Lng/航空煤油航空发动机燃油供应系统及燃烧室工作方式的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空发动机燃油系统领域，特别涉及一种LNG/航空煤油航空发动机燃油供应系统及燃烧室工作方式。
【背景技术】
[0002]在航空发动机的发展过程中曾使用过不同的燃料，最早的航空燃料是柴油，后来是航空汽油、航空煤油。这些燃料是通过石油加工获得，具有污染重的特点。航空煤油在燃烧过程中产生的CO2基本排放在大气的平流层中，产生了很强的温室效应，因此航空业面临着严峻的C(V咸排挑战。同时，由于飞机飞行高度接近平流层，航空发动机的NOx排放对臭氧层的破坏远高于其他设备。因此，低污染燃烧技术已经成为现代高性能航空发动机的重要标志之一。
[0003]随着世界航空业的不断发展，对航空煤油的需求与日倶增。而全球石油储量的减少，石油价格的波动，使得航空能源安全性、经济性等问题愈显突出。
[0004]液化天然气(LNG)是将天然气经脱硫、脱水、脱重烃和脱酸性气体等一系列技术加工处理，并采用深冷技术，将天然气冷却到_162°C，在常压下为液态的一种天然气。在净化处理、深冷生产过程中，非烃类成分及一些非甲烷烃类成分被去掉，成为纯度很高的烷烃(96%以上是甲烷)。液态密度为0.42?0.46 t/m3(3#航空煤油密度为0.78 t/m3)，液态热值为50MJ/kg(航空煤油约为42.5MJ/kg)。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积重量仅为同体积水的45%左右。与航空煤油相比，LNG具有密度低、成本低、燃料纯净、燃烧稳定性强、燃料热值高(LNG中氢碳比为4，Jet A航空煤油氢碳比为1.8，LNG比Jet A航空煤油热值高16%)的特点，同时LNG燃烧后产生的污染物要比航空煤油低。发展LNG发动机技术，使LNG成为航空煤油的替代燃料将是解决航空煤油枯竭和环境问题的有效途径，对于民用航空和国防科技都有着至关重要的作用。
[0005]为实现LNG在航空发动机上的应用，美国通用电气公司针对航空发动机使用航空煤油/LNG双燃料系统时需要对燃料供应系统、LNG的温度控制及LNG与航空煤油之间的协调控制进行了研究。其采用了在同一个航空发动机中交替使用两种燃料的燃烧室，不同的燃料通过各自的燃料供应系统和燃油喷嘴进入燃烧室发生反应。这种燃油供应方式需要一个复杂的燃油控制系统，在燃烧室内实现两种燃料的交替燃烧，这将为燃烧室的设计和工作带来困难，也会增加燃烧室的重量和复杂性。同时其未涉及LNG与航空煤油在燃烧室内如何进行有效的燃烧。前苏联的图波列夫航空公司曾在图-155客货两用机上将LNG作为航空发动机替代燃料，在飞机上的3台发动机中有I台发动机使用LNG作为燃料，其他2台发动机仍采用航空煤油作为燃料。所设计的燃烧室使用一种燃料，未涉及两种燃料在同一台发动机上同时使用的技术。同时文献中未详细报道LNG发动机的燃料供应系统及发动机是如何工作的。为实现LNG在航空发动机上的应用，针对LNG自身的特点，考虑航空发动机的工作特性和飞机的结构特点，设计一种可同时应用航空煤油、LNG为燃料的航空发动机，并提出其工作方式是目前急需解决的问题。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是:为实现LNG在航空发动机上的应用，同时克服LNG气化系统需要额外的能量及提高发动机整机效率，提出了通过将高压涡轮叶片冷却用压气机引气与LNG气化加热装置结合，在实现降低涡轮冷却用空气温度改善飞机动力系统性能的同时实现了 LNG冷能的有效利用，同时可以将液态LNG气化，为发动机提供燃料；为克服航空发动机交替应用两种燃料时的燃油供应、控制系统和燃烧系统的复杂性，提供了一种可应用LNG和航空煤油双燃料的中心分级低排放燃烧室，该技术方案能够在保证航空发动机稳定工作的同时，可以采用LNG和航空煤油双燃料同时工作。
[0007]本发明解决技术问题所采用的技术方案是:
