CN113154449A - 一种油气高效混合的低污染燃烧室 - Google Patents

一种油气高效混合的低污染燃烧室 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种油气高效混合的低污染燃烧室，涉及航空燃气涡轮发动机领域，现有技术中仍有主燃级燃油蒸发不完全、油气混合不均匀；值班级采用扩散燃烧，导致值班级的局部热点较多，NOx生成量较大等问题。本发明通过主燃级轴向涡流器内外表面形成“两级预膜”，大幅提高了主燃级的雾化、蒸发和油气混合效率；同时值班级燃油喷嘴采用双油路燃油喷射方式进行燃油分级喷射，并形成一个锥角较小的小燃油液锥和一个锥角较大的大燃油液锥，大燃油液锥采用预膜式空气雾化方式并以预混燃烧方式进行燃烧，小燃油液锥采用离心式雾化方式并以扩散燃烧方式进行燃烧，大幅降低了值班级火焰的NOx排放，同时兼顾了慢车状态下的火焰稳定性及点火性能。

Description

一种油气高效混合的低污染燃烧室
技术领域
本发明涉及航空燃气涡轮发动机领域，具体为一种油气高效混合的低污染燃烧室。
背景技术
燃烧室是燃料或推进剂在其中燃烧生成高温燃气的装置。它是燃气涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机的重要部件。燃烧室由外壳、火焰筒、喷油嘴、涡流器、点火装置等组成。由压气机扩散段出来的高压空气分成两股:一股进入火焰筒前部，与喷嘴喷出来的燃油混合形成油气混合气，经点火装置点火后燃烧。另一股从火焰筒与外套间流过，对火焰筒壁面进行冷却，然后进入火焰筒与高温燃气掺混，使燃气温度降低，达到涡轮所要求的温度。通常要求燃烧室具有燃烧稳定、燃烧效率高、点火范围宽、流动阻力小以及结构简单、尺寸小、安全可靠和寿命长等特性。
GE公司的TAPS燃烧室是商业应用最早的基于贫油预混燃烧室的低污染燃烧室，现第三代TAPS燃烧室改进了燃油分级方案有副混合器，主混合器以及中功率和巡航混合器三大混合器，副混合器包含副燃油喷嘴、旋流器和空气分离器，主混合器轴向环绕副混合器，中功率混合器介于二者之间，包含若干喷射点，燃油通过喷射点径向喷出，形成径向和周向的油气混合物。
但现有技术仍有主燃级燃油蒸发不完全、油气混合不均匀；值班级采用扩散燃烧，导致值班级的局部热点较多，NOx生成量较大等问题。对此现提供一种油气高效混合的低污染燃烧室。
发明内容
本发明的目的是：现有基于贫油预混的低污染燃烧室，存在以下缺点：
1、主燃级燃油雾化效果很差导致燃油在涡流器通道内不能完全蒸发，并且燃油的周向分布非常不均匀，不利于降低NOx排放；
2、主燃级的气流冲击燃油圆柱射流，进而改变燃油射流的喷射角度和速度，减弱了燃油撞击预膜板的作用力，不利于雾化，由于预膜板较短，燃油不能完全蒸发；
3、主燃级通道长度较长，混合器尺寸较大；
4、值班级扩散燃烧的火焰温度为化学恰当比下的火焰温度，温度很高，会形成很多局部热点，对降低NOx排放极为不利。
现提供一种油气高效混合的低污染燃烧室，大幅降低了值班级火焰的NOx排放，同时兼顾了慢车状态下的火焰稳定性及点火性能，减少了主燃级混合器的尺寸。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种油气高效混合的低污染燃烧室，包括环形燃烧室机匣、环形头部装置，所述环形头部装置包括：
值班级混合器用于值班级油气混合，
主燃级混合器用于主燃级油气混合，
头部隔热器用于火焰筒头部装置的热防护，
所述值班级混合器内部设置有双级轴向涡流器，所述双级轴向涡流器由内侧涡流器和外侧涡流器组成，所述内侧涡流器和外侧涡流器之间设置有文氏管，所述内侧涡流器内部设置有值班级燃油喷嘴，所述值班级燃油喷嘴采用双油路燃油喷射方式进行燃油分级喷射，并形成一个锥角较小的小燃油液锥和一个锥角较大的大燃油液锥；
