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CN111649354B - 一种三旋流分级旋流器及其燃烧室 - Google Patents

一种三旋流分级旋流器及其燃烧室 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三旋流分级旋流器及其燃烧室，其中旋流器包括轴向连接件和径向连接件，所述轴向连接件的中心设有轴向通孔，所述径向连接件包括同轴且间隔设置的第一文氏管和第二文氏管，所述第一文氏管和第二文氏管之间的环形空间内固定连接有多组呈环形阵列设置的叶片，多组所述叶片的两端均与第一文氏管和第二文氏管固定连接并将环形空间均匀分割成多个相对独立的子空间。本发明通过旋流器特殊的结构设计及布置方式，不仅可以达到低污染燃烧室减小污染物的排放的目标，而且还简化了燃烧室主燃级供油系统，并降低主燃级燃油喷嘴结焦的可能性。

Description

一种三旋流分级旋流器及其燃烧室
技术领域
本发明属于燃烧室技术领域，具体涉及一种三旋流分级旋流器及其燃烧室。
背景技术
随着人们对生存环境及健康的关注日益增多，人们对危害自身身体健康及对环境产生破坏的各种污染源也给予了更多的关注并进行严格控制。虽然从燃烧污染物排放的总量来看，航空发动机和工业燃气轮机占的比例很小，但是，由于其局部特征，如在机场附近和使用工业燃气轮机的地点会聚集高浓度的污染排放物。在空中，各类飞机产生的污染排放物是高空大气污染物的唯一来源。因此，燃气轮机(包括航空发动机和各种工业燃气轮机)的排放物受到了越来越严格的限制。
对于民用航空燃气轮机的污染排放标准，使由国际民航组织颁布的。国际民航组织现行的环境保护方面的活动都由航空环境保护委员会来组织，现在执行的是CAEP6，特别是对NOx的排放要求越来越严格。
对于工业燃气轮机和船用燃气轮机，由于各国各地的法律法规不同，现在没有一个统一的标准，都是根据各国和各地对环境保护的要求而制定的。从世界范围来看，美国南加州和日本，由于公众的环保意识强烈，要求立法，将NOx的排放的限制在9ppmv，所谓的个位数排放。欧洲的排放标准大体上与美国环保局的规定类似。
为了满足ICAO CAEP标准，各大航空公司和研究机构均展开了低污染燃烧技术的研究。GE公司为其GEnx发动机研制了TAPS低污染燃烧室，普惠公司沿用RQL的方式降低污染物排放，研发了TALON X，罗罗公司采用了LPP的燃烧组织方式，将ICAO CAEP2标准中的NOx污染排放指数降低70％以上。罗罗公司还发展了另一种低污染燃烧室—ANTLE，应用了LDM低污染燃烧方式，实验结果表明NOx污染排放比当前的ICAO标准低50％。
在工业燃气轮机方面，各大燃气轮机公司各自发展了不同类型的低污染燃烧室。罗罗公司的RB211-DLE工业低污染燃烧室，采用两级预混燃烧方式，头部为两级旋流器，分级燃油喷嘴来控制火焰筒内的火焰温度。NOx污染排放小于25ppm,CO污染物排放小于50ppm,燃油为气相燃料。罗罗公司TRENT工业低污染燃烧室，采用三级预混方式，头部为两级旋流器，分级燃油喷嘴来控制火焰筒内的火焰温度。NOx污染排放小于25ppm,CO污染物排放小于5ppm,燃油为气相燃料。GE公司的LM2500/6000工业低污染燃烧室，环形燃烧室中安排了75个双旋流器，两级旋流器旋向相反，径向方向安排了三排。气态燃料试验结果NOx污染排放小于25ppm，CO污染物排放为10ppm。
