CN103123122A

CN103123122A - 一种主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室

Info

Publication number: CN103123122A
Application number: CN2012105895907A
Authority: CN
Inventors: 颜应文; 徐榕; 邓远灏; 朱嘉伟; 李诗; 党龙飞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103123122B

Abstract

本发明涉及一种主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，属于航空发动机领域，本发明核心思想是进行空气分级和燃油分级，它由值班级/副模和主级/主模组成，值班级包括一级轴向旋流器(8)、二级轴向旋流器(9)、套筒(10)和值班级收扩段(20)，形成扩散燃烧，提供稳定点火源；主级包括主级旋流器(11)、主级供油管（15）、集油腔(16)、燃油直射式喷口(17)、主级收扩段(12)以及主级预混环腔(22)，进行部分预混预蒸发贫油燃烧，降低高温热点，从而减少热力型NO_X排放。本发明的燃烧室具有中心分级思想的贫油预混预蒸发燃烧模式，可以在不牺牲燃烧室其他性能的同时，能有效的降低航空发动机燃烧室污染排放，包括NOx、冒烟、CO及UHC。

Description

一种主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室

技术领域

本发明涉及一种主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，属于航空发动机技术领域。

背景技术

目前，民用航空发动机向大气排放的污染物日益增多，对大气污染也日趋严重。为了控制飞机发动机排放对环境造成的影响，民机燃烧室污染排放要求满足国际民航组织ICAO CAEP标准，目前执行的是CAEP6，特别是对NO_X排放要求越来越严格。为了满足CAEP标准，各大航空发动机公司和研究机构均开展低污染燃烧技术的研究，GE公司开发了双环预混旋流(Twin Annular Premixing Swirler, TAPS) 燃烧技术，排放量比1996年ICAO标准约低65％；普惠公司采用RQL燃烧技术开发了第3代TALON III燃烧室。

传统军机主燃烧室采用的是扩散燃烧，在100％工况下，主燃烧区油气比为化学恰当油气比设计，燃烧效率高，但主燃区燃气温度非常高，因此会产生大量的热力型NOx；而在慢车工况时，燃烧效率低，燃烧不完全，因此污染物CO和UHC生成比较多。因此，常规扩散燃烧方式难以达到目前或将来低污染排放要求。目前，在研的民用航空发动机燃烧室主要采用贫油预混预蒸发低污染燃烧方式，最核心思想是对空气和燃油进行分级，空气分别从主级/主模和值班级/副模进入燃烧室头部，值班级一般采用小流量压力雾化喷嘴进行扩散燃烧方式，而主级一般进行部分预混燃烧，从而实现燃烧室贫油预混预蒸发燃烧，由于主级燃烧温度均匀，从而降低污染物NO_X的排放。

发明内容

本发明针对上述问题的不足，提出一种主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，该燃烧室在满足航空发动机的性能条件下，能有效的降低航空发动机燃烧室污染排放，包括NOx、冒烟、CO及UHC。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，包括燃烧室头部、火焰筒、燃烧室内环通道(25)、燃烧室外环通道(24)、喷油杆(21)及机匣，喷油杆(21)安装在机匣(6)上，燃烧室头部通过喷油杆(21)与机匣相连，而燃烧室头部、燃烧室内环通道(25)和燃烧室外环通道(24)按流量分配规律设计，所述喷油杆(21)设置有值班级离心喷嘴(7)和主级供油管(15)的双油路管道，所述燃烧室头部为圆形双环腔结构，分为值班级/副模(1)和主级/主模(2)两部分，且所述主级(2)环绕在值班级(1)的外环；所述值班级包括一级轴向旋流器(8)、二级轴向旋流器(9)、套筒(10)和值班级收扩段(20)，一级轴向旋流器(8)与二级轴向旋流器(9)旋向可以相同也可以相反，所述一级轴向旋流器(8) 环绕在离心喷嘴(7)外面，而二级轴向旋流器(9) 环绕在一级轴向旋流器(8) 的外面，所述一级轴向旋流器(8)与二级轴向旋流器(9)之间连接值班级收扩段(20)，且值班级收扩段(20)位于一级轴向旋流器(8)的出口处，而套筒(10)设置在二级轴向旋流器(9)的外面；主级包括主级旋流器(11)、主级供油管（15）、集油腔(16)、燃油直射式喷口(17)、主级收扩段(12)以及主级预混环腔(22)，所述主级旋流器(11)环绕在套筒(10)的外面，且喷油杆(21)、主级供油管（15）、集油腔(16)、燃油直射式喷口(17)、主级旋流器(11)、主级预混环腔(22)依次连接，且燃油直射式喷口17布置在主级旋流器11的叶片通道中，同时所述主级收扩段(12)设置在主级预混环腔(22)的出口。

