CN108954388A - 一种多点单元直接喷射分级燃烧室 - Google Patents

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徐丁欢
朱鹏飞
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Abstract

本发明涉及一种多点单元直接喷射分级燃烧室，燃烧室头部分为值班级和主燃级；值班级和主燃级均采用直接混合燃烧方式，有效避免自燃和回火现象的发生，并且降低振荡燃烧出现的风险；在慢车状态下仅值班级工作，值班级采用强旋流设计局部当量比偏富，保证燃烧室工作稳定性，随着燃烧室工作状态的增加，主燃级逐渐打开，主燃级采用弱旋流设计，有效的减少燃气的停留时间，在大状态下，主燃级和值班级同时工作，设计燃烧区平均当量比在0.4‑1.2之间，有效降低燃烧区平均温度，从而降低污染物生成量。

Description

一种多点单元直接喷射分级燃烧室
技术领域
本发明属于燃气轮机燃烧室领域，涉及一种多点单元直接喷射分级燃烧室。
背景技术
随着社会的不断进步，人们的环保意识不断提升，目前民用航空燃气轮机和军用航空燃气轮机面临的根本挑战是在不断的提高航空燃气轮机的循环效率和性能的同时如何有效保证燃烧稳定性并降低污染物排放。国际民航组织(ICAO)对民用航空燃气轮机在飞机起飞和降落循环(LTO)中的氮氧化物(NOx)、一氧化碳和未燃碳氢的排放量设定了参考值。从CAEP/1、CAEP/2、CAEP/4、CAEP/6到CAEP/8其要求不断地变得严格，在2017年国际民航组织最新通过了CAEP/10标准，对航空燃气轮机的排放进行了进一步限制，民用航空燃气轮机要取得适航认证需要满足污染物排放要求，对于军用航空燃气轮机而言污染物排放关系着军用飞机的隐身性能。由于航空燃气轮机不断地向着高推重比发展，燃烧室的进口温度和进口压力不断的提升，亟需对航空燃气轮机燃烧室的燃烧组织方式进行不断的优化和改进，从而降低航空燃气轮机降低污染物的排放。
目前，燃烧组织技术主要包括富油燃烧-快速淬熄-贫油燃烧组织技术(Richburn-Quick quench-Lean burn，RQL)、贫油预混预蒸发燃烧组织技术(Lean PremixedPrevaporised，LPP)和贫油直接喷射燃烧组织技术(Lean Direct Injection，LDI)。RQL燃烧组织技术由于要经过快速淬熄过程，所以必然要经过化学恰当比燃烧，其过程必然会产生大量的NOx，因此其燃烧组织方式降低NOx排放的能力很有限，难满足未来ICAO更为严格的排放标准和隐身性能需要。LPP燃烧组织技术其在降低NOx能力上有很大的潜力，GE公司将LPP燃烧组织技术运用到低污染燃烧室上，设计了TAPSⅠ、TAPSⅡ和TAPSⅢ燃烧室，NOx排放比CAEP6的规定再降低50％、60％和75％。然而LPP存在自燃、回火和燃烧不稳定性等问题，随着燃烧室进口温度和压力的不断提高，其自燃、回火和燃烧不稳定性等问题变得更加突出，其限制了LPP燃烧组织技术的发展，其更不适合军用航空发动机高机动性的需求。为了有效地解决LPP自燃和回火的问题，提出了LDI燃烧组织技术，由于LDI燃烧组织技术是将燃油直接喷进燃烧室进行混合燃烧，没有预混过程所以有效地避免了自燃与回火，并改善了燃烧不稳定性。近年来大量研究机构开展了关于LDI技术研究，并取得了不错的进展，例如NASA研究的SV-LDI-Ⅰ其NOx排放比CAEP6低75％，SV-LDI-Ⅱ其NOx排放比CAEP6低81％-88％，SV-LDI-Ⅲ其能有效的降低NOx排放比CAEP6低85％-89％。因此研究表明LDI不仅能有效避免自燃与回火，并能降低振荡燃烧的风险，同时在降低污染物排放上具有很大的潜力，能满足越来越严格的排放要求。
