一种主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种带预热功能的主燃级预混预蒸发的分层部分预混低污染燃烧室，燃油分为主燃级和值班级，值班级采用扩散燃烧，主燃级采用贫油预混燃烧，扩散燃烧和贫预混燃烧耦合实现分层部分预混燃烧。值班级由离心式雾化喷嘴和第一级旋流空气组成。主燃级燃油通过多点直射式喷嘴供给，利用横向射流空气结合值班级火焰对第二级旋流空气的预热加强油气掺混。值班级在启动和慢车等低工况时使用，可以拓宽稳定燃烧范围，提高燃烧效率，降低CO和UHC的排放，大负荷工况时，值班级和主燃级同时工作，值班级为主燃级提供稳定的点火源，主燃区处于贫油状态，温度远低于绝热火焰温度，能够显著降低大工况下NOx的排放。
【专利说明】一种主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种带预热功能的主燃级贫预混的低污染燃烧室，尤其涉及一种利用值班级预热加强主燃级油气掺混的分层部分预混低污染燃烧室。
【背景技术】
[0002]对于使用液体燃料的燃气轮机发动机,燃油雾化和混合对发动机燃烧性能、燃烧效率和污染物排放具有决定性的影响，因此，燃油雾化研究得到重视，这也促进了燃油雾化喷嘴的发展。
[0003]国际民航组织对航空燃气轮机的污染物排放标准越来越严格，特别是对NOx污染排放要求，低污染燃烧成为现代航空发动机燃烧室的发展趋势。目前执行的CAEP6标准的要求已经非常严格，尤其是NOx污染排放要求。各大航空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，目前提出的低污染燃烧技术包括富油燃烧-烊熄-贫油燃烧(RQL)、贫预混燃烧(LPP)和贫油直接喷射燃烧(LDI)。
[0004]国际上各大航空发动机公司GE、PW、R-R、Snecma都已经开始低污染燃烧技术的研究。最近，GE公司基于贫预混燃烧(LPP)技术为新一代商用航空涡扇发动机Genx研制了 TAPS(Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃烧室，NOx 排放比 CAEP2 (Committeeon Aviat1n Environmental Protect1n)排放标准降低了 50%。为了使空气和燃油在燃烧室之前进行很好的预先混合，GE公司设计研发了多种预旋燃油喷嘴，并针对TAPS燃烧室燃油喷嘴的不同设计申请了多项美国专利，这些专利的主燃级是燃油喷射到主旋流器的后部形成预混预蒸发的油气混合物，为使预混管出口油气混合物掺混均匀，这种混合方式所需的混合和蒸发距离较长，从而增大燃烧室的长度和重量。R-R公司基于LDI燃烧概念为Engine 3E核心机研发了多种分级燃烧用燃油喷嘴，值班级采用空气雾化喷嘴或离心雾化喷嘴，主燃级采用预膜式空气雾化喷嘴，在发动机全环试验件上NOx排放比CAEP2标准降低了 70%。PW公司采用RQL技术发展TALON X燃烧室，并应用在PW1000G发动机上，预计NOx排放比CAEP6低40%。目前正在研发的采用贫预混燃烧技术的低污染燃烧室通过控制主燃区当量比在0.5?0.7范围内，有效控制燃烧室内的火焰温度，从而降低热力型污染物NOx的生成。采用贫预混燃烧技术的燃烧室其头部预混段较长，易产生自燃或回火；另外，贫预混燃烧室相对于传统的富油头部燃烧室，其临界燃烧性能(如慢车贫油燃烧稳定性和点火性能)变差。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明采用对主燃级部分空气进行预热的方法提高主燃级燃油雾化、蒸发和掺混质量，使主燃级燃油以接近气态燃料的形式与部分主燃级空气进行掺混。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案:
[0007]根据本发明的一方面，提供了一种主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，其喷油装置包括主燃级喷嘴组件和值班级喷嘴组件，其特征在于，
[0008]-所述值班级喷嘴组件包括值班级燃油管、离心式雾化喷嘴、一级空气旋流器和锥形火焰稳定器，其中，所述离心式雾化喷嘴位于所述喷油装置的中心、其进口端与所述值班级燃油管连通，所述一级空气旋流器设置于所述离心式雾化喷嘴的外圈，所述锥形火焰稳定器的直径逐渐缩小的进气段套设在所述一级空气旋流器的外圈，所述锥形火焰稳定器的直径逐渐放大的出气段在轴向上位于所述离心式雾化喷嘴的后面，值班级燃油经所述离心式雾化喷嘴喷射进行初次雾化，然后在一级旋流空气作用下进行二次雾化和掺混，值班级的火焰稳定通过一级旋流空气形成的回流区和喷嘴后面的锥形火焰稳定器实现；
