喷嘴、贫油直喷单元喷嘴及燃油供给系统；为了进一步改善目前低污染发动机在小工况下排放高的问题，提高总体排放性能，燃烧室采用在不同工况下分级工作的方式，每个工况均采用预燃室配合多个单元喷嘴工作的工作方式。较小比例的来流气流进入到预燃室中，与预燃室中的燃油进行较富的燃烧；同时利用预燃室结构，可以有效地保证火焰稳定燃烧，在每个工况都能稳定工作；在不同的工况下，工作的单元喷嘴数量也不同，使燃烧区的总体始终保持在使排放最低的油气比区间内。

Description

一种带有预燃室的多点贫油直喷低污染燃烧室

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧室技术领域，特别涉及一种带有预燃室的多点喷射贫油直喷燃烧室。

背景技术

代航空发动机燃烧室的基本结构设计与工作性能已经达到了相当高的水平，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，新的概念、新的结构的发展是保证其持续进步的源泉。在现代航空发动机中主要的发展趋势是低污染燃烧。随着人们对生存环境、自身健康的关注日益增加，对于航空发动机污染排放的要求日益严格，尤其是针对航空发动机的NOx排放。自2014年开始国际民航组织开始执行CAEP/8标准，其中NOx排放标准在原来CAEP/6的基础上进一步降低15％。许多国家为了降低污染带来的危害，同时提高本国在燃气轮机技术领域的竞争力，纷纷制定了各自低污染燃烧的研究计划。

在航空发动机燃烧室中，温度是决定NOx排放的首要因素，在目前所有低污染燃烧室中，贫油预混预蒸发燃烧室由于燃料与空气进行了混合十分充分，燃烧中不存在局部高温区，所以其NOx排放水平是理论上最低的。然而，为了增加航空发动机的工作效率，其增压比正在不断地提高，这也意味着燃烧室进口温度和压力也在升高，这极大地缩短了燃油着火延迟时间，LPP燃烧室技术中的自燃和回火使其不能够在下一代高压比航空发动机上的继续应用。而贫油直接喷射技术(LDI)通过直接向燃烧室中喷射燃油的方法，避免了这些问题的出现。

贫油直接喷射(Lean Direct Injection,LDI)燃烧技术是直接将燃油与空气直接喷射到燃烧室中进行燃烧。由于其不存在预混预蒸发的过程，所以避免了自燃和回火问题。但是如何能够快速地使空气与燃料均匀混合，是这类技术减排的关键。LDI低排放燃烧室必须能够使燃油在进入燃烧室、未燃烧前实现快速雾化、蒸发并与空气混合，这样才可以避免在燃烧室内出现局部高温区，达到与LPP相同的排放水平。为了实现快速雾化，LDI燃烧室目前主要采用多点喷射的头部结构组织方式

多点喷射LDI燃烧室用多个喷嘴阵列式排布的形式取代了传统的大旋流器结构，将燃油分布到每个小喷嘴中再直接喷射到燃烧室中。这样大大增加了燃油与空气的接触面积，促使燃油与空气快速的混合成均匀的贫油状态，从而降低燃烧温度，抑制NOx的生成。而每一个小喷嘴采用旋流稳火的方式，其形成的回流区则较传统的旋流器形成的回流区更小，减小了火焰长度燃烧停留时间，也可以有效的减少NOx的生成。

