CN108253455B - 一种预混预蒸发超低排放燃烧室头部及其燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预混预蒸发超低排放燃烧室头部及其燃烧室。燃烧室的头部由预燃级、主燃级构成，其中预燃级由两级轴向涡流器、中心锥和预燃级喷嘴构成；主燃级由一级轴向涡流器、一级直通道、预混段和多点离散直射式喷嘴构成。主燃级采用离散多点直射式喷嘴进行初始压力雾化，之后进行双面空气剪切气动雾化。这种燃烧室头部可以在保证燃烧室性能的同时，能够使污染物排放大幅度降低，进而实现超低排放的目的。另外，考虑到工程装配、维修的实际，该燃烧室头部结构上做成一体化设计。

Description

一种预混预蒸发超低排放燃烧室头部及其燃烧室

技术领域

本发明属于航空发动机领域，涉及一种预燃级层膜式部分预混预蒸发燃烧模式和主燃级离散多点直射式部分预混预蒸发燃烧模式的超低排放燃烧室。

背景技术

国际民航组织在80年代就颁布了“环境保护标准”和“航空发动机排放”条例，并不断修订完善，目前已开始执行CAEP/8排放标准。各大航空发动机公司和研究机构均把控制污染物排放作为重要课题进行研究，其中低排放燃烧技术是民用航空发动机最重要的研究内容之一。由于污染排放是适航取证对民机发动机的强制性要求，欧美的几家国际知名航空发动机公司针对越来越严厉的排放要求，实施了先进民用发动机研制计划，掌握了低排放燃烧室的关键技术。 GE公司研制的燃烧室采用最新的双环预混旋流(TAPS)组织燃烧技术，已用于 GEnx发动机低排放燃烧室上，其NOx污染排放比CAEP/8低50％左右；PW公司采用RQL技术发展的TALON X燃烧室在PW1100G发动机上获得应用，NOx污染排放比CAEP/8低43％左右；RR公司采用ANTLE计划发展的LDIS低污染燃烧室，其NOx污染排放比CAEP/8标准降低了33％。

GE公司的TAPS燃烧技术已申请了多项美国专利，专利号为 US006354072B1、US006381964B1、US006389815B1等的低排放燃烧室头部专利提出的技术方案是：预燃级由离心喷嘴、两级轴向涡流器、文氏管和套筒构成，主燃级由直射式喷嘴和一级或两级径向涡流器构成，结构比较复杂，轴向长度太长，导致头部(大喷嘴)很大，需要在机匣上开很大的孔才能装拆头部。北京航空航天大学也申请了几种贫油预混预蒸发燃烧室的专利，申请号为 200810105062.3的专利提出的技术方案是：预燃级由离心喷嘴、一级轴向涡流器和收扩段构成，主燃级由直射式空气雾化喷嘴、一级径向涡流器和收扩件构成，主燃级燃油的气动雾化不是很强，且出口收敛不是很明显，容易造成回火；预燃级的收扩段喉道直径太大，容易使副燃级空气流量分配过大，进而影响副燃级点火和熄火性能，还可能会造成副燃级喷嘴积碳结焦。中国燃气涡轮研究院已申请了四种贫油部分预混预蒸发燃烧室的专利，专利号分别为 ZL201020701303.3、ZL201020701305.2、ZL201020701308.6和ZL201220733515.9，这四项专利提出的技术方案是：头部方案采用中心分级的两级油路DIPME混合燃烧模式，预燃级由离心喷嘴、一级轴向涡流器、缩扩段构成；主燃级由直射式喷嘴和一级轴向(径向)或一级轴向和一级径向涡流器构成，在大状态具有很好的燃烧性能和污染排放特性，但低工况燃烧效率稍差，在同样的头部进气条件下，具有有限的降低污染排放的潜力，这主要是由预燃级离心喷嘴的扩散燃烧模式造成的。这些专利的预燃级均采用一级(或两级) 轴向涡流器，燃油雾化主要由喷嘴内外压力差完成，对于低工况，其雾化效果不是很好，燃烧效率较低。