[0009]-所述主燃级喷嘴组件位于所述值班级喷嘴组件的外圈并和所述值班级喷嘴组件同轴设置，包括主燃级燃油管、主燃级集油环(23)、多点直射式喷嘴、二级空气旋流器和三级空气旋流器；其中，所述二级空气旋流器套设在所述锥形火焰稳定器的进气段，所述二级空气旋流器外部套设二级空气旋流通道壳体的直径逐渐缩小的进气段，所述二级空气旋流通道壳体的直径逐渐放大的出气段壁面上沿周向均匀垂直设置有若干多点直射式喷嘴，所述主燃级集油环设置于所述二级空气旋流通道壳体的设有若干多点直射式喷嘴的外壁面上，所述主燃级集油环与所述主燃级燃油管连通，主燃级燃油通过所述若干多点直射式喷嘴沿径向喷射入所述二级空气旋流通道内，第二级旋流空气在值班级火焰的高温作用下温度升高，主燃级燃油垂直于第二级旋流空气流向喷射燃油到预热的旋流空气中进行横向射流空气雾化，二级空气旋流通道中的部分预混油气混合物在其出口与三级旋流空气进行快速均勻掺混。
[0010]本发明的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室中，主燃级燃油雾化方式采用首先进行雾化、蒸发和部分掺混，然后进行完全掺混，第二级旋流空气在值班级火焰的高温作用下温度升高，主燃级燃油经直射式喷嘴垂直于第二级旋流空气流向喷射燃油到预热的旋流空气中进行横向射流空气雾化，利用预热空气加强燃油雾化、蒸发和掺混质量，同时在第二级旋流器通道中当量比大于4.0，可以避免自燃和回火，第二级旋流器通道中的部分预混油气混合物在主燃级旋流出口与第三级旋流空气进行快速均匀掺混。
[0011]优选的，所述燃烧室包括燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、扩压器、点火器、火焰筒外筒、火焰筒内筒。
[0012]优选的，所述多点直射式喷嘴直径为0.3?0.5mm,个数为3?8个，垂直于第二级旋流空气流向喷射燃油，燃油先在第二级旋流空气作用下进行横向射流空气雾化，然后在主燃级旋流器出口处与第三级旋流空气进行快速掺混。
[0013]优选的，所述锥形火焰稳定器内侧采用扩口结构，为火焰稳定提高空气流动的低速区，高温的火焰稳定器用于预热部分主燃级旋流空气。
[0014]优选的，所述主燃级旋流器由第二级旋流器和第三级旋流器组合而成。
[0015]优选的，所述二级空气旋流器和三级空气旋流器都采用轴向旋流器。
[0016]优选的，一级空气旋流器采用轴向叶片，由12至24个叶片组成，安装角为30?60度。
[0017]本发明主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，耦合扩散燃烧和贫预混燃烧技术，利用扩散燃烧扩宽燃烧室稳定工作范围，利用贫预混燃烧降低热力型NOx的排放。在发动机处于启动和慢车等低工况时，只有值班级工作；当负载增加时，在起飞、巡航或爬升状态，主燃级开始工作，这时值班级对主燃级起到稳定点火源的作用。主燃级局部当量比为0.4?0.8，由于主燃级处于贫油状态可以使燃烧室主燃区燃烧温度控制在1800K以下，NOx生成量少。NOx生成量主要取决于燃烧温度和停留时间，随温度的增加而成指数上升。在贫油和富油范围内，反应温度较低，NOx的生成速率随温度的升高成指数增加，因此，贫油和富油燃烧成为降低NOx排放的手段，其中贫油燃烧在最近研发的短环形燃烧室上得到广泛应用。在发动机大工况时，控制主燃区处于贫油状态，当量比在0.4?0.8范围内，这时控制主燃区温度在1800K以下，可以保证燃烧效率高和污染物(N0x、C0和UHC)排放低。
[0018]本发明的原理:主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室基于分层部分预混燃烧组织原理，利用值班级火焰对主燃级部分旋流空气进行预热，主燃级燃油在高温空气中进行横向射流空气雾化，然后部分掺混的燃油和空气混合物以接近气态燃料的形式与主燃级剩余旋流空气进行均勻快速掺混，同时，这部分预热旋流空气带走的热量起到对锥形火焰稳定器起到冷却效果。
[0019]本发明与现有技术相比所具有的优点:
[0020](I)本发明主燃级燃油雾化过程采用先采用预热空气进行横向射流空气雾化，再采用接近气态的燃油和空气混合物与第三级旋流空气进行均匀混合，把燃油雾化过程与油/气掺混过程分开，加强了油/气掺混的均匀性。
[0021](2)利用预热的空气对主燃级燃油雾化进行横向射流空气雾化，提高了初步雾化和掺混的质量，同时，实现了第二级旋流空气对锥形火焰稳定器的冷却效果，提高锥形火焰稳定器的使用寿命。