上述的航空发动机或地面燃气轮机虽然不同程度上解决了低污染燃气轮机的排放要求，但是结构及供油系统复杂，造成重量过高，针对上述不足，提出了一种三旋流分级旋流器及其燃烧室。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种三旋流分级旋流器及其燃烧室，本发明通过旋流器特殊的结构设计及布置方式，不仅可以达到低污染燃烧室减小污染物的排放的目标，而且还简化了三级旋流燃烧室主燃级供油系统，并降低主燃级燃油喷嘴结焦的可能性，解决了现有的发动机结构及供油系统复杂，造成重量过高的问题。
技术方案：本发明一种三旋流分级旋流器，包括轴向连接件和径向连接件，所述轴向连接件的中心设有轴向通孔，所述径向连接件包括同轴且间隔设置的第一文氏管和第二文氏管，所述第一文氏管和第二文氏管之间的环形空间内固定连接有多组呈环形阵列设置的叶片，多组所述叶片的两端均与第一文氏管和第二文氏管固定连接并将环形空间均匀分割成多个相对独立的子空间；
所述轴向连接件和第一文氏管同轴设置且固定连接，轴向连接件的轴向通孔与第一文氏管的中心孔相通，轴向连接件的轴向通孔周侧呈环形阵列设置有多组第一轴向斜切孔，所述第一轴向斜切孔与第一文氏管的中心孔相通，所述轴向连接件的端面周侧呈环形阵列设置有多组第二轴向斜切孔，所述第一文氏管靠近轴向连接件的端面周侧呈环形阵列设置有多组第三轴向斜切孔，所述第三轴向斜切孔与第二轴向斜切孔一一对应且相通，多组第三轴向斜切孔的另一端与多个子空间一一对应且相通。
进一步的，所述轴向连接件的轴向通孔直径小于第一文氏管的中心孔直径，所述第一文氏管的中心孔直径小于第二文氏管的中心孔直径。
进一步的，所述第一轴向斜切孔形状为圆形，第一轴向斜切孔内的气流在径向方向沿旋流器径向向中心流动，并与第一文氏管中心孔内的气流相通。第一轴向斜切孔的角度在30到60度之间，数量为6到9个。
进一步的，所述第二轴向斜切孔的形状为圆形，第二轴向斜切孔内的气流在径向方向沿旋流器径向向外缘流动，并与第三轴向斜切孔的气流相通。第二轴向斜切孔的角度在30到60度之间，数量为6到9个。
进一步的，所述第一轴向斜切孔与第二轴向斜切孔交叉排列。
一种设置有如上述任一项所述三旋流分级旋流器的燃烧室，包括火焰筒头部，所述火焰筒头部由预燃级和主燃级组成，所述预燃级包括预燃级离心喷嘴，所述预燃级离心喷嘴的出口与轴向连接件的出口平齐；所述主燃级包括主燃级直射式喷嘴，所述主燃级直射式喷嘴喷出的一次雾化燃油与进入蒸发管中的空气进行剪切二次雾化，并在蒸发管中蒸发掺混后通过第二轴向斜切孔和第三轴向斜切孔进一步蒸发掺混，最后与经过相对独立的子空间内的空气二次掺混，掺混达到所需的当量比通过第一文氏管和第二文氏管之间的环形空间出口进入火焰筒中。
有益效果：本发明与现有技术相比所具有的优点如下：
(1)本发明的三旋流分级旋流器将预燃级斜切孔式旋流器、主燃级斜切孔式旋流器和主燃级径向旋流器进行了一体化设计，由于其特殊设计，不仅使主流燃油实现了预混预蒸发的效果，而且由于蒸发管的空气冷却作用可以防止预燃级离心喷嘴和主燃级直射式喷嘴过早结焦；
(2)燃烧室的燃油系统更加简单，燃烧室头部更加紧凑，燃烧室重量大幅减轻，可以实现更宽工况下的高效低排放燃烧。
附图说明
图1为本发明三旋流分级旋流器结构示意图；
图2为本发明三旋流分级旋流器另一角度结构示意图；
图3为轴向连接件结构示意图；
图4为轴向连接件主视图和后视图；(图(a)表示轴向连接件主视图，图(b)表示轴向连接件后视图)
