CN110440288B - 一种用于预混气态燃料的进气装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机及燃气轮机设计技术领域，涉及一种用于预混气态燃料的进气装置，所述装置包括同轴的外轮毂与内轮毂，两者之间形成环形流路，在环形流路的前段设置有连接内轮毂与外轮毂的燃料分配支撑板，所述燃料分配支撑板内部具有通路，通路具有连接气态燃料的入口端，以及具有向环形流路内喷射气态燃料的喷射孔；环形流路内的空气与喷射孔喷射的气态燃料在环形流路的后段通过双旋流叶片内外交错分布的叶片进行混合，之后进入燃烧室燃烧。本申请将气态燃料的喷射口设置在内外轮毂之间的支撑板上，以及采用双旋流叶片内外交错分布的形式，简化了结构，强化了燃料混合效果，在出口处形成均匀的预混气，有效地降低燃烧室污染物的排放。

Description

一种用于预混气态燃料的进气装置

技术领域

本申请属于航空发动机及燃气轮机燃烧室设计技术领域，特别涉及一种用于预混气态燃料的进气装置。

背景技术

根据设计要求，燃气轮机在50％及以上负荷区间，燃烧室排放应能维持在较低水平，同时保持较高的燃烧效率。燃烧室排放的污染物主要有氮氧化物、一氧化碳和未然碳氢化合物，其中，氮氧化物NOx为污染物排放的重要指标，为了达到低NOx排放的目的，预混燃烧技术被广泛采用。

贫油预混燃烧，目的是将主燃区温度控制在1670K-1900K之间这样一个狭窄的温度区间内，但是仅控制总的燃料/空气当量比，并不等于就能实现低NOx的目标。由于NOx排放对燃烧温度具有较高的敏感性，有研究表明，5％的燃料与空气的不均匀混合将导致90％左右的NOx贡献度，因此要保证在空间上，可燃混合物中不存在局部的高燃料浓度区域点，即局部的燃料/空气当量比十分接近平均燃料浓度值。因此，在较短的时间内实现燃料与空气较为均匀的预先混合，是干式低排放燃烧设计过程中面临的技术挑战之一。

预混燃烧一般包括混合区与旋流区，燃料与空气在混合区进行初步混合，之后经过旋流区进行充分均匀的混合，旋流区一般包括由内外轮毂限定的环形通道，环形通道内设置旋流叶片，其前端接收预混燃料，经过旋流叶片的左右，对气态燃料进行均匀混合之后，经后端排放至燃烧室燃烧。

另一方面，预混燃烧技术大多采用旋流混合技术来实现燃料和氧化剂的良好混合，但是当工作于这一状态的燃烧室极其容易产生燃烧不稳定，如果旋流流场组织不好，极容易造成回火等问题。

发明内容

为解决上述问题之一，本申请提出了一种用于预混气态燃料的进气装置，设置在航空发动机及燃气轮机燃烧室前端，所述进气装置包括：

外轮毂；

内轮毂，设置在外轮毂内，且与所述外轮毂同轴，所述内轮毂与外轮毂之间形成预混气态燃料的环形流路，所述环形流路的沿轮毂轴向的前段部分设置有连接内轮毂与外轮毂的燃料分配支撑板，所述燃料分配支撑板内部具有通路，所述通路具有连接气态燃料的入口端，以及具有向所述环形流路内喷射所述气态燃料的喷射孔；

所述环形流路内的空气与所述喷射孔喷射的气态燃料在所述环形流路的后段进行混合，之后进入燃烧室燃烧。

优选的是，所述燃料分配支撑板设置有多个，沿所述环形流路的周向布置。

优选的是，所述燃料分配支撑板的板面平行于所述内轮毂轴线方向。

优选的是，每个燃料分配支撑板上的喷射孔设置有多个，且布置在所述燃料分配支撑板的板面两侧。

优选的是，所述外轮毂的内壁沿周向设置有向所述环形流路中延伸的多个外旋流叶片，所述内轮毂的外壁沿周向设置有向所述环形流路中延伸的多个内旋流叶片，外旋流叶片与内旋流叶片交错分布，每个内旋流叶片沿轮毂径向延伸的端部设置在相邻两个外旋流叶片之间，同理，每个外旋流叶片沿轮毂径向延伸的端部设置在相邻两个内旋流叶片之间；

内旋流叶片及外旋流叶片的叶片板面方向与轮毂轴线方向形成夹角，以实现沿环形流路轴线方向流动的预混气态燃料的旋流；

所述内旋流叶片及外旋流叶片设置在中间旋流流路部分，所述中间旋流流路部分为所述环形流路的沿轮毂轴向方向的位于所述燃料分配支撑板的后端的一段流路。

优选的是，所述内轮毂在具有内旋流叶片的部分沿周向设置有多个支撑板，用于连接所述外轮毂。

优选的是，所述外轮毂还包括沿环形流路方向在所述外旋流叶片之后的内径相对变小的收缩段，所述内轮毂还包括沿环形流路方向在所述内旋流叶片之后的延伸段，所述收缩段与所述延伸段形成所述环形流路的后流路部分。

