CN109084330A - 一种孔型旋流器及孔型旋流器型构成的全环燃烧室 - Google Patents

一种孔型旋流器及孔型旋流器型构成的全环燃烧室 Download PDF

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徐丁欢
索建秦
黎明
梁红侠
刘昭宇
王龙跃
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/38—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising rotary fuel injection means

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Abstract

本发明涉及一种孔型旋流器及孔型旋流器型构成的全环燃烧室，燃烧室被分为值班级、第一主燃级和第二主燃级构成，值班级、第一主燃级和第二主燃级采用相同的贫油直接喷射结构，小工况下只有值班级工作，随着工况的不断增大，第一主燃级和第二主燃级相继打开，保证在大工况油气分布均匀且燃烧区处于贫油状态，有效的降低污染物的排放并有效的扩宽了燃烧室的稳定燃烧边界。本发明采用孔型喷嘴模其具有两级旋流角度不同的旋流孔，其有助于燃油破碎与混合，同时打孔式喷嘴模结构小，可以排布更多喷射点，可以使下游分布更加均与，较少局部高温区，从而降低污染物排放。

Description

一种孔型旋流器及孔型旋流器型构成的全环燃烧室
技术领域
本发明属于燃气轮机燃烧室领域，涉及一种孔型旋流器及孔型旋流器型构成的全环燃烧室。
背景技术
随着社会的不断进步，人们的环保意识不断提升，目前民用燃气轮机面临的根本挑战是在不断地提高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CAEP准则，民用航空燃气轮机要取得适航认证需要满足CAEP准则对污染物排放要求。对于军用燃气轮机而言，随着军用燃气轮机推重比不断的增大，其军用燃气轮机能够稳定运行的工作范围也需要不断的拓宽，如何保证军用燃气轮机在极宽的工作范围内保证稳定高效的工作是军用燃气轮机面临的根本挑战。由于燃气轮机不断地向着低污染和高推重比发展，同时燃烧室的进口温度和进口压力也不断地提升，所以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，从而进一步扩大燃气轮机燃烧室的稳定边界并有效地降低污染物的排放。
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TAPS系列燃烧室，NOx排放比CAEP6的规定再降低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。为了有效的解决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燃烧室污染物排放比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，并能满足军用航空发动机高机动性的性能要求。
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贫油直接喷射方案。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，本发明提出一种孔型旋流器及孔型旋流器型构成的全环燃烧室。该燃烧室分为值班级、第一主燃级和第二主燃级，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，随着工况的不断的增大，第一主燃级和第二主燃级相继打开，使油气分布更加均匀，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。同时由于采用分级燃烧组织技术，极好的扩宽了稳定燃烧边界。
技术方案
一种孔型旋流器，其特征在于包括：旋流器壁12、喷嘴13、一级旋流孔14、二级旋流孔15、燃油进口16、一级旋流空气进口17、二级旋流空气进口18、一级旋流空气出口19、二级旋流空气出口20、扩张流道21和平直流道22；旋流器壁12为旋流器实体部分，旋流器中心设有喷嘴13且与燃油进口16连通，燃油进口16四周均布一级旋流空气进口17，扩张流道21的侧壁上沿圆周均布一级旋流孔14，其一级旋流孔14为贯穿旋流器壁12的斜孔并与轴向方向成角度，一级旋流空气进口17、一级旋流孔14和一级旋流空气出口19构成了一级旋流流道，空气从一级旋流空气进口17进入一级旋流孔14再从一级旋流空气出口19进入扩张流道21形成旋流空气；旋流器壁12外壁上均布二级旋流空气进口18，扩张流道21的侧壁上沿圆周均布二级旋流孔15，其二级旋流孔15也为贯穿旋流器壁12的斜孔并与轴向方向成角度，二级旋流空气进口18、二级旋流孔15和二级旋流空气出口20构成了二级旋流流道，空气从二级旋流空气进口18进入二级旋流孔15再从二级旋流空气出口20进入扩张流道21形成旋流空气；扩张流道21的下游为平直流道22。
