CN108561897B - 一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强化油气混合的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)、喷油杆(14)、燃烧室头部(15)、火焰筒(16)和电嘴(17)，所述燃烧室头部(15)由预燃级(31)和主燃级(32)组成，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。

Description

一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室

技术领域

本发明属于航空发动机领域，涉及一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室。

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％左右。

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，主燃级由简单直射式喷嘴和一级或两级径向涡流器构成；径向涡流器的空气来流方向均是由外向内，主燃级喷嘴为简单直射式喷嘴。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，绝大多数预燃级采用双级径向涡流器，主燃级采用轴向或径向涡流器，没有引导空气由内向外流动的径向涡流器；主燃级喷嘴亦为简单直射式喷嘴。中国燃气涡轮研究院已申请了多种贫油部分预混预蒸发燃烧室的专利，诸如ZL201020701303.3、ZL201020701305.2、ZL201020701308.6、ZL201220733515.9等，这几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，但返场等工况燃烧效率稍差，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，主燃级油气混合也不是很好。为了实现超低排放，预燃级和主燃级均需采用贫油部分预混预蒸发燃烧模式，且主燃级和预燃级均要达到燃油良好雾化，且强化油气混合。

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，为了保证燃烧稳定性，预燃级扩散燃烧与预混燃烧需要折中考虑；主燃级为离散多点旋流压力雾化喷嘴，同样采用多层空气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

发明目的

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贫油部分预混预蒸发燃烧室。

技术方案

燃烧室头部方案采用中心分级的两级油路贫油部分预混预蒸发燃烧模式，即在起动和小状态时，预燃级采用高当量比的贫油部分预混预蒸发燃烧模式，该燃烧模式是通过副油路离心喷嘴、两级轴向涡流器和拉瓦尔型文氏管构成的预燃级实现的，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较低当量比的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离心喷嘴、及拉瓦尔型文氏管组成，预燃级燃油由离心喷嘴进行一次压力雾化，在拉瓦尔型文氏管预混腔内形成预混气，进行预混燃烧；主燃级由三级径向涡流器和离散多点旋流压力雾化喷嘴组成，依靠喷嘴内外的压差进行一次雾化，形成类似喷嘴的空心雾化锥，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，并强化了与来流空气的混合。

具体结构为：一种强化油气混合的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、喷油杆14、燃烧室头部15、火焰筒16和电嘴17，所述燃烧室头部15由预燃级31和主燃级32组成。

所述的一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，所述预燃级31由预燃级一级轴向涡流器33、预燃级二级轴向涡流器34、拉瓦尔型文氏管49和预燃级喷嘴35构成；预燃级喷嘴35位于燃烧室头部15中心，预燃级一级轴向涡流器33位于预燃级喷嘴35和拉瓦尔型文氏管49之间，预燃级二级轴向涡流器34位于拉瓦尔型文氏管49和拉瓦尔型套筒75之间。

所述的一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，所述主燃级32由主燃级一级径向涡流器48、主燃级二级斜径向涡流器39、主燃级三级斜径向涡流器40、预膜板43和离散多点旋流压力雾化喷嘴54构成，离散多点旋流压力雾化喷嘴喷孔63均布在主燃级二级斜径向涡流器内预膜板57上。

所述的强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，所述主燃级一级径向涡流器48进气由内向外，主燃级二级斜径向涡流器39和主燃级三级斜径向涡流器40的进气由外向内，预膜板43位于，主燃级二级斜径向涡流器39和主燃级三级斜径向涡流器40之间，主燃级一级径向涡流器48位于主燃级二级斜径向涡流器内预膜板57内侧尾缘处，离散多点旋流压力雾化喷嘴喷孔63喷油方向正对主燃级二级斜径向涡流器39。

所述的强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，所述离散多点旋流压力雾化喷嘴54包括在集油腔64、旋流室65，旋流室65上开有3～4个切向孔66，切向孔66形成的面与离散多点旋流压力雾化喷嘴喷孔63垂直。

所述的强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，所述主燃级二级斜径向涡流器39与主燃级一级径向涡流器48和主燃级三级斜径向涡流器40的旋向相反。

所述的强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，所述拉瓦尔型文氏管49收缩段角度68为90°，扩张段曲壁69造型按双纽线规律；喉道52和扩张段曲壁69均采用高温涂层，防止在大工况时发生高温灼烧和烧蚀。

