一种主燃级采用喷油管供油的低排放燃烧室的制作方法

本发明涉及一种低排放燃烧室，特别涉及一种主燃级采用喷油管供油的低排放燃烧室。

背景技术：

燃气轮机的主要污染排放物包括：氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)，未燃碳氢(UHC)和冒烟(Smoke)等。四种主要的排放物中，一氧化碳(CO)，未燃碳氢(UHC)和冒烟(Smoke)主要受燃烧反应的完全程度影响，燃烧越充分，燃烧区温度越高，其排放量越低；而氮氧化物(NOx)又主要由热力型机理控制，燃烧区温度过高会使NOx排放急剧增加。因此这两类排放物存在相互矛盾、难以平衡的问题。研究发现，当燃烧室头部当量比在0.6～0.8时，能够较好地兼顾两种排放物；在降低头部整体当量比的同时，燃油掺混的均匀程度至关重要，否则燃烧区容易出现接近恰当比的热点区域，从而使氮氧化物排放难以控制。综上所述，现代低排放燃烧室的核心技术就是，在保持头部贫油燃烧的同时，加强燃油与空气的掺混，从而为火焰筒提供更加均匀的油气混合物。

其中，主燃级燃油的掺混是决定燃烧室排放的关键。目前已有的几款著名的航空燃气轮机燃烧室，分别采用壁面径向喷射(GE公司的TAPS燃烧室)、壁面径向喷射+预膜板(北航的TELESS燃烧室)以及预膜喷射(RRD公司的Lean Burn燃烧室)。预膜喷射存在结构复杂、在大喷嘴上难以实施的问题。而前两种壁面径向喷射方案，燃油的穿透深度受动量比控制，如图8所示，在大工况下，穿透深度大，燃油与主燃级旋流的掺混更强烈，但径向分布均匀度依然不够好；但在小工况下，燃油流量小，动量比低，往往容易出现穿透深度不足，影响燃油混合；另外，部分燃油容易贴附在通道内壁面，造成结焦或自燃回火。因而壁面径向喷射方案的掺混效果受工况影响较大，且在不同工况间难以平衡，限制了排放性能的进一步提升。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：现有低排放燃烧室的主燃级一般采用壁面径向喷射方案，燃油掺混效果随着工况变化，难以在各个工况间取得平衡，且存在径向均匀度较差、部分燃油贴壁的问题，影响了燃烧室排放性能。如图9所示，本方案采用主燃级燃油提升喷射方案，通过主燃级通油管提升了燃油喷射位置，将燃油直接喷射到主燃级气流的主流中，首先解决了部分燃油贴壁的问题，同时提高了燃油分布的径向均匀度；其次通过优化喷油管喷射角度和方向，减小与主燃级气流轴向方向的角度差，弱化了发动机工况变化对燃油雾化的影响，保证在各个工况下，主燃级燃油都能实现较好的掺混效果。最终形成均匀的油气混合物进入火焰筒燃烧，在大工况下能够降低燃烧室的污染排放。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种主燃级采用喷油管供油的低排放燃烧室，其特征在于：采用单环腔结构，主要结构包括扩压器、燃烧室机匣、燃烧室头部和火焰筒；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，冷却用空气从火焰筒上的冷却孔进入；燃烧室头部与火焰筒连接，并固定在燃烧室机匣上；燃烧室采用中心分级燃烧方案，主燃级安装于预燃级外围，通过级间段与预燃级连接；预燃级为非预混燃烧，预燃级旋流器采用轴向或径向方案；主燃级采用预混燃烧；在主燃级旋流器下游设置有伸入主燃级通道的主燃级喷油管；燃油通过主燃级燃油供应路进入主燃级集油腔，从主燃级喷油管喷出并形成主燃级油雾；最终形成均匀的油气混合物进入火焰筒参与燃烧。

其中，所述主燃级可以采用轴向或径向旋流器方案，可以使用单级旋流器或者多级旋流器。主燃级喷油管伸入到主燃级通道中，每个主燃级有若干个主燃级喷油管。

其中，所述喷油管高度与主燃级通道最小高度为0～0.7，喷油管距主燃级出口距离与主燃级通道长度之比为0.2～1.0，主燃级喷油管可以带有一定的空间复合角，喷油管轴向倾角为0～90°，斜向喷油管的喷油管切向倾角为0～90°，倾角方向与主燃级旋向相同。

本发明的工作原理：用于燃烧的空气占燃烧室总空气量的大部分，并且全部从头部进入火焰筒，从而降低了头部当量比，有利于控制燃烧区温度减少NOx的生成。燃烧组织采用中心分级方式，预燃级在中心，采用非预混燃烧的方式，提供稳定的中心回流区以引燃主燃级；主燃级在外围，采用预混燃烧的方式，可以采用轴向或径向旋流器，可使用单级或多级旋流方案；本方案采用主燃级燃油提升喷射方案，通过主燃级通油管提升了燃油喷射位置，将燃油直接喷射到主燃级气流的主流中，在主燃级旋流的剪切作用下，燃油在主燃级通道中间雾化破碎，从而改善了油雾在主燃级通道的径向分布均匀度，弱化了发动机工况变化对燃油掺混效果的影响，并避免了部分燃油贴附壁面的现象。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)本发明的主燃级采用提升喷射的供油方式，通过设置一定长度的喷油管，提升了燃油喷射的高度，将燃油引入主燃级通道的主流，解决了部分燃油贴壁的问题；

