CN107687651B - 一种轴向分级贫油直混低污染燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴向分级贫油直混低污染燃烧室，将燃烧室沿轴向分为值班级和主燃级，值班级位于头部端壁，主燃级位于火焰筒外壁。小工况下只有值班级工作，值班级局部富油燃烧，下游主燃级进气将富油燃烧迅速掺混为贫油燃烧，控制了小工况下的污染物排放，而且轴向分级避免了值班级、主燃级之间的相互干扰，有利于火焰稳定，拓宽了燃烧室的贫油熄火边界；随着工况的增大，主燃级工作，整个燃烧区处于贫油燃烧，大大降低了大工况下的污染排放。值班级和主燃级均采用单点直接喷射方式，有利于燃烧室的稳定工作，能有效避免自燃、回火、震荡燃烧等问题。本发明的轴向分级贫油直混低污染燃烧室在实现稳定工作的同时能有效降低污染排放水平。

Description

一种轴向分级贫油直混低污染燃烧室

技术领域

本发明属于燃气轮机和航空发动机燃烧室领域，涉及一种轴向分级贫油直混低污染燃烧室，具体是一种采用贫油直接喷射及混合的轴向分级低污染燃烧室。

背景技术

近年来，环境问题越来越受到人们的关注，无论对于航空燃气轮机还是地面燃气轮机，其污染排放的要求日益严格。低污染燃烧技术成为先进燃气轮机未来的发展趋势，民用航空发动机必须满足国际民航组织ICAO下属环境保护委员会CAEP制定的一系列标准，2016年最新的CAEP 10标准对NOx和颗粒物排放提出了更严格的规定，因此必须发展新的燃烧技术才能满足日益严格的排放要求。

现代民用航空发动机流行的低污染燃烧技术主要包括：富油燃烧-快速淬熄-贫油燃烧技术Rich burn-Quick quench-Lean burn，RQL、贫油预混预蒸发燃烧技术LeanPremixed Prevaporised，LPP和贫油直接喷射燃烧技术Lean Direct Injection，LDI。普惠公司的TALON燃烧室和霍尼韦尔公司的SABER燃烧室均是采用RQL技术，其NOx排放水平基本能满足CAEP 6的标准，但RQL技术不论在小工况还是大工况下都会出现接近化学恰当比的反应，所以RQL技术降低污染排放的潜力有限，很难满足未来ICAO越来越严格的排放标准。GE公司发展的TAPS燃烧室采用中心分级燃烧组织方式，值班级采用直接喷射，主燃级采用LPP技术，GE公司针对TAPS燃烧室申请了6363726、6389815、6354027、6418726、0178732、6381964和6389815等一系列专利，TAPSⅠ和TAPSⅡ的NOx排放比CAEP 6的规定再降低50％和60％，而用于GE 9X的TAPSⅢ的NOx排放比CAEP 8的规定还低30％，但LPP燃烧方式存在自燃、回火、燃烧不稳定性等一系列问题。为了解决LPP技术存在的问题，近年来许多研究机构开展了关于LDI技术的研究，NASA格林中心设计了三种不同的LDI头部方案，并分别进行了研究，三种头部方案的污染排放水平均比CAEP 6低85％左右，在NASA ERA项目支持下，Goodrich公司设计了阵列式LDI燃烧室，该方案的NOx排放比CAEP 6的规定低75％，Parker公司在NASA UEET项目支持下，提出了多级分区LDI燃烧方案，其污染物排放水平可以满足降低CAEP 6规定NOx排放70％的要求，Dalavan公司申请的9644844专利，提出了一种新型的多点贫油直接喷射方案，能有效的降低污染排放水平。