图5为径向连接件结构示意图；
图6为径向连接件主视图；
图7为本发明燃烧室结构示意图；
图8为图7中A处放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
如图1和图2所示，本发明一种三旋流分级旋流器将预燃级斜切孔式旋流器、主燃级斜切孔式旋流器和主燃级径向旋流器进行了一体化设计，其包括轴向连接件1和径向连接件2，轴向连接件1的中心设有轴向通孔11，径向连接件2包括同轴且间隔设置的第一文氏管21和第二文氏管22，第一文氏管21和第二文氏管22之间的环形空间内固定连接有多组呈环形阵列设置的叶片23，叶片23安装角度在30到45度之间，叶片23数量9到16组，本实施例中叶片23安装角度在30度，叶片23数量8组，8组叶片23的两端均与第一文氏管21和第二文氏管22固定连接并将环形空间均匀分割成8个相对独立的子空间24；
如图3至图6所示，轴向连接件1和第一文氏管21同轴设置且固定连接，轴向连接件1的轴向通孔11与第一文氏管21的中心孔211相通，轴向连接件1的轴向通孔11直径小于第一文氏管21的中心孔211直径，第一文氏管21的中心孔211直径小于第二文氏管22的中心孔221直径，轴向连接件1的轴向通孔11周侧呈环形阵列设置有8组第一轴向斜切孔12，8组第一轴向斜切孔12与第一文氏管21的中心孔211相通，第一轴向斜切孔12形状为圆形，第一轴向斜切孔12的角度在30度，第一轴向斜切孔12内的气流在径向方向沿旋流器径向向中心流动，并与第一文氏管21中心孔211内的气流相通；
轴向连接件1的端面周侧呈环形阵列设置有8组第二轴向斜切孔13，第一轴向斜切孔12与第二轴向斜切孔13交叉排列，即每2组第二轴向斜切孔13之间有1组第一轴向斜切孔12与之匹配，每2组第一轴向斜切孔12有1组第二轴向斜切孔13与之匹配；第二轴向斜切孔13的形状为圆形，第二轴向斜切孔13的角度在30度，第二轴向斜切孔13内的气流在径向方向沿旋流器径向向外缘流动，并与第三轴向斜切孔25的气流相通；第一文氏管21靠近轴向连接件1的端面周侧呈环形阵列设置有8组第三轴向斜切孔25，第三轴向斜切孔25与第二轴向斜切孔13一一对应且相通，8组第三轴向斜切孔25的另一端与8个子空间24一一对应且相通；
如图7和图8所示，本发明的燃烧室具有三旋流分级旋流器，还包括火焰筒头部3，火焰筒头部3由预燃级4和主燃级5组成；预燃级4与主燃级5以中心分级的方式装配在一起，预燃级4在中心，主燃级5在预燃级4的外侧；
预燃级4包括预燃级离心喷嘴41，预燃级离心喷嘴41为压力雾化喷嘴，预燃级离心喷嘴41的出口与轴向连接件1的出口平齐；预燃级4采用单油路离心喷嘴，通过压力雾化使燃油达到所需要的浓度及尺寸分布，具体为：燃油经过预燃级燃油管42进入预燃级供油杆43，再供入预燃级离心喷嘴41，经过压力雾化并蒸发与经过轴向连接件1的第一轴向斜切孔12的空气掺混达到所需的当量比进入火焰筒6；
主燃级5包括主燃级直射式喷嘴51，主燃级燃油管52的燃油通过主燃级直射式喷嘴51的喷油孔喷出，将燃油垂直于来流空气喷射，打到主燃级文氏管53上进行一次雾化，一次雾化后的燃油与蒸发管54中在空气的剪切力作用下进行二次雾化，二次雾化的主燃级燃油与蒸发管54中的空气进一步掺混后,通过第二轴向斜切孔13和第三轴向斜切孔25进一步蒸发掺混，最后与经过相对独立的子空间24内的空气掺混，掺混达到所需的当量比通过第一文氏管21和第二文氏管22之间的环形空间出口进入火焰筒6中。
