CN108626749A - 一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，属于低污染燃烧室领域，本发明的7点贫油直接喷射头部分为值班级、第一主燃级、第二主燃级，均可独立控制；值班级采用离心喷嘴形成扩散燃烧方式，主燃级采用贫油直接喷射燃烧方式，在7%推力工况时，仅值班级工作；在30%推力工况时，值班级和第一主燃级同时工作，兼顾该工况下高燃烧效率与低排放；在85%和100%推力工况时，值班级和第一主燃级、第二主燃级同时工作，燃烧室主级内平均温度较低，有效降低污染物排放；该设计能够保证燃烧室在全工况范围内正常稳定工作的同时，有效降低污染物排放，同时兼顾燃烧效率。
Description
技术领域
本发明属于低污染燃烧室领域，具体是一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部。
背景技术
近年来，随着人们对环保问题越来越重视，航空发动机的环保性在研制要求中越来越突出，降低污染、延长寿命是燃气涡轮发动机的主要发展目标。
为此，世界各国都对低污染燃烧技术进行广泛的研究，发展了不同形式的低污染燃烧室。例如，早在20世纪70年代美国就发展了分级燃烧技术、贫油预混预蒸发燃烧室(LPP)、富油燃烧-猝熄-贫油燃烧技术(RQL)、催化燃烧室以及变几何燃烧室（VGC）等，其主要目的都是为了大幅度减少氮氧化物的生成。但是这些技术都有其不足之处，RQL燃烧技术在中间区很难保证快速充分混合，从而燃烧效率降低；LPP燃烧技术有着回火、自燃、燃烧不好维持稳定等问题。
因此，贫油直接喷射技术(LDI)受到了重视，LDI技术将燃油直接喷射到燃烧室中与空气混合燃烧，由于不与空气预混，所以LDI技术不存在自燃和回火等问题。许多研究机构研究表明，分级LDI燃烧方案，能有效降低氮氧化物排放，其NOX排放比CAEP/6规定低80%以上。但目前现有技术存在的问题在于：虽然降低了污染物的排放，但是燃烧效率有所降低，特别是在小工况的条件下，燃烧效率极低。现有技术中的设计限制了燃烧室的工作范围。因此，设计一种低污染的燃烧室能够保证燃烧室在全工况范围内正常稳定工作的同时，有效降低污染物排放，同时兼顾燃烧效率，一直是本领域技术人员厄待解决的技术难题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，通过在喷射头部设置中心值班旋流器以及多个相同结构的贫油直接喷射旋流器，且均可独立控制分级燃烧，以适应不同的工况条件，解决了现有技术中存在的问题。
本发明是这样实现的：
一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，包括喷油杆，7点贫油直接喷射头部包括值班3、值班级中心两侧外环上的两个第一主燃级、值班级外环上四周剩余的四个旋流喷嘴第二主燃级；
值班级为7点贫油直接喷射头部的中心值班旋流器，为离心式喷嘴； 第一主燃级、第二主燃级为主燃级直射式喷嘴，第一主燃级、第二主燃级结构相同且周向分布于中心值班旋流器周围，周向分布的主燃级直射式喷嘴中：位于两侧的定义为第一主燃级，其他为第二主燃级；值班级、第一主燃级和第二主燃级的喷嘴燃油均可独立控制，第二主燃级5也形成分级燃烧。值班级采用离心喷嘴形成扩散燃烧方式，主燃级采用贫油直接喷射燃烧方式，有效避免自燃和回火等问题发生；值班级旋流器出口与主燃级旋流器出口平齐，在7%推力工况时，仅值班级工作；在30%推力工况时，值班级和第一主燃级同时工作，兼顾该工况下高燃烧效率与低排放；在85%和100%推力工况时，值班级、第一主燃级、第二主燃级同时工作，燃烧室主级内平均温度较低，有效降低污染物排放。主燃级出口当量比偏贫，保证保证主燃级出口燃烧区域平均温度较低，有效降低污染物排放。