国内近年来在低污染燃烧室方面也申请了许多相关专利。北京航空航天大学在低污染燃烧室方面申请了201010034141.7和201510674145.4等专利，南京航空航天大学申请了201210589590.7、201610929177.9等专利，中国科学院工程热物理研究所申请了201410643105.9专利，这些低污染燃烧室专利采用的方案基本上都是采用中心分级燃烧技术，值班级采用扩散燃烧方式，主燃级预混燃烧的方式来降低大工况下的污染物排放。中心分级燃烧技术在点、熄火及小工况下污染排放、大工况下燃烧稳定性等方面均存在许多问题，严重影响燃烧性能。

不论是何种先进的低污染燃烧室，首先要保证不同工况下的稳定燃烧，在稳定燃烧的基础上降低NOx氮氧化物、CO一氧化碳、UHC未燃碳氢化合物和冒烟排放。对于稳定燃烧来说，在小工况下要保证火焰稳定，贫油熄火油气比尽可能低，在大工况下要保证值班级火焰稳定，燃烧室不出现回火、自燃、震荡燃烧等问题；在降低污染物排放方面，其核心就在于要尽量避免以化学恰当比燃烧，降低燃烧区的温度，同时减小燃气在高温区的停留时间。为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种轴向分级贫油直混低污染燃烧室。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种轴向分级贫油直混低污染燃烧室。

技术方案

一种轴向分级贫油直混低污染燃烧室，包括短突扩扩压器、燃烧室火焰筒、燃烧室机匣、值班级14和主燃级15；其特征在于：所述的扩压器采用短突扩扩压器；所述值班级14为多个喷嘴模沿周向均布在燃烧室头部端壁11上，喷嘴模收敛段出口与燃烧室头部端壁内侧平齐，相邻值班级喷嘴模中心距为喷嘴模直径的1.25～2.5倍，且不大于125mm；所述主燃级15为多个喷嘴模的组合，组合形式为：组合形式为：在火焰筒外壁(12)上多排设置喷嘴模，喷嘴模收敛段出口与火焰筒壁内侧平齐，第一排喷嘴模与值班级喷嘴模在同一周向位置；所述值班级12预混模的数目与设置在火焰筒外壁12上每排的喷嘴模的数目相等；所述值班级所有喷嘴模由一条燃油管路供油；所述主燃级所有喷嘴模由另外一条燃油管路供油。

所述主燃级15的多排设置喷嘴模为1～2排。

所述主燃级15喷嘴模2排时，第二排与第一排顺排或交叉排列。

所述值班级14和主燃级15的喷嘴模采用单点直接喷射结构，包括旋流器16，平直段17，出口挡板18，收敛段19和燃油喷嘴20；旋流器16的后端为平直段17和收敛段19，平直段17延伸段为出口挡板18；燃油喷嘴20位于旋流器16的轴心，喷嘴出口与收敛段19出口平齐；所述平直段17长度是旋流器外径的0.2-0.25倍；所述收敛段19与水平夹角30°-45°。

所述旋流器16采用轴向旋流器，叶片个数8-16个，叶片采用直叶片，叶片角度为30°-60°。

所述燃油喷嘴20采用单油路离心喷嘴。

所述多个值班级喷嘴模相邻两个的中心距为喷嘴模直径的1.25～2.5倍，且不大于125mm。

所述第一排喷嘴模距值班级的轴向距离为火焰筒直径的0.75～1.5倍。

所述两排喷嘴模之间的轴向距离为喷嘴模直径的1.25～2.5倍。

有益效果

本发明提出的一种轴向分级贫油直混低污染燃烧室，将燃烧室沿轴向分为值班级和主燃级，值班级位于头部端壁，主燃级位于火焰筒外壁。小工况下只有值班级工作，值班级局部富油燃烧，下游主燃级进气将富油燃烧迅速掺混为贫油燃烧，控制了小工况下的污染物排放，而且轴向分级避免了值班级、主燃级之间的相互干扰，有利于火焰稳定，拓宽了燃烧室的贫油熄火边界；随着工况的增大，主燃级工作，整个燃烧区处于贫油燃烧，大大降低了大工况下的污染排放。值班级和主燃级均采用单点直接喷射方式，有利于燃烧室的稳定工作，能有效避免自燃、回火、震荡燃烧等问题。本发明的轴向分级贫油直混低污染燃烧室在实现稳定工作的同时能有效降低污染排放水平。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

