CN107559881B - 一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，由主燃级叶片、预燃级叶片、主燃级预混通道、文氏管、级间段、主燃级喷嘴以及预燃级喷嘴构成；燃烧室采用中心分级的燃烧组织方式，在主燃级中空气经过轴向旋流器与斜向喷射的燃油进行掺混后再经过预混段形成均匀混合气。在预燃级中空气通过两级径向旋流器流入，燃油通过一种双油路喷嘴喷出与空气掺混并进行扩散燃烧，为燃烧室提供稳定的点火源。本发明斜向喷射结构能使主燃级燃料与空气进行充分混合，提高了燃油与空气预混均匀度从而降低了污染排放；头部采用了气动导流结构，将主、预燃级火焰分层燃烧，有利于提高小工况下的点火性能及燃烧效率、大工况下的火焰稳定及排放性能。

Description

一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构

技术领域

本发明涉及旋流燃烧器的技术领域，特别涉及一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构。

背景技术

民用航空发动机排放的污染物对人类的健康和环境造成越来越严重的危害，随着人们对生存环境要求的提高，降低航空发动机污染物的排放成为一个亟待解决的问题。

燃气轮机燃烧室作为航空发动机的主要污染排放来源，在降低发动机污染排放中起到决定性作用。由于航空燃气轮机的NO_x主要由燃烧室内的高温造成，因此控制燃烧室的当量比和局部当量比成为降低燃烧室污染排放的关键。

目前采用主燃级斜向喷射喷嘴的中心分级旋流燃烧器数量较少，而旋流燃烧器能够有效加强燃料和空气的混合，并且形成的回流区可以作为稳定的点火源，从而可以保证燃烧的稳定进行。中心分级的结构，主燃级采用贫油预混燃烧可以提高燃烧效率，有效的降低大工况下NO_x的排放量。中心预燃级采用扩散燃烧，为燃烧室提供稳定的点火源。

综上所述，本发明立足于工程实际应用，设计了一种主燃级斜向喷射喷嘴的中心分级旋流燃烧头部，主燃级采用轴向旋流器，燃料通过斜向喷射孔喷入预混通道，与旋流空气充分预混从而实现预混燃烧，可以降低大工况下的污染排放，提高燃烧室的点火性能。同时中心预燃级采用旋流杯结构，以扩散燃烧为主，从而提高了燃烧的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有燃烧室燃烧范围小、加热面积小的、不稳定、污染物排放高等缺点，提供一种能提供更大加热范围、稳定、低污染的旋流燃烧器，采用中心分级的旋流器结构充分发挥预燃级对于点火以及火焰稳定的优点，且主燃级斜向喷射能够加强燃料与空气的掺混，混合气再经过预混段混合均匀，可以有效的提高燃烧效率、降低空气污染；中心分级旋流器的主燃级结构设计为强旋流结构，有效的增大预混气在下游扩散的张角，增大燃烧范围，而双层预燃级火焰对主燃级预混气的点燃作用，同时可以有效地解决主燃级点火问题。在主燃级和预燃级间设计有气动导流结构，使得燃烧室的点火性能变好，增强了燃烧的稳定性。

