CN109595593A - 一种进气截面可变的旋流燃烧室头部 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种进气截面可变的旋流燃烧室头部。所述头部包括中心值班级、外侧主燃级、可绕中心轴旋转的导流叶片、文氏管和套筒等结构。空气和燃料均采用分级供应的方式，主燃级进气量主要由导流叶片控制，中心值班级进气量由值班级旋流器喉部面积决定；中心值班级采用一个离心式压力雾化喷嘴，外侧主燃级采用多个直喷的空气雾化喷嘴。本发明可以通过旋转导流叶片改变主燃级进气量，以期降低燃烧室慢车贫油熄火极限，减少设计点状态时燃烧室出口的污染排放，保证燃烧室能在较宽的工况范围内稳定工作。

Description

一种进气截面可变的旋流燃烧室头部
技术领域
本发明涉及航空发动机低污染燃烧领域，特别地，涉及一种进气截面可变的旋流燃烧室头部。
背景技术
航空工业的迅猛发展，使得航空发动机的尾气排放对环境产生的影响日益明显。航空发动机由燃烧所产生的污染物主要有碳氧化物(例如CO2、CO)、氮氧化物(例如NO2、NO)、硫化物(SO2)、未燃碳氢化合物(UHC)以及飞灰、烟尘等，这些污染物不仅对人类自身产生了极大的影响，同时也影响着地球温度、湿度、动植物生长等。随着我国对大飞机的需求，以及日益严苛的污染排放标准，低污染排放、高效率燃烧的飞机发动机燃烧室技术就显得尤为重要。国际民航组织(ICAO)已经针对额定推力大于26.7kN的民用亚声速涡喷和涡扇发动机的一个着陆起飞循环(LTO)的污染排放做出了规定。由于现代发动机的CO和UHC的排放量在所有低工况下都已显著降低，仅有氮氧化合物在高空巡航状态下的排放量较为客观，因此航空保护委员会(CAEP)对降低NOX的排放要求日益严格。
燃烧室在设计阶段的一个基本问题就是大工况下的排气冒烟和小工况下的贫油熄火之间的协调问题。对于常规燃烧室来说，任何降低冒烟和氮氧化物的方案总是会提高CO和UHC的排放，反之亦然。因此各大燃气轮机公司发展了更加先进的低污染排放技术，主要思想就是分级燃烧，包括空气分级和燃料分级两种。在燃料分级方面，主要是控制主燃级喷油杆内燃料的流量来控制各级的油气比，再结合空气的进气方式，进而调节各个区域的温度，将主燃烧区温度控制在1670～1900K之间。在此温度范围内，污染物NOx、UHC、CO、等的生成率都较低。在空气分级方面，主要是通过设计变几何燃烧室机构来改变头部进气量，进一步使得燃烧室慢车贫油熄火点明显降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，以应对燃烧室排气冒烟与贫油熄火之间的矛盾给燃烧室提出的新挑战。
技术方案
本发明的目的在于提供一种进气截面可变的旋流燃烧室头部。
本发明技术方案如下：
一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述头部包括中心值班级油气混合系统和外侧主燃级油气混合系统，在主燃级进口周向设置多个可旋转的导流叶片；整个结构由值班级、主燃级、文氏管、套筒、导流叶片、喷嘴等组成。
所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：中心值班级油气混合系统由一个离心式压力雾化喷嘴、内旋流器和出口文氏管组成，用于形成中心回流区并实现火焰稳定。
所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：外侧主燃级油气混合系统由多个直喷的空气雾化喷嘴、外旋流器、可绕其所在中心轴旋转的导流叶片以及套筒组成。
所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述内旋流器为单级轴向旋流器，固定安装于喷嘴壳体外表面；所述的值班级叶片，叶片个数为8—20个，叶片安装角为20°—60°，叶片厚度为0.6—1.8mm，采用强旋设计，旋流强度为0.7—1.5。
所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述外旋流器为单级轴向旋流器，固定安装于文氏管外表面；所述的主燃级叶片，叶片个数为12—30个，叶片安装角30°—60°，叶片厚度为0.6—1.8mm，采用强旋设计，旋流强度为0.6—0.9。
所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述进口导流叶片，旋转轴安装于套筒前端内壁及文氏管前端外壁；主体部分为长方体，截面矩形尺寸为12×15mm，个数为8—14个，沿周向等距离安装，具体实施时可采用截面为圆形、三角形以及其它型面特征的设计。
所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述头部值班级采用一个离心式压力雾化喷嘴，主燃级采用多个直喷的空气雾化喷嘴。
所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述头部文氏管收缩比为1.3—1.7，出口扩张锥角为10°—40°，套筒扩张锥角为10°—50°。
本发明具有以下有益效果：
采用分级油气供应混合、分区燃烧的技术方案，可以有效降低头部冒烟并改善燃烧室贫油熄火性能。大工况时，采用大量空气来使烟气和氮氧化物的生成量尽可能的低；小工况时，阻止部分主燃级气流的供应，提高油气比形成局部富油区并降低来流速度，以实现较高的燃烧效率(与此同时，未燃燃料以及CO的排放降低)。
附图说明
图1：一种进气截面可变的旋流燃烧室头部整体结构示意图
图2：一种进气截面可变的旋流燃烧室头部剖面图
图3：导流叶片结构及安装示意图
图4：小工况下导流叶片具体实施图
图5：大工况下导流叶片具体实施图
主要元件符号说明：
1 喷嘴壳体 2 值班级旋流器叶片
3 文氏管 4 主燃级旋流器叶片
5 导流叶片 6 导流叶片旋转轴
7 套筒
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
结合图1，本发明提供了一种进气截面可变的旋流燃烧室头部。
具体过程：在起飞及高空再点火等低工况下，导流叶片保持最大迎风面积(图4)，值班级喷嘴供入燃料直至完成启动过程，主燃级喷嘴不供油或供应少量燃油。这种情况下，值班级空气形成回流区，此时主燃区参与燃烧的仅是值班级空气，在设计状态下油气比远远超过化学恰当比，形成富油燃烧的状态。这种状态下点火更加容易并且贫油熄火极限更加广，有效提高了燃烧室的点火和贫油熄火性能。同时，卷吸回流的高温富油燃烧产物和新进入的少量主燃级空气在回流区前端形成局部化学恰当比燃烧区域，减少了CO的生成。与此同时，剩余部分的主燃级空气在火焰筒内壁面形成了一层空气屏，将火焰限制在回流区的同时也对火焰筒起到了一定的保护作用，并且提升了主燃区燃烧温度。研究表明，NO的生成主要发生在主燃级火焰中，而且是离开主燃级旋流器出口一定距离才会明显生成，这主要是因为空气中的N需要较长的时间才能和O稳定反应。由于低工况下主燃级出口空气速度较快并且温度较低，空气驻留时间较短，不利于NOX的生成，因此提高了低污染排放水平。
在飞机稳定飞行等大工况下，导流叶片与进口空气流动方向逐渐平行，保持最小迎风面积(图5)，保证较大的空气质量流量，值班级和主燃级喷嘴同时持续供应燃油。值班级形成的稳定燃烧区域提供高温点火能量，由主燃级喷嘴喷射的燃油与进口空气有效掺混后在值班级燃烧区域外稳定燃烧，这样就导致了径向方向上的燃烧区域扩大。这种状态下整个主燃烧室处于相对贫油状态，能够保证在大工况下不冒烟。
与传统旋流燃烧室头部相比，本发明可以有效解决慢车贫油熄火问题、拓宽燃烧室工作范围、适应多种工况、减少污染物排放、优化混合燃烧性能。