贫油熄火特性对航空发动机来说是非常重要的一个问题，也是研发新的燃烧室时的一个必须达到的重要指标。但是在小工况下，如果没有有效地措施来保证始终有稳定的点火源，那么其贫油熄火问题将会限制其在实际工程中的使用。目前的LDI燃烧室的排放水平已经很低了。在高工况下所有喷嘴同时供油实现快速均匀的油雾分布，使得此时的NOx排放很低；但是在低工况下为了兼顾燃烧室的贫油熄火边界，其燃烧室的NOx排放还比较高，这成为LDI燃烧室进一步降低NOx排放的瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种带有预燃室结构的多点贫油直喷燃烧室，在保证燃烧室小工况下工作性能的同时，降低NOx排放水平。将预燃级的油气比设计成为较富的情况，同时采用预燃室的结构，可以有效地保证其在低工况下的点火与贫熄性能。在低工况下采用预燃级与相邻喷嘴共同工作，利用多个贫油直喷喷嘴充分地提高燃烧区油气混合的均匀性，同时减少预燃级富油状态对排放带来的影响。所以在低工况下引入分级燃烧的概念，可以从原理上提高排放性能，使发动机LTO循环的污染排放达到更低的程度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种带有预燃室的多点贫油直喷低污染燃烧室，该低污染燃烧室采用环形结构，包括火焰筒、燃烧室头部以及燃料供给系统；从燃烧室通过的气流中，15％-25％的空气用来对火焰筒进行冷却，其余全部从燃烧室头部进入火焰筒参与燃烧；燃烧室头部由头部端壁、预燃室、多个贫油直喷喷嘴以及旋流杯空气雾化喷嘴组成。预燃室位于头部端壁的中心位置，为方形的敞口空腔，旋流杯空气雾化喷嘴通过螺纹安装在预燃室上，旋流杯出口与头部端壁之间的距离为20-40mm，旋流杯空气雾化喷嘴由燃料供给系统中的预燃级油路供给；多个贫油直喷喷嘴分布在预燃室周围，通过盖板安装在头部端壁上，工作时由燃料供给系统中的环形主燃级油路供给；预燃室壁面、头部端壁以及火焰筒壁面均开有气膜冷却孔，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命；燃烧室工作时采用预燃室与周围贫油直喷单元喷嘴共同供油工作的方式，在每个的工况下，预燃室中的旋流空气雾化喷嘴都充当值班级的作用；在不同工况下，搭配不同数量的单元喷嘴进行工作，保证在每个工况下燃烧区的当量比始终保持在使污染排放水平较低的区间；高能直流点火器插入预燃室中，用于预燃室的点火启动，之后由预燃室的火焰来实现其周围单元喷嘴的点火启动。

其中，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60％-80％，其中预燃室占总空气量的5％-10％，每个单元喷嘴进气量占总空气量的5％-15％。

所述的旋流器空气雾化喷嘴由压力雾化喷嘴、一级旋流器、文氏管、二级旋流器和外环套筒构成，一级旋流器的形式可以是斜切孔、轴向旋流器或者槽道，旋流数在0.6-1.2之间，二级旋流器的形式可以使轴向叶片或是槽道，旋流数在0.6-1.2之间，一级旋流器、文氏管、二级旋流器和外环套筒通过焊接成整体，压力雾化喷嘴直接插入一级旋流器中。一级旋流器和二级旋流器进气量之比为0.2-1之间。

所述的燃油供给系统包括预燃级油路和主燃级环形油路，其中主燃级油路设计为环形，上边开有数个支路，为各自对应的单元喷嘴供油；主燃级油路包含有多个可独立操控油路，每条独立油路负责为一个或是多个单元喷嘴供油；在不同的工况下，对不同油路进行组合，可将燃烧区当量比控制在排放较低的区间；预燃级油路负责为旋流空气雾化喷嘴汇中的压力雾化喷嘴供油。

所述的单元喷嘴为一种贫油直喷喷嘴，即燃油在不经过预混预蒸发过程，被直接喷射到燃烧室中进行燃烧；不同于常见的贫油直喷喷嘴，本发明中贫油直喷单元喷嘴采用了燃油预先成膜和空气辅助雾化的方法，能够使燃油在喷嘴下游较短距离内进行快速均匀雾化，降低燃烧室工作时的污染排放。

本发明的工作原理：利用多喷嘴分级工作的方法，控制燃烧区的当量比，使每个工况下的排放都能够保持在较低的水平。燃烧室在工作时采用预燃室加单元喷嘴的工作形式，在不同工况下参与工作的单元喷嘴数量也不同，确保燃烧区的当量比始终保持在使排放较低的区间内。在传统低污染燃烧室中，为了解决小工况下火焰稳定的问题，通常预燃级扩散燃烧的方法，而富有燃烧带来的局部高温区会使得这一工况下的燃烧室排放大大增加。与常见的燃烧室不同的是，该燃烧室在小工况时也采用了预燃室加多个单元喷嘴共同工作的方式，使燃烧区整体处于贫油燃烧的状态，有效地降低在小工况时的排放，同时利用预燃室中占总空气量比例较少空气进行略富的燃烧，保证燃烧室的稳定工作。其中的单元喷嘴为贫油直喷喷嘴，采用预先成膜和空气辅助雾化的方式，使燃油在进入燃烧室后的较短距离内快速均匀雾化，避免在燃烧时出现局部高温区，降低NOx排放；气流通过单元喷嘴中的旋流器结构，在下游形成一个小的回流区，稳定贫油火焰燃烧。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)本发明在多点喷射燃烧室中加入了预燃室的结构，在每个工况下均采用预燃室和不同数量的单元喷嘴共同工作的方式，保证燃烧区的当量比始终保持在使排放较低的区间内；这样不仅能够保证在大工况时的排放性能达到较高水平，同时也能够在保证燃烧室小工况稳定工作的同时，有效地降低污染排放。

