一种主燃级叶片开孔喷油的低排放燃烧室的制作方法

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种主燃级叶片开孔喷油的低排放燃烧室。

背景技术：

对燃气轮机典型工况下的氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)，未燃碳氢(UHC)和冒烟(Smoke)等排放物有严格的限制。其中，氮氧化物的控制又是低排放燃烧室考虑的重点。根据现有研究，NOx主要受由热力型机理控制，高温下空气中的氮气受氧化生成，因此控制燃烧室内的火焰温度是减少NOx生成量的关键。而火焰温度过低影响燃烧效率，同时易造成CO、UHC、Smoke排放过高。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。综上，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，避免出现局部高温区。

由于主燃级燃油流量占总燃油流量的绝大部分，因此主燃级燃油的掺混决定了整个燃烧室的油雾分布。现有航空燃气轮机低排放燃烧室燃油喷射方案，主要是采用壁面径向喷射方案(TAPS燃烧室，TELESS燃烧室)和预膜喷射方案(Lean Burn燃烧室)，而壁面径向喷射方案得到了广泛的应用，即在燃烧室内壁上开设喷油孔进行燃油喷射，在发动机推力较大的大工况下，主燃级燃油动量比高，穿透较深，而在发动机推力较小的小工况下，燃油动量比低，会出现穿透深度不足的情况。燃油的雾化和分布受工况影响较大，各个工况之间难以兼顾，燃油的径向分布均匀度较差；此外，由于喷油孔位于壁面表面，容易出现部分燃油贴附壁面的情况，造成结焦、自燃回火等问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供主燃级叶片开孔喷油的低排放燃烧室，解决燃油径向分布均匀度较差、燃烧室排放较高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种主燃级叶片开孔喷油的低排放燃烧室，包括扩压器、燃烧室机匣、燃烧室头部和火焰筒，所述扩压器设置在所述燃烧室机匣端部，所述燃烧室头部与所述火焰筒连接，并固定在所述燃烧室机匣内；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；

所述燃烧室头部包括主燃级与预燃级，主燃级设置在预燃级外围，主燃级外侧与火焰筒内壁连接，主燃级与预燃级之间通过级间段连接，主燃级的每个主燃级叶片上均设置有至少一个径向的主燃级通油孔，每个主燃级叶片侧面上还设置有至少一个主燃级喷油孔，所述主燃级喷油孔与对应主燃级叶片上的所述主燃级通油孔连通，燃油依次沿着主燃级燃油供应路、主燃级集油腔、主燃级通油孔进入主燃级叶片，并通过主燃级喷油孔喷出形成螺旋轨迹的主燃级油雾，所述主燃级油雾在主燃级通道与空气的气流混合，形成油气混合物进入火焰筒参与燃烧。

其中，所述主燃级喷油孔设置在所述主燃级叶片的压力侧面或吸力侧面。

其中，所述主燃级叶片的压力侧面和吸力侧面上均设置有主燃级喷油孔。

其中，所述主燃级喷油孔与所述主燃级通油孔的直径之比为0.2～1.0。

其中，所述主燃级叶片内部设置有冷却槽道，预燃级燃油从连通的预燃级燃油供应路、预燃级冷却前集油腔、冷却槽道、预燃级冷却后集油腔、主预油路连接管顺次流过，并进入预燃级喷嘴，预燃级燃油实现对所述主燃级叶片的冷却。

其中，每个主燃级叶片上设置1～10个主燃级通油孔，且每个主燃级叶片上设置1～30个主燃级喷油孔。

其中，所述主燃级喷油孔距旋流器进口距离与旋流器长度的比值大于0小于1。

其中，所述主燃级喷油孔与所述主燃级叶片法向夹角为0～150°。

(三)有益效果

第一、本发明采用主燃级叶片侧面开设主燃级喷油孔喷射燃油的方式，从主燃级叶片侧面喷入主燃级叶片间，在气动力作用下燃油的液柱能够迅速地完成初始破碎和二次破碎，进一步形成细小的液滴颗粒，使得后续燃烧更为充分方便；