目前国内外针对燃气轮机燃烧室进行了大量研究，也申请了许多关于燃烧室的专利，例如GE公司申请的专利US6363726，US8607575和US8171735，Dalavan公司申请的US9644844专利，提出了一种新型的多点直接喷射方案。国内也有相应的燃气轮机燃烧室专利申请，专利201010591264.0、201110214905.5、201310065034.4、201310722586.8和201510011730.6公开了五种低污染燃烧室，均是将燃烧室分为主燃级和值班级，其中值班级采用旋流稳定的扩散燃烧方式，主燃级采用预混燃烧方式，在保证燃烧室能稳定工作的条件下同时降低污染物排放。专利201620714660.0公开了一种阵列式九点贫油直接喷射燃烧室。目前国内的燃气轮机燃烧室广泛采用分级燃烧策略，其中主燃级普遍采用预混预蒸发燃烧方式，其能有效地解决大工况下的冒烟问题和小工况下的贫油熄火问题，但是随着未来发动机工作状态的大幅提升，燃烧室进口温度和进口压力显著增加，缩短了燃料自燃的着火时间，采用预混预蒸发方式会带来回火和自燃风险，并且有可能引起严重的燃烧不稳定性问题，因此针对未来的航空发动机的工作状态，迫切需要一种既能保证燃烧室稳定工作，同时又能降低污染排放的燃烧室。
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，本发明提出一种多点单元直接喷射分级燃烧室。
技术方案
一种多点单元直接喷射分级燃烧室，采用单环腔结构，包括扩压器1、燃烧室外机匣2、燃烧室内机匣3、火焰筒外壁4、火焰筒内壁5、环腔挡板10、燃油供给管路9、外环腔11和内环腔12；其特征在于还包括燃烧室头部8均匀分布的主燃级13和值班级14、火焰筒壁面上的冷却孔6和掺混孔7；所述每组主燃级13和值班级14形成一带四型的花瓣式排布，中心直接喷射结构构成值班级14，周围四个直接喷射结构构成主燃级13；所述冷却小孔6自燃烧室头部8向环腔挡板10的方向，在火焰筒外壁4和火焰筒内壁5多排均匀分布；所述掺混孔7位于冷却小孔6与环腔挡板(10)之间，在火焰筒外壁4和火焰筒内壁5均匀分布；所述每组的燃油供给管路9包括燃油管内壁32、燃油管外壁33、值班级供油管28和主燃级供油管29，进入燃油供给管路的燃油分为两路，一路流入由燃油管内壁32构成的值班级燃油通道30，再由值班级供油管28进入值班级喷嘴，为值班级提供连续的燃油供给；一路燃油流入由燃油管内壁32和燃油管外壁33构成的主燃级燃油通道31，再流入并联的主燃级供油管29将燃油输送到主燃级燃油喷嘴，为主燃级提供连续的燃油供给。
所述主燃级13和值班级14的旋流器采用直接喷射结构，喷嘴安装在旋流器中心，旋流器喷嘴出口与旋流空气出口平齐，旋流器出口挡板19为斜面，斜面上均布旋流器头部冷却孔26；空气从旋流器空气进口进入由旋流器外壁、旋流器叶片和旋流器内壁围成的旋流通道中，从而使气流产生旋转运动，在旋流器下游形成稳定的回流区用来稳定火焰，旋流器中心的喷嘴出口下游形成的燃烧为完全非预混燃烧方式，同时头部冷却空气由冷却孔喷出防止旋流器出口挡板烧坏。
所述的扩压器的突扩间隙比为1.0-4.0。
所述的值班级与主燃级的间距为0.5(D值+D主)～1.5(D值+D主)，其中：D值为值班级旋流器外径，D主为主燃级旋流器外径。
所述相邻值班级的中心间距为2.5D值～5D值。
所述的值班级的旋流器叶片角度为35°-70°，叶片数为8-20。
所述的主燃级的旋流器叶片角度为25°-40°，叶片数为8-20。
所述的值班级和主燃级平均当量比为0.4-1.2。
所述的值班级局部当量比为1.1-1.6。
所述的值班级和主燃级旋流器出口收敛段与水平线夹角α为35°-60°。
有益效果
本发明提出的一种多点单元直接喷射分级燃烧室，燃烧室头部分为值班级和主燃级；值班级和主燃级均采用直接混合燃烧方式，有效避免自燃和回火现象的发生，并且降低振荡燃烧出现的风险；在慢车状态下仅值班级工作，值班级采用强旋流设计局部当量比偏富，保证燃烧室工作稳定性，随着燃烧室工作状态的增加，主燃级逐渐打开，主燃级采用弱旋流设计，有效的减少燃气的停留时间，在大状态下，主燃级和值班级同时工作，设计燃烧区平均当量比在0.4-1.2之间，有效降低燃烧区平均温度，从而降低污染物生成量。