(2)本人发明的一种带有预燃室的多点喷射燃烧室，采用了预燃室结构，可以十分有效地保证在小工况下火焰的稳定燃烧；同时，在大工况下可通过调节预燃室和单元喷嘴之间的燃油分配，使之全部处于贫油状态，提高排放性能。

(3)本人发明的一种带有预燃室的多点喷射燃烧室，可以通过喷嘴在燃烧室头部的排列方式，影响出口温度分布，满足需求；同时在不同的工况下可以选择不同数量的喷嘴工作，提高了燃油分配的灵活性；每一个单元喷嘴均可单独拆卸，提高了其实用性，便于维护。

附图说明

图1为本发明的一种带有预燃室的多点喷射燃烧室结构示意图；

图2为本发明的火焰筒头部结构示意图；

图3为本发明的火焰筒头部局部结构的示意图；

图4为本发明的贫油直喷单元喷嘴；

图中：1主燃级油路，2预燃级油路，3旋流杯空气雾化喷嘴，4预燃室，5贫油直喷单元喷嘴，6头部端壁，7火焰筒，8点火电嘴，9压力雾化喷嘴，10一级旋流器，11二级旋流器，12文氏管，13出口套筒。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本实例所述的一种带有预燃室的多点喷射燃烧室，采用分级工作的方式，在不同工况下中心的预燃室搭配不同数量的单元喷嘴工作，预燃室4位于中心，贫油直喷单元喷嘴5在其外围。燃烧室的类型为单环腔燃烧室，来流空气通过火焰筒头部进入火焰筒7中与燃油接触完成燃烧过程。预燃室4和贫油直喷单元喷嘴5均安装在燃烧室头部端壁6上，头部端壁6通过螺栓与火焰筒7进行连接，旋流杯空气雾化喷嘴3通过螺纹安装在预燃室4上。预燃室4中燃烧所需要的燃油由预燃级油路2供给，同时3％-10％的空气通过旋流杯空气雾化喷嘴3进入到预燃室4中与燃油进行燃烧反应。其中，燃烧过程起始所需要的能量由安装在预燃室4壁面上的点火电嘴8提供，点火电嘴8表面放电产生高温区直接点燃预燃室中的油气混合物，使燃烧室成功启动。主燃级油路1负责向预燃室4外围的贫油直喷单元喷嘴5供油，55％-75％空气则通过贫油直喷单元喷嘴5进入到燃烧室中参与燃烧。预燃室4壁面、头部端壁6以及火焰筒壁7上开有气膜冷却、发散冷却的小孔，利用剩余15％-40％的空气来对壁面进行冷却。

如图2所示，单个燃烧室头部的布局采用预燃室4在中心，多个贫油直喷单元喷嘴5环绕的排布方式。一个环形的主燃级油路1负责为单个燃烧室头部上所有的贫油直喷单元喷嘴5供油，主燃级油路1上对应每个贫油直喷单元喷嘴5的位置均设计有独立的燃油出口。贫油直喷单元喷嘴5通过盖板安装在头部端壁6。

如图3所示为燃烧室头部的局部结构剖视图，旋流杯空气雾化喷嘴3由压力雾化喷嘴9、一级旋流器10、二级旋流器11、文氏管12、出口套筒13构成。其中一级旋流器10的形式可以为轴向叶片、斜切孔等，旋流数在0.7-1.2之间，进气量占到整个旋流杯空气雾化喷嘴3进气量的20％-40％，二级旋流器11的形式可以是轴向叶片，旋流数在0.7-1.2之间，进气量占到整个旋流杯空气雾化喷嘴3进气量的60％-80％。除压力雾化喷嘴9外，其余部分焊接成为一个整体，压力雾化喷嘴9可从其中心直接插入。