本发明采用轴向分级贫油直混燃烧技术，通过分离值班级、主燃级的相互干扰，拓宽贫油熄火边界，通过控制燃烧区当量比、高温区分布以及高温区停留时间来降低燃气轮机全工况的污染排放。在小工况下，只有值班级工作，其局部当量比在1.0-1.5之间，随着值班级下游主燃级空气的进入，将富油燃烧迅速转变为贫油燃烧，从而降低了小工况下的污染物排放，而且轴向分级避免了主燃级空气对值班级火焰的淬熄作用，拓宽了燃烧室的贫油熄火极限；随着工况的不断增加，主燃级开始工作，此时值班级和主燃级当量比都在0.4-0.8之间，轴向分级技术使得高温区分布均匀，火焰筒高度变小使得火焰筒内流速增大，燃气在高温区停留时间变短，大大降低了大工况下的污染排放。

附图说明

图1：本发明实施例轴向分级贫油直混低污染燃烧室原理图

图2：本发明实施例主燃级一级轴向分级贫油直混低污染燃烧室火焰筒结构示意图

图3：本发明实施例主燃级两级轴向分级贫油直混低污染燃烧室火焰筒结构示意图

图4：本发明实施例采用的单点贫油直接喷射结构示意图

图5：本发明实施例主燃级一级轴向分级全环燃烧室结构示意图

图6：本发明实施例主燃级两级轴向分级全环燃烧室结构示意图

图中：1-前置扩压器内壁，2-前置扩压器外壁，3-前置扩压器流道，4-突扩区，5-值班级燃油管路，6-燃烧室外机匣，7-主燃级燃油管路，8-燃烧室外环腔，9-燃烧室内机匣，10-燃烧室内环腔，11-燃烧室头部端壁，12-火焰筒外壁，13-火焰筒内壁，14-值班级，15-主燃级，16-旋流器，17-平直段，18-出口挡板，19-收敛段，20-喷嘴

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采用以下技术方案：一种采用贫油直接喷射及混合的轴向分级低污染燃烧室，包括前置扩压器外壁、前置扩压器内壁、前置扩压器流道、突扩区、值班级燃油管路、燃烧室外机匣、主燃级燃油管路、燃烧室外环腔、燃烧室内机匣、燃烧室内环腔、燃烧室头部端壁、火焰筒外壁、火焰筒内壁、值班级和主燃级组成。所述前置扩压器流道是由前置扩压器内壁和前置扩压器外壁围成，起到减速增压的作用；所述的突扩区是前置扩压器出口与燃烧室内环腔、燃烧室外环腔之间的区域；所述燃烧室外环腔是由燃烧室外机匣和火焰筒外壁所围成；所述燃烧室内环腔是由燃烧室内机匣和火焰筒内壁围成；所述的值班级和主燃级采用单点直接喷射结构，由旋流器、平直段、收敛段、出口挡板和喷嘴组成。

进一步的，所述的扩压器采用短突扩扩压器。

进一步的，所述的单点直接喷射结构，其旋流器采用轴向旋流器，叶片个数6-20个，叶片形状采用直叶片，叶片角度30°-60°，平直段长度是旋流器外径的0.2-0.25倍，收敛段与水平夹角30°-45°，喷嘴出口与收敛段出口平齐，保证燃烧形式恰好为非预混燃烧。

进一步的，所述的值班级安装在燃烧室头部端壁上，主燃级安装在火焰筒外壁上，喷嘴出口与燃烧室头部端壁内侧及火焰筒外壁内侧平齐，保证喷嘴的使用寿命。

进一步的，所述的值班级在燃烧室头部端壁沿周向均匀布置，相邻值班级之间的距离为值班级旋流器外径的1.25-2.5倍，并且不大于125mm，保证相邻值班级火焰之间既不会相互干扰，又能保证正常联焰。