第二、本发明的主燃级叶片侧面开设主燃级喷油孔的位置和数量具有很高的灵活性，可以在任意指定位置开设，从而能够进一步优化主燃级燃油分布，具有较强的适用性；

第三、本发明的主燃级采用轴向叶片式旋流器，燃油从主燃级叶片侧面喷出，在主燃级通道内沿螺旋轨迹流动，实际上增加了在环形的主燃级通道内的停留时间，加强了燃油与气流的掺混，改善了燃油分布的径向均匀度，能够显著降低燃烧室在大工况下的氮氧化物排放；此外，主燃级喷油孔远离主燃级通道内壁面，避免了燃油贴附壁面；

第四、本发明通过在主燃级叶片内部设计了冷却槽道，可将预燃级燃油导入主燃级叶片的冷却槽道，完成冷却后再进入预燃级喷嘴喷出；该冷却方案可以有效防止大工况情况下，燃烧室进口温度过高所引起的主燃级喷油孔结焦的问题，提高了燃烧室可靠性，可延长了使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的发动机结构示意图；

图2为本发明又一实施例提供的燃烧室结构示意图；

图3为本发明又一实施例提供的燃烧室头部结构剖视图；

图4为本发明又一实施例提供的主燃级结构示意图；

图5为本发明又一实施例提供的主燃级叶片结构示意图；

图6为本发明又一实施例提供的带冷却槽道的主燃级叶片结构示意图；

图7为本发明又一实施例提供的主燃级剖视图；

图8为本发明又一实施例提供的主燃级油雾轨迹示意图；

图9为本发明又一实施例提供的同时在主燃级叶片压力侧面和吸力侧面布置主燃级喷油孔的结构示意图；

图10为本发明又一实施例提供的在每个主燃级叶片上布置6个主燃级喷油孔的结构示意图；

图中：1低压压气机，2高压压气机，3传动轴，4燃烧室，5高压涡轮，6低压涡轮，7扩压器，8预燃级燃油供应路，9主燃级燃油供应路，10燃烧室机匣，11燃烧室头部，12火焰筒，13预燃级喷嘴，14预燃级，15级间段，16主燃级，17主燃级外环，18主燃级安装边，19预燃级旋流器，20预燃级冷却前集油腔，21预燃级冷却后集油腔，22预燃级套筒，23级间段冷却孔，24级间段挡板，25预燃级套筒冷却孔，26主燃级外层，27主燃级内层，28主燃级安装环，29主燃级集油腔，30主燃级叶片，31主燃级喷油孔，32主燃级通道，33主燃级冷却孔，34主燃级挡板，35主燃级吹扫气，36主燃级通油孔，37喷油孔高度，38主燃级叶片高度，39主燃级叶片厚度，40主燃级喷油孔与主燃级叶片法向夹角，41叶片内部冷却槽道，42主燃级叶片通道气流，43主燃级油雾，44无冷却叶片，45预燃级燃油流线，46主燃级燃油流线，47叶片压力面，48叶片吸力面，49主燃级油雾轨迹，50喷油孔距旋流器进口距离，51旋流器长度，52主预油路连接管，53带冷却叶片，54通油孔间距，55喷油孔间距。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示的发动机结构示意图，其包括低压压气机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，也可参见图5，本发明提供的一种主燃级叶片开孔喷油的低排放燃烧室，其采用单环腔结构，包括扩压器7、燃烧室机匣10、燃烧室头部11和火焰筒12，所述扩压器7设置在所述燃烧室机匣10端部，所述燃烧室头部11与所述火焰筒12连接，并固定在所述燃烧室机匣10内；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；