[0022](3)主燃级燃油在第二级旋流器通道内相对富油，不易出现自燃，初步雾化的燃油在主燃级出口处与第三级旋流空气进行快速掺混，也可以避免回火和自燃问题。
[0023](4)本发明采用分层部分预混燃烧技术，值班级采用扩散燃烧，在低工况时单独工作，拓宽发动机稳定工作范围，大工况时，值班级和主燃级同时工作，值班燃烧区为主燃区提供稳定的点火源，主燃区是贫预混燃烧可以有效降低大工况下的污染物排放。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室结构剖视图；
[0025]图2是本发明的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室火焰筒结构剖视图；
[0026]图3是本发明的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室头部结构剖视图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对发明型进一步详细说明。
[0028]图1是本发明的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室结构剖视图，采用分层部分预混燃烧方案和短环形结构方案，包括燃烧室外机匣1、燃烧室内机匣2、扩压器3、点火器4、火焰筒外筒5、火焰筒内筒6、喷油装置7和喷油杆12。
[0029]图2是本发明的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室火焰筒结构剖视图，主燃区火焰分为值班级火焰14和主燃级火焰15，燃油分别通过主燃级喷嘴组件和值班级喷嘴组件进入燃烧室，值班级采用扩散燃烧，用于扩宽燃烧室贫油燃烧稳定工作范围，主燃级采用贫预混燃烧，用于降低主燃区火焰温度，从而降低NOx污染物排放。
[0030]图3是本发明的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室头部结构剖视图，喷油装置7包括主燃级喷嘴组件和值班级喷嘴组件，值班级喷嘴组件包括离心式雾化喷嘴16、一级轴向空气旋流器17和锥形火焰稳定器27，其中，离心式雾化喷嘴16位于所述装置的中心，一级轴向空气旋流器17设置于离心式雾化喷嘴16的外圈，锥形火焰稳定器27位于离心式雾化喷嘴16的后面，值班级燃油经离心式雾化喷嘴16喷射进行初次雾化，然后和一级旋流空气作用进行二次雾化和掺混，值班级的火焰稳定通过一级旋流空气形成的回流区和喷嘴后面的锥形火焰稳定器27实现；主燃级位于所述值班级的外圈并和所述值班级同轴，包括主燃级燃油管19、集油环23、多点直射式喷嘴24、二级空气旋流器18和三级空气旋流器20，其中，多点直射式喷嘴24沿周向均匀布置，燃油经主燃级燃油管19进入集油环23，经直射式喷嘴24进入二级旋流空气通道；第二级旋流器的内侧壁面受到值班级火焰的高温加热作用，从而加热第二级旋流空气，同时第二级旋流空气起到对锥形火焰稳定器27的冷却作用；主燃级燃油在预热的第二级旋流空气作用下进行横向射流空气雾化、蒸发和掺混，以气态燃料的形式在主燃级旋流器出口 22与第三级旋流空气进行快速掺混，实现主燃级的燃油和空气的预混预蒸发，用于燃烧室主燃区贫油燃烧。
[0031]值班级火焰14和主燃级火焰15在轴向和径向空间分布都不同，值班级火焰14更靠近燃烧室头部和中心，主燃级火焰在值班级火焰的外围并且沿流向靠近下流，实现燃烧室中值班级和主燃级分区燃烧。低工况时，值班级单独工作，大工况时，值班级和主燃级同时工作。主燃级喷射燃油量占总燃油量的50?90%。直射式喷嘴25直径为0.3?0.5mm,个数为3?8个，喷嘴射流方向是垂直于第二级旋流器流道。二级旋流器18和三级旋流器20采用轴向或径向旋流器，叶片数为8?24个。大工况时，主燃级多点直射喷嘴25开始工作，燃油通过燃油管19进入集油环23，通过直射式喷嘴25喷射到二级旋流器流道中。
[0032]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
【权利要求】