进一步的，所述的主燃级安装在火焰筒外壁上，主燃级轴向安装一级或者两级，主燃级为一级的燃烧室适用于工作范围比较宽的燃气轮机，主燃级为两级的燃烧室适用于工作范围很宽的燃气轮机；当主燃级为一级时，主燃级距值班级的轴向位置为火焰筒环高的0.75-1.5倍，并和相对应的值班级处在同一周向位置，这种布置更有利于主燃级的油气混合；当主燃级为两级时，靠近上游的主燃级距值班级的轴向位置为火焰筒环高的0.75-1.5倍，并和相对应的值班级处在同一周向位置，两排主燃级采用顺排或者叉排布置，两排主燃级之间的轴向距离为主燃级旋流器外径的1.25-2.5倍。

进一步的，小工况下仅值班级供油工作，随着工况的增大，主燃级开始工作，保证不同工况下，燃烧室以合适的油气比工作。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明

如图1所示，是轴向分级贫油预混低污染燃烧室原理图，包括前置扩压器内壁1，前置扩压器外壁2，前置扩压器流道3，突扩区4，值班级燃油管路5，燃烧室外机匣6，主燃级燃油管路7，燃烧室外环腔8，燃烧室内机匣9，燃烧室内环腔10，燃烧室头部端壁11，火焰筒外壁12，火焰筒内壁13，值班级14，主燃级15。所述前置扩压器流道3是由前置扩压器内壁1和前置扩压器外壁2围成，起到减速增压的作用；所述的突扩区4是前置扩压器出口与燃烧室外环腔8、燃烧室内环腔10之间的区域；所述燃烧室外环腔8是由燃烧室外机匣6和火焰筒外壁12所围成；所述燃烧室内环腔10是由燃烧室内机匣9和火焰筒内壁13围成。将燃烧室沿轴向分为值班级14和主燃级15，值班级14安装在头部端壁11上，主燃级15安装在火焰筒外壁12上，在小工况下仅值班级供油燃烧，保证燃烧稳定性，在大工况下值班级和主燃级同时供油燃烧。

如图2所示，是主燃级一级的轴向分级贫油直混低污染燃烧室火焰筒结构示意图，主燃级15只有一级时，这种轴向分级低污染燃烧室适用于工作范围比较宽的燃气轮机。

图3表示的是主燃级两级的轴向分级贫油直混低污染燃烧室火焰筒结构示意图，这种轴向分级低污染燃烧室主燃级15沿轴向分为两级，适用于工作范围很宽的燃气轮机，根据实际情况，可选择两级主燃级同时供油或分开供油，而且主燃级多级更有利于主燃级的油气混合，从而降低污染排放水平。

图2-3这两种适用于不同工作范围的轴向分级贫油直混低污染燃烧室，在小工况时，值班级14的局部当量比在1.0-1.5之间，大工况时，值班级14和主燃级15的局部当量比在0.4-0.8之间，在满足稳定燃烧的同时有效的降低了污染排放水平。

图4是值班级14和主燃级15所采用的单点直接喷射结构示意图，包括旋流器16，平直段17，出口挡板18，收敛段19，喷嘴20。所述的旋流器16采用轴向旋流器，叶片个数6-20个，叶片采用直叶片，叶片角度为30°-60°，平直段17长度是旋流器外径的0.2-0.25倍，收敛段19与轴向夹角30°-45°，喷嘴出口与收敛段出口平齐，保证燃烧形式恰好为非预混燃烧，形成脱体火焰。

如图5所示，是适用于工作范围比较宽的轴向分级全环燃烧室结构示意图，主燃级为一级，相邻值班级之间的距离为值班级旋流器外径的1.25-2.5倍，并且不大于125mm，主燃级距值班级的轴向位置为火焰筒环高的0.75-1.5倍，并和相对应的值班级处在同一周向位置。