本发明采用的技术方案为：一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，采用了斜向喷射掺混及中心分级的结构，由主燃级、预燃级、文氏管、级间段、主燃级喷嘴以及预燃级喷嘴构成，其中主燃级包括主燃级外壳、主燃级旋流叶片、主燃级喷油孔、主燃级内环内侧、主燃级内环外侧、主燃级预混通道和挡气环；预燃级包括预燃级一级旋流器、文氏管、预燃级二级旋流器；气动导流管路包括分隔环内侧、级间段、进气孔；主燃级喷嘴包括斜向喷射喷嘴；预燃级喷嘴包括主油路进口段、主油路管道、副油路进口段、副油路管道；主燃级旋流叶片通过焊接与主燃级外壳连接，用于引导空气旋流，进入燃烧室内进行燃烧；主燃级空气一部分通过主燃级旋流叶片进入预混通道，另一部分经过主燃级内环内侧和分隔环外侧之间的狭缝流入并通过主燃级喷油孔流出。主燃级燃油由主燃级喷嘴喷射出来并与经过主燃级喷油孔射出后与空气在预混通道中进行充分掺混。预燃级空气由分隔环内侧流入后一部分通过预燃级一级和二级旋流器流入，另一部分通过级间段流入并经过进气孔后大部分往上流向主燃级起到气动导流的作用，小部分气流往下经过掺混孔后流向燃烧室。预燃级燃油由双油路离心喷嘴的主油路管道和副油路管道流出，整个旋流燃烧器依靠下游点火电极点燃预燃级的燃料，之后通过预燃级火焰引燃主燃级的燃料，从而实现燃烧器的启动，开始加热，燃烧过程均在燃烧室中进行。

其中，主燃级叶片周向为20-40个均匀布置并通过焊接与主燃级外壳连接，且每个主燃级叶片上均开有燃油喷射孔使得燃油与气流成5-80度角喷出并充分掺混，加强了空气和燃油的掺混使得主燃级油气在燃烧前预混均匀，降低污染排放量；同时，燃油的斜向喷射使得喷雾锥角扩大，燃油能够更好地扩散到头部下游燃烧室壁面的点火器附近，从而提高了点火性能。

其中，所述的燃烧器总体直径为40-140mm，整体焊接连接，分隔环内侧和级间段采用螺纹连接，级间段和预燃级二级旋流器采用螺纹连接。

其中，所述的预燃级采用轴向双级旋流叶片的结构，可以通过调节一级二级预燃级旋流器叶片的旋流数，使得内外层旋流叶片喷射出的气体之间的剪切力增强或者减弱，从而影响流场的结构、喷雾张角、燃烧效率、温度分布以及污染排放。

其中，所述的预燃级喷嘴的预燃级一级旋流叶片，具有沿周向均布5-50个0.5-5mm厚度的旋流叶片，高度为10-50mm，旋流数为0.5-1.5，用于形成强旋流。

其中，所述的预燃级喷嘴的预燃级2级旋流叶片，具有沿周向均布10-50个0.5-6mm厚度的旋流叶片，高度为10-50mm，旋流数为0.2-1，用于形成弱旋流。

其中，所述的预燃级中分隔环外侧采用焊接的方式与主燃级内环内侧连接，分隔环内侧用螺纹与级间段进行连接，级间段封闭的一端的圆柱面上开有10-60个沿周向均布、直径为0.5-5mm的直射小孔，位于预燃级和主燃级之间，其开口方向与气流方向平行，级间段的圆环上开有10-60个沿周向均布、直径在0.5-4mm的掺混孔，与气流方向垂直。