所述孔型旋流器一级旋流孔孔数为8-20个，旋流孔角度为25°-45°，旋流孔孔径为0.5mm-5mm。
所述孔型旋流器二级旋流孔孔数为8-20个，旋流孔角度为40°-70°，旋流孔孔径为0.5mm-5mm。
所述的孔型旋流器扩张角α为35°-55°。
一种采用所述孔型旋流器型构成的全环燃烧室，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和燃烧室头部7，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7进入由火焰筒外壁4和火焰筒内壁5构成的燃烧区；其特征在于还包括沿火焰筒外壁4均匀分布的掺混孔6，使得由燃烧室头部7进入的燃烧空气除了流入燃烧室外机匣2和火焰筒外壁4之间的外环腔，以及流入燃烧室内机匣3和火焰筒内壁5之间的内环腔，流入内外环腔的空气一部分用于火焰筒壁面冷却，另一部分从掺混孔6流入燃烧区用来调节燃烧室出口温度分布；所述燃烧室头部7上交替排布第一主燃级和第二主燃级；所述第一主燃级是以值班级为中心，外围均布设有六个主燃级旋流器，且六个主燃级旋流器的中心形成等六边形；所述第二主燃级以值班级为中心，外围设有四个主燃级9旋流器，且四个主燃级9旋流器的中心形成矩形，与相邻的第一主燃级的一个主燃级构成近似等六边形结构；所述所有的值班级和主燃级采用孔型旋流器。
所述值班级中心与同一圆周上的主燃级中心的距离s1为1d～2d，其中：d为值班级和主燃级旋流器的外径。
所述与值班级同一圆周的主燃级中心与两侧圆周的主燃级中心的距离s2为1d～2.5d。
所述第一主燃级的值班级中心与第二主燃级的值班级的中心距离s3为2d-5d。
有益效果
本发明提出的一种孔型旋流器及孔型旋流器型构成的全环燃烧室，燃烧室被分为值班级、第一主燃级和第二主燃级构成，值班级、第一主燃级和第二主燃级采用相同的贫油直接喷射结构，小工况下只有值班级工作，随着工况的不断增大，第一主燃级和第二主燃级相继打开，保证在大工况油气分布均匀且燃烧区处于贫油状态，有效的降低污染物的排放并有效的扩宽了燃烧室的稳定燃烧边界。本发明采用孔型喷嘴模其具有两级旋流角度不同的旋流孔，其有助于燃油破碎与混合，同时打孔式喷嘴模结构小，可以排布更多喷射点，可以使下游分布更加均与，较少局部高温区，从而降低污染物排放。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)孔型旋流器喷嘴模采用两级旋流孔，不同旋流角度的旋流孔间产生的剪切力有利于燃油破碎，使油气分布更加均匀，能有效的减小局部高温区，抑制热力型NOx的生成。
(2)孔型旋流器相对于普通旋流器而言可以做的更小，从而可以采用更多喷射点，因此减少了每个喷嘴的流量，可选择小流量数喷嘴，达到更好的雾化水平，使燃油分布更加均匀，从而获得更好的温度分布，有效地降低污染物排放。
(3)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，满足燃烧室进口温度和压力不断增大的趋势。
(4)燃烧区采用贫油设计，局部当量比在0.5-0.9之间，此时火焰温度较低，可有效抑制由热力型机理生成的氮氧化物。
(5)采用分级燃烧技术，小工况下只有值班级工作，其能保证燃烧的稳定性，并优化贫油熄火特性，大工况下值班级和第一主燃级和第二主燃级一起工作，使整个头部处于偏贫的状态下燃烧，从而降低污染物的排放，并有效的扩宽了燃烧室的稳定燃烧边界。
附图说明
图1本发明实施例全环燃烧室示意图
图2本发明实施例全环燃烧室安装示意图
图3本发明实施例燃烧室头部示意图
图4本发明实施例孔型旋流器喷嘴模示意图
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-掺混孔，7-燃烧室头部，8-值班级，9-第二主燃级，10A/10B-第一主燃级,11-燃烧室头部法兰，12-旋流器壁，13-喷嘴，14-一级旋流孔，15-二级旋流孔，16-燃油进口，17-一级旋流空气进口，18-二级旋流空气进口，19-一级旋流空气出口，20-二级旋流空气出口，21-扩张流道，22-平直流道。
