孔型多点直接喷射旋流器及孔型多点直接喷射头部结构的制作方法

本发明属于燃气轮机燃烧室领域，涉及一种孔型多点直接喷射旋流器及孔型多点直接喷射头部结构。

背景技术

近年来，随着环境污染问题的愈加严峻，人们环保意识也越来越强，对其燃气轮机的污染物排放要求日益严格。例如国际民航组织(icao)下属环境保护委员会(caep)制定的一系列标准对一氧化碳、未燃碳氢和氮氧化物的排放做出了严格规定，只有符合排放要求的发动机才能取得适航认证，因此亟需不断的发展先进的燃气轮机来降低污染物的排放，以满足未来越来越严格的污染物排放要求。

燃气轮机污染物排放的源头是燃烧室，因此需要对燃气轮机燃烧室的燃烧组织技术进行不断的优化和改进，从而达到降低污染物排放的要求。目前，低污染燃烧组织技术主要是向贫油燃烧发展，国内外学者针对贫油燃烧组织技术进行了大量的研究，并提出了贫油预混预蒸发(lpp)燃烧组织技术，lpp燃烧组织技术在降低污染物性能上有很大的潜力，然而其存在自燃、回火和振荡燃烧三大核心问题，因此其不适用于未来燃烧室进口条件(压力和温度)越来越高的燃气轮机。针对lpp燃烧室自燃、回火和振荡燃烧的问题，提出了贫油直接喷射(ldi)燃烧组织技术，由于ldi燃烧组织技术是将燃油直接喷进燃烧室进行混合燃烧，没有预混过程所以有效地避免了自燃与回火，并降低了振荡燃烧的风险。

目前国内外对低污染燃烧室进行了大量研究，也申请了许多关于低污染燃烧室的专利，例如ge公司申请的关于lpp燃烧组织技术的专利us6363726，us8607575和us8171735，dalavan公司申请的us9644844专利，提出了一种新型的多点贫油直接喷射方案。国内也有相应的低污染燃烧室专利申请，专利201010591264.0、201110214905.5、201310065034.4、201310722586.8和201510011730.6公开了五种低污染燃烧室，均是将燃烧室分为主燃级和值班级，其中值班级采用旋流稳定的扩散燃烧方式，主燃级采用预混燃烧方式，在保证燃烧室能稳定工作的条件下同时降低污染物排放。专利201620714660.0公开了一种阵列式九点贫油直接喷射燃烧室。目前国内的低污染燃烧室广泛采用分级燃烧策略，其中主燃级普遍采用预混预蒸发燃烧方式，随着未来燃烧室进口条件的不断提高，采用预混预蒸发方式会带来回火和自燃风险，并且有可能引起严重的燃烧不稳定性问题，因此针对未来的航空发动机的工作状态，迫切需要一种既能保证燃烧室稳定工作，同时又能满足污染排放要求的燃烧室。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种孔型多点直接喷射旋流器及孔型多点直接喷射头部结构，该头部结构能够保证该燃烧室在各个工况下都能够稳定高效工作，有效抑制振荡燃烧的发生，同时有效地降低污染物排放。

技术方案

一种孔型多点直接喷射旋流器，其特征在于包括旋流器壁5、喷嘴6、一级旋流孔7、二级旋流孔8、三级旋流孔9、燃油进口10、一级旋流空气进口11、二级旋流空气进口12、三级旋流空气进口13、一级旋流空气出口14、二级旋流空气出口15、三级旋流空气出口16、燃油出口17、扩张流道18和平直流道19；喷嘴6位于旋流器壁5的中心且与燃油进口10连通，旋流器壁5外侧上设有三排空气进口为：一级旋流空气进口11、二级旋流空气进口12和三级旋流空气进口13；旋流器壁5设有三排贯穿旋流器壁5的旋流孔，：一级旋流孔7、二级旋流孔8和三级旋流孔9，其旋流孔都为复合角小孔，其中心轴线与旋流器轴向和径向都成一定角度；所述一级旋流空气进口11、一级旋流孔7和一级旋流空气出口14构成一级旋流通道，空气由一级旋流空气进口11进入一级旋流孔7再由一级旋流空气出口14流人扩张流道18形成一级旋流；，所述二级旋流空气进口12、二级旋流孔8和二级旋流空气出口15构成二级旋流通道，空气由二级旋流空气进口12进入二级旋流孔8再由二级旋流空气出口15流人扩张流道18形成二级旋流；；所述三级旋流空气进口13、三级旋流孔9和三级旋流空气出口16构成三级旋流通道，空气由三级旋流空气进口13进入三级旋流孔9再由三级旋流空气出口16流人扩张流道18形成三级旋流；扩张流道18的下游为平直流道19。