进一步地：所述主级和值班级之间设置有头部内环冷却组件(3)，空气经头部内环冷却组件(3)上的头部内环冷却小孔(18)进入，对头部内环档溅盘(19)进行冲击冷却；而所述主级和火焰筒之间设置有头部外环冷却组件(4)，空气经头部外环冷却组件(4)上的头部外环冷却小孔(13)进入，对头部外环档溅盘(14)进行冲击冷却。

优选的：所述一级轴向旋流器(8)的叶片、值班级收扩段与二级轴向旋流器(9)的叶片通过整体机械加工、整体铸造或焊接等方式加工形成，套筒(10)与值班级档溅盘(19)和头部内环冷却组件(3)焊接相联，头部内环冷却组件(3)与主级(2)通过焊接相联或通过螺栓相联，主级(2)与头部外环冷却组件(4)相互焊接或螺栓连接，主级集油腔与主级(2)可以通过焊接或螺栓相互连接。

优选的：所述燃油直射式喷口(17)在圆环上的分布数量为6～36个。

优选的：所述值班级一级轴向旋流器(8)的旋流角度为20°～45°，一级轴向旋流器(8)的叶片数目为8～16片，且一级轴向旋流器(8)叶片的旋向沿气流方向可为顺时针或逆时针，原则上与喷雾旋向相反；所述值班级二级轴向旋流器(9)叶片安装角为25°～45°，叶片数目为8～20；二级轴向旋流器(9)叶片旋流安装角度与一级轴向旋流器(8)叶片旋流安装角度相反或相同。

优选的：所述套筒(10)的扩张角度为8°～20°。

优选的：所述主级旋流器(11)为径向旋流器或轴向旋流器；所述径向旋流器叶片安装角为40°～60°，叶片数目为12～40；所述轴向旋流器叶片安装角为30°～70°，叶片数目为6～48。

优选的：所述燃烧室头部的空气量占燃烧室总空气量的50％～85％，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％。

优选的：所述火焰筒(5)的冷却采用全覆盖气膜冷却、冲击发散冷却或是其它复合冷却方式，所述火焰筒后部根据实际需要布置有多个掺混孔。

本发明的工作过程：

来自高压压气机的空气从扩压器(23)进入燃烧室后，之后分三路分别进入燃烧室内环通道(25)、燃烧室头部和燃烧室外环通道(24)，内、外环通道的空气分别从火焰筒(5)上的掺混孔和气膜冷却孔进入火焰筒。燃烧室中燃烧用气大部分从头部供入，其它用气均从火焰筒供入。而燃烧室头部包括值班级(1)和主级(2)。在值班级(1)中，燃油（占总燃油的5%～50％）经离心喷嘴(7)喷出并进行初始雾化，受到来自环绕在其周围的一级轴向旋流器(8)气流的撞击破碎，形成二次雾化，接着值班级收扩段(20)出口受一级轴向旋流器(8) 和二级轴向旋流器(9)出口气流的剪切破碎进行三次雾化，掺混后的油气混合物进入燃烧室主燃区进行部分扩散燃烧，形成稳定点火源；对于主级，燃油（占总燃油的50％～95％）从供油管(15)进入主级集油腔(16)，再分别经主级燃油直射喷口(17)喷出，可以调节主级燃油直射式喷口喷射角度和轴向位置，来调节主级燃油雾化情况，由于主级燃油直射式喷口(17)布置在主级叶片通道中，且由于燃油喷射方向与主级空气流动方向相互垂直或相对，燃油在主级气动力作用下，实现破碎、雾化，之后进入主级预混环腔(22)，燃油与空气在预混环腔(22)内继续混合并部分蒸发后进入燃烧区，形成贫油预混燃烧。

