CN202993265U - 一种贫油部分预混预蒸发燃烧室 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于航空发动机领域，涉及一种预燃级直接喷射燃烧模式和主燃级部分预混预蒸发燃烧模式的低排放燃烧室。燃烧室的头部由预燃级、主燃级构成，其中预燃级由两级斜/轴向涡流器、文氏管和预燃级喷嘴构成；主燃级由一级轴径/向涡流器、预混段和直接燃油喷射式喷嘴构成。本实用新型采用富油直接喷射燃烧模式，主燃级不工作；在大状态（30%额定推力以上）时，两级油路均工作，预燃级采用贫油直接喷射燃烧模式，主燃级采用贫油部分预混预蒸发燃烧模式。预燃级采用单油路离心喷嘴，通过压力雾化达到所需燃油浓度分布和尺寸分布；主燃级采用直射式喷嘴进行初始压力雾化，之后进行二次气动雾化，即对燃油液滴进行剪切以达到良好的雾化。

Description

一种贫油部分预混预蒸发燃烧室

技术领域

本实用新型属于航空发动机领域，涉及一种预燃级直接喷射燃烧模式和主燃级部分预混预蒸发燃烧模式的低排放燃烧室。

背景技术

国际民航组织在80年代就颁布了“环境保护标准”和“航空发动机排放”条例，并不断修订完善，目前已开始执行CAEP6排放标准。各大航空发动机公司和研究机构均把控制污染物排放作为重要课题进行研究，其中低排放燃烧技术是民用航空发动机最重要的研究内容之一。由于污染排放是适航取证对民机发动机的强制性要求，欧美的几家国际知名航空发动机公司针对越来越严厉的排放要求，实施了先进民用发动机研制计划，掌握了低排放燃烧室的关键技术。GE公司研制的燃烧室采用最新的双环预混旋流（TAPS）组织燃烧技术，已用于Leap-X发动机上，其NOx污染排放比CAEP6低47.7%。PW公司采用RQL技术发展的TALON X燃烧室在PW1000G发动机上，预计NOx污染排放比CAEP6低40％。RR公司采用ANTLE计划发展的LDIS低污染燃烧室，其NOx污染排放比CAEP2标准降低了50％。

GE公司的TAPS燃烧技术已申请了多项美国专利，专利号为US006354072B1、US006381964B1、US006389815B1等的低排放燃烧室头部专利提出的技术方案是：预燃级由离心喷嘴、两级轴向涡流器、文氏管和套筒构成，主燃级由直射式喷嘴和一级或两级径向涡流器构成，结构比较复杂，轴向长度太长，导致头部（大喷嘴）很大，需要在机匣上开很大的孔才能装拆头部。北京航空航天大学也申请了几种贫油预混预蒸发燃烧室的专利，申请号为200810105062.3的专利提出的技术方案是：预燃级由离心喷嘴、一级轴向涡流器和收扩段构成，主燃级由直射式空气雾化喷嘴、一级径向涡流器和收扩件构成，主燃级燃油的气动雾化不是很强，且出口收敛不是很明显，容易造成回火；预燃级的收扩段喉道直径太大，容易使副燃级空气流量分配过大，进而影响副燃级点火和熄火性能，还可能会造成副燃级喷嘴积碳结焦。中国燃气涡轮研究院已申请了三种贫油部分预混预蒸发燃烧室的专利，专利号分别为CN202032612U、CN202032613U和CN202082953U，这三项专利提出的技术方案是：头部方案采用中心分级的两级油路DIPME混合燃烧模式，预燃级由离心喷嘴、一级轴向涡流器、缩扩段构成；主燃级由直射式喷嘴和一级轴向（径向）或一级轴向和一级径向涡流器构成，在大状态和小状态具有很好的燃烧性能和污染排放特性，低工况燃烧效率稍差，而且头部预燃级和主燃级拆装不易。这些专利的预燃级均采用一级轴向涡流器，燃油雾化主要由喷嘴内外压力差完成，对于低工况，其雾化效果不是很好，燃烧效率较低。

NOx是航空发动机燃烧室设计人员需要重点考虑的污染物之一，在航空发动机中，NOx主要由燃烧区火焰温度和燃气停留时间决定。目前已有低污染燃烧室开始采用贫油预混预蒸发技术来保证燃烧区的当量比在0.5～0.65范围内，有效控制火焰温度从而降低NOx的生成。采用该技术的燃烧室通常其预混段较长，容易出现自燃和回火，又由于这种燃烧室在贫油状态燃烧，混合蒸发的很好，使得出现不稳定燃烧的机率倍增。传统的燃烧室采用富油头部设计，燃烧区的当量比在1.0左右，这种燃烧方式无法降低污染物，特别是NOx的生成量，但这种燃烧室相对于采用贫油预混预蒸发技术的燃烧室工作更稳定，其某些燃烧室基本性能更高，比如慢车贫油熄火边界（LBO）和贫油点火边界（LLO）。