本发明小工况下只有值班级工作，值班级采用强旋流和富油设计，其能保证燃烧的稳定性，并优化贫油熄火特性，大工况下值班级和主燃级一起工作，使整个头部处于偏贫的状态下燃烧，提高了燃烧效率，从而降低污染物的排放，同时主燃级采用弱旋流设计，减少燃气在高温区的停留时间，从而进一步有效的降低NOx的生成。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)主副模都采用直接喷射燃烧组织技术，能有效地避免自燃和回火问题，降低振荡燃烧的风险。
(2)燃烧室头部采用多点直接喷射，燃油与空气直接混合，没有预混过程，缩短了工况改变响应时间，能满足航空发动机高机动性的要求。
(3)燃烧室头部采用多点直接喷射，使油气分布更加均匀，减小局部高温区有效地降低污染物的排放。
(4)燃烧室头部采用多点直接喷射，每个旋流器下游形成独立的回流区，回流区呈现短小的特点能有效的减小燃气的停留时间，有效的抑制NOx的生成。
(5)主燃级采用弱旋流设计，其能有效地降低燃气的停留时间从而抑制NOx的生成。
附图说明
图1本发明实施例多点单元直接喷射分级燃烧室结构示意图
图2本发明实施例头部结构示意图
图3本发明实施例直接喷射结构示意图与剖视图
图4本发明实施例燃油供给管路示意图和剖视图
图5本发明实施例全环燃烧室结构示意图
图6本发明实施例全环燃烧室头部安装示意图
图中：1-扩压器，2-燃烧室外机匣，3-燃烧室内机匣，4-火焰筒外壁，5-火焰筒内壁，6-冷却小孔，7-掺混孔，8-燃烧室头部，9-燃油供给管路，10-环腔挡板，11-外环腔，12-内环腔，13-主燃级，14-值班级，15-头部法兰，16-旋流器叶片，17-旋流器内壁，18-旋流器外壁，19-旋流器出口挡板，20-喷嘴21-燃油进口，22-旋流空气进口，23-旋流空气流道，24-环形平直段，25-环形收敛段，26-旋流器头部冷却孔，27-旋流空气出口，28-值班级供油管，29-主燃级供油管，30-值班级燃油通道，31-主燃级燃油通道，32-燃油管内壁，33-燃油管外壁。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明为了实现稳定燃烧和有效降低污染物的目的所采用的技术方案是：一种多点直接喷射分级燃烧室，包括扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、火焰筒外壁、火焰筒内壁、冷却小孔、掺混孔、燃烧室头部和燃油供给管路。压气机压缩的高速气流经过扩压器减速扩压后分为三股，一股气流从燃烧室头部进入由火焰筒外壁和火焰筒内壁构成的燃烧区，燃烧空气全部由燃烧室头部进入；一股气流流入由燃烧室外机匣和火焰筒外壁构成的外环腔，并由火焰筒外壁面的冷却孔和掺混孔进入火焰筒内形成贴壁气膜对火焰筒外壁面进行冷却并调节燃烧室出口温度分布；一股气流流入由燃烧室内机匣和火焰筒内壁构成的内环腔，并通过冷却孔和掺混孔进入火焰筒内，形成贴壁气膜对火焰筒内壁面进行冷却并调节燃烧室出口温度分布。燃烧室设计采用分级燃烧组织技术，燃烧室头部由值班级和主燃级构成，值班级和主燃级采用相同的直接喷射结构，成一带四型的花瓣式排布，中心直接喷射结构构成值班级，周围四个直接喷射结构构成主燃级。所述直接喷射结构包括旋流器叶片、旋流器外壁、旋流器内壁、旋流器出口挡板、头部冷却孔和喷嘴，空气从旋流器空气进口进入由旋流器外壁、旋流器叶片和旋流器内壁围成的旋流通道中，从而使气流产生旋转运动，在旋流器下游形成稳定的回流区用来稳定火焰，喷嘴安装在旋流器中心，旋流器喷嘴出口与旋流空气出口保持平齐，保证燃烧为完全非预混燃烧方式，同时头部冷却空气由冷却孔喷出防止旋流器出口挡板烧坏。燃油供给管路由燃油管内壁、燃油管外壁、值班级供油管和主燃级供油管构成，进入燃油供给管路的燃油分为两路，一路流入由燃油管内壁构成的值班级燃油通道，再由值班级供油管进入值班级喷嘴，为值班级提供连续的燃油供给；一路燃油流入由燃油管内壁和燃油管外壁构成的主燃级燃油通道，再流入主燃级供油管将燃油输送到主燃级燃油喷嘴，为主燃级提供连续的燃油供给。全环燃烧室结构由多个燃烧室头部构成，每个头部能够独立工作，在全环燃烧室火焰筒内形成稳定的燃烧区。