本发明的一种主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，相比现有技术，具有以下有益效果：

1. 由于值班级由一级或两级（包括同向或反向）轴向旋流器和压力雾化喷嘴组成，形成扩散火焰，因此能够提供稳定点火源，兼顾点火/熄火性能以及慢车工况燃烧效率问题。

2. 由于主级由一个径向旋流器或轴向旋流器、空腔与多个燃油直接喷射孔组成，因而进行部分预混预蒸发均匀燃烧，降低高温热点，从而降低大工况下NO_X、冒烟、CO及UHC排放，同时且该类型的主级燃油雾化方式结构简单。

3. 由于主燃级空气进气占整个扩压器进气的40％～70％左右，而燃油占总燃油的50％～95％，并且在空腔中进行了部分预混预蒸发，因此基本实现预混预蒸发燃烧，降低污染物排放，同时值班级提供稳定可靠的点火源。

4. 由于设置有值班级收扩段(20)、主级收扩段(12)，从而有效防止贫油预混预蒸发燃烧中的回火、喷嘴积碳问题。

5. 由于空气经头部内环冷却组件(3)上的头部内环冷却小孔(18)进入，对头部内环档溅盘(19)进行冲击冷却，同时空气经头部外环冷却组件(4)上的头部外环冷却小孔(13)进入，对头部外环档溅盘(14)进行冲击冷却，从而延长燃烧室头部的使用寿命。

6. 由于火焰筒(5)的冷却采用全覆盖气膜冷却、冲击发散冷却或是其它复合冷却方式，从而控制火焰筒壁面温度，因而延长火焰筒使用寿命；在火焰筒后部根据实际需要来布置掺混孔，从而控制燃烧室出口温度分布。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1的燃烧室头部结构放大图；

其中：1.值班级/副模，2.主级/主模，3.头部内环冷却组件，4.头部外环冷却组件，5.火焰筒，6. 机匣，7. 值班级离心喷嘴，8. 一级轴向旋流器，9. 二级轴向旋流器，10.套筒，11.主级旋流器，12.主级收扩段，13.头部外环冷却小孔，14.头部外环档溅盘，15.主级供油管，16. 集油腔，17. 燃油直射式喷口，18.头部内环冷却小孔，19.头部内环档溅盘，20.值班级收扩段，21.喷油杆，22.主级预混环腔，23.扩压器，24. 燃烧室外环通道，25.燃烧室内环通道。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

实施例

本实施例的一种主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室如图1、2所示，包括燃烧室头部、火焰筒5、燃烧室内环通道25、燃烧室外环通道24、喷油杆21及机匣，喷油杆21安装在机匣6上，一方面为燃烧室头部供油，另一方面承担一部分机械力，燃烧室头部通过喷油杆21与机匣6相连，而燃烧室头部、燃烧室内环通道25和燃烧室外环通道24按流量分配规律设计，内、外环通道的空气分别从火焰筒5上的掺混孔和气膜冷却孔进入火焰筒，所述喷油杆21设置有值班级离心喷嘴7和主级供油管15的双油路管道，所述燃烧室头部为圆形双环腔结构，分为值班级/副模1和主级/主模2两部分，且所述主级2环绕在值班级1的外环；所述值班级包括一级轴向旋流器8、二级轴向旋流器9、套筒10和值班级收扩段20，一级轴向旋流器8与二级轴向旋流器9旋向可以相同也可以相反，所述一级轴向旋流器8 环绕在值班级离心喷嘴7外面，而二级轴向旋流器9 环绕在一级轴向旋流器8 的外面，所述一级轴向旋流器8与二级轴向旋流器9之间连接值班级收扩段20，且值班级收扩段20位于一级轴向旋流器8的出口处，值班级收扩段20相当于文氏管，其收缩段角度和扩张段角度的设计都很重要,可有效防止回火、喷嘴积碳，而套筒10设置在二级轴向旋流器9的外面；主级包括主级旋流器11、主级供油管15、集油腔16、燃油直射式喷口17、主级收扩段12以及主级预混环腔22，所述主级旋流器11环绕在套筒10的外面，且喷油杆21、主级供油管15、集油腔16、燃油直射式喷口17、主级旋流器11、主级预混环腔22依次连接，且燃油直射式喷口17布置在主级旋流器11的叶片通道中，同时所述主级收扩段12设置在主级预混环腔22的出口。