要保证燃烧室的性能同时还要降低污染物排放，需要将以上两种技术结合，预燃级采用直接喷射燃烧模式，主燃级采用贫油部分预混预蒸发燃烧模式，在一个燃烧室头部中将两种燃烧模式结合形成的混合燃烧模式，既能保证燃烧室的性能要求，又能保证污染物排放的要求。为了满足民用航空发动机的维修性，使头部喷嘴更换容易，需要头部喷嘴装拆方便，且工程上实现起来较易。

发明内容

本发明的目的：提供一种能够保证燃烧室性能并且降低污染排放及便于头部装拆的直接燃油喷射的部分预混预蒸发燃烧室。

本实用新型的技术方案是：一种部分预混预蒸发燃烧室，包括扩压器11、外机匣12、内机匣13、喷油杆14、燃烧室头部15、火焰筒16和电嘴17，根据需要火焰筒上有主燃孔18和掺混孔19，所述燃烧室头部15由预燃级30和主燃级31组成，其中：

1预燃级30由预燃级一级涡流器32、预燃级二级涡流器35、文氏管33和预燃级喷嘴36构成；预燃级喷嘴36出口端面与文氏管33出口端面距离58在合适的范围内，以保证良好的雾化和燃烧性能。

2主燃级31由主燃级涡流器46、预混段48和直接燃油喷射式喷嘴44构成，直接燃油喷射式喷嘴喷孔45位于主燃级涡流器叶片47中间。

所述预燃级一级涡流器叶片37安装角度在30°～45°之间，叶片37数量在10～16片之间，旋流强度在0.5～0.7之间；文氏管角度39在20°～80°之间。

所述预燃级二级涡流器叶片38安装角度在30°～40°之间，叶片38数量在10～16片之间，旋流强度在0.4～0.6之间；套筒角度40在20°～80°之间，扩张段角度41在90°～120°之间。

所述主燃级涡流器叶片47安装角在35°~60°之间，使得主燃级旋流强度在0.6左右；且旋向与预燃级二级向涡流器35旋向相反。

所述预燃级一级向涡流器32与预燃级喷嘴36旋向相反，与预燃级二级向涡流器35旋向相同或相反，以保证良好的雾化和合理的燃油浓度、尺寸分布。

所述主燃级预混段48轴向长度52在20mm～30mm之间；预混段48内壁平直便于拆装。

所述头部转接段49有直径0.8mm～1.2mm的冲击冷却小孔50，对挡溅盘51进行冷却；所述直接燃油喷射式喷嘴44喷口45直径0.5mm~0.7mm，喷孔数量6~10个，喷射角度60在45°～90°之间；所述预混段48平直内壁开设的吹出附面层小孔53直径0.5～0.8mm，小孔数目在40～80个之间。

预燃级30和主燃级喷嘴44组成的大喷嘴62与主燃级涡流器46配合，其中主燃级涡流器46和头部转接段49固定于火焰筒16上。

所述预燃级一级涡流器32、预燃级二级涡流器35、预燃级一级涡流器叶片37、预燃级二级涡流器叶片38为斜向涡流器或轴向涡流器，所述主燃级涡流器叶片47为轴向或径向涡流器叶片，所述主燃级涡流器46为轴向涡流器或径向涡流器。

本发明的有益效果是：本实用新型预燃级采用直接喷射燃烧模式，既保证燃烧室稳定工作，又能减少小工况污染物排放，其文氏管设计不仅能解决喷嘴和文氏管积炭问题，还能保证在预燃级下游形成有助于点火和火焰稳定的回流区结构；主燃级采用贫油部分预混预蒸发燃烧技术，能较大幅度降低NO_x、UHC、CO和烟粒子等污染物的排放；主燃级涡流器的设计考虑了预防回火自燃现象的出现；主燃级轴/径向涡流器和平直预混段的设计考虑了头部装拆的问题。采用不同的头部进气，NOx排放能达到比CAEP/6低40%~70%。