值班级的结构包括值班级扩张通道、值班级扩张通道上的值班扩张通道斜切孔、值班级离心喷嘴出口；主燃级直射式喷嘴的结构包括主燃级扩张通道、主燃级直射式喷嘴出口；喷油杆的头部中心连接于值班级离心喷嘴出口，在值班级离心喷嘴出口周围均匀分布有主燃级直射式喷嘴出口，且主燃级直射式喷嘴出口与主燃级旋流器相匹配，喷油杆的主燃级喷嘴与旋流器相匹配。喷油杆中共有3股油路，分别为值班级离心喷嘴油路、第一主燃级的两个直射式喷嘴燃油油路和第二主燃级的四个直射式喷嘴燃油油路，从而可以分别对值班级喷嘴、第一主燃级上直射式喷嘴、第二主燃级上直射式喷嘴分别进行控制，实现分级燃烧。
进一步，所述的值班级扩张通道的出口端面与主燃级扩张通道出口端面平齐，且值班级出口扩张通道出口直径与主燃级扩张通道出口直径比为1.1～2。
进一步，所述的值班级扩张通道与中心轴的水平夹角为200～700；主燃级扩张通道与中心轴的水平夹角为200～800。
进一步，所述的值班扩张通道斜切孔与中心轴的水平夹角为20o～70o，与中心轴的垂直夹角为20o～70o。
进一步，所述的值班级还包括值班级离心喷嘴圆台、值班级离心喷嘴出口和与值班级离心喷嘴出口相通的值班级离心喷嘴内通道。
进一步，所述的主燃级直射式喷嘴还包括主燃级二级旋流器、与主燃级二级旋流器连接的主燃级一级旋流器、与主燃级一级旋流器连接的主燃级中心轴向空气加速通道；主燃级二级旋流器上还设置有主燃级直射式喷嘴燃油外通道，主燃级直射式喷嘴燃油外通道出口与主燃级直射式喷嘴出口连接；主燃级一级旋流器与主燃级二级旋流器之间为主燃级一级旋流器收敛通道；主燃级二级旋流器外侧为主燃级二级旋流器收敛通道。
进一步，所述的主燃级一级旋流器的旋流叶片数量为6～20个，旋流叶片安装角度为20o～70o；主燃级二级旋流器的旋流叶片数量为6～20个，旋流叶片安装角度为20o～70o；主燃级一级旋流器和主燃级二级旋流器旋向相同或相反。
进一步，所述的主燃级一级旋流器收敛通道与中心轴的水平夹角为100～450，主燃级二级旋流器收敛通道与中心轴的水平夹角为00～800。
进一步，所述的主燃级一级旋流器内直径与主燃级中心轴向空气加速通道(14)的中心圆柱形轴向气流出口直径比为1.5～3；主燃级一级旋流器收敛通道出口直径与主燃级一级旋流器外直径比为0.4～1。
进一步，具体根据燃气轮机低污染燃烧室工况而发生变化，控制第一主燃级、第二主燃级出口当量比为0.4～0.9，主燃级出口燃烧温度低，从而降低污染物排放；值班级出口当量比为0.6～1.6，具体根据燃烧室工况，控制不同的值班级出口当量比，为燃烧室提供可靠稳定值班火焰。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
1）本发明的7点贫油直接喷射头部分为值班级、第一主燃级、第二主燃级，均可独立控制；值班级采用离心喷嘴形成扩散燃烧方式，主燃级采用贫油直接喷射燃烧方式，有效避免自燃和回火等问题发生，结构简单，污染物排放较低，适用于低污染燃烧室；
2）根据不同的工况，即在7%推力工况时，仅值班级工作；在30%推力工况时，值班级和第一主燃级同时工作，兼顾该工况下高燃烧效率与低排放；在85%和100%推力工况时，值班级和第一主燃级、第二主燃级同时工作，燃烧室主级内平均温度较低，有效降低污染物排放；该设计能够保证燃烧室在全工况范围内正常稳定工作的同时，有效降低污染物排放，同时兼顾燃烧效率。
3）7点贫油直接喷射头部分的主燃级也实现分级燃烧，有效解决了贫油燃烧室在小工况（30%推力工况）效率很低的问题，拓宽了燃烧室的工作范围，降低了污染物排放；主燃级采用贫油直接喷射方式，避免了回火和自燃等问题，降低了燃烧室烧毁的风险；