一种LNG/航空煤油航空发动机燃油供应系统及燃烧室，如图6所示，所述供应系统包括LNG储罐、低温栗、气化装置、油箱、油栗；如图3所示，所述燃烧室包括机匣、火焰筒和火焰筒头部；所述LNG储罐通过低温栗与气化装置相连，气化装置通过管道与燃烧室相连；所述油箱与油栗相连，油栗通过管道与燃烧室相连；所述燃烧室为环形结构，火焰筒上沿周向均匀布置多个火焰筒头部；如图4所示，所述火焰筒头部包括预燃级和主燃级；所述预燃级位于火焰筒头部的中心位置，主燃级位于火焰筒头部预燃级的外围；所述预燃级包括航空煤油油管、预燃级燃油喷嘴、空气旋流器、文氏管，所述航空煤油油管与预燃级燃油喷嘴相连，空气旋流器有两级且均环绕在预燃级燃油喷嘴外侧，文氏管一端位于两级空气旋流器之间，另一端伸入到火焰筒内部；所述主燃级包括气体燃料管、储油槽、多点喷射孔、主燃级旋流器，所述气体燃料管与储油槽相连，储油槽外环面上有多点喷射孔，主燃级旋流器沿周向布置于储油槽外并与储油槽外环面间留有一定间隙。
[0008]如图2所示，所述低温栗和气化装置之间设置有PID控制器和压力传感器；所述气化装置和燃烧室之间设置有电控节流阀、机械调节阀、止回阀和缓冲罐和流量控制器；所述电控节流阀一端与气化装置相连，另一端与机械调节阀相连；所述机械调压阀一端与电控节流阀相连，另一端与止回阀相连；所述止回阀一端与机械调节阀相连，另一端与缓冲罐相连；所述缓冲罐一端与止回阀相连，另一端与流量控制器相连；所述控制器一端分别与缓冲罐和电控节流阀相连，另一端分别与油栗和燃烧室相连。
[0009]所述LNG储罐和气化装置上都安装有爆破片。
[0010]所述LNG储罐为双层绝热结构，储罐的内壁和外壁为金属材料，两层壁之间为真空结构。
[0011]—种LNG/航空煤油航空发动机燃油供应系统及燃烧室工作方式，航空煤油储存在油箱内，航空煤油经油栗增压后由输油管进入燃油总管，其中燃油流量通过流量控制器对燃油栗转速的调节来实现；
低温燃料LNG以液态形式储存在LNG储罐中，液态LNG由LNG储罐下面出口处流出，LNG在低温栗内增压后再由管道连接至气化装置实现LNG由液态转化为气态；气态燃料的流量由电控节流阀控制，经电控节流阀的气体燃料流入机械调压阀，再经缓冲罐缓冲后气体燃料在流量控制器的控制下进入气体燃料总管，经气体燃料总管分配后的气体燃料经气体燃料喷嘴进入燃烧室进行燃烧。
[0012]在所述燃烧室中燃料采用分级供油的方式，并根据燃烧室的工作状态分别进入主燃级和预燃级；燃烧过程在火焰筒的燃烧区内完成；燃烧区包括预燃烧区和主燃烧区，预燃烧区即预燃级所在的位置，主燃烧区即主燃级所在的位置；预燃级和主燃级的燃料分别在预燃烧区和主燃烧区内完成燃烧，并在燃烧区内形成两个同轴的环形旋转射流；燃油总管与航空煤油油管相通，航空煤油通过航空煤油油管供应给预燃级喷嘴，预燃级的工作是通过内侧的同旋向(或不同旋向)的双级旋流器和直射式预燃级喷嘴的匹配来实现；气体燃油总管与气体燃料管相通，主燃级以气化后的LNG为燃料，燃料经主燃级气体燃料管和储油槽从多个周向均布的多点喷射孔喷射出，经多点喷射孔直接喷射进入由主燃级旋流器进口进来的空气中，燃料和空气经均匀掺混后进入火焰筒头部，形成均匀的预混油气混合物在主燃区中燃烧。
[0013]一种可应用航空煤油和LNG为燃料，工作时可以使用一种燃料也可以两种燃料同时使用的航空发动机。如图1所示，飞机上有2个燃料储存装置(油箱和LNG储罐)可为发动机提供燃料，油箱位于机翼内储存航空煤油，LNG储罐位于机身上储存低温LNG燃料。燃油系统可分别为发动机提供航空煤油和LNG燃料，通过燃油控制系统根据航空发动机的工作状态，可分别或同时向航空发动机供应航空煤油、LNG燃料。
[0014]航空煤油储存在油箱内，通过供油系统为发动机提供燃料。LNG燃料储存在低温LNG储罐中，通过LNG气化装置气化和增压装置增压后为航空发动机提供燃料。低温LNG储罐为双层绝热结构，储罐的内壁和外壁为金属材料，两层壁之间为真空结构。
[0015]如图6所示，航空发动机应用LNG燃料时，温度为_165°C左右、压力为常压的低温LNG储存在LNG储