所述主燃级混合器包括轴向涡流器，所述轴向涡流器内设置有圆弧状的内环表面、外环表面，且轴向涡流器外壁尺寸长于内壁尺寸，所述主燃级混合器与内环表面相邻的一侧主燃级内壁设置有沿周向分布的多个燃油喷口，所述外环表面与主燃级内壁之间形成混合腔。
所述头部隔热器包括腔体壁面，所述腔体壁面开设有一圈沿周向分布的斜切进气孔，腔体壁面与外环表面之间形成环形腔体。
所述环形燃烧室机匣内部设置有火焰筒内环、火焰筒外环，所述火焰筒内环与火焰筒外环之间形成燃烧腔体，火焰筒内环与环形燃烧室机匣之间形成一个内环通道，火焰筒外环与环形燃烧室机匣之间形成一个外环通道。
所述外侧涡流器外侧设置有混合器套筒，所述混合器套筒内壁之间形成值班级混合器腔体。
所述混合器套筒远离值班级燃油喷嘴的一端端面设置有台阶隔离器，用于隔离主燃级混合器与值班级混合器的内部气流。
所述值班级混合器套筒的出口为扩张段，所述扩张段壁面与值班级混合器腔体的中心轴线的夹角为30°-60°。
所述内侧涡流器和外侧涡流器朝向值班级混合器腔体的一侧设置有一圈周向分布均匀的叶片。
所述小燃油液锥采用离心式雾化方式，所述大燃油液锥采用预膜式空气雾化方式。
本发明的有益效果是：
1、通过值班级燃油喷嘴采用双油路燃油喷射方式进行燃油分级喷射，并形成一个锥角较小的小燃油液锥和一个锥角较大的大燃油液锥，大燃油液锥采用预膜式空气雾化方式并以预混燃烧方式进行燃烧，小燃油液锥采用离心式雾化方式并以扩散燃烧方式进行燃烧，大幅降低了值班级火焰的NOx排放，同时兼顾了慢车状态下的火焰稳定性及点火性能；
2、主燃级燃油喷口沿径向喷射燃油，燃油从喷口被喷射出来，随后撞击到涡流器的内环表面形成一层均匀的油膜，内环表面为圆弧面形状，油膜进入主燃级混合腔之后再次撞击到涡流器的外环表面。经过两次撞击壁面，极大的降低了燃油的运动速度并且极大的强化了燃油的雾化效果，可以实现高效的油气混合进而降低起飞等大状态下的发动机NOx排放；
3、燃油的“两级预膜”，大幅提高了主燃级的雾化、蒸发和油气混合效率，利用了主燃级涡流器的内环壁面和外环壁面作为预膜板，而不需要单独设置预膜板，减少了主燃级混合器的尺寸；
4、通过环形腔体将从进气孔进入的气流形成旋转气流，随后旋转气流沿着腔体壁面贴壁流动，在火焰筒头部形成一层气膜，隔热器形成的强旋流，对燃烧室头部进行热防护，同时进一步降低主燃级火焰的温度并减少主燃级的NOx排放。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为一种油气高效混合的低污染燃烧室整体结构示意图；
图2为一种油气高效混合的低污染燃烧室环形头部装置结构细节图。
图中：11、燃烧腔体；12、火焰筒外环；13、火焰筒内环；14、环形燃烧室机匣；15、外环通道；16、内环通道；17、环形头部装置；18、值班级混合器；19、主燃级混合器；20、头部隔热器；21、腔体壁面；22、进气孔；23、环形腔体；24、混合腔；25、燃油喷口；26、内环表面；27、台阶隔离器；28、混合器套筒；29、外环表面；30、双级轴向涡流器；31、外侧涡流器；32、内侧涡流器；33、值班级混合器腔体；34、小燃油液锥；35、大燃油液锥；36、文氏管；37、扩张段；38、叶片；39、值班级燃油喷嘴；40、轴向涡流器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种油气高效混合的低污染燃烧室，主要包括一个环形燃烧腔体11、一个火焰筒外环12以及一个火焰筒内环13。火焰筒外环12限制了环形燃烧腔体11的外环边界，火焰筒内环13限制了环形燃烧腔体11的内环边界。火焰筒内环13和火焰筒外环12嵌入环形燃烧室机匣14内，并且与机匣之间分别形成一个内环通道16和一个外环通道15。燃烧室还包括一个安装在火焰筒外环12和火焰筒内环13上游的环形头部装置17，环形头部装置17被用于燃油喷射雾化以及油气高效混合。