1.一种带预热功能的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，其喷油装置包括主燃级喷嘴组件和值班级喷嘴组件，其特征在于， --所述值班级喷嘴组件包括值班级燃油管、离心式雾化喷嘴、一级空气旋流器和锥形火焰稳定器，其中，所述离心式雾化喷嘴位于所述喷油装置的中心、其进口端与所述值班级燃油管连通，所述一级空气旋流器设置于所述离心式雾化喷嘴的外圈，所述锥形火焰稳定器的直径逐渐缩小的进气段套设在所述一级空气旋流器的外圈，所述锥形火焰稳定器的直径逐渐放大的出气段在轴向上位于所述离心式雾化喷嘴的后面，值班级燃油经所述离心式雾化喷嘴喷射进行初次雾化，然后在一级旋流空气作用下进行二次雾化和掺混，值班级的火焰稳定通过一级旋流空气形成的回流区和喷嘴后面的锥形火焰稳定器实现； --所述主燃级喷嘴组件位于所述值班级喷嘴组件的外圈并和所述值班级喷嘴组件同轴设置，包括主燃级燃油管、主燃级集油环(23)、多点直射式喷嘴、二级空气旋流器和三级空气旋流器；其中，所述二级空气旋流器套设在所述锥形火焰稳定器的进气段，所述二级空气旋流器外部套设二级空气旋流通道壳体的直径逐渐缩小的进气段，所述二级空气旋流通道壳体的直径逐渐放大的出气段壁面上沿周向均匀垂直设置有若干多点直射式喷嘴，所述主燃级集油环设置于所述二级空气旋流通道壳体的设有若干多点直射式喷嘴的外壁面上，所述主燃级集油环与所述主燃级燃油管连通，主燃级燃油通过所述若干多点直射式喷嘴沿径向喷射入所述二级空气旋流通道内，第二级旋流空气在值班级火焰的高温作用下温度升高，主燃级燃油垂直于第二级旋流空气流向喷射燃油到预热的旋流空气中进行横向射流空气雾化，二级空气旋流通道中的部分预混油气混合物在其出口与三级旋流空气进行快速均匀掺混。
2.根据权利要求1所述的带预热功能的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、扩压器、点火器、火焰筒外筒、火焰筒内筒。
3.根据权利要求1所述的带预热功能的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，其特征在于，所述多点直射式喷嘴直径为0.3?0.5mm,个数为3?8个，垂直于第二级旋流空气流向喷射燃油，燃油先在第二级旋流空气作用下进行横向射流空气雾化，然后在主燃级旋流器出口处与第三级旋流空气进行快速掺混。
4.根据上述权利要求所述的带预热功能的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，其特征在于，所述锥形火焰稳定器内侧采用扩口结构，为火焰稳定提高空气流动的低速区，高温的火焰稳定器用于预热部分主燃级旋流空气。
5.根据上述权利要求所述的带预热功能的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，其特征在于，所述主燃级旋流器由第二级旋流器和第三级旋流器组合而成。
6.根据上述权利要求所述的带预热功能的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，其特征在于，所述二级空气旋流器和三级空气旋流器都采用轴向旋流器。
7.根据上述权利要求所述的带预热功能的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，其特征在于，一级空气旋流器采用轴向叶片，由12至24个叶片组成，安装角为30?60度。
8.根据上述权利要求所述的带预热功能的主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，其特征在于，所述喷油装置还包括给燃烧室提供燃油的预燃级接油嘴、主燃级接油嘴、喷嘴杆，燃油经预燃级接油嘴和主燃级接油嘴分别进入喷嘴杆，预燃级接油嘴与预燃级燃油雾化喷嘴相通，主燃级接油嘴与集油环相通，预燃级燃油和主燃级燃油在喷嘴杆内不交汇。
9.根据权利要求1所述的一种带预热功能的主燃级预混预蒸发的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃气轮机为航空燃气轮机发动机或工业燃气轮机。
10.一种带预热功能的主燃级预混预蒸发的燃气轮机燃烧室，包括外机匣、内机匣、扩压器、点火器及权利要求1至9任一项所述的带预热功能的主燃级预混预蒸发的燃气轮机燃烧室，相对于传统头部富油燃烧室，头部采用贫油燃烧技术，燃烧用空气占全部空气量的50?90%，剩余的冷却空气从掺混孔(9)进入火焰筒以进一步调节燃烧室出口温度分布，使燃烧室出口温度分布满足涡轮进口导流叶片受热强度的要求。
【文档编号】F23R3/38GK104456628SQ201410643105
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】刘存喜, 杨金虎, 刘富强, 阮昌龙, 穆勇, 徐纲 申请人:中国科学院工程热物理研究所