NOx是航空发动机燃烧室设计人员需要重点考虑的污染物之一，在航空发动机中，NOx主要由燃烧区火焰温度和燃气停留时间决定。目前已有低污染燃烧室开始采用贫油预混预蒸发技术来保证燃烧区的当量比在0.5～0.65范围内，有效控制火焰温度从而降低NOx的生成。采用该技术的燃烧室通常其预混段较长，容易出现自燃和回火，又由于这种燃烧室在贫油状态燃烧，混合蒸发的很好，使得出现不稳定燃烧的机率倍增。传统的燃烧室采用富油头部设计，燃烧区的当量比在1.0左右，这种燃烧方式无法降低污染物，特别是NOx的生成量，但这种燃烧室相对于采用贫油预混预蒸发技术的燃烧室工作更稳定，其某些燃烧室基本性能更高，比如慢车贫油熄火边界(LBO)和贫油点火边界(LLO)。

要保证燃烧室的性能同时还要降低污染物排放，需要将以上两种技术结合，预燃级采用直接喷射扩散燃烧模式，主燃级采用贫油部分预混预蒸发燃烧模式，在一个燃烧室头部中将两种燃烧模式结合形成的混合燃烧模式，既能保证燃烧室的性能要求，又能保证一定的污染物排放的要求。但是对于超低排放燃烧室来说，预燃级和主燃级均采用部分预混预蒸发燃烧技术会进一步降低污染排放，提升污染排放的潜力。因此，超低排放燃烧技术的预燃级采用部分预混预蒸发燃烧模式，减弱扩散燃烧，增强预混燃烧，未来保证低工况燃烧效率，采用双面剪切的空气雾化喷嘴；主燃级为离散多点直射式喷嘴，同样采用双面剪切的空气雾化模式，增强雾化和预混，降低燃烧区中的高温热点，进而降低NOx排放。为了满足民用航空发动机的维修性，使头部喷嘴更换容易，需要头部喷嘴装拆方便，且工程上实现起来较易。

发明内容

本发明的目的：提供一种能够保证燃烧室性能且实现超低排放及便于头部装拆的部分预混预蒸发燃烧室。

本发明的技术方案是：头部方案采用中心分级的两级油路富/贫油预混预蒸发燃烧模式，即在起动和小状态时，预燃级采用富油部分预混预蒸发燃烧模式，该燃烧模式是通过副油路层膜式喷嘴、两级轴向涡流器和中心锥及文氏管构成的预燃级实现部分预混的富油预混气，这种组织燃烧方式是介于预混燃烧和扩散燃烧之间；在大状态(包括起飞、爬升和巡航等状态)时，预燃级和主燃级均采用贫油部分预混预蒸发燃烧模式，但预燃级的预混程度没有主燃级的高，从而使得中心燃烧区起稳定火焰并降低燃气温度的作用，周围燃烧区为贫油部分预混预蒸发燃烧，燃烧区局部当量比控制在0.5左右，燃烧区温度控制在1700K～1900K范围内，并控制高温火焰的停留时间，从而有效控制NOx和 CO/UHC的生成量。预燃级由两级涡流器和层膜式喷嘴、中心锥及文氏管组成，预燃级燃油由层膜式喷嘴进行一次压力雾化，在文氏管壁上形成一层油膜至文氏管出口，在两级涡流器气动力剪切的作用下进行二次雾化；主燃级由一级轴向涡流器和压力直接燃油喷射式喷嘴组成，依靠喷嘴内外的压差进行一次雾化，再依靠涡流器内旋转气流与外环通道中的(旋转)气流的剪切作用，可以使燃油得到充分的雾化、蒸发，并与来流空气进行良好的部分预混合。

具体结构为：一种预混预蒸发超低排放燃烧室头部，所述头部包括挡溅盘(51)、预燃级(30)主燃级(31)；

预燃级(30)包括预燃级一级轴向涡流器(32)、预燃级二级轴向涡流器(44)、中心锥(64)、套筒(66)、文氏管(35)和预燃级喷嘴(59)；预燃级喷嘴出口 (34)与挡溅盘(51)的距离(36)为10～25mm；(上述的距离不是本领域的公知常识，上述的距离能够保证良好雾化的同时使燃油和空气达到预期的预先混合，现有技术中都是根据发动机结构尽可能的将喷嘴出口(34)与挡溅盘(51) 的距离缩小，而本发明中的距离最小也不能小于10mm)

