CN104949152B - 航空燃气轮机lng/航空煤油双燃料燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室，包括燃烧区，燃烧区包括预燃区和主燃区，燃烧区的外边界设置有内火焰筒壁，内边界设置有外火焰筒壁，在燃烧区前部设置有燃烧室头部，燃烧室头部通过头部端壁与内火焰筒壁面连接。本发明的有益效果：(1)本发明采用中心分级燃烧概念，实现两种燃料的同时应用，采用气体燃料的预燃级在提供稳火源的同时也降低了污染物排放，主燃级实现低污染燃烧，在降低污染排放的同时可确保航空燃气轮机燃烧室的稳定性；(2)本发明采用双环腔燃烧室结构，燃烧用空气全部由头部供入，火焰筒上只有掺混孔和必要的冷却孔，具有模块化特征，简化了燃烧室结构，预混预蒸发环管结构也较简单，易于加工。

Description

航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室

技术领域

本发明涉及一种航空燃气轮机燃烧室，尤其涉及能够使用LNG/航空煤油双燃料的航空燃气轮机燃烧室。

背景技术

随着全球军事航空和民用航空业的迅速发展，本世纪初欧美等国家意识到自身对石油基航空燃料的过分依赖，给国防和经济安全留下严重隐患。同时，全球气候变化也给航空运输业提出了新的要求，为了满足未来飞机用航空燃气轮机更经济、更环保的要求，各大航空工业大国针对航空燃气轮机导致的环境污染问题，在航空燃气轮机研究中将污染物的控制作为重点课题进行了广泛的研究。要达到国际航空运输协会提出的减排目标，在现有的燃油机制下仅仅依靠航空器轻量化和高效环保航空动力技术是不够的，还需要依靠更加环保的航空替代燃料。在未来30～50年内,航空替代燃料将以不会对飞机和发动机硬件产生影响的"即用型"燃料为主。

液化天然气(LNG)是将天然气经过干燥脱酸处理后，在低温下液化成液态的一种液态燃料，主要成分是甲烷(90％以上)、乙烷、氮气及少量C3～C5烷烃的低温液体。液态密度为0.42～0.46t/m³(3#航空煤油密度为0.78t/m³)，液态热值50MJ/kg(航空煤油约为42.5MJ/kg)。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积重量仅为同体积水的45％左右。与航空煤油相比，LNG具有密度低、成本低、热值高(LNG中氢碳比为4，Jet A航空煤油氢碳比为1.8，LNG比Jet A航空煤油热值高16％)的特点，同时LNG燃烧后产生的污染物要比航空煤油低(CO₂低20％)。发展LNG发动机技术，使LNG成为航空煤油的替代燃料将是解决航空煤油枯竭和环境问题的有效途径，对于民用航空和国防科技都有着至关重要的作用。

为实现LNG在航空燃气轮机上的应用GE公司开展了以LNG为燃料的飞机燃料系统的研究，并申请了多项国际专利：WO2012/173651A1、WO2014/105328A1，这些专利主要针对LNG作为航空燃气轮机燃料时需要对燃料供应系统、LNG的温度控制及LNG与航空煤油之间的协调控制进行了研究，但未涉及LNG与航空煤油如何在燃烧室内有效的燃烧。

为降低航空燃气轮机燃烧污染物排放，GE公司提出了中心分级的双环预混旋流燃烧室(TAPS)，并已将第I代TAPS应用到波音787飞机的GEnx发动机中。GE公司研发了多种采用预混预蒸发方式的燃油喷嘴，并申请了多项美国专利：0178732、6354072、6363726、6381964、6389815、6418726和6453660等，这些专利都是针对以航空煤油为燃料时通过降低主燃区油气比来实现燃烧室的低排放，未涉及双燃料的使用。