所述的强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，所述拉瓦尔型套筒75为缩扩型，收缩段角度70在20°～25°之间；扩张段曲壁71造型按双纽线规律，在出口段为直壁72造型，扩张段出口处扩展角度62在20°～30°之间。

有益效果

预燃级采用高当量比贫油部分预混预蒸发燃烧模式，在保证燃烧室稳定工作和高效燃烧的同时，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，通过主喷嘴将燃油旋流喷出，强化了与空气的混合，获得较为均匀的预混气，能大幅度降低NOx、UHC、CO和烟粒子等污染物的排放；同时主燃级涡流器的设计考虑了加强燃油剪切雾化的效果；主燃级一级径向涡流器进气由内向外流动，一方面考虑了进气均匀性，另一方面增强了头部空间利用率，形成较为紧凑的低排放燃烧室头部，在维护方面也考虑了头部装拆的结构问题，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为一种强化油气混合的贫油部分预混预蒸发超低排放燃烧室头部方案示意图；

图3为主燃级喷嘴示意图；

图4为旋流室示意图；

图5为预膜板尾缘处油膜示意图；

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-燃烧室内环、22-火焰筒出口、30-大喷嘴、31-预燃级、32-主燃级、33-预燃级一级涡流器、34-预燃级二级涡流器、35-预燃级喷嘴、36-预燃级一级预混腔、37-预燃级二级预混腔、38-预燃级预混燃烧区、39-主燃级二级斜径向涡流器、40-主燃级三级斜径向涡流器、41-主燃级二级斜径向涡流器叶片、42-主燃级三级斜径向涡流器叶片、43-预膜板、44-头部转阶段冷却环缝、45-头部转阶段冷却环缝小孔、46-头部转阶段、47-头部转阶段冷却小孔、48-主燃级一级径向涡流器、49-拉瓦尔型文氏管、50-预燃级一级涡流器叶片、51-预燃级二级涡流器叶片、52-拉瓦尔型文氏管喉道、53-主燃级预混腔、54-主燃级离散多点旋流压力雾化喷嘴、55-预膜板外壁、56-预膜板内壁、57-喷嘴壁面、58-主燃级一级径向涡流器斜壁面、59-预膜板油膜、60-喷嘴壁面油膜、61-主燃级一级径向涡流器叶片、62-拉瓦尔型套筒扩张角、63-主燃级喷嘴喷孔、64-主燃级集油腔、65-主燃级喷嘴旋流室、66-主燃级喷嘴旋流室斜切孔、67-主燃级喷嘴旋流室斜切孔偏角、68-拉瓦尔型文氏管收缩段角度、69-拉瓦尔型文氏管扩张壁、70-拉瓦尔型套筒收缩段角度、71-拉瓦尔型套筒扩张壁、72-拉瓦尔型套筒出口直壁段、73-挡溅盘、74-主燃级预混段长度、75-拉瓦尔型套筒。

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强化油气混合的贫油部分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65％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和燃烧室内环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是强化油气混合的贫油部分预混预蒸发超低排放燃烧室头部15结构细节，头部由预燃级31和主燃级32组成。头部15进气量大约占燃烧室10总气量的65％～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31进气量大约占燃烧室10总进气量的10％～20％，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31由预燃级一级轴向涡流器33、预燃级二级轴向涡流器34、拉瓦尔型文氏管49和预燃级喷嘴35构成。预燃级一级轴向涡流器33的有效流通面积与拉瓦尔型文氏管喉道52面积共同决定预燃级一级预混腔36的空气流量；预燃级二级轴向涡流器34的空气流量是预燃级一级轴向涡流器33的空气流量的1.1～1.5倍；拉瓦尔型文氏管49和拉瓦尔型套筒75设计成拉瓦尔型曲壁有助于预燃级预混腔38形成有助于点火和火焰稳定的回流区结构，且相当于一个预燃室。为了防止拉瓦尔型文氏管扩张壁69发生烧蚀，在其上涂上高温涂层。在燃烧室所有工况中，预燃级31都要工作，在起动和小状态时预燃级一级预混腔36是富油燃烧，起稳定火焰的作用，而整个预燃级31的预混腔38是较高当量比的贫油预混燃烧；在大状态时预燃级是贫油部分预混燃烧，如此有助于整个LTO循环降低污染排放。