所述主级2和值班级1之间设置有头部内环冷却组件3，空气经头部内环冷却组件3上的头部内环冷却小孔18进入，对头部内环档溅盘19进行冲击冷却；而所述主级和火焰筒之间设置有头部外环冷却组件4，空气经头部外环冷却组件4上的头部外环冷却小孔13进入，对头部外环档溅盘14进行冲击冷却。

所述一级轴向旋流器8的叶片、值班级收扩段与二级轴向旋流器9的叶片通过整体机械加工、整体铸造或焊接等方式加工形成，套筒10与值班级档溅盘19和头部内环冷却组件3焊接相联，头部内环冷却组件3与主级2通过焊接相联或通过螺栓相联，主级2与头部外环冷却组件4相互焊接或螺栓连接，主级集油腔与主级2可以通过焊接或螺栓相互连接。

所述燃油直射式喷口17在圆环上的分布数量、喷射角度以及轴向距离可以根据所需的工作状态以及主级叶片数目来确定，所述燃油直射式喷口17在圆环上的分布数量为6～36个，燃油直射式喷口17的喷射角度在－45°～45°之间，以使得主级预混腔22的油气混合更加均匀；并且根据工况不同，燃油直射式喷口17打开的数目可以进行控制。

所述值班级一级轴向旋流器8的旋流角度为20°～45°，一级轴向旋流器8的叶片数目为8～16片，具体根据实际情况确定，一级轴向旋流器8叶片的旋向沿气流方向可为顺时针或逆时针，原则上与喷雾旋向相反；所述值班级二级轴向旋流器9叶片安装角为25°～45°，叶片数目为8～20；二级轴向旋流器9叶片旋流安装角度与一级轴向旋流器8叶片旋流安装角度相反或相同。

所述套筒10的扩张角度为8°～20°。

所述主级旋流器11为径向旋流器或轴向旋流器；所述径向旋流器叶片安装角为40°～60°，叶片数目为12～40；所述轴向旋流器叶片安装角为30°～70°，叶片数目为6～48。

所述燃烧室头部的空气量占燃烧室总空气量的50％～85％，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％。

所述火焰筒5的冷却采用全覆盖气膜冷却、冲击发散冷却或是其它复合冷却方式，因而能够控制火焰筒壁面温度，从而延长火焰筒使用寿命；所述火焰筒后部根据实际需要布置有多个掺混孔，从而控制燃烧室出口温度分布。

本发明的工作过程：

来自高压压气机的空气从扩压器23进入燃烧室后，之后分三路分别进入燃烧室内环通道25、燃烧室头部和燃烧室外环通道24，内、外环通道的空气分别从火焰筒5上的掺混孔和气膜冷却孔进入火焰筒。燃烧室中燃烧用气大部分从头部供入，其它用气均从火焰筒供入，而燃烧室头部包括值班级1和主级2。在值班级1中，燃油（占总燃油的5%～50％）经离心喷嘴7喷出并进行初始雾化，受到来自环绕在其周围的一级轴向旋流器8气流的撞击破碎，形成二次雾化，接着值班级收扩段20出口受一级轴向旋流器8 和二级轴向旋流器9出口气流的剪切破碎进行三次雾化，掺混后的油气混合物进入燃烧室主燃区进行部分扩散燃烧，形成稳定点火源；对于主级，燃油（占总燃油的50％～95％）从供油管15进入主级集油腔16，再分别经主级燃油直射喷口17喷出，可以调节主级燃油直射式喷口喷射角度和轴向位置，来调节主级燃油雾化情况，由于主级燃油直射式喷口17布置在主级旋流器11的叶片通道中，且由于燃油喷射方向与主级空气流动方向相互垂直或相对，燃油在主级气动力作用下，实现破碎、雾化，之后进入主级预混环腔22，燃油与空气在预混环腔22内继续混合并部分蒸发后进入燃烧区，形成贫油预混燃烧。