4）采用7点贫油直接喷射方式，主燃级的两级轴向旋流器保证燃油与空气快速均匀混合，提高了燃烧效率，降低燃烧室平均温度。
附图说明
图1为本发明一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部的正视图；
图2为本发明一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部的剖视图
图3为本发明本发明一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部的喷油杆的侧视图；
图4为本发明应用于环形燃烧室示意图；
图中，1-7点贫油直接喷射头部，2-喷油杆，3 -值班级，4-第一主燃级，5-第二主燃级，6-值班扩张通道斜切孔，7-值班级离心喷嘴内通道，8-值班级离心喷嘴出口，9-值班级离心喷嘴圆台，10-值班级扩张通道，11-主燃级扩张通道，12-主燃级直射式喷嘴出口，13-主燃级直射式喷嘴外通道，14-主燃级中心轴向空气加速通道，15-主燃级一级旋流器、16-主燃级二级旋流器，17-主燃级一级旋流器收敛通道，18-主燃级二级旋流器收敛通道，19-中心轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1~2所示，本发明的7点贫油直接喷射头部包括值班级3、值班级3中心两侧外环上的两个旋流喷嘴为第一主燃级4、值班级3外环上剩余的四个旋流喷嘴为第二主燃级5；值班级3为7点贫油直接喷射头部1的中心值班旋流器，为离心式喷嘴；第一主燃级4、第二主燃级5为主燃级直射式喷嘴，且周向分布于中心值班旋流器周围。
值班级3包括值班级扩张通道10、值班级扩张通道10上的值班扩张通道斜切孔6、值班级离心喷嘴出口8、值班级离心喷嘴圆台9，在值班级离心喷嘴圆台9内部与值班级离心喷嘴出口8相通的值班级离心喷嘴内通道7。
第一主燃级4、第二主燃级5结构相同，其结构包括主燃级扩张通道11、主燃级直射式喷嘴出口12，与主燃级扩张通道11背部连接的主燃级二级旋流器16、与主燃级二级旋流器16连接的主燃级一级旋流器15、与主燃级一级旋流器15连接的主燃级中心轴向空气加速通道14；主燃级二级旋流器16上还设置有主燃级直射式喷嘴燃油外通道13，主燃级直射式喷嘴燃油外通道13 出口与主燃级直射式喷嘴出口12连接；主燃级一级旋流器15与主燃级二级旋流器16之间为主燃级一级旋流器收敛通道17；主燃级二级旋流器16外侧为主燃级二级旋流器收敛通道18。
7点贫油直接喷射头部1采用分级燃烧策略，分为值班级3、第一主燃级4和第一主燃级5，主燃级也实现分级燃烧；第一主燃级4、第一主燃级5均匀周向分布在值班级3外。主燃级扩张通道11与值班级扩张通道10出口平齐，采用焊接等方式连接。在值班级3 燃油喷嘴中，空气从值班级扩张通道10的斜切孔进入，使气流旋转，形成旋流，在下游形成低速回流区。值班级3燃油喷嘴采用离心式喷嘴，保证燃油雾化效果良好。第一主燃级4和第一主燃级5气流分为三股，一股通过主燃级中心轴向空气加速通道14形成较强的空气轴向速度；一股通过主燃级一级旋流器15，经过旋流叶片后，产生旋转运动；一股通过主燃级二级旋流器16，经过旋流叶片后，产生旋转运动；这三股气流全部进入主燃级扩张通道11，使燃油快速充分地与空气混合；第一主燃级4和第二主燃级5采用燃油直接喷射方式喷入主燃级中。值班级、第一主燃级4、第二主燃级5中燃油喷嘴均可独立控制，值班级燃油喷嘴采用离心式喷嘴，主燃级燃油喷嘴采用直射式喷嘴，主燃级直射式喷嘴喷出的燃油经过外通道进入主燃级内旋流通道中。
如图3所示，喷油杆2的头部中心连接于值班级离心喷嘴出口8，在值班级离心喷嘴出口8周围均匀分布有主燃级直射式喷嘴出口12，且主燃级直射式喷嘴出口12与主燃级旋流器相匹配。