优选的是，所述外轮毂自具有外旋流叶片的部分向收缩段弧形过渡。

本申请将气态燃料的喷射口设置在内外轮毂之间的支撑板上，简化了结构，燃料与空气在内外轮毂之间的环形流路中初步混合，之后直接经旋流装置进行旋流，使气态燃料混合均匀，在出口处形成均匀的预混气，有效地降低燃烧室污染物的排放。

附图说明

图1是本申请用于预混气态燃料的进气装置的一优选实施例的结构剖视图。

图2是本申请图1的B-B剖示意图。

图3是本申请图1的A-A剖示意图。

图4是本申请用于预混气态燃料的进气装置的一优选实施例的中间旋流流路部分立体图。

图5是本申请图4的主视图。

图6是本申请图4的左视图。

其中，1-外轮毂，2-内轮毂，3-支撑板，4-收缩段，5-延伸段，6-燃料分配支撑板，7-通路，8-喷射孔；

11-外旋流叶片，21-内旋流叶片。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请属于航空发动机及燃气轮机燃烧室设计技术领域，涉及燃气轮机低污染燃烧室掺混技术，尤其涉及一种用于预混气态燃料的进气装置，燃料和空气在进气装置处进行初步混合，之后又后段的旋流装置进行较为均匀的混合。

如图1及图2所示，本申请用于预混气态燃料的进气装置，设置在航空发动机及燃气轮机燃烧室前端，其包括：

外轮毂1；

内轮毂2，设置在外轮毂1内，且与所述外轮毂1同轴，所述内轮毂2与外轮毂1之间形成预混气态燃料的环形流路，所述环形流路的沿轮毂轴向的前段部分设置有连接内轮毂2与外轮毂1的燃料分配支撑板6，所述燃料分配支撑板6内部具有通路7，所述通路7具有连接气态燃料的入口端，以及具有向所述环形流路内喷射所述气态燃料的喷射孔8；

所述环形流路内的空气与所述喷射孔8喷射的气态燃料在所述环形流路的后段进行混合，之后进入燃烧室燃烧。

本申请将气态燃料的喷射口设置在内外轮毂之间的支撑板上，简化了结构，燃料与空气在内外轮毂之间的环形流路中初步混合，形成预混气态燃料。

在一些可选实施方式中，参考图2，所述燃料分配支撑板6设置有多个，沿所述环形流路的周向布置。

在一些可选实施方式中，所述燃料分配支撑板6的板面平行于所述内轮毂轴线方向，每个燃料分配支撑板6上的喷射孔8设置有一个或多个，且布置在所述燃料分配支撑板6的板面两侧。

在一些可选实施方式中，参考图3及图4，所述外轮毂1的内壁沿周向设置有向所述环形流路中延伸的多个外旋流叶片11，所述内轮毂2的外壁沿周向设置有向所述环形流路中延伸的多个内旋流叶片21，外旋流叶片11与内旋流叶片21交错分布，每个内旋流叶片21沿轮毂径向延伸的端部设置在相邻两个外旋流叶片11之间，同理，每个外旋流叶片11沿轮毂径向延伸的端部设置在相邻两个内旋流叶片21之间；

内旋流叶片21及外旋流叶片11的叶片板面方向与轮毂轴线方向形成夹角，以实现沿环形流路轴线方向流动的预混气态燃料的旋流。

本申请的内旋流叶片21及外旋流叶片11用于实现旋流作用，可以设计为曲面型叶片、螺旋叶片或倾斜叶片。

本申请采用内外旋流叶片交错分布的形式，在预混空气和气态燃料时，根据空气和燃料的工况状态，外旋流叶片的高度和旋流强度主要对燃烧室内点火及燃烧稳定性的进行控制，内旋流叶片的高度和旋流强度主要控制旋流叶片处速度型的分布，避免出现局部回流。内外旋流叶片交错分布，使内外旋流叶片之间的流体流动加速，湍流动能增强，有利于加速掺混，流体在内外旋流叶片流出后，在出口处形成均匀的预混气，有效地降低燃烧室污染物的排放。

本申请外旋流叶片的根部与外轮毂相连，内旋流叶片的根部与内轮毂相连，外旋流叶片与内旋流叶片交错分布，在叶片端不形成重叠，外旋流叶片与内旋流叶片将外轮毂和内轮毂构成的环形流道分割，形成沿气流流动方向的前流路部分、中间旋流流路部分以及后流路部分