如图2所示，一种油气高效混合的低污染燃烧室，环形头部装置17包含一个值班级混合器18、一个主燃级混合器19和一个头部隔热器20，值班级混合器18包含一个台阶隔离器27和一个混合器套筒28，这个混合器套筒28内所包含的空间为值班级混合器腔体33，值班级混合器套筒28的出口为扩张段37，扩张段37壁面与值班级混合器腔体33中心轴线之间的夹角为30°-60°之间。值班级燃油喷嘴39伸入值班级混合器腔体33中进行燃烧喷射。值班级燃油喷嘴39采用双油路燃油喷射方式进行燃油分级喷射，并形成一个锥角较小的小燃油液锥34和一个锥角较大的大燃油液锥35。其中，燃油液锥会直接喷射进入腔体，而燃油液锥会先撞击到值班级混合器18的涡流器文氏管36的内壁面，随后形成一层环形液膜再进入腔体。值班级混合器18的大燃油液锥35的燃烧方式以预混燃烧为主，小燃油液锥34的燃烧方式为扩散燃烧为主，这样既可以通过一部分预混燃烧降低NOx排放量，又可以通过扩散燃烧提高火焰稳定性。油气混合物在值班级混合器18内混合之后沿着混合器扩张段37的夹角方向流向火焰筒内部，这个气流角度可以使得台阶隔离器27下游不会形成一个较大的回流区，从而避免高温燃气回流烧蚀台阶隔离器27。
值班级混合器18包括一个双级轴向涡流器30这个双级轴向涡流器30包含一个内侧涡流器32和一个外侧涡流器31。内侧涡流器32为环形并且其中心轴线与值班级喷嘴重合。内侧涡流器32和外侧涡流器31分别包含一圈周向分布均匀的叶片38。内侧涡流器32和外侧涡流器31的叶片38的偏转角相反，形成较强的湍流用于强化油气混合。
值班级混合器18还包含一个文氏管36，该文氏管36位于内侧涡流器32与外侧涡流器31之间。文氏管36为环形结构，并且包含一个形状为收敛～扩张的内壁面，该内壁面可以作为预膜器，使得液锥在冲击到之后形成一个环形液膜，这样降低燃油的运动速度，从而使得燃油在壁面上有充足的时间用于蒸发。
主燃级混合器19主要包含混合腔24、一个轴向涡流器40以及沿周向分布的多个燃油喷口25。主燃级燃油喷口25沿径向喷射燃油，燃油从喷口被喷射出来，随后撞击到轴向涡流器40的内环表面26形成一层均匀的油膜，内环表面26为圆弧面形状，油膜进入主燃级混合腔24之后再次撞击到轴向涡流器40的外环表面29。经过两次撞击壁面，极大的降低了燃油的运动速度并且极大的强化了燃油的雾化效果，可以实现高效的油气混合进而降低起飞等大状态下的发动机NOx排放。
头部隔热器20主要包含一圈沿周向分布的斜切进气孔22和一个环形腔体23。气流从斜切进气孔22进入环形腔体23并形成旋转气流，随后旋转气流沿着腔体壁面21贴壁流动，在火焰筒头部形成一层气膜，起到对火焰筒头部装置的热防护作用。同时，旋转气流还可以与主燃级混合器19出来的混合油气进一步混合，降低火焰燃烧温度和NOx排放。
工作原理：通过值班级燃油喷嘴39采用双油路燃油喷射方式进行燃油分级喷射，并形成一个锥角较小的小燃油液锥34和一个锥角较大的大燃油液锥35，大燃油液锥35冲击文氏管36形成油膜再进一步蒸发并形成预混燃烧，小燃油液锥34直接喷射进入火焰筒形成扩散燃烧，这样的值班级混合器18设计即能通过小燃油液锥34的扩散燃烧提高火焰的稳定性，又能通过大燃油液锥35的预混燃烧降低值班级的NOx生成量。