主燃级32由主燃级一级径向涡流器48、主燃级二级斜径向涡流器39、主燃级三级斜径向涡流器40、预膜板43和主燃级离散多点旋流压力雾化喷嘴54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、回火的发生。根据发动机压比不同，主燃级预混段长度74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，且不发生自燃。主燃级有三级涡流器进气，可分别称为主燃级一级径向涡流器48空气流、主燃级二级斜径向涡流器39空气流和主燃级三级斜径向涡流器40空气流，主要是对主燃级燃油进口空气剪切雾化。

图3～5是主燃级离散多点旋流压力雾化喷嘴54结构细节及其与空气流相互作用的示意图。主燃级离散多点旋流压力雾化喷嘴54有旋流室65，燃油通过主燃级喷嘴旋流室斜切孔66形成一定强度的旋流，经主燃级喷嘴喷孔63流出形成一定扩展角度、良好雾化的油雾；大状态时，在预膜板内壁56形成油膜59，经过主燃级二级斜径向涡流器39空气流和主燃级三级斜径向涡流器40空气流的共同剪切破碎达到良好雾化，之后进入主燃级预混腔53进行预混，最后喷入燃烧区进行燃烧；小状态时，燃油喷射速度较低，在主燃级二级斜径向涡流器39的空气流作用下，燃油靠近喷嘴壁面57流动，并在下游形成贴壁流动，在主燃级一级径向涡流器48空气流和主燃级二级斜径向涡流器39空气流的共同作用下对喷嘴壁面油膜60进行剪切雾化，之后进入主燃级预混腔53进行预混，最后喷入燃烧区进行燃烧；无论大小状态，燃油在多面空气剪切作用下，均可有效达到良好雾化、蒸发及混合，形成较均匀的预混气进行燃烧，对降低污染排放十分有利。

Claims (3)

1.一种强化油气混合的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)、喷油杆(14)、燃烧室头部(15)、火焰筒(16)和电嘴(17)，其特征在于，所述燃烧室头部(15)由预燃级(31)和主燃级(32)组成；所述预燃级(31)由预燃级一级轴向涡流器(33)、预燃级二级轴向涡流器(34)、拉瓦尔型文氏管(49)和预燃级喷嘴(35)构成；预燃级喷嘴(35)位于燃烧室头部(15)中心，预燃级一级轴向涡流器(33)位于预燃级喷嘴(35)和拉瓦尔型文氏管(49)之间，预燃级二级轴向涡流器(34)位于拉瓦尔型文氏管(49)和拉瓦尔型套筒(75)之间；

所述主燃级(32)由主燃级一级径向涡流器(48)、主燃级二级斜径向涡流器(39)、主燃级三级斜径向涡流器(40)、预膜板(43)和离散多点旋流压力雾化喷嘴(54)构成，离散多点旋流压力雾化喷嘴喷孔(63)均布在主燃级二级斜径向涡流器内预膜板(57)上；

所述主燃级一级径向涡流器(48)进气由内向外，主燃级二级斜径向涡流器(39)和主燃级三级斜径向涡流器(40)的进气由外向内，预膜板(43)位于，主燃级二级斜径向涡流器(39)和主燃级三级斜径向涡流器(40)之间，主燃级一级径向涡流器(48)位于主燃级二级斜径向涡流器内预膜板(57)内侧尾缘处，离散多点旋流压力雾化喷嘴喷孔(63)喷油方向正对主燃级二级斜径向涡流器(39)；

所述离散多点旋流压力雾化喷嘴(54)包括在集油腔(64)、旋流室(65)，旋流室(65)上开有3～4个切向孔(66)，切向孔(66)形成的面与离散多点旋流压力雾化喷嘴喷孔(63)垂直；所述主燃级二级斜径向涡流器(39)与主燃级一级径向涡流器(48)和主燃级三级斜径向涡流器(40)的旋向相反。

2.根据权利要求1所述的一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，其特征在于，所述拉瓦尔型文氏管(49)收缩段角度(68)为90°，扩张段曲壁(69)造型按双纽线规律；喉道(52)和扩张段曲壁(69)均采用高温涂层，防止在大工况时发生高温灼烧和烧蚀。

3.根据权利要求1所述的一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，其特征在于，所述拉瓦尔型套筒(75)为缩扩型，收缩段角度(70)在20°～25°之间；扩张段曲壁(71)造型按双纽线规律，在出口段为直壁(72)造型，扩张段出口处扩展角度(62)在20°～30°之间。

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