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：一种孔型旋流器全环燃烧室，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、掺混孔和燃烧室头部。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；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。燃烧室设计采用分级燃烧组织技术，燃烧室头部由值班级、第一主燃级和第二主燃级构成，值班级、第一主燃级和第二主燃级采用相同的直接喷射结构，小工况下只有值班级工作，随着工况的不断增大，第一主燃级和第二主燃级相继打开，保证在大工况油气分布均匀且燃烧区处于贫油状态，有效地降低污染物的排放。所述直接喷射结构包括旋流器壁、一级旋流孔、二级旋流孔、喷嘴、扩张流道和平直流道构成。空气从一级旋流孔进口和二级旋流孔进口进入旋流孔内产生适当强度旋流流动，再流经扩张流道和平直流道进入火焰筒内，在喷嘴模下游形成稳定的回流区来稳定火焰。燃油从燃油进口进入喷嘴，再由喷嘴喷入扩张段内，燃油在两级旋流的作用下，使得燃油更好地破碎并在旋流器下游产生更加合理的油气分布，从而降低污染物的排放。
优选的，所述的燃烧区局部当量比为0.4-0.9。
优选的，所述的孔型旋流器一级旋流孔孔数为8-20个，旋流孔角度为25°-45°，旋流孔孔径D为0.5mm-5mm。
优选的，所述的孔型旋流器二级旋流孔孔数为8-20个，旋流孔角度为40°-70°，旋流孔孔径D为0.5mm-5mm。
优选的，所述的孔型旋流器扩张角α为35°-55°。
优选的，所述的中心和外围旋流喷嘴模中心距s1为1d-2d(旋流器外径d)。
优选的，所述的外围相邻旋流喷嘴模中心距s2为1d-2.5d。
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s3为2d-5d。
优选的，所述的全环燃烧室将燃烧区分为三级，值班级、第一主燃级和第二主燃级，第一主燃级和第二主燃级成交替排布，其燃油分级级数可根据具体燃烧室需求改变。
如图1、2所示，本发明具体实施例提供了一种孔型旋流器全环燃烧室，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、掺混孔6、燃烧室头部7。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7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7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，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，流入内外环腔的空气一部分用于火焰筒壁面冷却，另一部分从掺混孔6流入燃烧区用来调节燃烧室出口温度分布，燃烧室头部7的空气量占燃烧室总空气量的60％-90％，冷却空气量占总空气量的10％-20％，掺混空气量占总空气量的0％-10％。
如图3所示，是孔型旋流器全环燃烧室的多点直接喷射头部结构，所述的多点直接喷射头部由多个孔型喷嘴模组成，燃烧室头部上交替排布第一主燃级和第二主燃级；所述第一主燃级是以值班级为中心，外围均布设有六个主燃级旋流器，且六个主燃级旋流器的中心形成等六边形；所述第二主燃级以值班级为中心，外围设有四个主燃级9旋流器，且四个主燃级9旋流器的中心形成矩形，与相邻的第一主燃级的一个主燃级构成近似等六边形结构；值班级8、第一主燃级(10A/10B)和第二主燃级9可以独立工作也可以同时工作，小工况下只有值班级工作，值班级采用相对富油设计，其能保证燃烧的稳定性，并优化贫油熄火特性，随着工况的不断增大，第一主燃级(10A/10B)和第二主燃级9相继打开，保证在大工况油气分布均匀且燃烧区处于贫油状态，有效地降低污染物的排放，并有效地扩宽了燃烧室的稳定燃烧边界
如图4A、4B、4C、4D所示，是打孔式旋流喷嘴模示意图和剖视图，所述的打孔型旋流喷嘴模由旋流器壁12、喷嘴113、一级旋流孔14、二级旋流孔15、扩张流道21和平直流道22构成.旋流器壁12为旋流器实体部分，旋流器中心设有喷嘴13且与燃油进口16连通，燃油进口16四周均布一级旋流空气进口17，扩张流道21的侧壁上沿圆周均布一级旋流孔14，其一级旋流孔14为贯穿旋流器壁12的斜孔并与轴向方向成角度，一级旋流空气进口17、一级旋流孔14和一级旋流空气出口19构成了一级旋流流道，空气从一级旋流空气进口17进入一级旋流孔14再从一级旋流空气出口19进入扩张流道21形成旋流空气；旋流器壁12外壁上均布二级旋流空气进口18，扩张流道21的侧壁上沿圆周均布二级旋流孔15，其二级旋流孔15也为贯穿旋流器壁12的斜孔并与轴向方向成角度，二级旋流空气进口18、二级旋流孔15和二级旋流空气出口20构成了二级旋流流道，空气从二级旋流空气进口18进入二级旋流孔15再从二级旋流空气出口20进入扩张流道21形成旋流空气；燃油由燃油进口16流入喷嘴，再由喷嘴13喷入扩张流道21中，燃油在一级旋流和二级旋流的作用下破碎，并在火焰筒内形成均匀的油气分布，从而减少局部高温区，降低污染物排放。旋流空气由一级旋流孔14和二级旋流孔15其能有效地冷却旋流器头部，防止旋流器头被烧坏。