所述一级旋流孔的孔数为6-12个，旋流孔于轴向夹角为45°-75°，与径向夹角为45°-90°，旋流孔孔径d为0.3mm-1mm。

所述二级旋流孔的孔数为8-16个，旋流孔于轴向夹角为30°-50°，与径向夹角为60°-90°，旋流孔孔径d为0.5mm-5mm。

所述三级旋流孔的孔数为10-20个，旋流孔于轴向夹角为30°-50°，与径向夹角为60°-90°，旋流孔孔径d为0.5mm-5mm。

所述扩张流道18的扩张角为30°-60°。

一种采用所述孔型多点直接喷射旋流器的适用于燃气轮机燃烧室的孔型多点直接喷射头部结构，其特征在于包括燃烧室头部1、和多个燃烧室头部法兰4，以及固定在燃烧室头部法兰4上的一个孔型多点直接喷射旋流器为值班级喷嘴模2、六个孔型多点直接喷射旋流器为主燃级喷嘴模3；六个主燃级喷嘴模3以值班级喷嘴模2为中心，均布于同一圆周上；值班级喷嘴模2的中心与主燃级喷嘴模3的中心距离s1为1d-2d，相邻主燃级喷嘴模3的中心距离s2为1d-2.5d；相邻值班级中心间距s3为2d-8d，其中：d为孔型多点直接喷射旋流器的外径。

有益效果

本发明提出的一种孔型多点直接喷射旋流器及孔型多点直接喷射头部结构，包括值班级和主燃级，小工况下只有值班级工作，值班级采用富油设计，其能保证燃烧的稳定性，并优化贫油熄火特性，大工况下值班级和主燃级一起工作，使整个头部处于偏贫的状态下燃烧，从而降低污染物的排放本发明采用孔型喷嘴模其具有三级旋流角度不同的旋流孔，其有助于燃油破碎与混合，同时打孔式喷嘴模结构小，可以排布更多喷射点，可以使下游分布更加均与，较少局部高温区，从而降低污染物排放。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

(1)孔型旋流器喷嘴模采用三级旋流孔，一级旋流孔采用强旋流，其与喷出来的燃油形成剪切作用，促进燃油破碎，使油气分布更加均匀，能有效地减小局部高温区，抑制热力型nox的生成，二级和三级旋流孔采用弱旋流设计减小燃气的停留时间，从而降低nox的生成。

(2)打孔旋流器相对于普通旋流器而言可以做的更小，从而可以采用更多喷射点，因此减少了每个喷嘴的流量，可选择小流量数喷嘴，达到更好的雾化水平，使燃油分布更加均匀，从而获得更好地温度分布，有效的降低污染物排放。

(3)主副模都采用直接喷射燃烧组织技术，能有效地避免自燃和回火问题，降低振荡燃烧的风险，满足燃烧室进口温度和压力不断增大的趋势。

(4)燃烧区采用贫油设计，局部当量比在0.5-0.9之间，此时火焰温度较低，可有效抑制由热力型机理生成的氮氧化物。

(5)采用分级燃烧技术，小工况下只有值班级工作，值班级采用富油设计，其能保证燃烧的稳定性，并优化贫油熄火特性，大工况下值班级和主燃级一起工作，使整个头部处于偏贫的状态下燃烧，从而降低污染物的排放。

附图说明

图1本发明实施例孔型多点直接喷射头部示意图

图2本发明实施例孔型旋流喷嘴模示意图和剖视图

图3本发明实施例环形燃烧室示意图

图中：1-燃烧室头部，2-值班级喷嘴模，3a/3b/3c/3d/3e/3f-主燃级喷嘴模，4-燃烧室头部法兰，5-旋流器壁，6-喷嘴，7-一级旋流孔，8-二级旋流孔，9-三级旋流孔，10-燃油进口11-一级旋流空气进口，12-二级旋流空气进口，13-三级旋流空气进口14-一级旋流空气出口，15-二级旋流空气出口，16-三级旋流空气出口，17-燃油出口，18-扩张流道，19-平直流道。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采用以下技术方案：一种适用于燃气轮机燃烧室的孔型直接喷射头部结构，所述的多点直接喷射头部结构由七点孔型喷嘴模组成，包括值班级和主燃级，所述的值班级由中心一个喷嘴模构成，所述的主燃级由位于外围的六个喷嘴模构成，值班级和主燃级可以独立工作也可以同时工作，小工况下只有值班级工作，值班级采用富油设计，其能保证燃烧的稳定性，并优化贫油熄火特性，大工况下值班级和主燃级一起工作，使整个头部处于偏贫的状态下燃烧，从而降低污染物的排放。所述的孔型喷嘴模包括旋流器壁、一级旋流孔、二级旋流孔、三级旋流孔、喷嘴、扩张流道和平直流道构成。空气从一级旋流孔进口、二级旋流孔进口和三级旋流孔进口进入旋流孔内产生适当强度旋流流动，再流经扩张流道和平直流道进入火焰筒内，在喷嘴模下游形成稳定的回流区来稳定火焰。燃油从燃油进口进入喷嘴，再由喷嘴喷入扩张段内，燃油在旋流的作用下，更好地破碎并在旋流器下游产生更加合理的油气分布，从而降低污染物的排放。所述的头部结构可以通过合理的排布方式能应用在实际燃烧室上。