如图4所示，图4为本发明的7点贫油直接喷射头部应用于环形燃烧室示意图。具体应用中，将7点贫油直接喷射头部均匀环向分布于环形燃烧室中。
本发明的具体实施方式为：
值班级3主要包括值班级离心喷嘴内通道7、值班级离心喷嘴出口8、值班级离心喷嘴圆台9、值班级扩张通道10、值班级扩张通道斜切孔6,值班级气流经过值班级扩张通道上的斜切孔6进入值班级扩张通道10，在通道内旋转，形成旋流，在下游形成回流区；值班级燃油通过值班级离心喷嘴内通道7，经过离心喷嘴后从值班级离心喷嘴出口8喷出，随后在值班级扩张通道10与斜切孔进来的空气快速均匀混合形成可燃气，在值班级出口形成稳定可靠值班火焰。
第一主燃级4、第二主燃级5结构相同，由主燃级扩张通道11、主燃级直射式喷嘴出口12、主燃级直射式喷嘴燃油外通道13、主燃级中心轴向空气加速通道14、主燃级一级旋流器15、主燃级二级旋流器16、主燃级一级旋流器收敛通道17和主燃级二级旋流器收敛通道18组成。进入主燃级的气流为三股，一股通过主燃级中心轴向主燃级中心轴向空气加速通道14，形成较强的空气轴向速度；一股通过主燃级一级旋流器15，经过旋流叶片后，产生旋转运动；一股通过主燃级二级旋流器16，经过旋流叶片后，产生旋转运动；这三股气流全部进入主燃级扩张通道11，并在下游形成回流区。主燃级燃油通过直射式喷嘴从主燃级燃油喷嘴出口12喷出，经主燃级燃油喷嘴外通道13后进入主燃级一级旋流器收敛通道17形成油膜，在主燃级一级旋流器15和主燃级二级旋流器16内外旋转气流作用下快速破碎雾化，并与空气快速均匀混合，形成可燃气，在主级出口形成贫油燃烧火焰。
值班级离心喷嘴出口8和主燃级六个直射式喷嘴一体化设计，便于燃油喷嘴的维修检测，其中喷油杆2中共有三股油路，分别为值班级离心喷嘴8油路、第一主燃级4的两个直射式喷嘴燃油油路和第二主燃级5的四个直射式喷嘴燃油油路，从而可以分别对值班级喷嘴、第一主燃级4上直射式喷嘴、第二主燃级5上直射式喷嘴分别进行控制，实现分级燃烧。
本发明的原理如下：
根据燃气轮机低污染燃烧室工况而控制头部主燃级出口当量比、油气混合均匀程度来控制主燃级出口燃烧区的温度分布和平均温度，有效降低污染物排放，到达低排放的目的。在7%推力工况时，仅值班级3工作，采用局部富油燃烧方式，保证稳定可靠燃烧，提供值班火焰；在30%推力工况时，值班级3和第一主燃级4同时工作，兼顾该工况下高燃烧效率和低排放；在85%和100%推力工况时，值班级3和第一主燃级14、第二主燃级5同时工作；在大工况时，燃烧室内平均当量比偏贫，保证燃烧室主燃级内平均温度较低，有效降低污染物排放。因此，本发明的7点贫油直接喷射低污染燃烧室有较宽的稳定工作工况，通过独立控制分级燃烧，以适应不同的工况条件，且具有低排放和高效率的优点。
Claims (10)
1.一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，包括喷油杆（2），其特征在于，所述的7点贫油直接喷射头部包括值班级（3）、值班级（3）中心两侧外环上的两个旋流喷嘴为第一主燃级（4）、值班级（3）圆周上剩余的四个旋流喷嘴为第二主燃级（5）；
所述的值班级（3）为7点贫油直接喷射头部（1）的中心值班旋流器，为离心式喷嘴；
所述的第一主燃级（4）、第二主燃级（5）为主燃级直射式喷嘴，第一主燃级（4）、第二主燃级（5）结构相同且周向分布于中心值班旋流器周围，其中值班级（3）中心两侧的为第一主燃级（4），其他为第二主燃级（5）；
所述的值班级（3）的结构包括值班级扩张通道（10）、值班级扩张通道（10）上的值班扩张通道斜切孔（6）、值班级离心喷嘴出口（8）；
所述的主燃级直射式喷嘴的结构包括主燃级扩张通道（11）、主燃级直射式喷嘴出口（12）；
