CN203671653U - 用于燃气轮机的燃烧室 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于燃气轮机的燃烧室，在燃烧室的进口处沿燃烧室的周向布置的多个头部结构包括多个内环腔头部结构和多个外环腔头部结构，内环腔头部结构布置在燃烧室中沿径向位于内侧的空间中，且内环腔头部结构由预燃级结构和第一主燃级结构组成，预燃级结构中包括预燃级喷嘴，第一主燃级结构中包括第一主燃级喷嘴，以及，外环腔头部结构布置在燃烧室中沿径向位于外侧的空间中，且外环腔头部结构由第二主燃级结构组成，第二主燃级结构包括第二主燃级喷嘴。本实用新型以简单的燃烧室结构，在各种不同功率条件下都能有效地控制NOx、CO、UHC等污染物的排放。

Description

用于燃气轮机的燃烧室

技术领域

本实用新型涉及一种用于燃气轮机的燃烧室，该燃烧室中具有燃油喷射和混合系统。本实用新型的燃气轮机例如为航空发动机。

背景技术

对于燃气轮机、尤其是航空燃气涡轮发动机来说，环形燃烧室布局结构已成为主流的设计形式。

图1中示出了一种典型的航空涡轮发动机的燃烧室的示意图。图2中示出了一种典型的燃烧室头部结构布置。如图1所示，燃烧室1中设置有火焰筒11，燃油在火焰筒11中与空气发生燃烧反应。在环形燃烧室的入口12处沿周向布置有多个头部结构13（如图2所示）。头部结构中可设置有喷嘴、混合器、旋流器等部件，以实现燃油和空气的混合。

当前，随着世界范围内对大气环境问题的日益关注，对于航空燃气涡轮发动机污染物排放的要求也越来越严苛。通过对市场需求的调查显示，下一代航空发动机的对于氮氧化物（NOx）的排放要求要比国际民航组织（ICAO）现行的CAEP6标准中的规定进一步减少45％～60％。另外，除了NOx，航空发动机还会排放其它污染物，例如一氧化碳（CO)、未燃碳氢化合物（UHC）和烟雾等。对于这些污染物的排放，同样有进一步降低的需求。

控制燃烧室的NOx排放的关键在于控制燃烧室内的燃烧反应温度。为了控制燃烧室内的燃烧反应温度，已经开发出贫油预混预蒸发（LPP）燃烧方式来逐渐取代传统的扩散燃烧方式。

在LPP燃烧方式中，燃油蒸汽与空气预先混合，以对燃油进行雾化，雾化后的燃油与空气充分混合，所得到的雾化燃油的油气当量比通常小于1。然后，在燃油被雾化之后，再进行燃油与空气的燃烧反应。这样，由于燃油被预先雾化，因此能够加快燃烧反应时间，并且能够控制燃烧温度，减少或避免局部高温的发生，从而降低NOx的生成量。

不过，在诸如慢车、起动点火之类的小功率工作状态下，需要对燃烧室内的局部燃烧区采取富油燃烧的方式，以维持燃烧的稳定性。在此条件下，若继续维持较低的燃烧温度，则会造成CO、UHC以及烟雾排放量的上升。为了平衡大功率工作状态下降低NOx排放量的需求以及小功率工作状态下降低CO、UHC以及烟雾排放量的需求之间的矛盾，在航空发动机领域中目前采用分级燃烧技术。通过分级燃烧技术，使发动机在不同的工况下以不同的方式进行燃烧，从而保证发动机燃烧室中各个局部燃烧区域均以各自最佳的燃油空气配比模式进行燃烧反应，由此使发动机燃烧室内的燃烧高效稳定。

分级燃烧技术主要有轴向分级、径向分级、中心分级等多种方式。例如，通用电气公司（GE）的GE90发动机设置了双环腔燃烧室，以供径向分级燃烧，而在GEnx发动机中则采用了中心分级燃烧技术。

在上述分级燃烧技术中，中心分级燃烧技术结构紧凑，各分区贫油燃烧的NOx控制效果较好，因此被越来越多地采用。

图2中显示的就是一种典型的中心分级燃烧结构。具体来说，在中心分级燃烧结构中，沿环形燃烧室的周向布置的头部结构13中包括有主燃级结构131和预燃级结构132。其中，主燃级结构131在小功率条件下处于关闭状态，而在其它功率条件下开启，而预燃级结构132则通常处于常开的状态，从而在起动和小功率条件下提供火焰的稳定性。