所述燃烧室头部11包括主燃级16与预燃级14，两者与预燃级喷嘴13共轴，主燃级16设置在预燃级14外围，主燃级16外侧与火焰筒12内壁连接，主燃级16与预燃级14之间通过级间段15连接，主燃级16的每个主燃级叶片30上均设置有至少一个径向的主燃级通油孔36，每个主燃级叶片30侧面上还设置有至少一个主燃级喷油孔31，所述主燃级喷油孔31与对应主燃级叶片30上的所述主燃级通油孔36连通，燃油依次沿着主燃级燃油供应路9、主燃级集油腔29、主燃级通油孔36进入主燃级叶片30，并通过主燃级喷油孔31喷出形成螺旋轨迹的主燃级油雾43，所述主燃级油雾43在主燃级通道32与空气的气流混合，形成油气混合物进入火焰筒12参与燃烧，燃烧后的高温燃气从燃烧室4出口排出。

其中，主燃级喷油孔31一般设置在主燃级叶片30侧面上，如压力侧面47或吸力侧面48等方案，主燃级通油孔36与主燃级喷油孔31的数量不做限制，根据实际情况灵活设置，主燃级通油孔36与主燃级喷油孔31的连通方式有多种，一般的，每个主燃级通油孔36均与若干个主燃级喷油孔31连通。

如图3和图7所示，其中，所述主燃级包括主燃级外层26、主燃级内层27和主燃级叶片30，所述主燃级外层26扣合在所述主燃级内层27上，所述主燃级外层26与所述主燃级内层27之间形成主燃级集油腔29，所述主燃级叶片30设置在所述主燃级外层26上，所述主燃级叶片30外套装有主燃级安装环28，所述主燃级安装环28与主燃级外环17固定连接。

其中，也可参见图4，预燃级旋流器19可以采用径向或轴向方案，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由主燃级外层26、主燃级内层27和主燃级安装环28连接而成，并形成主燃级集油腔29，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36进入主燃级叶片30，最后从主燃级喷油孔31喷出，形成主燃级叶片通道气流42，在气动力的作用下实现燃油的破碎雾化，形成主燃级油雾43，最终在主燃级通道32内形成均匀的油气混合物，进入火焰筒12参与燃烧。

如图9所示，作为优选，所述主燃级喷油孔31设置在所述主燃级叶片30的压力侧面47或吸力侧面48。作为优选，所述主燃级叶片30的压力侧面47和吸力侧面48上均设置有主燃级喷油孔31。

如图10所示，作为优选，每个主燃级叶片30上设置1～10个主燃级通油孔36数量，且每个主燃级叶片30上设置1～30个主燃级喷油孔31。

其中，主燃级喷油孔31可以设置在所述主燃级叶片30侧面的相对两侧中的任何一侧，也可以同时在两侧设置，根据实际需要灵活设置；可以根据设计需要在主燃级叶片30侧面按一定规则排列，此处以仅布置一个主燃级喷油孔31为例；根据设计需要，主燃级喷油孔31可以布置主燃级叶片30的压力侧面47或吸力侧面48，或同时布置，如图4所示，此处以单独布置在主燃级叶片30的吸力侧面48为例；主燃级喷油孔31直径、主燃级喷油孔与主燃级叶片法向夹角40根据要求设计，主燃级喷油孔31与主燃级通油孔36的直径之比为0.2～1.0，喷油孔高度37与主燃级叶片高度38之比为0.2～0.8；主燃级16通过主燃级安装环28与主燃级外环17装配定位，主燃级安装边18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16回火。

如图10所示，根据设计需要，本发明实施例中，在主燃级叶片30侧面布置6个主燃级喷油孔31为例。主燃级喷油孔31的直径、主燃级喷油孔高度37、主燃级通油孔间距54、主燃级喷油孔间距55等参数根据设计需要选取。

如图9所示，此处同时在主燃级叶片30的压力侧面47或吸力侧面48布置主燃级喷油孔31，主燃级喷油孔间距55根据设计需要选取。

如图6所示，作为优选，所述主燃级叶片30内部设置有冷却槽道41，预燃级燃油从连通的预燃级燃油供应路8、预燃级冷却前集油腔20、冷却槽道41、预燃级冷却后集油腔21、主预油路连接管52顺次流过，并进入预燃级喷嘴13，预燃级燃油实现对所述主燃级叶片30的冷却。所述主燃级16采用轴向叶片式旋流器，所述主燃级叶片30设置有5～60个，且每个主燃级叶片30与燃烧室4的轴向之间的夹角为0～70°。