主燃级(31)包括主燃级轴向涡流器(62)、预混段(48)和离散多点直射式喷嘴(63)和无旋流直通道(55)；离散多点直射式喷嘴具有环状分布的喷孔 (45)；主燃级轴向涡流器(62)具有环状分布的叶片；所述环状分布的喷孔(45) 与环状分布的叶片(47)空间上为间隔排列；并且环状分布的喷孔(45)距离主燃级涡流器(62)进口的距离不小于5mm。

进一步的，从径向方向上看，每个喷口(45)位于相邻两个叶片(47)之间的中点，并且所述离散多点直射式喷嘴(63)为内喷式喷嘴(63)；预混段(48) 的轴向长度(52)为20mm～30mm；预混段(48)内壁为平直状，以便于拆装。

进一步的，所述预燃级一级轴向涡流器的叶片(37)安装角度为30°～45°，叶片(37)数量为10～16片，旋流强度为0.5～0.7。

进一步的，所述预燃级二级轴向涡流器的叶片(38)安装角度为40°～55°，数量为10～16片，旋流强度为0.5～0.7。

进一步的，所述套筒(66)的收缩段角度(65)为90°，扩张段角度(53) 为预燃级二级轴向涡流器叶片(38)安装角度的2倍；预燃级一级涡流器与二级涡流器旋向相反。

进一步的，所述主燃级轴向涡流器的叶片(47)安装角为35°～60°；且主燃级轴向涡流器叶片(47)的旋向与预燃级二级轴向涡流器(44)旋向相反。主燃级轴向涡流器与无旋流直通道(55)共同作用使得主燃级空气旋流强度在0.6 左右。

进一步的，还提供了一种部分预混预蒸发超低排放燃烧室，包括扩压器(11)、外机匣(12)、内机匣(13)、喷嘴(14)、上述的燃烧室头部(15)、火焰筒(16) 和电嘴(17)。

所述预燃级喷嘴为层膜式，集油腔(43)内开有旋流槽(33)，旋流槽(33) 的旋流强度在0.3～0.4之间，其旋向与预燃级一级轴向涡流器(32)的旋向相反，以保证良好的雾化和合理的燃油浓度、尺寸分布。

所述头部转接段(50)有直径0.8mm～1.2mm的冲击冷却小孔(49)，对挡溅盘(51)进行冷却；所述主燃级离散多点直射式喷嘴(63)的喷口(45)直径0.5mm～0.6mm，喷孔数量6～10个，喷射角度(46)在45°～90°之间。

所述部分预混预蒸发超低排放燃烧室，其特征在于预燃级(30)和主燃级一级涡流器(62)及主燃级离散多点直射式喷嘴(63)组成的大喷嘴(61)与主燃级二级涡流器(55)或无旋流直通道(55)配合，便于拆装，其中主燃级二级涡流器(55)或无旋流直通道(55)和头部转接段(50)固定于火焰筒(16) 上。

本发明的有益效果是：预燃级采用富/贫油部分预混预蒸发燃烧模式，既保证燃烧室稳定工作，又能最大限度减少小工况污染物排放；主燃级采用贫油部分预混预蒸发燃烧技术，能大幅度降低NOx、UHC、CO和烟粒子等污染物的排放；主燃级涡流器的设计考虑了预防回火自燃现象的出现；主燃级轴向涡流器的设计考虑了进气均匀性和主燃级燃油气动雾化以及头部装拆的问题，具有很高的实用价值。采用不同的头部进气，NOx排放能达到比CAEP/8低 50％～70％。