其中，所述的主燃级旋流叶片具有沿周向均布地20-40个0.5-3mm厚度的旋流叶片，高度为20-60mm，旋流数为0.5-1，用于形成强旋流。

本发明的工作原理：利用中心分级的思想将燃烧室设计为预燃级和主燃级两部分。预燃级为了达到良好的旋流以及掺混效果，采用了一级二级两级旋流叶片。燃料管路中燃料的一部分进入预燃级双油路离心喷嘴，其中副油路的进口段和管道之间有一个圆环上打有一圈圆柱小孔，有利于燃油以均匀速度从各个小孔喷射出。在副油路管道靠近出口处有一个旋流装置，使得燃油产生切向速度打着转流出，在中心产生一个空心涡，有利于燃油的雾化。主油路管路采用直接喷射式的结构，让燃油一定的速度和压力直接喷射出并雾化。燃料管路中燃料的一部分进入主燃级斜向喷射喷嘴，燃料从喷嘴喷出后经过喷射孔射出并与主燃级的空气进行充分掺混后经过预混段预混均匀，预混气在头部出口下游不远处用点火器点火燃烧。预燃级采用双级旋流叶片的结构，具有三个作用，一是预燃级一级和二级旋流叶片的混合气可以相互混合，增强掺混。二是在保证总体当量比偏小的情况下，预燃级内层叶片流出的混合气当量比偏高，比较容易点火和稳火，而整体的当量比偏低，可以降低火焰温度，从而降低污染物的排放；三是预燃级采用双级旋流结构，预燃级的两级旋流叶片的旋流数可调，从而可以进一步控制流场的结构和形状，进而获得想要的火焰结构和燃烧效果。一旦预燃级成功点火，预燃级的火焰便可以成为一个稳定的点火源，从而引燃主燃级的混合气，实现整个流场中的燃烧。进入主燃级的混合气经过旋流叶片可形成强旋流，进入燃烧室，形成扩张火焰，从而实现扩大燃烧火焰的目的，增强了加热面积，缩短了火焰，同时可以依靠强旋流形成的回流区来稳定火焰。级间段的向上导流的结构使得气流向上喷出，迫使主燃级气流获得初始扩张，主燃级气流更快地抵达燃烧室壁面，从而加强了点火性能。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)采用了斜向喷射喷嘴和斜向喷射孔结构，具有2个作用，一是使得燃油斜向喷出与经过主燃级旋流叶片的空气进行掺混，增强了燃油与空气的混合强度，使得燃烧前的主燃级出口预混气预混更加均匀，从而降低了污染排放。二是斜向喷射的燃油对空气有导流作用，使得主燃级气流向燃烧室壁面扩张，有利于点火。

(2)级间段的向上导流的结构使得气流向上喷出，迫使主燃级气流获得初始扩张，主燃级气流更快地抵达燃烧室壁面，从而加强了点火性能。

(3)本发明结构简单，装配方便，利于加工，而且主、预燃级的旋流数可以任何方式进行组合，主预燃级的旋流数可以根据实际需要进行调整，可以调整流场和火焰结构，适用于不同的燃烧设备，具有很强的适应性。

附图说明

图1为本发明的主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部的结构示意图；

图2为本发明的主燃级外壳的结构示意图；

图3为本发明的分隔环、级间段和主燃级斜向喷嘴的结构示意图；

图4为本发明的预燃级旋流叶片结构示意图；

图5为本发明的预燃级双油路喷嘴结构示意图；

图6位本发明的预燃级主油路管道结构示意图。

图中：1为主燃级外壳，2为主燃级内环内侧，3为主燃级内环外侧，4为主燃级旋流叶片，5为主燃级斜向喷射喷嘴，6为主燃级喷油孔，7为主燃级预混通道，8为级间段，9为进气孔，10为掺混孔，11为分隔环内侧，12为分隔环外侧，13为预燃级一级旋流器，14为文氏管，15为预燃级二级旋流器，16为副油路进口段，17为主油路进口段，18为副油路管道，19为主油路管道，20为挡气环，21为凸块。

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主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，采用斜向喷射喷嘴及中心分级的结构设计，整体采用不锈钢材料，其中燃烧器部分包括：主燃级，主燃级包括主燃级外壳1、主燃级旋流叶片4、主燃级喷油孔6、主燃级内环内侧2、主燃级内环外侧3、主燃级预混通道7和挡气环20；预燃级包括预燃级一级旋流器13、文氏管14、预燃级二级旋流器15；气动导流管路包括分隔环内侧11、级间段8、进气孔9；主燃级喷嘴包括主燃级斜向喷射喷嘴5；预燃级喷嘴包括主油路进口段17、主油路管道19、副油路进口段16、副油路管道18；主燃级旋流叶片通过焊接与主燃级外壳1连接，用于引导空气旋流，进入燃烧室内进行燃烧；主燃级空气一部分通过主燃级旋流叶片4流出并经过主燃级预混通道7，另一部分经过主燃级内环内侧2和分隔环外侧12之间的狭缝流入并通过主燃级喷油孔6流出。主燃级燃油由主燃级斜向喷射喷嘴5喷射出来并与经过主燃级喷油孔6射出后与空气进行充分掺混后经过主燃级预混通道7预混均匀，再进行预混燃烧。预燃级空气由分隔环内侧11流入后一部分通过预燃级一级旋流器13和预燃级二级旋流器15流入，另一部分通过级间段8流入并经过进气孔9大部分往上流向主燃级起到气动导流的作用，小部分气流往下经过掺混孔后流向燃烧室。预燃级燃油由双油路离心喷嘴的主油路管道19和副油路管道18流出，与预燃级双级旋流叶片形成的旋流掺混，进入燃烧室燃烧；