由于进入火焰筒6的空气温度较高，且燃烧室工作时，通过热传导，对流换热，热辐射等方式使得火焰筒头部3的温度过高，燃油在各油管和喷嘴中极易结焦，本发明燃烧室的头部经过特殊的结构设计，能够很好解决燃油在这些关键部位结焦的问题，当预燃级4供油，主燃级5不供油时，经过蒸发管54的空气可以对预燃级供油杆43及预燃级离心喷嘴41进行冷却，防止其结焦；当预燃级4供油且主燃级5也供油时，进入蒸发管54中的空气与主燃级燃油混合对主燃级直射式喷嘴51、预燃级供油杆43和预燃级离心喷嘴41进行冷却；
本发明的三旋流分级旋流器将预燃级斜切孔式旋流器、主燃级斜切孔式旋流器和主燃级径向旋流器进行了一体化设计，由于其特殊设计，不仅使主流燃油实现了预混预蒸发的效果，而且减轻了火焰筒头部3的重量，便于拆卸与安装，提高燃烧室的可维护性；同时由于蒸发管54的空气冷却作用可以防止预燃级离心喷嘴41和主燃级直射式喷嘴51过早结焦；而燃烧室的燃油系统更加简单，燃烧室头部更加紧凑，可以实现更宽工况下的高效低排放燃烧。

Claims (6)

1.一种三旋流分级旋流器，其特征在于：包括一体成型的轴向连接件和径向连接件，所述轴向连接件的中心设有轴向通孔，所述径向连接件包括同轴且间隔设置的第一文氏管和第二文氏管，所述第一文氏管和第二文氏管之间的环形空间内固定连接有多组呈环形阵列设置的叶片，多组所述叶片的两端均与第一文氏管和第二文氏管固定连接并将环形空间均匀分割成多个相对独立的子空间；
所述轴向连接件和第一文氏管同轴设置且一体成型，轴向连接件的轴向通孔与第一文氏管的中心孔相通，轴向连接件的轴向通孔周侧呈环形阵列设置有多组第一轴向斜切孔，所述第一轴向斜切孔与第一文氏管的中心孔相通，所述轴向连接件的端面周侧呈环形阵列设置有多组第二轴向斜切孔，所述第一文氏管靠近轴向连接件的端面周侧呈环形阵列设置有多组第三轴向斜切孔，所述第三轴向斜切孔与第二轴向斜切孔一一对应且相通，多组第三轴向斜切孔的另一端与多个子空间一一对应且相通。
2.根据权利要求1所述的一种三旋流分级旋流器，其特征在于：所述轴向连接件的轴向通孔直径小于第一文氏管的中心孔直径，所述第一文氏管的中心孔直径小于第二文氏管的中心孔直径。
3.根据权利要求1所述的一种三旋流分级旋流器，其特征在于：所述第一轴向斜切孔形状为圆形，第一轴向斜切孔内的气流在径向方向沿旋流器径向向中心流动，并与第一文氏管中心孔内的气流相通。
4.根据权利要求1所述的一种三旋流分级旋流器，其特征在于：所述第二轴向斜切孔的形状为圆形，第二轴向斜切孔内的气流在径向方向沿旋流器径向向外缘流动，并与第三轴向斜切孔的气流相通。
5.根据权利要求1所述的一种三旋流分级旋流器，其特征在于：所述第一轴向斜切孔与第二轴向斜切孔交叉排列。
6.一种设置有如权利要求1至5任一项所述三旋流分级旋流器的燃烧室，包括火焰筒头部，其特征在于：所述火焰筒头部由预燃级和主燃级组成，所述预燃级包括预燃级离心喷嘴，所述预燃级离心喷嘴的出口与轴向连接件的出口平齐；所述主燃级包括主燃级直射式喷嘴，所述主燃级直射式喷嘴喷出的一次雾化燃油与进入蒸发管中的空气进行剪切二次雾化，并在蒸发管中蒸发掺混后通过第二轴向斜切孔和第三轴向斜切孔进一步蒸发掺混，最后与经过相对独立的子空间内的空气二次掺混，掺混达到所需的当量比通过第一文氏管和第二文氏管之间的环形空间出口进入火焰筒中。
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