专利名称：一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用预混预蒸发燃烧技术的航空燃气轮机低污染燃烧室。采用分级燃烧的模式，主燃级采用预混燃烧的方式，主要用于降低大工况下的污染排放；预燃级采用扩散燃烧的方式，在保证燃烧室稳定燃烧，主燃级采用分两级的预混预蒸发燃烧的方式， 降低航空发动机整个LTO循环的污染排放。
背景技术：
现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于现代航空发动机燃烧室来说，仍然存在大量的难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念的发展应用才是保证其持续进步的源泉。现代民用航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。民用航空发动机燃烧室必须满足日益严格的航空发动机污染排放标准。目前采用的CAEP6 (Committee on Aviation Environmental Protection)标准对污染排放物的规定已经非常严格，特别是对 NOx污染排放要求；而最新的CAEP8标准提出了将NOx的排放在CAEP6的排放标准上降低1 5%，随着航空业的迅猛发展和人们环保意识的不断提高，未来对燃气轮机燃烧室污染排放会提出更高的要求。美国航空发动机的两个著名公司GE和PW对低污染燃烧室早已着手研究，GE首先研发了双环腔低污染燃烧DAC(用于GE90和CFM56)，Pff公司采用了 RQL(富油燃烧-淬熄-贫油燃烧，Rich burn-Quench-Lean burn，简称RQL)低污染燃烧室TALON II(用于 PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃烧室方面，GE公司采用LDM (Lean Direct Mixing Combustion，贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS (Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃烧室。该燃烧室在台架全环试验验证中，NOx污染排放比 CAEP2排放标准降低了 50%。GE公司申请了多项美国专利申请号6363726、6389815、 6354072,6418726,0178732,6381964和6389815，所有这些专利都是预燃级采用扩散燃烧、 主燃级采用预混燃烧的燃烧组织方式，目的是降低排放指数最大的大工况下的NOx排放。 PW公司继续采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃烧室为TALON X，采用的头部形式是PW公司发展的空气雾化喷嘴，燃烧室为单环腔，在V2500发动机扇型试验段上的试验结果比CAEP2标准降低了 50%。Rolls-Royce公司采用LDM技术发展的低污染燃烧室是ANTLE，该燃烧室是一个单环腔分级燃烧室，其NOx污染排放比CAEP2标准降低了 50%， 用于其新一代发动机湍达1000。中国的北京航空航天大学对低污染燃烧室也申请了 200910238793. X、 201010101574. X,201010034141. 7、201010277014. X等多项专利，采用的方案是预燃级采用扩散燃烧方式，主燃级采用预混燃烧方式，主燃级为环形结构，轴向或径向供油，采用多点喷射或是预膜雾化方式，目的是降低大工况下的NOx排放，从而使整个LTO循环的NOx的排放得到降低，但要进一步降低整个LTO循环的NOx的排放水平难度较大。以上所述的专利，都是针对在大工况下降低污染排放，而根据国际民航组织(International Civil Aviation Organization, ICAO)规定的一个标准循环下的排放物指数，用LTO Emission来表达这个参数，计算如下式
N
ΓΠΠΠ7 Γ) 〉^^m.j-^mf.iXn.i LUUU /」 LTO Emission(g/kN) = ^ = ^-
F。。Fcro由上式可知，LTO Emission跟四个工况下的NOx排放量有关，即既与大工况下的 NOx排放有关，还与小工况下的NOx排放有关。标准LTO循环中的运行模式、每个运行模式下的推力和运行时间，如下表所示。表1ICAO规定的LTO循环中的运行模式和时间
运行模式推力设置运行时间(min)起飞(Take-off)100% Foo0. 7爬升(Climb)85% Foo2. 2进场(Approach)30% Foo4. 0滑行/地面慢车(Taxi/ground idle)7% Foo0常规或者现役的推力在140KN的CFM56-5B/3发动机的NOx排放如下表，数据来源 jJ1 ICAO Emission data bank。表2CFM56-5B/3 的 NOx 排放水平