如图1所示，预燃级一级旋流器13，具有沿周向均布10-15个0.5-3mm厚度的旋流叶片，高度为5-10mm，旋流数为0.5-1，焊接于文氏管14上。文氏管14通过焊接与预燃级二级旋流器15进行连接，预燃级二级旋流器15具有沿周向均布5-25个0.5-3mm厚度的旋流叶片，高度为5-20mm，旋流数为0.3-0.8，用于形成弱旋流。预燃级二级旋流器15和级间段8采用螺纹连接，级间段8和分隔环内侧11采用螺纹连接。分隔环外侧12通过焊接与主燃级内环内侧2连接。主燃级旋流叶片4焊接在主燃级外壳1上，具有沿周向均布10-30个0.5-3mm厚度的旋流叶片，高度为20-50mm，旋流数为0.5-1，用于形成强旋流。

如图2所示，主燃级外壳1、主燃级旋流叶片4和挡气环20通过焊接方式进行连接，使得空气旋流并进入预混通道后进入燃烧室；主燃级旋流叶片4具有沿周向均布10-30个0.5-3mm厚度的旋流叶片，高度为20-50mm，旋流数为0.5-1，用于形成强旋流。主燃级旋流叶片4上出口留有斜向喷射孔，用于燃油斜向射出，增加掺混；主燃级预混通道用于燃油和空气的预混，有利于减少污染排放；该头部可以实现对直径为头部直径4-12倍的燃烧室。

如图3所示，分隔环外侧12上有4个周向均布的凸块21用于将分隔环外侧12和主燃级内环内侧2进行安装连接；分隔环外侧12上有沿周向均布的10-30个与气流成5-80度角的主燃级斜向喷射喷嘴5，喷口直径为0.5-3mm，用于将燃油斜向喷出。级间段8通过螺纹连接到分隔环内侧11上，用于对主燃级气流进行导流，使点火性能增强。

如图4所示，预燃级一级旋流器13，具有沿周向均布10-15个0.5-3mm厚度的旋流叶片，高度为5-10mm，旋流数为0.5-1，焊接于文氏管14上。文氏管14通过焊接与预燃级二级旋流器15，具有沿周向均布5-25个0.5-3mm厚度的旋流叶片，高度为5-20mm，旋流数为0.3-0.8，用于形成弱旋流。

如图5所示，预燃级双油路离心喷嘴中副油路进口段16出口外侧攻有螺纹用于与副油路管道18相连接。主油路进口段17与主油路管道19构成了主油路的通道，主油路进口段利用台阶靠在主油路管道19上，主油路管道19上的叶片和副油路管道18的内壁通过焊接相连。如图6所示，主油路管道19在入口端上打有10-30个沿周向均布、直径在0.5-3mm的小孔，用于副油路燃油的流入副油路管道；在主油路管道的出口端具有周向均布3-10个0.5-3mm厚度的旋流叶片，高度为2-20mm，旋流数为0.3-0.7，使得副油路的燃油经过时产生旋流，从而喷射成为离心油膜。主油路的燃油通过主油路进口段17和主油路管道19后直接喷射出形成油雾。

Claims (8)