如图4所示本实例所述的贫油直喷单元喷嘴5，采用将燃油预先展开成膜和空气辅助雾化的方法，实现对燃料的快速均匀的雾化，降低燃烧时局部高温区的出现，降低NOx的生成。

Claims (1)

1.一种带有预燃室的多点贫油直喷低污染燃烧室，其特征在于：该燃烧室在每个工况下均采用预燃室和多个贫油直喷单元喷嘴的工作方式，不同工况下参与工作的单元喷嘴数量不同，保证燃烧区保持在贫油燃烧状态，降低污染排放，燃烧室采用单环腔结构，包括火焰筒(7)、燃烧室头部以及燃料供给系统；从燃烧室通过的气流中，15％-25％的空气用来对火焰筒进行冷却，其余全部从燃烧室头部进入火焰筒参与燃烧；燃烧室头部由头部端壁(6)、预燃室(4)、贫油直喷单元喷嘴(5)以及旋流杯空气雾化喷嘴(3)组成，预燃室(4)位于头部端壁(6)的中心位置，为方形的敞口空腔，旋流杯空气雾化喷嘴(3)通过螺纹安装在预燃室上，旋流杯空气雾化喷嘴(3)出口与头部端壁(6)之间的距离为20-40mm，旋流杯空气雾化喷嘴(3)由燃料供给系统中的预燃级油路(2)供给；多个贫油直喷单元喷嘴(5)分布在预燃室(4)周围，通过盖板安装在头部端壁(6)上，工作时由燃料供给系统中的环形主燃级油路(1)供给；预燃室(4)壁面、头部端壁(6)以及火焰筒(7)壁面均开有气膜冷却孔，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命；燃烧室工作时采用预燃室(4)与周围贫油直喷单元喷嘴(5)共同供油工作的方式，在每个的工况下，预燃室(4)中的旋流杯空气雾化喷嘴(3)都充当稳定火焰的作用；在不同工况下，搭配不同数量的贫油直喷单元喷嘴(5)进行工作，保证在每个工况下燃烧区的当量比始终保持在使污染排放水平较低的区间；高能直流点火电嘴(8)插入预燃室(4)中，用于预燃室(4)的点火启动，之后由预燃室(4)的火焰来实现其周围贫油直喷单元喷嘴(5)的点火启动；

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60％-80％，其中预燃室(4)占总空气量的5％-10％，每个贫油直喷单元喷嘴(5)进气量占总空气量的5％-15％；

旋流杯空气雾化喷嘴(3)由压力雾化喷嘴(9)、一级旋流器(10)、二级旋流器(11)、文氏管(12)和出口套筒(13)构成，一级旋流器(10)的形式可以是斜切孔、轴向旋流器或者槽道，旋流数在0.7-1.2之间，二级旋流器(11)的形式可以使轴向叶片或是槽道，旋流数在0.7-1.2之间，一级旋流器(10)、二级旋流器(11)、文氏管(12)和出口套筒(13)通过焊接成整体，压力雾化喷嘴(9)直接插入一级旋流器(10)中，一级旋流器(10)和二级旋流器(11)进气量之比为0.2-1之间；

燃油供给系统包括预燃级油路(2)和主燃级油路(1)，其中主燃级油路(1)设计为环形，上边开有数个支路，为各自对应的贫油直喷单元喷嘴(5)供油；主燃级油路(1)包含有多个可独立操控油路，每条独立油路负责为一个或是多个贫油直喷单元喷嘴(5)供油；在不同的工况下，对不同油路进行组合，可将燃烧区当量比控制在排放较低的区间；预燃级油路(2)负责为旋流杯空气雾化喷嘴(3)的压力雾化喷嘴(9)供油；

贫油直喷单元喷嘴(5)为一种贫油直喷喷嘴，即燃油在不经过预混预蒸发过程，被直接喷射到燃烧室中进行燃烧；贫油直喷单元喷嘴采用了燃油预先成膜和空气辅助雾化的方法，能够使燃油在喷嘴下游较短距离内进行快速均匀雾化，降低燃烧室工作时的污染排放。