在一些可选实施方式中，所述内轮毂2在具有内旋流叶片21的部分沿周向设置有多个支撑板3，用于连接所述外轮毂1，参考图6，支撑板3的数量应当小于内旋流叶片或外旋流叶片的数量，一般为内旋流叶片或外旋流叶片数量的1/3-1/2。

在一些可选实施方式中，参考图5，所述外轮毂1还包括沿环形流路方向在所述外旋流叶片11之后的内径相对变小的收缩段4，所述内轮毂2还包括沿环形流路方向在所述内旋流叶片21之后的延伸段，所述收缩段4与所述延伸段5形成所述环形流路的后流路部分。在旋流后段的收缩流道中，气流流速加快，进一步促进燃料和空气的快速混合。

在一些可选实施方式中，所述外轮毂1自具有外旋流叶片11的部分向收缩段4弧形过渡，备选实施方式中，也可以锥形平直过渡。

本申请中，所述外轮毂1与所述内轮毂2沿环形流路方向在旋流叶片交错处之前设置有前流路部分，所述燃料分配支撑板6即设置在该前流路部分。

本申请外旋流叶片和内旋流叶片相对独立，旋流叶片的数量、叶片形状、偏转角度、叶片厚度可以多种形式；在轮毂间双叶片内外交错的旋流装置，外旋流叶片和内旋流叶片交错的周向角度和轴向相对位置可以多种形式。

本申请将气态燃料的喷射口设置在内外轮毂之间的支撑板上，以及采用双旋流叶片内外交错分布的形式，简化了结构，强化了燃料混合效果，在出口处形成均匀的预混气，有效地降低燃烧室污染物的排放。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于预混气态燃料的进气装置，设置在航空发动机及燃气轮机燃烧室前端，其特征在于，所述进气装置包括：

外轮毂(1)；

内轮毂(2)，设置在外轮毂(1)内，且与所述外轮毂(1)同轴，所述内轮毂(2)与外轮毂(1)之间形成预混气态燃料的环形流路，所述环形流路的沿轮毂轴向的前段部分设置有连接内轮毂(2)与外轮毂(1)的燃料分配支撑板(6)，所述燃料分配支撑板(6)内部具有通路(7)，所述通路(7)具有连接气态燃料的入口端，以及具有向所述环形流路内喷射所述气态燃料的喷射孔(8)；

所述环形流路内的空气与所述喷射孔(8)喷射的气态燃料在所述环形流路的后段进行混合，之后进入燃烧室燃烧；

其中，所述外轮毂(1)的内壁沿周向设置有向所述环形流路中延伸的多个外旋流叶片(11)，所述内轮毂(2)的外壁沿周向设置有向所述环形流路中延伸的多个内旋流叶片(21)，外旋流叶片(11)与内旋流叶片(21)交错分布，每个内旋流叶片(21)沿轮毂径向延伸的端部设置在相邻两个外旋流叶片(11)之间，同理，每个外旋流叶片(11)沿轮毂径向延伸的端部设置在相邻两个内旋流叶片(21)之间；

内旋流叶片(21)及外旋流叶片(11)的叶片板面方向与轮毂轴线方向形成夹角，以实现沿环形流路轴线方向流动的预混气态燃料的旋流；

所述内旋流叶片(21)及外旋流叶片(11)设置在中间旋流流路部分，所述中间旋流流路部分为所述环形流路内沿轮毂轴向方向的位于所述燃料分配支撑板(6)的后端的一段流路。

2.如权利要求1所述的用于预混气态燃料的进气装置，其特征在于，所述燃料分配支撑板(6)设置有多个，沿所述环形流路的周向布置。

3.如权利要求1所述的用于预混气态燃料的进气装置，其特征在于，所述燃料分配支撑板(6)的板面平行于所述内轮毂轴线方向。

4.如权利要求3所述的用于预混气态燃料的进气装置，其特征在于，每个燃料分配支撑板(6)上的喷射孔(8)设置有多个，且布置在所述燃料分配支撑板(6)的板面两侧。

5.如权利要求1所述的用于预混气态燃料的进气装置，其特征在于，所述内轮毂(2)在具有内旋流叶片(21)的部分沿周向设置有多个支撑板(3)，用于连接所述外轮毂(1)。

6.如权利要求1所述的用于预混气态燃料的进气装置，其特征在于，所述外轮毂(1)还包括沿环形流路方向在所述外旋流叶片(11)之后的内径相对变小的收缩段(4)，所述内轮毂(2)还包括沿环形流路方向在所述内旋流叶片(21)之后的延伸段，所述收缩段(4)与所述延伸段(5)形成所述环形流路的后流路部分。

7.如权利要求6所述的用于预混气态燃料的进气装置，其特征在于，所述外轮毂(1)自具有外旋流叶片(11)的部分向收缩段(4)弧形过渡。

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