喷油杆（2）的头部中心连接于值班级离心喷嘴出口（8），在值班级离心喷嘴出口（8）周围均匀分布有主燃级直射式喷嘴出口（12），且主燃级直射式喷嘴出口（12）与主燃级旋流器相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，其特征在于，所述的值班级扩张通道（10）的出口端面与主燃级扩张通道（11）出口端面平齐，且值班级出口扩张通道(10)出口直径与主燃级扩张通道(11)出口直径比为1.1～2。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，其特征在于，所述的值班级扩张通道（10）与中心轴（19）的水平夹角为200～700；主燃级扩张通道(11)与中心轴（19）的水平夹角为200～800。
4.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，其特征在于，所述的值班扩张通道斜切孔（6）与中心轴（19）的水平夹角为20o～70o，与中心轴（19）的垂直夹角为20o～70o。
5.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，其特征在于，所述的值班级（3）还包括值班级离心喷嘴圆台（9）、值班级离心喷嘴出口（8）和与班级离心喷嘴出口（8）相通的值班级离心喷嘴内通道（7）。
6.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，其特征在于，所述的主燃级直射式喷嘴还包括主燃级二级旋流器(16)、与主燃级二级旋流器(16)连接的主燃级一级旋流器(15)、与主燃级一级旋流器(15)连接的主燃级中心轴向空气加速通道(14)；主燃级二级旋流器(16)上还设置有主燃级直射式喷嘴燃油外通道(13)，主燃级直射式喷嘴燃油外通道(13) 出口与主燃级直射式喷嘴出口(12)连接；主燃级一级旋流器(15)与主燃级二级旋流器(16)之间为主燃级一级旋流器收敛通道（17）；主燃级二级旋流器(16)外侧为主燃级二级旋流器收敛通道（18）。
7.根据权利要求6所述的一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，其特征在于，所述的主燃级一级旋流器(15)的旋流叶片数量为6～20个，旋流叶片安装角度为20o～70o；主燃级二级旋流器(16)的旋流叶片数量为6～20个，旋流叶片安装角度为20o～70o；主燃级一级旋流器(15)和主燃级二级旋流器(16)旋向相同或相反。
8.根据权利要求6所述的一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，其特征在于，所述的主燃级一级旋流器收敛通道(17)与中心轴（19）的水平夹角为100～450，主燃级二级旋流器收敛通道(18)与中心轴（19）的水平夹角为200～800。
9.根据权利要求6所述的一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，其特征在于，所述的主燃级一级旋流器(15)内直径与主燃级中心轴向空气加速通道(14)的中心圆柱形轴向气流出口直径比为1.5～3；主燃级一级旋流器收敛通道(17)出口直径与主燃级一级旋流器（15）外直径比为0.4～1。
10.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部，其特征在于，所述的第一主燃级（4）、第二主燃级（5）出口当量比为0.4～0.9；值班级(3)出口当量比为0.6～1.6。
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