现有的中心分级燃烧技术仍存在一些技术上的问题。例如，在分区之后，各反应区之间会互相影响，并且在两个分区之间的分级点附近燃烧效率不高。此外，在现有的中心分级燃烧技术中，主燃级结构处仍存在油气混合不充分、不均匀的问题。

此外，在专利文献US6418726中，为了降低NOx的排放量，公开了一种三级供油的燃烧室结构。但是，该燃烧室结构中，燃油喷射装置的旋流器过多，其结构也过于复杂。

实用新型内容

本实用新型是为解决上述现有技术的问题而作出的，其目的在于提供一种用于燃气轮机的燃烧室，该燃烧室能够以简单的结构确保在不同的工作功率条件下实现对NOx、CO、UHC等污染物排放的控制。

本实用新型的上述目的通过一种用于燃气轮机的燃烧室，该燃烧室为环形燃烧室的结构，在燃烧室的进口处沿燃烧室的周向布置有多个头部结构，其中，所述的多个头部结构包括多个内环腔头部结构和多个外环腔头部结构，内环腔头部结构布置在燃烧室中沿径向位于内侧的空间中，且内环腔头部结构由预燃级结构和第一主燃级结构组成，预燃级结构中包括预燃级喷嘴，第一主燃级结构中包括第一主燃级喷嘴，外环腔头部结构布置在燃烧室中沿径向位于外侧的空间中，且外环腔头部结构由第二主燃级结构组成，第二主燃级结构包括第二主燃级喷嘴。

通过上述结构，内环腔头部结构呈中心分级燃烧的构造，而外环腔头部结构与内环腔头部结构构成了径向分级燃烧构造，从而本实用新型将中心分级燃烧和径向分级燃烧结合在一起，在不改变空气分配比例的前提下，可以按照燃气轮机的功率条件来改变燃油的分配比例，从而控制燃烧温度。并且，通过在内环腔头部结构中采用中心分级燃烧策略，可更加精确地控制燃油分配比例。由此，本实用新型以简单的燃烧室结构，在各种不同功率条件下都能有效地控制NOx、CO、UHC等污染物的排放。

较佳地，内环腔头部结构和外环腔头部结构相互交错地布置。这样，可以增加燃烧室的结构强度，使其设置有头部结构的部分不易变形。

在一种实施方式中，预燃级喷嘴呈筒状体，在筒状体的筒壁中形成有狭长的缝隙，来自喷油杆的燃油被送入缝隙中。由此设置的预燃级喷嘴呈预成膜式喷嘴。

为了有助于对燃油进行雾化，可在筒壁所围成的空间中布置有第一级旋流器，并且，围绕着预燃级喷嘴的外周设置有第二级旋流器。进一步地，第一主燃级结构包括围绕着预燃级结构同轴地设置的筒状的第一内壁部和筒状的第一外壁部，在第一内壁部和第一外壁部之间形成第一主燃级通道，在第一主燃级通道的进口处设置有第一主燃级旋流器。为强化燃油和空气的混合，第一主燃级旋流器的旋转方向与预燃级结构的第一级旋流器的旋转方向相同，而与预燃级结构的第二级旋流器的旋转方向相反。

此外，通过使相邻的两个内环腔头部结构各自的第一主燃级旋流器的旋转方向相反，可使燃油和空气更加充分地互相掺混。

在一种实施方式中，在预燃级结构的外周设置有筒状的预燃级壁部，预燃级壁部和第一主燃级结构的第一内壁部围成空腔，空气能够流入空腔中，在第一内壁部的沿气流方向的下游的端部处形成有径向向内延伸的内凸缘，在预燃级壁部的沿气流方向的下游的端部处形成有径向向外延伸的外凸缘，外凸缘构成内环腔头部结构的端壁挡溅盘，在内凸缘上设置有小孔，空腔中的空气流经小孔，并冲击到端壁挡溅盘上，以冷却端壁挡溅盘。

较佳地，外环腔头部结构包括同轴设置的筒状的第二内壁部和筒状的第二外壁部，在第二内壁部和第二外壁部之间形成第二主燃级通道，在第二主燃级通道的进口处安装有第二主燃级旋流器。与内环腔头部结构中的第一主燃级旋流器设置方式类似，相邻的两个外环腔头部结构各自的第二主燃级旋流器的旋转方向也可相反，以有助于燃油和空气的掺混。