Claims (8)

1.一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述头部包括中心值班级油气混合系统和外侧主燃级油气混合系统，在主燃级进口周向设置多个可旋转的导流叶片；整个结构由值班级、主燃级、文氏管、套筒、导流叶片、喷嘴等组成。
2.根据权利要求1所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：中心值班级油气混合系统由一个离心式压力雾化喷嘴、内旋流器和出口文氏管组成，用于形成中心回流区并实现火焰稳定。
3.根据权利要求1所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：外侧主燃级油气混合系统由多个直喷的空气雾化喷嘴、外旋流器、可绕其所在中心轴旋转的导流叶片以及套筒组成。
4.根据权利要求1所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述内旋流器为单级轴向旋流器，固定安装于喷嘴壳体外表面；所述的值班级叶片，叶片个数为8—20个，叶片安装角为20°—60°，叶片厚度为0.6—1.8mm，采用强旋设计，旋流强度为0.7—1.5。
5.根据权利要求1所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述外旋流器为单级轴向旋流器，固定安装于文氏管外表面；所述的主燃级叶片，叶片个数为12—30个，叶片安装角为30°—60°，叶片厚度为0.6—1.8mm，采用强旋设计，旋流强度为0.6—0.9。
6.根据权利要求1所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述进口导流叶片，旋转轴安装于套筒前端内壁及文氏管前端外壁；主体部分为长方体，截面矩形尺寸为12×15mm，个数为8—14个，沿周向等距离安装，具体实施时可采用截面为圆形、三角形以及其它型面特征的设计。
7.根据权利要求1所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述头部值班级采用一个离心式压力雾化喷嘴，主燃级采用多个直喷的空气雾化喷嘴。
8.根据权利要求1所述的一种进气截面可变的旋流燃烧室头部，其特征在于：所述头部文氏管收缩比为1.3—1.7，出口扩张锥角为10°—40°，套筒扩张锥角为10°—50°。
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