发明内容

为了实现LNG在航空燃气轮机上的应用，本发明提供了一种可应用LNG和航空煤油双燃料的中心分级低排放燃烧室，该技术方案能够在保证航空燃气轮机使用航空煤油的同时，采用LNG和航空煤油双燃料的稳定运行；此外，该技术方案可以降低航空燃气轮机燃料系统重量、延长飞机续航里程、降低航空燃气轮机尾气排放。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室，包括燃烧区，燃烧区包括预燃区和主燃区，燃烧区的外边界设置有内火焰筒壁，内边界设置有外火焰筒壁，外火焰筒壁外侧设置有外机匣，内火焰筒壁外侧设置有内机匣，在内火焰筒壁面上安装内掺混孔，外火焰筒壁面上安装外掺混孔，内外火焰筒壁面上设置有冷却孔，在燃烧区前部设置有燃烧室头部，燃烧室头部通过头部端壁与内火焰筒壁面连接。

所述的外火焰筒壁和内火焰筒壁为环形，并且在环形的内机匣和外机匣之间径向分布。

所述的燃烧室头部包括预燃级和主燃级，预燃级和主燃级按照同心的方式布置在一起，预燃级在中心，主燃级布置在预燃级外围。燃烧室头部沿航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室周向均匀布置，个数10～60个，其空气量占燃烧室总空气量的20％～80％，其中主燃级占头部空气量的60％～90％，预燃级占头部空气量的10％～40％。

所述的预燃级，包括中心喷嘴、一级旋流器、二级旋流器、LNG输油管和文氏管，LNG输油管前端设置有中心喷嘴，中心喷嘴外侧依次设置有一级旋流器和二级旋流器，中心喷嘴上套嵌有文氏管。

所述的中心喷嘴采用直射式喷嘴。

所述的主燃级，包括环形集油槽、三级旋流器、喷射孔、煤油经输油管和主混合区，环形集油槽外侧沿周向均匀分布喷射孔，油槽上端设置有煤油经输油管，喷射孔前端设置有主混合区和三级旋流器。

所述的环形集油槽外侧沿周向均匀布置8～24个直径为0.3～0.5mm喷射孔。

本发明的有益效果：(1)本发明采用中心分级燃烧概念，实现两种燃料的同时应用，采用气体燃料的预燃级在提供稳火源的同时也降低了污染物排放，主燃级实现低污染燃烧，在降低污染排放的同时可确保航空燃气轮机燃烧室的稳定性；

(2)本发明采用双环腔燃烧室结构，燃烧用空气全部由头部供入，火焰筒上只有掺混孔和必要的冷却孔，具有模块化特征，简化了燃烧室结构，预混预蒸发环管结构也较简单，易于加工。

附图说明：

图1是本发明提供的带有中心分级低排放双燃料燃烧室的航空燃气轮机示意图；

图2是本发明提供的中心分级低排放双燃料燃烧室结构示意图；

图3是本发明提供的中心分级低排放双燃料燃烧室头部示意图；

图4是本发明提供的中心分级低排放双燃料燃烧室中预燃级示意图；

图5是本发明提供的中心分级低排放双燃料燃烧室中主燃级示意图；

图中：1低压轴、2高压轴、3风扇、4低压压气机、5高压压气机、6航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室、7高压涡轮、8低压涡轮、9预燃区、10主燃区、11内火焰筒壁、12外火焰筒壁、13内机匣、14外机匣、15内掺混孔、16外掺混孔、17冷却孔、18燃烧室头部、19头部端壁、20预燃级、21主燃级、22中心喷嘴、23一级旋流器、24二级旋流器、25LNG输油管、26文氏管、27环形集油槽、28三级旋流器、29喷射孔、30煤油经输油管、31主混合区。