在一种实施方式中，第二内壁部由同轴设置的第一壁件、第二壁件以及连接在第一壁件和第二壁件之间的端壁件构成为中空的结构，以在内壁部中形成空腔，空气能进入空腔中，并经设置在端壁件上的小孔流出。进一步地，端壁件上的孔为斜孔的形式，从而流出的空气在端壁件上形成气膜。

附图说明

图1示出了典型的航空涡轮发动机的燃烧室的示意图。

图2示出了典型的燃烧室头部结构布置，更具体地说是一种中心分级燃烧结构。

图3示意性地示出了本实用新型的燃烧室的头部结构布置。

图4是示出了本实用新型的燃烧室中设置在内环腔中的头部结构的剖面图。

图5是示出了本实用新型的燃烧室中设置在外环腔中的头部结构的剖面图。

具体实施方式

下面，将结合图3～5对本实用新型的具体实施例进行详细说明。应当了解，附图所示的只是本实用新型的较佳实施例，其不应被理解为对本实用新型的范围的限制，本领域技术人员可在所述实施例的基础上对本实用新型进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本实用新型的保护范围之内。

<燃烧室头部结构布置>

图3中示出了本实用新型的燃烧室头部结构布置示意图。从图3中可见，本实用新型的环形燃烧室10中设置有两层头部结构，分别位于燃烧室10中沿径向位于内侧的空间中以及沿径向位于外侧的空间中。在此，将燃烧室10中沿径向位于外侧的空间称为内环腔，相应地，将沿径向位于外侧的空间称为外环腔，由此，将布置在燃烧室10的内环腔中的头部结构称为内环腔头部结构20，并将布置在燃烧室的外环腔中的头部结构称为外环腔头部结构30。其中，内环腔头部结构20包括预燃级结构210和主燃级结构220（见图4），外环腔头部结构30则包括主燃级结构。

如图3所示，内环腔头部结构20和外环腔头部结构30可相互交错地布置，以增加燃烧室结构的强度，使之不易变形。

在图4中，以剖面图的形式详细示出了内环腔头部结构20的构造，在图5中，以剖面图的形式详细示出了外环腔头部结构30的构造。下面，对内环腔头部结构和外环腔头部结构进行详细描述。

<内环腔头部结构>

如图4所示，内环腔头部结构20包括预燃级结构210和主燃级结构220。

在预燃级结构210中，设置有预燃级喷嘴211，用于向头部内喷射燃油。如图4示例性地示出的，预燃级喷嘴211为预成膜式喷嘴的形式，大致呈筒状，在该筒状喷嘴的筒壁中形成有狭长的缝隙214。来自喷油杆40的燃油经预燃级输油管231而被送入缝隙214中，流经该缝隙214，并从喷口215以液膜的形式喷出。

在筒状的预燃级喷嘴211的筒心处，同轴地设置有中心锥体213。可选地，围绕着该中心锥体213布置有第一级旋流器212。此外，围绕着预燃级喷嘴211的外周，设置有第二级旋流器216。如图4所示，在预燃级结构210的外周设置有筒状的预燃级壁部217，从而将上述预燃级喷嘴、第一级旋流器和第二级旋流器等结构容纳在由预燃级壁部217所围成的空间中。旋流器212和216有助于对来自喷嘴的燃油的雾化。

在从预燃级喷嘴211喷出液膜状燃油之后，在燃油液膜的两侧分别为第一级旋流器212和第二级旋流器216所形成的旋流气体。其中，第一级旋流器212和第二级旋流器216的旋转方向相反，从而所形成的两股旋流气体的旋流方向也相反。这样，在两股相反的旋流气体之间形成剪切作用，使燃油液膜雾化，并喷入燃烧室中。

主燃级结构220同轴地设置在预燃级结构210的外周。具体来说，主燃级结构包括围绕着预燃级结构210同轴地设置的筒状的第一内壁部223和第一外壁部224，在第一内壁部223和第一外壁部224之间形成第一主燃级通道225。在第一主燃级通道225中安装有第一主燃级喷嘴221。如图4所示，在一种实施方式中，该第一主燃级喷嘴221可设置在第一内壁部223上，其喷口朝着第一主燃级通道225的内部。进一步地，该第一主燃级喷嘴221可包括沿头部结构的周向布置在第一内壁部223上的多个直射式喷射点，以形成多点喷射构造。在一优选实施方式中，构成第一主燃级喷嘴221的多个喷射点可以是沿头部结构的周向中心对称地布置的。