优选的，所述的扩压器的突扩间隙比为1.0-4.0。
优选的，所述的值班级局部当量比为1.1-1.6。
优选的，所述的值班级和主燃级平均当量比为0.4-1.2。
优选的，所述的值班级旋流器叶片角度为35°-70°，叶片数为8-20。
优选的，所述的主燃级旋流器叶片角度为25°-40°，叶片数为8-20。
优选的，所述的值班级和主燃级旋流器出口收敛段与水平线夹角α为35°-60°。
优选的，所述的值班级旋流器与主燃级旋流器的间距为0.5(D值+D主)到1.5(D值+D主)之间(D值为值班级旋流器外径，D主为主燃级旋流器外径)。
优选的，所述的全环燃烧室内相邻头部值班级旋流器中心间距为2.5D值-5D值。
优选的，所述的供油方式采用同心式供油管结构，能实现值班级和主燃级燃油独立并连续的供给，并实现燃油供给管路的简化，减小燃油供给管路对燃烧室内流场的影响。
如图一所示，本发明具体实施例提供了一种多点单元直接喷射分级燃烧室，包括扩压器1、燃烧室外机匣2、燃烧室内机匣3、火焰筒外壁4、火焰筒内壁5、冷却小孔6、掺混孔7、燃烧室头部8、燃油供给管路9、环腔挡板10、外环腔11、内环腔12。通过高压压气机压缩后的高速气流通过扩压器减速增压后分为三股，一股气流从燃烧室头部8进入由火焰筒外壁4和火焰筒内壁5构成的燃烧区，燃烧空气全部由燃烧室头部8进入；一股气流流入由燃烧室外机匣2和火焰筒外壁4构成的外环腔11，并由火焰筒外壁面的冷却孔6和掺混孔7进入火焰筒内形成贴壁气膜对火焰筒外壁面进行冷却并调节燃烧室出口温度分布；一股气流流入由燃烧室内机匣3和火焰筒内壁5构成的内环腔12，并通过冷却孔6和掺混孔7进入火焰筒内，形成贴壁气膜对火焰筒内壁面进行冷却并调节燃烧室出口温度分布。
如图2所示，本发明采用直接喷射分级燃烧技术，燃烧室头部8由头部法兰15、主燃级13和值班级14构成，所述每组主燃级13和值班级14形成一带四型的花瓣式排布，中心直接喷射结构构成值班级14，周围四个直接喷射结构构成主燃级13；在慢车状态下仅值班级14工作，值班级旋流器采用强旋流和富油设计，值班级14旋流器叶片角度35°-70°，保证具有温度的回流区形成，同时值班级14的当量比为1.1-1.5，保证燃烧室在小状态下的火焰稳定，主燃级13旋流器采用弱旋流设计，叶片角度25°-40°，有效地减小主燃级13燃气的停留时间，随着燃烧室工作状态不断的增加，主燃级13逐渐打开，在大状态下主燃级13和值班级14同时工作，值班级14和主燃级15的平均当量比为0.4-0.9，保证燃烧以燃烧方式进行，从而降低污染物生成量。
如图3所示，是值班级14和主燃级15所用的直接喷射结构示意图，这种轴向旋流的直接喷射结构主要由旋流器叶片16、旋流器外壁18、旋流器内壁17、旋流器出口挡板19、旋流器头部冷却孔26和喷嘴20构成。气流由旋流空气进口22进入由旋流器叶片16、旋流器外壁18和旋流器内壁17构成的旋流空气流道23从而产生旋流空气，并流经环形平直段24和环形收敛段25在旋流器出口下游形成稳定的回流区，从而稳定火焰。燃油喷嘴20出口与旋流器空气出口27保持齐平，确保燃烧方式为直接喷射，从而有效的避免自燃和回火问题，同时从而降低震荡燃烧的风险。旋流器头部冷却空气不断的由旋流器头部冷却孔26射出，保证旋流器头部良好的冷却，防止旋流器头部烧毁。