具体实施方式

下面结合附图和实施对本发明做进一步的描述。

如图1所示，为带有中心分级低排放双燃料燃烧室的两轴式航空燃气轮机的结构示意图。在低压轴的前端是风扇3和低压压气机4，后端是用于驱动低压轴的低压涡轮8。风扇3、低压压气机4、低压涡轮8通过轴承等连接件与低压轴1相连，风扇3位于低压压气机4前，低压涡轮位于高压涡轮7后。在高压轴2的前端为高压压气机5，后端为高压涡轮7，高压压气机5、高压涡轮7通过轴承与高压轴2相连，高压压气机位于低压压气机后，航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室6前，高压涡轮7位于航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室6后，低压涡轮8前。燃气轮机工作时，空气经风扇3、低压气机4增压后，再进入高压气机5，经高压压气机5压缩后的高压空气进入航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室6中燃烧。燃油喷射系统向高压气流中喷油，在航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室6中有效的燃烧，燃烧后形成的高压燃气进入到高压涡轮7和低压涡轮8推动涡轮做功。

如图2所示，航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室6，包括燃烧区，燃烧区包括预燃区9和主燃区10，燃烧区的外边界设置有内火焰筒壁11，内边界设置有外火焰筒壁12，外火焰筒壁12外侧设置有外机匣14，内火焰筒壁11外侧设置有内机匣13，环形的外火焰筒壁12和内火焰筒壁11在环形的内机匣13和外机匣14之间径向分布。在内火焰筒壁11面上安装内掺混孔15，外火焰筒壁12面上安装外掺混孔16，用于调整燃烧室出口温度分布，内外火焰筒壁11面上设置有冷却孔17，用于冷却火焰筒壁面，保证燃烧室的寿命。在燃烧区前部设置有燃烧室头部18，燃烧室头部18通过头部端壁19与内火焰筒壁11连接。

如图3所示，所述的燃烧室头部18包括预燃级20和主燃级21，预燃级20和主燃级21按照同心的方式布置在一起，预燃级20在中心，主燃级21布置在预燃级20外围。燃烧室头部18沿航空燃气轮机LNG/航空煤油双燃料燃烧室6周向均匀布置，个数10～60个，其空气量占燃烧室总空气量的20％～80％，其中主燃级占头部空气量的60％～90％，预燃级占头部空气量的10％～40％。

所述的燃油喷嘴供应燃烧室所需的全部燃油，包括预燃级喷嘴和主燃级喷油嘴，其中主燃级喷油嘴的个数为6～30个，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％；

燃烧过程在火焰筒的燃烧区内完成；预燃级20和主燃级21在燃烧区内形成两个同轴的环形旋转射流，预燃级20和主燃级21的燃料分别在位于燃烧区内部的预燃烧区和外部的主燃烧区内完成；预燃区9的功用是改善起动和低功率工况下的燃油雾化质量,获得满足点火、起动、贫油燃烧稳定性和燃烧效率等设计要求所需的流场；主燃区10的功用是形成均匀分布的预混混气,供起飞、爬升和巡航用；

在火焰筒内空气分三股进入燃烧室，第一股为冷却燃烧室头部和火焰筒所需的空气,第二股空气流经预燃级旋流器和主混合器进入火焰筒燃烧区,第三股空气由燃烧室的掺混孔进入燃烧室，使燃烧室出口温度满足涡轮入口要求；

如图4所示，所述的预燃级20，包括中心喷嘴22、一级旋流器23、二级旋流器24、LNG输油管25和文氏管26，LNG输油管25前端设置有中心喷嘴22，中心喷嘴22外侧依次设置有一级23和二级旋流器24，中心喷嘴22上套嵌有文氏管26。

预燃级20通过内侧的同旋向第一、第二双级旋流器和直射式天然气喷嘴的匹配来实现；其中，第一级旋流器为轴向旋流器，有6～16个旋流叶片；喷嘴与外周套设的喷嘴外套组合安装于第一级旋流器23入口中心；第二级旋流器24位于第一级旋流器23外，与第一级旋流器23为同向旋流器；第二级旋流器24后接文氏管26，第一股旋流空气经第一级旋流器23进入文氏管26，第二股旋流空气从第二级旋流器24进口经第二级轴向旋流器的叶片的通道产生旋流作用后，从第二级旋流器24出口进入火焰筒头部，天然气锥体在两股旋流空气作用下形成混合物，在值班区中以扩散燃烧方式发生化学反应；