来自喷油杆40的燃油可通过主燃级输油管232送入主燃级喷嘴221中，并喷射到第一主燃级通道225中。在第一主燃级通道225的进口处设置第一主燃级旋流器222，以使空气与喷入第一主燃级通道225中的燃油充分混合。

较佳地，第一主燃级旋流器222的旋转方向与预燃级结构中的第一级旋流器212的旋转方向相同，而与第二级旋流器216的旋转方向相反。由此，可充分地雾化被喷入燃烧室内的燃油。

可选地，在内环腔头部结构20的预燃级结构和主燃级结构之间设置空腔240。如图4所示，该空腔由预燃级结构的壁部217和主燃级结构的第一内壁部233围成，空气可流入该空腔中，该空气可例如来自发动机的压气机之类的上游部件。在壁部223的沿气流方向的下游的端部处形成有径向向内延伸的内凸缘241，类似地，在壁部217的沿气流方向的下游的端部处形成有径向向外延伸的外凸缘242。该外凸缘242构成内环腔头部结构20的端壁挡溅盘。在内凸缘241上设置有一个或多个小孔243，空腔240中的空气可流经这些小孔，并冲击到作为挡溅盘的外凸缘242上，从而冷却内环腔头部结构20的端壁挡溅盘。

在本实用新型中，相邻的两个内环腔头部结构20各自的第一主燃级旋流器222的旋转方向相反，从而使相邻的两个内环腔头部结构20所送出的气体旋流方向相反，并相互影响，由此使燃油和空气充分地掺混。

<外环腔头部结构>

图5中示出了外环腔头部结构30的构造。其中，外环腔头部结构30只包括主燃级结构。该主燃级结构包括同轴地设置的筒状的第二内壁部310和筒状的第二外壁部305，在第二内壁部310和第二外壁部305之间形成第二主燃级通道302。可选地，在第二内壁部310所围成的空间中还设置有锥体303。在第二内壁部310和第二外壁部305中的一个上设置有第二主燃级喷嘴301，以将燃油喷射到第二主燃级通道302中。例如，在图5所示的结构中，第二主燃级喷嘴301设置在内壁部310中。第二主燃级喷嘴301可以采取与内环腔中的第一主燃级喷嘴221相似的结构，即由多个直射式喷射点构成。经外环腔输油管321将来自喷油杆40的燃油输送给喷嘴301。

在第二主燃级通道302的进口处安装有第二主燃级旋流器304。该第二主燃级旋流器304旋转，从而在主燃级通道302中形成空气旋流，以用于雾化从第二主燃级喷嘴301喷出的燃油。

与内环腔头部结构20相类似地，相邻的两个外环腔头部结构30的第二主燃级旋流器304的旋转方向相反，形成相反的空气旋流。这样，使相邻的两个外环腔头部结构30送出的气体旋流方向相反，并相互影响，以使燃油和空气更加均匀地混合在一起。

如图5所示，第二内壁部310为中空的结构，由第一壁件（或称内壁件）311、第二壁件（或称外壁件）312以及连接在第一壁件311和第二壁件312之间的端壁件313构成，以在第二内壁部310中形成空腔。第一壁件311和第二壁件312可为同轴设置。上游空气能进入该空腔中，并经端壁件313上的孔314流出。该孔314为斜孔的形式，从而使流出的空气在端壁上形成气膜，用于冷却该端壁313。在此，端壁件313被用作外环腔头部结构的挡溅盘。

<燃烧室头部结构的操作>

下面，对以上所述的燃烧室头部结构的操作进行说明。

如上所述，本实用新型的燃烧室头部结构布置形式包括内环腔头部结构20和外环腔头部结构30两层。其中，内环腔头部结构20具有预燃级结构210和主燃级结构220，构成中心分级的燃烧模式。相应地，对内环腔头部结构20设置两级油路，以向其供应燃油。而外环腔头部结构30只包括主燃级结构，其与内环腔头部结构20一起构成径向分级的燃烧模式。相应地，对外环腔头部结构30设置一级油路，以向其供应燃油。这样，本实用新型的燃烧室头部结构为三级供油模式。