参数单位慢车进场爬升起飞排放指数(EI)g/(kgf)4. 459. 2819. 7726. 18燃油流量kg/s0. 1120. 4481. 0861. 325运行时间g156024013242排放量g/kN777. 5997. 82834.11456.9燃烧室采用分级燃烧，预燃级为扩散燃烧方式，主燃级为预混燃烧方式，降低了大工况下的NOx排放，可以达到的NOx排放如下表所示表3主燃级采用预混燃烧可以达到的NOx排放水平
参数单位慢车进场爬升起飞NOx排放指数(EI)g/(kgf)4. 459. 2844. 权利要求
1. 一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于所述燃烧室采用单环腔结构，它由燃烧室外机匣(6)和燃烧室内机匣(7)构成外轮廓；外界空气通过扩压器(10) 进入，火焰筒外壁(8)、火焰筒内壁(9)和燃烧室头部(1 组成燃烧区域，燃烧用空气全部由燃烧室头部(1 进入火焰筒，掺混空气由火焰筒外壁(8)上的外掺混孔(11)和火焰筒内壁(9)上的内掺混孔(1 射入；所述燃烧室头部(1 采用分级燃烧方案，分为主燃级 (14)和预燃级(15)，主燃级外环(38)通过头部整体端壁(5 与火焰筒外壁(8)和火焰筒内壁(9)连接固定，主燃级内环腔(37)和燃油喷嘴(16)为一体；预燃级(1 通过预燃级头部端壁0 与主燃级(14)连接，并与主燃级(14)同心；所述预燃级(1 由中心向外包括预燃级旋流器组件(20)、预燃级喷嘴(21)、预燃级头部端壁(22)，预燃级喷嘴和预燃级旋流器组件OO)配合定位，预燃级旋流器组件OO)和预燃级头部端壁0 连接，预燃级(1 利用由预燃级旋流器组件OO)进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰，预燃级旋流器组件OO)通过预燃级头部端壁0 与主燃级预混预蒸发段内环(33)相连接；预燃级喷嘴位于预燃级旋流器组件OO)内，并与预燃级旋流器组件OO)同轴； 预燃级头部端壁0 安装于主燃级预混蒸发段内环(3 和预燃级外环管上；其中预燃级旋流器OO)包括预燃级外环管(23)、预燃级文氏管(M)、预燃级旋流器叶片(25)、 预燃级喷嘴定位环(26)，预燃级旋流器叶片0 依次连接预燃级外环管(23)、预燃级文氏管(M)、预燃级喷嘴定位环；所述主燃级(14)由预混预蒸发环外环(31)、预混预蒸发环中环(32)、预混预蒸发环内环(33)，主燃级内燃油环(43)、主燃级外燃油环(42)、主燃级外旋流器(34)和主燃级内旋流器(3 构成，其中主燃级内旋流器(3 与预混预蒸发环中环 (42)、预混预蒸发环内环(3 连接在一起，构成了预混预蒸发内环腔(37)，主燃级外旋流器(34)与预混预蒸发环外环(31) —起构成主燃级外环(38)，和预混预蒸发环中环(32)构成了预混预蒸发外环腔(36)；所述燃油喷嘴(16)由中心向外包括预燃级喷油嘴(39)、主燃级内喷油嘴GO)和主燃级外喷油嘴Gl)为一整体，预燃级喷油嘴(39)和预燃级喷嘴定位环06)连接；燃油喷嘴(16)从燃烧室头部(1 的上游直接插入主燃级外环(38)中；其中预燃级喷油嘴为单个喷嘴，直接插入到预燃级喷嘴定位环06)下游内通道(XT)里， 经过预燃级燃油管路08)的燃油通过预燃级喷油嘴形成预燃级油雾(17)，预燃级油雾(17)打在预燃级旋流器文氏管内壁面09)上形成油膜，在经过预燃级内通道(XT)的来流作用下进行雾化，在预燃级出口(30)进行扩散燃烧；主燃级内喷油嘴GO)由主燃级燃油内通道0 和主燃级内直射喷孔G9)组成，固定于预混预蒸发环内环(3 内侧，主燃级内燃油环G3)和预混预蒸发环内环(33) —起构成环形结构主燃级燃油内通道G5)；预混预蒸发环内环(3 上沿周向均勻开有多个主燃级内直射喷孔(49)，燃油通过主燃级内燃油管G6)进入主燃级燃油内通道(45)，然后经过主燃级内直射喷孔09)形成多股主燃级内环喷雾(19)，向主燃级内环腔(37)中喷射；主燃级内环油雾(19)在主燃级内旋流的作用下进行蒸发和预混和掺混，实现燃油快速蒸发并与空气均勻掺混，然后经过主燃级内环腔(37)进入主燃级内环出口(50)进行预混燃烧，保证低污染排放；主燃级外喷油嘴Gl) 由主燃级燃油外通道G4)和主燃级外直射喷孔G8)组成，固定于预混预蒸发环内环(33) 内侧，主燃级内喷油嘴GO)外侧；主燃级外燃油环0 和预混预蒸发环内环(3 —起构成一环形结构主燃级燃油外通道G4)；主燃级内旋流器(35)、预混预蒸发环内环(33)和预混预蒸发环中环(3 上沿周向均勻开有多个主燃级外直射喷孔(48)，燃油通过主燃级外燃油管G7)进入主燃级燃油外通道(44)，然后经过主燃级外直射喷孔08)形成多股主燃级外环喷雾(18)，向主燃级外环腔中喷射；主燃级外环油雾(18)在主燃级外旋流的作用下进行蒸发和预混和掺混，实现燃油快速蒸发并与空气均勻掺混，然后经过主燃级外环腔 (36)进入主燃级出口(51)进行预混燃烧，保证低的污染排放。