附图说明

图1为低排放燃烧室示意图

图2为一种部分贫油预混预蒸发燃烧室头部方案示意图

图3为主燃级具体实施例子之一，显示了将轴向涡流器改变为径向涡流器的示意图

图4为主燃级具体实施例子之二，显示了在轴向涡流器上加直通道的示意图，两者结合使旋流强度为中等。

图5为预燃级具体实施例子之一，显示了将双级轴向涡流器改为斜轴向涡流器的示意图

图6为主燃级具体实施例子之二时，主燃级、预燃级喷嘴与涡流器装拆关系示意图

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例子详细介绍本实用新型。头部方案采用中心分级的两级油路DIPME（Rich/Lean Direct Injection and Lean PartialPre-Mixing & Pre-Evaporation）混合燃烧模式，即在起动和小状态时，预燃级采用富油直接喷射（Rich Direct Injection）燃烧模式，该燃烧模式是通过副油路离心喷嘴和斜/轴向涡流器及文氏管构成的预燃级实现局部富油，这种组织燃烧方式是介于预混燃烧和扩散燃烧之间；在大状态（包括起飞、爬升和巡航等状态）时，预燃级采用贫油直接喷射（Lean Direct Injection）燃烧模式，主燃级采用贫油部分预混预蒸发（Lean Partial Pre-Mixing&Pre-Evaporation）燃烧模式，使中心燃烧区起稳定火焰并降低燃气温度的作用，周围燃烧区为贫油部分预混预蒸发燃烧，燃烧区局部当量比控制在0.5~0.65之间，燃烧区温度控制在1700K~1900K范围内，并控制高温火焰的停留时间，从而有效控制NOx和CO的生成量。预燃级由两级涡流器和离心喷嘴及文氏管组成，预燃级燃油由离心喷嘴进行一次压力雾化，在文氏管壁上形成一层油膜至文氏管出口，在两级涡流器气动力剪切的作用下进行二次雾化；主燃级由一级轴/径向涡流器和压力直接燃油喷射式喷嘴组成，依靠喷嘴内外的压差进行一次雾化，再依靠涡流器内的旋转气流剪切作用，可以使燃油得到充分的雾化，并与来流空气进行良好的部分预混合。

图1是采用中心分级的两级油路DIPME（Rich/Lean Direct Injection andLean Partial Pre-Mixing&Pre-Evaporation）混合燃烧模式的低排放燃烧室示意图，燃烧室10包括扩压器11、外机匣12、内机匣13、喷嘴14、头部15、火焰筒16和电嘴17，根据需要火焰筒上有主燃孔18和掺混孔19。燃烧室的工作情况是：空气从扩压器11进入燃烧室，超过50%的空气从头部15进入火焰筒16，其余空气通过燃烧室外环20和内环21进入火焰筒16，燃油通过喷嘴14进入火焰筒16，在火焰筒16内，电嘴17点火后，空气与燃油燃烧，从火焰筒出口22排出高温燃气。

图2是DIPME低排放燃烧室头部15结构细节，头部由预燃级30和主燃级31组成。头部15进气量大约占燃烧室10总气量的50%~80%，具体进气量的多少同燃烧室的总油气比和冷却空气量有关，预燃级30进气量大约占燃烧室总进气量的5%~15%，具体进气量同燃烧室慢车状态油气比密切相关；主燃级31进气量大约占燃烧室总进气量的30%~40%，具体进气量同燃烧室起飞状态油气比密切相关。

预燃级30由预燃级一级斜轴向涡流器32、预燃级二级斜轴向涡流器35、文氏管33和预燃级喷嘴36构成。斜轴向涡流器32和35有效流通面积与文氏管33喉道面积共同决定预燃级30空气流量，预燃级二级斜轴向涡流器35的空气流量是预燃级一级斜轴向涡流器32的空气流量的1.1～1.5倍；文氏管33的设计需要考虑喷嘴积炭。此外，必须保证在预燃级30下游形成有助于点火和火焰稳定的回流区结构。预燃级喷嘴36端面与文氏管33出口端面距离58保持在合适范围，这样使得预燃级的燃烧方式介于预混燃烧和扩散燃烧之间，形成良好的二次气动雾化，不仅有助于燃烧室工作稳定，也有助于降低小工况的污染物。为了有助于良好二次气动雾化，文氏管角度39和套筒角度40在20°～80°；扩张段角度41在90°～120°，以形成良好的回流区结构，提高燃烧性能和污染排放特性。在燃烧室所有工况中，预燃级30都要工作，在起动和小状态时预燃级是局部富油燃烧，在大状态时预燃级是贫油燃烧。图5所示为预燃级实施例子之一。

主燃级31由主燃级轴径向涡流器46、预混段48和直接燃油喷射式喷嘴44构成。主燃级涡流器的旋流强度在0.6左右，在主燃级出口形成脱体火焰，有助于预防不稳定燃烧现象的出现。主燃级涡流器46的有效流通面积决定了主燃级31空气流量。预混段48长度52在20~30mm之间能有效保证主燃级燃油达到部分预混预蒸发。直接燃油喷射式喷嘴44的喷口45由涡流器叶片47通道之间喷出，依靠喷嘴内外的压差进行一次雾化，再依靠涡流器的旋转气流剪切作用，使得主燃级燃油得到充分的雾化和部分预混合。主燃级31一般在30%推力以上状态工作，其燃烧方式属于贫油预混燃烧，在主燃级31下游形成脱体火焰，对控制NOx污染物非常有利。为了防止在预混段48下游发生自燃，在预混段48内壁开设有40～80个φ0.5～φ0.8mm的的吹出附面层小孔53；为了防止发生回火，主燃级出口57设计为收敛型的，提高气流速度，使空气速度远大于湍流火焰传播速度。