中心喷嘴22采用直射式喷嘴，在油杆斜切面上沿周向均匀布置3-7个直径为0.3-0.5mm的喷射孔，气化后的LNG经LNG输油管25进入中心喷嘴22，喷嘴喷出的天然气经一级旋流器23、二级旋流器24和文氏管26混合后再进入到燃烧室的燃烧区中燃烧。

如图5所示，所述的主燃级21，包括环形集油槽27、三级旋流器28、喷射孔29、煤油经输油管30和主混合区31，环形集油槽27外侧沿周向均匀分布喷射孔29，油槽27上端设置有煤油经输油管30，喷射孔29前端设置有主混合区31和三级旋流器28。

主燃级21以液态航空煤油为燃料，其所述主燃级燃油经主燃级供油嘴、储油槽、多个周向均布的平口喷射孔喷射出，形成带有锥角的油雾锥体，经多个平口喷射孔直接喷射进入主混合器的空腔内，在空腔内燃油与从第三级旋流器进口进来的空气均匀掺混后进入火焰筒头部，形成均匀的预混油气混合物在外侧回流区中燃烧，形成贫预混的主燃区；

所述的环形集油槽27外侧沿周向均匀布置8～24个直径为0.3～0.5mm喷射孔29，具体个数取决于第三级旋流器叶片的个数N，喷嘴个数等于叶片个数N，或为N的一半。航空煤油经输油管30进入环形集油槽27，再经喷射孔29射入主混合区31,在主混合区31内燃油与三级旋流器28出口空气进行混合，实现燃油与空气的预混预蒸发，混合均匀的油气混合物进入主燃区10进行燃烧。

所述主燃级21的第三级旋流器28为径向旋流器，其叶片为弯曲叶片；叶片安装角为47°～67°，角度取决于所需要的旋流强度；叶片个数为8～24个，为偶数，具体个数取决于通过旋流器的通流面积；

参加燃烧的空气全部从头部三级旋流器28的组合装置中进入火焰筒，燃烧用的空气占全部空气量的80％～90％，剩余10％～20％的空气作为气膜对火焰筒壁面进行冷却，作为掺混空气满足涡轮入口温度要求。

本发明的原理如下：通过采用燃料分级的中心分级来实现LNG和航空煤油的双燃料燃烧室，通过控制航空发动机燃烧室内燃烧区的当量比和均匀度来达到降低污染排放的目的。采用燃油分级的中心分级燃烧方案，LNG通过气化装置转化为气态后通过预燃级喷嘴进入燃烧室，采用扩散燃烧保证整个燃烧室的燃烧稳定性，确保主燃级21在宽的当量比范围内燃烧完全，而航空煤油通过主燃级21的燃油喷嘴进入主燃区，在主燃区10利用预混预蒸发环管将液态燃油蒸发并与空气掺混，给燃烧室提供均匀可燃混气，从而控制整个燃烧区的当量比和均匀性，实现燃烧室的低排放。在燃烧室启动阶段，以LNG为燃料的预燃级首先启动，在高负荷状态启动主燃级21，全负荷和巡航状态下预燃级20和主燃级21同时工作。由于天然气具有可燃极限宽、雾化性能好、污染物排放低等优点，采用LNG的预燃级在实现航空发动机双燃料系统的同时还具有拓展燃烧室可燃极限、降低燃烧室污染物排放的作用。在低工况下，预燃级20局部当量比较高，具有较好的稳定性，尽管当时燃烧室总体当量比很低，却能保证燃烧室稳定工作。在大工况下，主燃级21和预燃级20同时工作，主燃级21的油流量占大部分，而该部分采用的均匀混气预混燃烧，使燃烧区的当量比在污染排放较低的范围内，从而控制了大工况下的污染排放。因此，燃烧室的污染排放主要受主燃级控制，而稳定工作范围主要受预燃级控制，确保了航空发动机在宽的工作范围内拥有低污染排放，同时在低工况和转级过程中具有良好的稳定性。