Claims (8)

1.一种孔型旋流器，其特征在于包括：旋流器壁(12)、喷嘴(13)、一级旋流孔(14)、二级旋流孔(15)、燃油进口(16)、一级旋流空气进口(17)、二级旋流空气进口(18)、一级旋流空气出口(19)、二级旋流空气出口(20)、扩张流道(21)和平直流道(22)；旋流器壁(12)为旋流器实体部分，旋流器中心设有喷嘴(13)且与燃油进口(16)连通，燃油进口(16)四周均布一级旋流空气进口(17)，扩张流道(21)的侧壁上沿圆周均布一级旋流孔(14)，其一级旋流孔(14)为贯穿旋流器壁(12)的斜孔并与轴向方向成角度，一级旋流空气进口(17)、一级旋流孔(14)和一级旋流空气出口(19)构成了一级旋流流道，空气从一级旋流空气进口(17)进入一级旋流孔(14)再从一级旋流空气出口(19)进入扩张流道(21)形成旋流空气；旋流器壁(12)外壁上均布二级旋流空气进口(18)，扩张流道(21)的侧壁上沿圆周均布二级旋流孔(15)，其二级旋流孔(15)也为贯穿旋流器壁(12)的斜孔并与轴向方向成角度，二级旋流空气进口(18)、二级旋流孔(15)和二级旋流空气出口(20)构成了二级旋流流道，空气从二级旋流空气进口(18)进入二级旋流孔(15)再从二级旋流空气出口(20)进入扩张流道(21)形成旋流空气；扩张流道(21)的下游为平直流道(22)。
2.根据权利要求1所述孔型旋流器，其特征在于：所述孔型旋流器一级旋流孔孔数为8-20个，旋流孔角度为25°-45°，旋流孔孔径为0.5mm-5mm。
3.根据权利要求1所述孔型旋流器，其特征在于：所述孔型旋流器二级旋流孔孔数为8-20个，旋流孔角度为40°-70°，旋流孔孔径为0.5mm-5mm。
4.根据权利要求1所述孔型旋流器，其特征在于：所述的孔型旋流器扩张角α为35°-55°。
5.一种采用权利要求1～4所述任一项孔型旋流器型构成的全环燃烧室，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)和燃烧室头部(7)，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7进入由火焰筒外壁(4)和火焰筒内壁(5)构成的燃烧区；其特征在于还包括沿火焰筒外壁(4)均匀分布的掺混孔(6)，使得由燃烧室头部7进入的燃烧空气除了流入燃烧室外机匣(2)和火焰筒外壁(4)之间的外环腔，以及流入燃烧室内机匣(3)和火焰筒内壁(5)之间的内环腔，流入内外环腔的空气一部分用于火焰筒壁面冷却，另一部分从掺混孔(6)流入燃烧区用来调节燃烧室出口温度分布；所述燃烧室头部(7)上交替排布第一主燃级和第二主燃级；所述第一主燃级是以值班级为中心，外围均布设有六个主燃级旋流器，且六个主燃级旋流器的中心形成等六边形；所述第二主燃级以值班级为中心，外围设有四个主燃级(9)旋流器，且四个主燃级(9)旋流器的中心形成矩形，与相邻的第一主燃级的一个主燃级构成近似等六边形结构；所述所有的值班级和主燃级采用孔型旋流器。
6.根据权利要求5所述孔型旋流器全环燃烧室，其特征在于：所述值班级中心与同一圆周上的主燃级中心的距离s1为1d～2d，其中：d为值班级和主燃级旋流器的外径。
7.根据权利要求5所述孔型旋流器全环燃烧室，其特征在于：所述与值班级同一圆周的主燃级中心与两侧圆周的主燃级中心的距离s2为1d～2.5d。
8.根据权利要求5所述孔型旋流器全环燃烧室，其特征在于：所述第一主燃级的值班级中心与第二主燃级的值班级的中心距离s3为2d-5d。
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