其中，根据需要，主燃级叶片30可以采用无冷却叶片44或带冷却叶片53。无冷却叶片44如图5所示，带冷却叶片53如图6所示，带冷却叶片53内开有叶片内部冷却槽道41，预燃级燃油从预燃级燃油供应路8进入预燃级冷却前集油腔20，沿预燃级燃油流线45进入预燃级冷却后集油腔21，实现对主燃级叶片30的冷却，最后通过主预油路连接管52进入预燃级喷嘴13；主燃级燃油从主燃级燃油供应路9进入主燃级集油腔29，沿主燃级燃油流线46从主燃级喷油孔31喷出。主燃级喷油孔距旋流器进口距离50与旋流器长度51的比值大于0小于1，主燃级叶片厚度39根据加工情况选择，在保证强度的情况下尽可能薄。简便起见，主燃级喷油孔与主燃级叶片法向夹角40为0～150°，优选的，主燃级喷油孔与主燃级叶片法向夹角40可以取90°附近。

如图8所示主燃级16喷油示意图，以其中一个主燃级喷油孔31为例，燃油从主燃级喷油孔31喷出后，沿主燃级油雾轨迹49以近似螺旋线的方式向下游流动。

综上，本发明的主要工作原理为：用于燃烧的空气占燃烧室4总空气量的大部分，并且全部从燃烧室头部11进入火焰筒12，从而降低了燃烧室头部11当量比，有利于控制燃烧区温度并减少NOx的生成。燃烧组织采用中心分级方式，预燃级14在中心，采用非预混燃烧的方式，可以提供稳定的中心回流区以引燃主燃级16；主燃级16在外围，采用预混燃烧的方式，燃油沿着主燃级叶片30内径向的主燃级通油孔36，从主燃级叶片30侧面的主燃级喷油孔31喷出。一方面，相对于主燃级叶片30间的气流，燃油喷出的角度较大，液柱能够迅速的破碎雾化；另一方面，侧面开孔提升了燃油喷出时的径向位置，提高了燃油在环形的主燃级通道32的充满程度。燃油在主燃级通道32内沿着近似的螺旋线流动，增强了和气流间的掺混。最终在主燃级16出口形成均匀的油气混合物，从而避免了局部高温区，降低燃烧室排放。同时，本方案考虑了主燃级叶片30的冷却结构，即在主燃级叶片内部设计了冷却槽道41，可以有效防止主燃级喷油孔31结焦。

具体优点为：第一、本发明采用主燃级叶片30侧面开设主燃级喷油孔31喷射燃油的方式，从主燃级叶片30侧面喷入主燃级叶片30间，在气动力作用下燃油的液柱能够迅速地完成初始破碎和二次破碎，进一步形成细小的液滴颗粒，使得后续燃烧更为充分方便；

第二、本发明的主燃级叶片30侧面开设主燃级喷油孔31的位置和数量具有很高的灵活性，可以在任意指定位置开设，从而能够进一步优化主燃级16燃油分布，具有较强的适用性；

第三、本发明的主燃级16采用轴向叶片式旋流器，燃油从主燃级叶片30侧面喷出，在主燃级通道32内沿螺旋轨迹流动，实际上增加了在环形的主燃级通道32内的停留时间，加强了燃油与气流的掺混，改善了燃油分布的径向均匀度；此外，主燃级喷油孔31远离主燃级通道32内壁面，避免了燃油贴附壁面；

第四、本发明在主燃级叶片30内部设计了冷却槽道41，可将预燃级燃油导入主燃级叶片30的冷却槽道41，完成冷却后再进入预燃级喷嘴13喷出；该冷却方案可以有效防止大工况情况下，燃烧室4进口温度过高所引起的主燃级喷油孔31结焦的问题，提高了燃烧室4可靠性，可延长使用寿命。

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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。