如图4所示，是燃烧室燃油供给管路9的结构示意图，燃油供给管路9由燃油管内壁32、燃油管外壁33、值班级供油管28和主燃级供油管29构成，进入燃油供给管路的燃油分为两路，一路流入由燃油管内壁32构成的值班级燃油通道30，再由值班级供油管28进入值班级喷嘴，为值班级提供连续的燃油供给；一路燃油流入由燃油管内壁32和燃油管外壁33构成的主燃级燃油通道31，再流入主燃级供油管29将燃油输送到主燃级燃油喷嘴，为主燃级提供连续的燃油供给。
如图5、图6所示，是多点单元燃烧室头部在实际全环燃烧室中的排布方式，其由12个相同的燃烧室头部8组成，其头部数目可以根据燃烧室的具体尺寸来定，保证相邻燃烧室头部值班级旋流器间的中心间距为2.5D值-5D值之间，且不超过150mm，既要保证燃烧室的联焰能力，又要保证相邻头部间的不干扰。

Claims (10)

1.一种多点单元直接喷射分级燃烧室，采用单环腔结构，包括扩压器(1)、燃烧室外机匣(2)、燃烧室内机匣(3)、火焰筒外壁(4)、火焰筒内壁(5)、环腔挡板(10)、燃油供给管路(9)、外环腔(11)和内环腔(12)；其特征在于还包括燃烧室头部(8)均匀分布的主燃级(13)和值班级(14)、火焰筒壁面上的冷却孔(6)和掺混孔(7)；所述每组主燃级(13)和值班级(14)形成一带四型的花瓣式排布，中心直接喷射结构构成值班级(14)，周围四个直接喷射结构构成主燃级(13；所述冷却小孔(6)自燃烧室头部(8)向环腔挡板(10)的方向，在火焰筒外壁(4)和火焰筒内壁(5)多排均匀分布；所述掺混孔(7)位于冷却小孔(6)与环腔挡板(10)之间，在火焰筒外壁(4)和火焰筒内壁(5)均匀分布；所述每组的燃油供给管路(9)包括燃油管内壁(32)、燃油管外壁(33)、值班级供油管(28)和主燃级供油管(29)，进入燃油供给管路的燃油分为两路，一路流入由燃油管内壁(32)构成的值班级燃油通道(30)，再由值班级供油管(28)进入值班级喷嘴，为值班级提供连续的燃油供给；一路燃油流入由燃油管内壁(32)和燃油管外壁(33)构成的主燃级燃油通道(31)，再流入并联的主燃级供油管(29)将燃油输送到主燃级燃油喷嘴，为主燃级提供连续的燃油供给。
2.根据权利要求1所述多点单元直接喷射分级燃烧室，其特征在于：所述主燃级(13)和值班级(14)的旋流器采用直接喷射结构，喷嘴安装在旋流器中心，旋流器喷嘴出口与旋流空气出口平齐，旋流器出口挡板(19)为斜面，斜面上均布旋流器头部冷却孔(26)；空气从旋流器空气进口进入由旋流器外壁、旋流器叶片和旋流器内壁围成的旋流通道中，从而使气流产生旋转运动，在旋流器下游形成稳定的回流区用来稳定火焰，旋流器中心的喷嘴出口下游形成的燃烧为完全非预混燃烧方式，同时头部冷却空气由冷却孔喷出防止旋流器出口挡板烧坏。
3.根据权利要求1所述多点单元直接喷射分级燃烧室，其特征在于：所述的扩压器的突扩间隙比为1.0-4.0。
4.根据权利要求1所述多点单元直接喷射分级燃烧室，其特征在于：所述的值班级与主燃级的间距为0.5(D值+D主)～1.5(D值+D主)，其中：D值为值班级旋流器外径，D主为主燃级旋流器外径。
5.根据权利要求1所述多点单元直接喷射分级燃烧室，其特征在于：所述相邻值班级的中心间距为2.5D值～5D值。
6.根据权利要求1或2所述多点单元直接喷射分级燃烧室，其特征在于：所述的值班级的旋流器叶片角度为35°-70°，叶片数为8-20。
7.根据权利要求1或2所述多点单元直接喷射分级燃烧室，其特征在于：所述的主燃级的旋流器叶片角度为25°-40°，叶片数为8-20。
8.根据权利要求1所述多点单元直接喷射分级燃烧室，其特征在于：所述的值班级和主燃级平均当量比为0.4-1.2。
9.根据权利要求1所述多点单元直接喷射分级燃烧室，其特征在于：所述的值班级局部当量比为1.1-1.6。
10.根据权利要求1或2所述多点单元直接喷射分级燃烧室，其特征在于：所述的值班级和主燃级旋流器出口收敛段与水平线夹角α为35°-60°。
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