1.一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，其特征在于：采用了斜向喷射预混及中心分级的结构，由主燃级、预燃级、文氏管、级间段、主燃级喷嘴以及预燃级喷嘴构成，其中主燃级包括主燃级外壳(1)、主燃级旋流叶片(4)、主燃级喷油孔(6)、主燃级内环内侧(2)、主燃级内环外侧(3)、主燃级预混通道(7)和挡气环(20)；预燃级包括预燃级一级旋流器(13)、文氏管(14)、预燃级二级旋流器(15)；气动导流管路包括分隔环内侧(11)、级间段(8)、进气孔(9)；主燃级喷嘴包括主燃级斜向喷射喷嘴(5)；预燃级喷嘴包括主油路进口段(17)、主油路管道(19)、副油路进口段(16)、副油路管道(18)；主燃级旋流叶片(4)通过焊接与主燃级外壳(1)连接，用于引导空气旋流，进入燃烧室内进行燃烧；主燃级空气一部分通过主燃级旋流叶片(4)进入主燃级预混通道(7)，另一部分经过主燃级内环内侧(2)和分隔环外侧(12)之间的狭缝流入并通过主燃级喷油孔(6)流出；主燃级燃油由主燃级斜向喷射喷嘴(5)喷射出来，经过主燃级喷油孔(6)射出后与空气在主燃级预混通道(7)中进行充分掺混；预燃级空气由分隔环内侧(11)流入后一部分通过预燃级一级旋流器(13)和预燃级二级旋流器(15)流入，另一部分通过级间段(8)流入并经过进气孔(9)后大部分往上流向主燃级起到气动导流的作用，小部分气流往下经过掺混孔(10)后流向燃烧室；预燃级燃油由双油路离心喷嘴的主油路管道(19)和副油路管道(18)流出。

2.根据权利要求1所述的一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，其特征在于：主燃级叶片周向为10-30个均匀布置并通过焊接与主燃级外壳(1)连接，且每个主燃级叶片上均开有主燃级喷油孔(6)使得燃油与气流成5-80度角喷出并充分掺混，加强了空气和燃油的掺混使得主燃级油气在燃烧前预混均匀，降低污染排放量；同时，燃油的斜向喷射使得喷雾锥角扩大，燃油能够更好地扩散到头部下游燃烧室壁面的点火器附近，从而提高了点火性能。

3.根据权利要求1所述的一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述的燃烧室头部结构总体直径为40-140mm，整体焊接连接，分隔环内侧(11)和级间段(8)采用螺纹连接，级间段(8)和预燃级二级旋流器(15)采用螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述的预燃级采用轴向双级旋流叶片的结构，可以通过调节一级二级预燃级旋流器叶片的旋流数，使得内外层旋流叶片喷射出的气体之间的剪切力增强或者减弱，从而影响流场的结构、喷雾张角、燃烧效率、温度分布以及污染排放。

5.根据权利要求1所述的一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述的预燃级喷嘴的预燃级一级旋流器(13)，具有沿周向均布5-50个0.5-5mm厚度的旋流叶片，高度为10-50mm，旋流数为0.5-1.5，用于形成强旋流。

6.根据权利要求1所述的一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述的预燃级喷嘴的预燃级二级旋流器(15)，具有沿周向均布10-50个0.5-6mm厚度的旋流叶片，高度为10-50mm，旋流数为0.2-1，用于形成弱旋流。

7.根据权利要求1所述的一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述的预燃级中分隔环外侧(12)采用焊接的方式与主燃级内环内侧(2)连接，分隔环内侧(11)用螺纹与级间段(8)进行连接，级间段(8)封闭的一端的圆柱面上开有10-60个沿周向均布、直径为0.5-5mm的直射进气孔(9)，位于预燃级和主燃级之间，其开口方向与气流方向平行，级间段的圆环上开有10-60个沿周向均布、直径在0.5-4mm的掺混孔(10)，与气流方向垂直。

8.根据权利要求1所述的一种主燃级采用斜向喷射喷嘴的低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述的主燃级喷嘴的主燃级旋流叶片(4)，具有沿周向均布，20-40个0.5-3mm厚度的旋流叶片，高度为20-60mm，旋流数为0.5-1，用于形成强旋流。