如图6所示，是适用于工作范围很宽的轴向分级全环燃烧室结构示意图，主燃级分为两级，a和b是主燃级的两种排布形式，a方案主燃级顺排，b方案主燃级叉排，靠近上游的主燃级距值班级的轴向位置为火焰筒环高的0.75-1.5倍，并和相对应的值班级处在同一周向位置，两排主燃级之间的轴向距离为主燃级旋流器外径的1.25-2.5倍。

本发明的工作过程如下：

本发明采用轴向分级贫油直混燃烧技术，将燃烧室沿轴向分为值班级和主燃级，小工况下值班级工作，此时值班级局部富油燃烧，下游主燃级的进气将富油燃烧迅速变为贫油燃烧，控制了小工况下的污染排放水平，而且轴向分级避免了值班级和主燃级的相互干扰，有利于火焰稳定，拓宽了燃烧室的贫油熄火边界；随着工况的不断增加，主燃级工作，上游高温燃气的加热作用使得在主燃烧区形成了均匀的油气混合物，上游值班燃烧区火焰将下游主燃烧区油气混合物点燃，整个燃烧区此时都处于贫油燃烧，有效的降低了大工况下的污染排放水平，此时值班级起稳定火焰的作用。

值班级、主燃级都采用单点直接喷射方式有利于燃烧室的稳定工作，避免回火、自燃、震荡燃烧等问题。因此，本发明的轴向分级低污染燃烧技术在实现稳定燃烧的同时，有效的降低了全工况下的污染排放水平。

Claims (4)

1.一种轴向分级贫油直混低污染燃烧室，包括短突扩扩压器、燃烧室火焰筒、燃烧室机匣、值班级(14)和主燃级(15)；其特征在于：所述的扩压器采用短突扩扩压器；所述值班级(14)为多个喷嘴模沿周向均布在燃烧室头部端壁(11)上，喷嘴模收敛段出口与燃烧室头部端壁内侧平齐；所述主燃级(15)为多个喷嘴模的组合，组合形式为：在火焰筒外壁(12)上多排设置喷嘴模，喷嘴模收敛段出口与火焰筒壁内侧平齐，第一排喷嘴模与值班级喷嘴模周向位置上相对应；所述值班级(14)预混模的数目与设置在火焰筒外壁(12)上每排的喷嘴模的数目相等；所述值班级所有喷嘴模由一条燃油管路供油；所述主燃级所有喷嘴模由另外一条燃油管路供油；

所述值班级(14)和主燃级(15)的喷嘴模采用单点直接喷射结构，包括旋流器(16)，平直段(17)，出口挡板(18)，收敛段(19)和燃油喷嘴(20)；旋流器(16)的后端为平直段(17)和收敛段(19)，平直段(17)延伸段为出口挡板(18)；燃油喷嘴(20)位于旋流器(16)的轴心，喷嘴出口与收敛段(19)出口平齐；所述平直段(17)长度是旋流器外径的0.2-0.25倍；所述收敛段(19)与水平夹角30°-45°；

多个所述值班级喷嘴模相邻两个的中心距为喷嘴模直径的1.25～2.5倍，且不大于125mm；

所述第一排喷嘴模距值班级的轴向距离为火焰筒直径的0.75～1.5倍；

相邻两排所述喷嘴模之间的轴向距离为喷嘴模直径的1.25～2.5倍；

所述旋流器(16)采用轴向旋流器，叶片个数8-16个，叶片采用直叶片，叶片角度为30°-60°。

2.根据权利要求1所述轴向分级贫油直混低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级(15)的多排设置喷嘴模为1～2排。

3.根据权利要求1所述轴向分级贫油直混低污染燃烧室，其特征在于：所述主燃级(15)喷嘴模2排时，第二排与第一排顺排或交叉排列。

4.根据权利要求1所述轴向分级贫油直混低污染燃烧室，其特征在于：所述燃油喷嘴(20)采用单油路离心喷嘴。