附图说明

图1为低排放燃烧室示意图；

图2为一种部分贫油预混预蒸发超低排放燃烧室头部方案示意图；

其中：10-燃烧室、11-扩压器、12-外机匣、13-内机匣、14-喷嘴、15-头部、 16-火焰筒、17-电嘴、18-主燃孔、19-掺混孔、20-燃烧室外环、21-内环、22- 火焰筒出口、30-预燃级、31-主燃级、32-预燃级一级轴向涡流器、33-预燃级喷嘴(59)的旋流槽、34-预燃级喷嘴喷口、35-文氏管、36-预燃级喷嘴喷口(34) 与头部出口端面的距离、37-预燃级一级轴向涡流器叶片、38-预燃级二级轴向涡流器叶片、39-文氏管喉道、40-套筒喉道、41-收缩流道、43-预燃级喷嘴(59) 的集油腔、44-预燃级二级轴向涡流器、45-离散多点直射式喷嘴(63)的喷口、 46-主燃级离散多点直射式喷嘴(63)的喷射角度、47-主燃级轴向涡流器叶片、48-主燃级预混段、49-冲击冷却小孔、50-头部转接段、51-挡溅盘、52-主燃级预混段长度、53-扩张段角度、55-直通道或轴向涡流器、56-主燃级喉道出口、 59-预燃级喷嘴、61-大喷嘴、62-主燃级轴向涡流器、63-离散多点直射式燃油喷嘴、64-中心锥。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例子详细介绍本发明。

图1是采用中心分级的两级油路富/贫油预混预蒸发燃烧模式的超低排放燃烧室示意图，燃烧室(10)包括扩压器(11)、外机匣(12)、内机匣(13)、喷嘴(14)、头部(15)、火焰筒(16)和电嘴(17)，根据需要火焰筒上有主燃孔 (18)和掺混孔(19)。燃烧室的工作情况是：空气从扩压器(11)进入燃烧室，超过50％的空气从头部(15)进入火焰筒(16)，其余空气通过燃烧室外环(20) 和内环(21)进入火焰筒(16)，燃油通过喷嘴(14)进入火焰筒(16)，在火焰筒(16)内，电嘴(17)点火后，空气与燃油燃烧，从火焰筒出口(22)排出高温燃气。

图2是超低排放燃烧室头部(15)结构细节，头部由预燃级(30)和主燃级(31)组成。头部(15)进气量大约占燃烧室(10)总气量的50％～80％，具体进气量的多少同燃烧室的总油气比和冷却空气量有关，预燃级(30)进气量大约占燃烧室(10)总进气量的5％～15％，具体进气量同燃烧室慢车状态油气比密切相关；主燃级(31)进气量大约占燃烧室(10)总进气量的40％～60％，具体进气量同燃烧室起飞状态油气比密切相关。

预燃级(30)由预燃级一级轴向涡流器(32)、预燃级二级轴向涡流器(44)、文氏管(35)、中心锥(64)和预燃级喷嘴(59)构成。轴向涡流器(32)和(44) 有效流通面积与文氏管喉道(39)面积和套筒喉道(40)面积共同决定预燃级 (30)空气流量，预燃级二级轴向涡流器(44)的空气流量是预燃级一级轴向涡流器(32)的空气流量的1.1～1.5倍；文氏管(35)的设计需要考虑预燃级喷嘴出口(34)下游形成良好的液膜。此外，必须保证在预燃级(30)下游形成有助于点火和火焰稳定的回流区结构。预燃级喷嘴出口(34)与头部出口端面的距离(36)保持在合适范围，这样使得预燃级的燃烧方式介于预混燃烧和扩散燃烧之间，形成良好的二次气动雾化以及预混气，不仅有助于燃烧室工作稳定，也有助于降低小工况的污染排放。为了有助于良好二次气动雾化与混合，预燃级喷嘴(59)的集油腔(43)内增加旋流槽(33)，使出口燃油形成旋转喷射，与预燃级一级涡流器旋流进行剪切破碎，增强雾化效果。同时文氏管(35) 和套筒收缩段形成的收缩流道(41)对燃油液膜亦加强了雾化；扩张段角度(53) 约为预燃级二级轴向涡流器叶片(38)安装角度的2倍，以形成良好的回流区结构，提高燃烧性能和污染排放特性。在燃烧室所有工况中，预燃级(30)都要工作，在起动和小状态时预燃级是富油部分预混燃烧，在大状态时预燃级是贫油部分预混燃烧。