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。

Claims

1.一种主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，包括燃烧室头部、火焰筒、燃烧室内环通道(25)、燃烧室外环通道(24)、喷油杆(21)及机匣，喷油杆(21)安装在机匣(6)上，燃烧室头部通过喷油杆(21)与机匣相连，而燃烧室头部、燃烧室内环通道(25)和燃烧室外环通道(24)按空气流量分配规律设计，所述喷油杆(21)设置有值班级离心喷嘴(7)和主级供油管(15)的双油路管道，其特征在于：所述燃烧室头部为圆形双环腔结构，分为值班级/副模(1)和主级/主模(2)两部分，且所述主级(2)环绕在值班级(1)的外环；所述值班级包括一级轴向旋流器(8)、二级轴向旋流器(9)、套筒(10)和值班级收扩段(20)，一级轴向旋流器(8)与二级轴向旋流器(9)旋向可以相同也可以相反，所述一级轴向旋流器(8) 环绕在离心喷嘴(7)外面，而二级轴向旋流器(9) 环绕在一级轴向旋流器(8) 的外面，所述一级轴向旋流器(8)与二级轴向旋流器(9)之间连接值班级收扩段(20)，且值班级收扩段(20)位于一级轴向旋流器(8)的出口处，而套筒(10)设置在二级轴向旋流器(9)的外面；主级包括主级旋流器(11)、主级供油管（15）、集油腔(16)、燃油直射式喷口(17)、主级收扩段(12)以及主级预混环腔(22)，所述主级旋流器(11)环绕在套筒(10)的外面，且喷油杆(21)、主级供油管（15）、集油腔(16)、燃油直射式喷口(17)、主级旋流器(11)、主级预混环腔(22)依次连接，且燃油直射式喷口17布置在主级旋流器11的叶片通道中，同时所述主级收扩段(12)设置在主级预混环腔(22)的出口。

2.根据权利要求1所述主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述主级和值班级之间设置有头部内环冷却组件(3)，空气经头部内环冷却组件(3)上的头部内环冷却小孔(18)进入，对头部内环档溅盘(19)进行冲击冷却；而所述主级和火焰筒之间设置有头部外环冷却组件(4)，空气经头部外环冷却组件(4)上的头部外环冷却小孔(13)进入，对头部外环档溅盘(14)进行冲击冷却。

3.根据权利要求2所述主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述一级轴向旋流器(8)的叶片、值班级收扩段与二级轴向旋流器(9)的叶片通过整体机械加工、整体铸造或焊接等方式加工形成，套筒(10)与值班级档溅盘(19)和头部内环冷却组件(3)焊接相联，头部内环冷却组件(3)与主级(2)通过焊接相联或通过螺栓相联，主级(2)与头部外环冷却组件(4)相互焊接或螺栓连接，主级集油腔与主级(2)可以通过焊接或螺栓相互连接。

4.根据权利要求3所述主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述燃油直射式喷口(17)在圆环上的分布数量为6～36个。

5.根据权利要求4所述主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述值班级一级轴向旋流器(8)的旋流角度为20°～45°，一级轴向旋流器(8)的叶片数目为8～16片，且一级轴向旋流器(8)叶片的旋向沿气流方向可为顺时针或逆时针，原则上与喷雾旋向相反；所述值班级二级轴向旋流器(9)叶片安装角为25°～45°，叶片数目为8～20；二级轴向旋流器(9)叶片旋流安装角度与一级轴向旋流器(8)叶片旋流安装角度相反或相同。

6.根据权利要求5所述主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述套筒(10)的扩张角度为8°～20°。

7.根据权利要求6所述主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述主级旋流器(11)为径向旋流器或轴向旋流器；所述径向旋流器叶片安装角为40°～60°，叶片数目为12～40；所述轴向旋流器叶片安装角为30°～70°，叶片数目为6～48。

8.根据权利要求7所述主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述燃烧室头部的空气量占燃烧室总空气量的50％～85％，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％。

9.根据权利要求8所述主级燃油直接喷射的贫油预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于：所述火焰筒(5)的冷却采用全覆盖气膜冷却、冲击发散冷却或是其它复合冷却方式，所述火焰筒后部根据实际需要布置有多个掺混孔。