本发明一种采用中心分级低排放双燃料燃烧室，为了实现LNG和航空煤油的同时使用，采用了燃油分级供应方式。气化后的LNG和航空煤油分成两路进入燃烧室，其中第一路为气化后的LNG燃料从中心预燃级喷嘴22进入燃烧室，在一级旋流器23、二级旋流器24和文氏管26的作用下蒸发后燃烧，预燃级采用扩散燃烧。在发动机处于进场、慢车等小负荷状态时仅预燃级单独工作，并采用富油燃烧，燃烧室能高效稳定地工作，同时由于采用了气态燃料在扩大了可燃极限范围的同时可有效降低污染物的排放。

第二路采用航空煤油作为燃料，燃油通过航空煤油输油管30进入环形集油槽27，环形集油槽27侧面开有多个沿周向均布的直径为0.3～0.5mm的小孔，燃油通过小孔直接横向射入主混合区31的空腔内，在空腔内燃油与从三级旋流器28进口进来的空气均匀掺混后进入火焰筒头部，形成均匀的预混油气混合物在外侧回流区中燃烧，形成贫预混的主燃区。主燃区设计当量比为0.6～0.8的贫油燃烧，它同时兼有贫油预混预蒸发(LPP)和贫油直接喷射(LDI)的双重优点，全面降低主燃级的温度，主燃区燃烧温度控制在1800K以下，有效抑制NO_X尤其是热力型NO_X的生成。

在进场以上的大负荷如起飞和爬升时，预燃级和主燃级共同工作，预燃区的扩散燃烧对主燃区而言提供了稳定的点火源，既保证了低排放要求，又充分考虑到燃烧稳定性、燃烧效率等，全面满足燃烧室的基本性能要求。

Claims (4)

1.一种航空燃气轮机 LNG/航空煤油双燃料燃烧室，其特征在于: 包括燃烧区，燃烧区包括预燃区和主燃区，燃烧区的外边界设置有内火焰筒壁，内边界设置有外火焰筒壁，外火焰筒壁外侧设置有外机匣，内火焰筒壁外侧设置有内机匣，在内火焰筒壁面上安装内掺混孔，外火焰筒壁面上安装外掺混孔，内外火焰筒壁面上设置有冷却孔，在燃烧区前部设置有燃烧室头部，燃烧室头部通过头部端壁与内火焰筒壁面连接；所述的燃烧室头部包括预燃级和主燃级，预燃级和主燃级按照同心的方式布置在一起，预燃级在中心，主燃级布置在预燃级外围；所述的预燃级，包括中心喷嘴、一级旋流器、二级旋流器、LNG 输油管和文氏管，LNG 输油管前端设置有中心喷嘴，中心喷嘴外侧依次设置有一级旋流器和二级旋流器，中心喷嘴上套嵌有文氏管；所述的中心喷嘴采用直射式喷嘴；

所述主燃级的第三级旋流器为径向旋流器，其叶片为弯曲叶片；叶片安装角为

47°～ 67°，角度取决于所需要的旋流强度；叶片个数为 8 ～ 24 个，为偶数，具体个数取决于通过旋流器的通流面积；

所述的预燃级采用天然气为燃料，主燃级以液态航空煤油为燃料。

2.根据权利要求 1 所述的航空燃气轮机 LNG/航空煤油双燃料燃烧室，其特征在于:所述的外火焰筒壁和内火焰筒壁为环形，并且在环形的内机匣和外机匣之间径向分布。

3.根据权利要求 1 所述的航空燃气轮机 LNG/航空煤油双燃料燃烧室，其特征在于:所述的主燃级，包括环形集油槽、三级旋流器、喷射孔、煤油经输油管和主混合区，环形集油槽外侧沿周向均匀分布喷射孔，油槽上端设置有煤油经输油管，喷射孔前端设置有主混合区和三级旋流器。

4.根据权利要求 3 所述的航空燃气轮机 LNG/航空煤油双燃料燃烧室，其特征在于:所述的环形集油槽外侧沿周向均匀布置 8 ～ 24 个直径为 0.3 ～ 0.5mm 喷射孔。