优选的，所述的打孔旋流喷嘴模燃烧当量比为0.5-0.9。

优选的，所述的打孔旋流器一级旋流孔孔数为6-12个，旋流孔于轴向夹角为45°-75°，与径向夹角为45°-90°，旋流孔孔径d为0.3mm-1mm。

优选的，所述的打孔旋流器二级旋流孔孔数为8-16个，旋流孔于轴向夹角为30°-50°，与径向夹角为60°-90°，旋流孔孔径d为0.5mm-5mm。

优选的，所述的打孔旋流器三级旋流孔孔数为10-20个，旋流孔于轴向夹角为30°-50°，与径向夹角为60°-90°°，旋流孔孔径d为0.5mm-5mm。

优选的，所述的旋流器一级旋流空气占总头部空气量的5％-15％。

优选的，所述的打孔旋流器扩张角α为30°-60°。

优选的，所述的中心和外围旋流喷嘴模中心距s1为1d-2d(旋流器外径d)。

优选的，所述的外围相邻旋流喷嘴模中心距s2为1d-2.5d。

优选的，所述的全环燃烧室内相邻头部值班级旋流器中心间距s3为2d-8d。

如图1所示，本发明实施例提供一种适用于燃气轮机燃烧室的孔型多点直接喷射头部结构，所述的多点直接喷射头部1由七点孔型喷嘴模组成，包括值班级和主燃级，所述的值班级由中心一个值班级喷嘴模2构成，所述的主燃级由位于外围的六个主燃级喷嘴模3a、3b、3c、3d、3e、3f构成，值班级和主燃级可以独立工作也可以同时工作，小工况下只有值班级工作，值班级采用富油设计，其能保证燃烧的稳定性，并优化贫油熄火特性，大工况下值班级和主燃级一起工作，使整个头部处于偏贫的状态下燃烧，从而降低污染物的排放。

如图2a、2b、2c和2d所示，是孔型旋流喷嘴模示意图和剖视图，所述的孔型旋流喷嘴模由旋流器壁5、喷嘴6、一级旋流孔7、二级旋流孔8、三级旋流孔9、燃油进口10、一级旋流空气进口11、二级旋流空气进口12、三级旋流空气进口13、一级旋流空气出口14、二级旋流空气出口15、三级旋流空气出口16、燃油出口17、扩张流道18和平直流道19；喷嘴6位于旋流器壁5的中心且与燃油进口10连通，旋流器壁5外侧上设有三排空气进口为：一级旋流空气进口11、二级旋流空气进口12和三级旋流空气进口13；旋流器壁5设有三排贯穿旋流器壁5的旋流孔，：一级旋流孔7、二级旋流孔8和三级旋流孔9，其旋流孔都为复合角小孔，其中心轴线与旋流器轴向和径向都成一定角度；所述一级旋流空气进口11、一级旋流孔7和一级旋流空气出口14构成一级旋流通道，空气由一级旋流空气进口11进入一级旋流孔7再由一级旋流空气出口14流人扩张流道18形成一级旋流；，所述二级旋流空气进口12、二级旋流孔8和二级旋流空气出口15构成二级旋流通道，空气由二级旋流空气进口12进入二级旋流孔8再由二级旋流空气出口15流人扩张流道18形成二级旋流；；所述三级旋流空气进口13、三级旋流孔9和三级旋流空气出口16构成三级旋流通道，空气由三级旋流空气进口13进入三级旋流孔9再由三级旋流空气出口16流人扩张流道18形成三级旋流；扩张流道(18)的下游为平直流道(19)。各级旋流空气出口进入扩张流道(18)的旋流空气再经过平直流道19进入火焰筒内，在旋流器下游形成稳定的回流区，从而稳定火焰。燃油由燃油进口10流入喷嘴，再由喷嘴出口17喷入扩张流道18中，燃油在一级旋流作用下破碎，并在火焰筒内形成均匀的油气分布，从而减少局部高温区，降低污染物排放。同时由一级旋流孔7、二级旋流孔8和三级旋流孔9产生的旋流空气能有效地冷却旋流器头部，防止旋流器头被烧坏。

如图3所示，是孔型多点直接喷射头部结构在实际全环燃烧室中的排布，其由20个相同的燃烧室头部1组成，其头部数目可以根据燃烧室的具体尺寸来定，保证相邻燃烧室头部值班级旋流器间的中心间距为2d-8d之间，既要保证燃烧室的联焰能力，又要保证相邻头部间的不干扰。