主燃级采用两级预膜的方式进行燃油的雾化、蒸发和预混合，主燃级燃油通过燃油喷口25喷射首先撞击到轴向涡流器40的内环表面26上形成一级预膜，一级预膜的目的是为了提高燃油的雾化效果和燃油的分布均匀性，在一级预膜后形成的油膜再次撞击到轴向涡流器40的外环表面29上，形成二级预膜，二级预膜的作用是为了降低燃油运动速度，进而保证燃油的完全蒸发，进而使主燃级形成完全的预混燃烧火焰，降低NOx生成和排放。此外，头部隔热器20的气流经进气孔22后会形成旋转气流，这股气流即可以对燃烧室头部形成热防护，又可以进一步强化主燃级的油气混合，进一步降低火焰温度和NOx生成量。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种油气高效混合的低污染燃烧室，包括环形燃烧室机匣(14)、环形头部装置(17)，其特征在于，所述环形头部装置(17)包括：
值班级混合器(18)用于值班级油气混合，
主燃级混合器(19)用于主燃级油气混合，
头部隔热器(20)用于火焰筒头部装置的热防护，
所述值班级混合器(18)内部设置有双级轴向涡流器(30)，所述双级轴向涡流器(30)由内侧涡流器(32)和外侧涡流器(31)组成，所述内侧涡流器(32)和外侧涡流器(31)之间设置有文氏管(36)，所述内侧涡流器(32)内部设置有值班级燃油喷嘴(39)，所述值班级燃油喷嘴(39)采用双油路燃油喷射方式进行燃油分级喷射，并形成一个锥角较小的小燃油液锥(34)和一个锥角较大的大燃油液锥(35)；
所述主燃级混合器(19)包括轴向涡流器(40)，所述轴向涡流器(40)内设置有圆弧状的内环表面(26)、外环表面(29)，且轴向涡流器(40)外壁尺寸长于内壁尺寸，所述主燃级混合器(19)与内环表面(26)相邻的一侧主燃级内壁设置有沿周向分布的多个燃油喷口(25)，所述外环表面(29)与主燃级内壁之间形成混合腔(24)；
所述头部隔热器(20)包括腔体壁面(21)，所述腔体壁面(21)开设有一圈沿周向分布的斜切进气孔(22)，腔体壁面(21)与外环表面(29)之间形成环形腔体(23)。
2.根据权利要求1所述的一种油气高效混合的低污染燃烧室，其特征在于，所述环形燃烧室机匣(14)内部设置有火焰筒内环(13)、火焰筒外环(12)，所述火焰筒内环(13)与火焰筒外环(12)之间形成燃烧腔体(11)，火焰筒内环(13)与环形燃烧室机匣(14)之间形成一个内环通道(16)，火焰筒外环(12)与环形燃烧室机匣(14)之间形成一个外环通道(15)。
3.根据权利要求1所述的一种油气高效混合的低污染燃烧室，其特征在于，所述外侧涡流器(31)外侧设置有混合器套筒(28)，所述混合器套筒(28)内壁之间形成值班级混合器腔体(33)。
4.根据权利要求3所述的一种油气高效混合的低污染燃烧室，其特征在于，所述混合器套筒(28)远离值班级燃油喷嘴(39)的一端端面设置有台阶隔离器(27)，用于隔离主燃级混合器(19)与值班级混合器(18)的内部气流。
5.根据权利要求3所述的一种油气高效混合的低污染燃烧室，其特征在于，所述混合器套筒(28)的出口为扩张段(37)，所述扩张段(37)壁面与值班级混合器腔体(33)的中心轴线的夹角为30°-60°。
6.根据权利要求1所述的一种油气高效混合的低污染燃烧室，其特征在于，所述内侧涡流器(32)和外侧涡流器(31)朝向值班级混合器腔体(33)的一侧设置有一圈周向分布均匀的叶片(38)。
7.根据权利要求1所述的一种油气高效混合的低污染燃烧室，其特征在于，所述小燃油液锥(34)采用离心式雾化方式。
8.根据权利要求1所述的一种油气高效混合的低污染燃烧室，其特征在于，所述大燃油液锥(35)采用预膜式空气雾化方式。
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