2.根据权利要求1所述的一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于 所述预燃级喷油嘴为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。
3.根据权利要求1所述的一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于 所述预燃级(1 采用的预燃级旋流器OO)为叶片式或槽道式旋流器，叶片安装角度和槽道角度为30° 70°，预燃级旋流器OO)的级数η为1 < η < 3 ；每级叶片式旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器。
4.根据权利要求1所述的一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于 所述燃油喷嘴(16)供应燃烧室所需的全部燃油，主燃级燃油占总燃油量的比例为50% 90%。
5.根据权利要求1所述的一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于 所述主燃级(1 采用的主燃级内旋流器(3 和主燃级外旋流器(34)为叶片式旋流器，叶片安装角度为30° 70° ；每级叶片式旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，两级旋向相同或相反。
6.根据权利要求1所述的一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于 所述主燃级内直射喷孔G9)和主燃级外直射喷孔G8)的个数为6 30个，主燃级内旋流器(35)和主燃级外旋流器(34)叶片的个数与直射喷油孔08，49)的个数之比为1 1 5 1 ；主燃级内直射喷孔G9)和主燃级外直射喷孔G8)和预混预蒸发环内环(3 壁面所形成的倾角均为10° 90，与对应主燃级燃油外通道04)和主燃级燃油内通道0 的有效流通面积比值为1 2 1 5 ；所述主燃级内直射喷孔09)和主燃级外直射喷孔08) 轴向位置距主燃级内出口(50)和主燃级外出口(51)的轴向距离为20 50mm。
7.根据权利要求1所述的一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于 所述主燃级内直射喷孔G9)的结构形式有两种，一种是开在预混预蒸发环内环(3 上，喷油到主燃级内环腔(37)内另一种是开在主燃级内旋流器(3 叶片上，喷孔和叶片表面所形成的倾角均为10° 90。
8.根据权利要求1所述的一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室，其特征在于 所述燃烧室头部(1 沿周向均勻布置，个数为10 60个，燃烧室头部(1 的空气量占燃烧室总空气量的20% 80%，其中主燃级(14)占头部空气量的60% 90%，预燃级(15) 占头部空气量的10% 40%。
全文摘要
一种结构分三级预混预蒸发的低污染燃烧室，采用单环腔结构，包括扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、火焰筒外壁、火焰筒内壁和燃烧室头部；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，采用分级燃烧方案，分为预燃级一级和主燃级两级；主燃级采用预混燃烧方式，预燃级采用旋流稳定的扩散燃烧方式。主燃级结构上分为两级，避免了主燃级一级的情况下，转级时主级油气混合变差导致的污染排放的增加，在不影响稳定燃烧的同时降低了30％工况下的污染物排放。本发明结构简单，在不影响燃烧稳定性的同时，降低了航空发动机燃烧室的整个着陆起飞循环(Landing and Take-off，LTO)的污染排放得到进一步降低。
文档编号F23R3/30GK102242940SQ20111021490
公开日2011年11月16日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者张弛, 曹文宇, 林宇震, 许全宏 申请人:北京航空航天大学