主燃级(31)由主燃级轴向涡流器(62)、预混段(48)和离散多点直射式燃油喷嘴(63)构成。主燃级旋流强度在0.6左右，在主燃级出口形成脱体火焰，有助于预防不稳定燃烧现象的出现。主燃级轴向涡流器(62)、直通道(55) 或轴向涡流器(55)的有效流通面积和主燃级喉道出口(56)决定了主燃级(31) 空气流量。预混段(48)长度(52)在20～30mm之间能有效保证主燃级燃油达到最好的部分预混预蒸发。离散多点直射式喷嘴(63)的喷口(45)在主燃级轴向涡流器叶片(47)通道之间，燃油依靠喷嘴内外的压差进行一次雾化，再依靠主燃级轴向涡流器(62)的旋转与外环直通道(55)或轴向涡流器(55) 的气流剪切作用，使得主燃级燃油得到充分的雾化和部分预混合，甚至完全混合。主燃级(31)一般在30％推力以上状态工作，其燃烧方式属于贫油部分预混燃烧，在主燃级(31)下游形成脱体火焰，对控制NOx污染物非常有利。为了防止发生回火，主燃级喉道出口(56)设计为收敛型的，提高气流速度，使空气速度远大于湍流火焰传播速度。

Claims (6)

1.一种部分预混预蒸发超低排放燃烧室，其特征在于：包括扩压器(11)、外机匣(12)、内机匣(13)、喷油杆(14)、燃烧室头部(15)、火焰筒(16)和电嘴(17)，火焰筒上有主燃孔(18)和掺混孔(19)，其特征在于：所述燃烧室头部(15)由预燃级(30)和主燃级(31)组成，其中：

1)预燃级(30)由预燃级一级轴向涡流器(32)、预燃级二级轴向涡流器(44)、中心锥(64)、文氏管(35)和预燃级喷嘴(59)构成；预燃级喷嘴出口(34)与挡溅盘(51)的距离(36)在合适的范围内，以保证良好的雾化的同时使燃油和空气达到预期的预先混合；

2)主燃级(31)由主燃级轴向涡流器(62)、主燃级预混段(48)和主燃级离散多点直射式喷嘴(63)构成，主燃级离散多点直射式喷嘴的喷口(45)位于距离主燃级轴向涡流器(62)进口合适的位置处；所述主燃级离散多点直射式喷嘴(63)的喷口(45)位于主燃级轴向涡流器叶片(47)通道中间，并且燃油呈内喷方式；

预燃级一级轴向涡流器的叶片(37)安装角度在30°～45°之间，叶片数量在10～16片之间，旋流强度在0.5～0.7之间；

预燃级二级轴向涡流器的叶片(38)安装角度在40°～55°之间，叶片数量在10～16片之间，旋流强度在0.5～0.7之间；套筒(66)收缩段角度(65)为90°，扩张段角度(53)约为预燃级二级轴向涡流器叶片(38)安装角度的2倍；预燃级一级和二级轴向涡流器旋向相反。

2.根据权利要求1所述的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，其特征在于:所述主燃级轴向涡流器叶片(47)安装角在35°～60°之间，与主燃级直通道或轴向涡流器(55)共同作用使得主燃级空气旋流强度在0.6左右；且旋向与预燃级二级轴向涡流器(44)旋向相反。

3.根据权利要求1所述的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，其特征在于:所述预燃级喷嘴为层膜式，集油腔(43)内开有旋流槽(33)，旋流槽(33)的旋流强度在0.3～0.4之间，其旋向与预燃级一级轴向涡流器(32)的旋向相反，以保证良好的雾化和合理的燃油浓度、尺寸分布。

4.根据权利要求1所述的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，其特征在于:主燃级预混段(48)轴向长度(52)在20mm～30mm之间；主燃级预混段(48)内壁平直便于拆装。

5.根据权利要求1～4之一所述的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，其特征在于:火焰筒(16)上固定有头部转接段(50)，所述头部转接段(50)有直径0.8mm～1.2mm的冲击冷却小孔(49)，对挡溅盘(51)进行冷却；所述主燃级离散多点直射式喷嘴(63)的喷口(45)直径0.5mm～0.6mm，喷孔数量6～10个，喷射角度(46)在45°～90°之间。

6.根据权利要求1～5之一所述的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，其特征在于:预燃级(30)和主燃级轴向涡流器(62)及主燃级离散多点直射式喷嘴(63)组成的大喷嘴(61)与主燃级直通道或轴向涡流器(55)配合，便于拆装，其中主燃级直通道或轴向涡流器(55)和头部转接段(50)固定于火焰筒(16)上。

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