当发动机处于低功率的状态时，例如处于慢车运行或者在起动点火的阶段时，仅内环腔头部结构20的预燃级结构210工作。此时，只有预燃级结构210工作，在燃烧室中形成富油燃烧区域，为使燃烧充分，减少CO、UHC以及烟雾的排放量，需要使燃油在燃烧室中反应停留时间较长。虽然这样会使火焰温度较高，不利于控制NOx的产生量，但由于此时是处于低功率状态，所形成的NOx的量有限。

当发动机处于中等功率的状态时，内环腔头部结构20中的预燃级结构210继续保持运行，与此同时，外环腔头部结构30开始工作。此时，所提供的空气的流速较高，能有效控制燃烧反应温度，从而控制NOx的生成，同时又能保证燃料的充分燃烧。

当发动机处于大功率的状态时，内环腔头部结构20的预燃级结构210、主燃级结构220以及外环腔头部结构30的主燃级结构全部工作，从而保证油气充分混合。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机的燃烧室，所述燃烧室为环形燃烧室结构，在所述燃烧室的进口处沿所述燃烧室的周向布置有多个头部结构，其特征在于，

所述多个头部结构包括多个内环腔头部结构和多个外环腔头部结构，

其中，所述内环腔头部结构布置在所述燃烧室中沿径向位于内侧的空间中，且所述内环腔头部结构由预燃级结构和第一主燃级结构组成，所述预燃级结构中包括预燃级喷嘴，所述第一主燃级结构中包括第一主燃级喷嘴，以及，

所述外环腔头部结构布置在所述燃烧室中沿径向位于外侧的空间中，且所述外环腔头部结构由第二主燃级结构组成，所述第二主燃级结构包括第二主燃级喷嘴。

2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述内环腔头部结构和所述外环腔头部结构相互交错地布置。

3.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述预燃级喷嘴呈筒状体，在所述筒状体的筒壁中形成有狭长的缝隙，来自喷油杆的燃油被送入所述缝隙中。

4.如权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，

在所述筒壁所围成的空间中布置有第一级旋流器，并且，围绕着所述预燃级喷嘴的外周设置有第二级旋流器。

5.如权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述第一主燃级结构包括围绕着所述预燃级结构同轴地设置的筒状的第一内壁部和筒状的第一外壁部，在所述第一内壁部和所述第一外壁部之间形成第一主燃级通道，在所述第一主燃级通道的进口处设置有第一主燃级旋流器，其中，所述第一主燃级旋流器的旋转方向与所述预燃级结构的所述第一级旋流器的旋转方向相同，而与所述预燃级结构的所述第二级旋流器的旋转方向相反。

6.如权利要求5所述的燃烧室，其特征在于，相邻的两个所述内环腔头部结构各自的所述第一主燃级旋流器的旋转方向相反。

7.如权利要求5所述的燃烧室，其特征在于，在所述预燃级结构的外周设置有筒状的预燃级壁部，所述预燃级壁部和所述第一主燃级结构的所述第一内壁部围成空腔，空气能够流入所述空腔中，在所述第一内壁部的沿气流方向的下游的端部处形成有径向向内延伸的内凸缘，在所述预燃级壁部的沿气流方向的下游的端部处形成有径向向外延伸的外凸缘，所述外凸缘构成所述内环腔头部结构的端壁挡溅盘，在所述内凸缘上设置有小孔，所述空腔中的空气流经所述小孔，并冲击到所述端壁挡溅盘上，以冷却所述端壁挡溅盘。

8.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述外环腔头部结构包括同轴设置的筒状的第二内壁部和筒状的第二外壁部，在所述第二内壁部和所述第二外壁部之间形成第二主燃级通道，在所述第二主燃级通道的进口处安装有第二主燃级旋流器，其中，相邻的两个所述外环腔头部结构各自的所述第二主燃级旋流器的旋转方向相反。

9.如权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述第二内壁部由同轴设置的第一壁件、第二壁件以及连接在所述第一壁件和所述第二壁件之间的端壁件构成为中空的结构，以在所述内壁部中形成空腔，空气能进入所述空腔中，并经设置在所述端壁件上的小孔流出。

10.如权利要求9所述的燃烧室，其特征在于，所述端壁件上的所述孔为斜孔的形式，从而流出的空气在所述端壁件上形成气膜。

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