图3是主燃级实施例子之一。将轴向涡流器改为径向涡流器，使头部更易装拆，主燃级燃油喷射在工程上实现相对较容易。主燃级出口高度63需与涡流器联合设计，为了使出口速度不宜过大，以涡流器作为节流件，这样，出口高度63取值在合适的范围内，以发生防回火。在主燃级出口有一个引导环64，引导气流向外偏转，但偏转角不能过大，角度61在30°～60°之间。

图4是主燃级实施例子之二。该主燃级实施例子在中航工业涡轮院已申请的低排放燃烧室头部专利专利号为CN202032612U中已提出，与本发明的预燃级30组合形成低排放燃烧室头部15。该头部15为了便于工程上拆装，只能将预燃级喷嘴36和主燃级喷嘴44与预燃级一级涡流器32、预燃级二级涡流器35和主燃级涡流器46进行分体设计，涡流器与火焰筒16相连，在主燃级喷嘴44环面上形成6～12凸台67，与涡流器46内壁面形成的槽68相配合，为了避免燃油从凸台67与槽68之间的缝漏油，特意留有吹除燃油的小缝59。强旋流的轴向涡流器46和无旋流的直通道55组合形成中等旋流，在下游形成脱体火焰。出口收敛喉道作为节流件，提高气流速度，防止发生回火。出口收敛角65、66在40°～60°之间；并在预混段48内壁上开有吹除附面层的小孔53。

Claims (9)

1.一种部分预混预蒸发燃烧室，包括扩压器（11）、外机匣（12）、内机匣（13）、喷油杆（14）、燃烧室头部（15）、火焰筒（16）和电嘴（17），根据需要火焰筒上有主燃孔（18）和掺混孔（19），其特征在于，所述燃烧室头部（15）由预燃级（30）和主燃级（31）组成，其中：

1）预燃级（30）由预燃级一级涡流器（32）、预燃级二级涡流器（35）、文氏管（33）和预燃级喷嘴（36）构成；预燃级喷嘴（36）出口端面与文氏管（33）出口端面距离（58）在合适的范围内，以保证良好的雾化和燃烧性能。

2）主燃级（31）由主燃级涡流器（46）、预混段（48）和直接燃油喷射式喷嘴（44）构成，直接燃油喷射式喷嘴喷孔（45）位于主燃级涡流器叶片（47）中间。

2.根据权利要求1所述的部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述预燃级一级涡流器叶片（37）安装角度在30°～45°之间，叶片（37）数量在10～16片之间，旋流强度在0.5～0.7之间；文氏管角度（39）在20°～80°之间。

3.根据权利要求1所述的部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述预燃级二级涡流器叶片（38）安装角度在30°～40°之间，叶片（38）数量在10～16片之间，旋流强度在0.4～0.6之间；套筒角度（40）在20°～80°之间，扩张段角度（41）在90°～120°之间。

4.根据权利要求1所述的部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述主燃级涡流器叶片（47）安装角在35°~60°之间，使得主燃级旋流强度在0.6左右；且旋向与预燃级二级向涡流器（35）旋向相反。

5.根据权利要求1所述的部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述预燃级一级向涡流器（32）与预燃级喷嘴（36）旋向相反，与预燃级二级向涡流器（35）旋向相同或相反，以保证良好的雾化和合理的燃油浓度、尺寸分布。

6.根据权利要求1所述的部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述主燃级预混段（48）轴向长度（52）在20mm～30mm之间；预混段（48）内壁平直便于拆装。

7.根据权利要求1～6所述的部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述头部转接段（49）有直径0.8mm～1.2mm的冲击冷却小孔（50），对挡溅盘（51）进行冷却；所述直接燃油喷射式喷嘴（44）喷口（45）直径0.5mm~0.7mm，喷孔数量6~10个，喷射角度（60）在45°～90°之间；

所述预混段（48）平直内壁开设的吹出附面层小孔（53）直径0.5～0.8mm，小孔数目在40～80个之间。

8.根据权利要求7所述的部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，预燃级（30）和主燃级喷嘴（44）组成的大喷嘴（62）与主燃级涡流器（46）配合，其中主燃级涡流器（46）和头部转接段（49）固定于火焰筒（16）上。

9.根据权利要求8所述的部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述预燃级一级涡流器（32）、预燃级二级涡流器（35）、预燃级一级涡流器叶片（37）、预燃级二级涡流器叶片（38）为斜向涡流器或轴向涡流器，所述主燃级涡流器叶片（47）为轴向或径向涡流器叶片，所述主燃级涡流器（46）为轴向涡流器或径向涡流器。

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