(2)本发明的主燃级采用提升喷射的供油方式，减小与主燃级气流轴向方向的角度差，弱化了发动机工况对燃油雾化的影响，保证在各个工况下，主燃级燃油都能实现较好的掺混效果；

(3)本发明的主燃级采用提升喷射的供油方式，可以根据设计需要，优化喷油管高度、轴向位置、喷射角度和方向，从而实现良好的燃油混合效果，具有很宽的适用范围。

附图说明

图1为发动机结构示意图；

图2为本发明的燃烧室结构示意图；

图3为本发明的燃烧室头部结构剖视图图；

图4为本发明的主燃级装配喷油管的横截面图；

图5为本发明的主燃级装配喷油管的横截面图；

图6为本发明的主燃级装配喷油管的纵截面图；

图7为本发明的主燃级装配喷油管的三维示意图；

图8为壁面径向喷射主燃级油雾分布示意图，其中图8(a)为大工况壁面径向喷射主燃级油雾分布示意图，图8(b)为小工况壁面径向喷射主燃级油雾分布示意图；

图9为提升喷射主燃级油雾分布示意图；

图中：1为低压压气机，2为高压压气机，3为传动轴，4为燃烧室，5为高压涡轮，6为低压涡轮，7为扩压器，8为预燃级燃油供应路，9为主燃级燃油供应路，10为燃烧室机匣，11为燃烧室头部，12为火焰筒，13为预燃级喷嘴，14为预燃级，15为级间段，16为主燃级，17为主燃级外环，18为主燃级安装边，19为预燃级旋流器，20为主燃级集油环，21为主燃级内环，22为主燃级旋流器，23为级间段冷却孔，24为级间段挡板，25为预燃级套筒冷却孔，26为主燃级通道外壁面，27为主燃级通道内壁面，28为主燃级喷油管，29为主燃级集油腔，30为主燃级通油孔，31为喷油管切向倾角，32为主燃级通道，33为主燃级冷却孔，34为主燃级挡板，35为主燃级吹扫气，36为主燃级油雾，37为主燃级进口通道高度，38为主燃级旋向，39为喷油管高度，40为主燃级通道最小高度，41为喷油管距主燃级出口距离，42为主燃级通道长度，43为喷油管轴向倾角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1是发动机结构示意图，包括低压压气机1，高压压气机2，燃烧室4，高压涡轮5和低压涡轮6，压气机和涡轮通过传动轴3相互连接。发动机工作时，空气经过低压压气机1和高压压气机2压缩后进入燃烧室4，通过喷入燃油并组织燃烧，形成高温高压的燃气，冲击高压涡轮5和低压涡轮6，从而驱动低压压气机1和高压压气机2做功，并输出动力。

如图2所示，采用单环腔结构，主要结构包括扩压器7、燃烧室机匣10、燃烧室头部11和火焰筒12；燃烧用空气全部由燃烧室头部11进入火焰筒12，冷却用空气从火焰筒12上的冷却孔进入；燃烧室头部11与火焰筒12连接，并固定在燃烧室机匣10上。燃油分别通过预燃级燃油供应路8和主燃级燃油供应路9进入燃烧室头部11，与旋流空气掺混形成均匀的混合物进入火焰筒并参与燃烧。燃烧后的高温燃气从燃烧室出口排出。

如图3所示，燃烧室头部11通过主燃级安装边18与火焰筒12连接。燃烧室采用分级燃烧方案，分为预燃级14和主燃级16，两者与预燃级喷嘴13共轴。主燃级16布置在预燃级14外围，通过级间段15与之连接。预燃级旋流器19可以采用径向或轴向旋流器方案。空气通过级间段冷却孔23，一部分冲击级间段挡板24进行冷却，另一部分通过预燃级套筒冷却孔25对预燃级套筒22进行冷却。主燃级16采用预混燃烧，主燃级旋流器22可以采用轴向或径向方案，使用单级或多级旋流，此处已单级轴向叶片式旋流器为例。主燃级喷嘴由主燃级集油环20、主燃级通道内壁面27、主燃级喷油管28组合而成。每个主燃级16包含若干个主燃级喷油管28。燃油从主燃级燃油供应路9进入主燃级集油腔29，接着沿着主燃级通油孔30，从主燃级喷油管28直接喷射到主燃级通道32中间，在主燃级旋流的剪切作用下雾化破碎，形成主燃级油雾36，最终形成均匀的油气混合物进入火焰筒12燃烧。主燃级外环17上开有主燃级冷却孔33，并与主燃级挡板34连接，从而冷却主燃级挡板34避免结构损坏，同时形成一股主燃级吹扫气35，可以防止主燃级回火。

如图4、图5和图6所示，喷油管高度39与主燃级最小高度40为0～0.7，喷油管距主燃级出口距离41与主燃级通道长度42之比为0.2～1.0，喷油管轴向倾角43为0～90°；斜向喷油管38的喷油管切向倾角31为0～90°，倾角方向与主燃级旋向38相同；主燃级通道32为环形通道，主燃级通道最小高度40与主燃级进口通道高度37之比为0.2～1.0；喷油管高度39、喷油管距主燃级出口距离41、喷油管轴向倾角43和喷油管切向倾角31等参数的选取应避免使主燃级油雾36直接喷溅到主燃级通道外壁面26。

如图7所示，主燃级16和径向喷油管31的装配关系。

如图8所示，主燃级16和斜向喷油管38的装配关系。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。