一种多级低污染燃烧系统及燃烧室的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种多级低污染燃烧系统及燃烧室，其中，多级低污染燃烧系统包括采用环腔中心分级结构设置，且能够独立开启或关闭的预燃级、中间级和主燃级，所述预燃级、中间级和主燃级沿径向由内向外依次设置；所述预燃级包括预燃级套筒，所述预燃级套筒内设置有预燃级喷嘴和预燃级旋流器；所述中间级包括中间级套筒，所述中间级套筒内设置有中间级喷嘴和中间级旋流器；所述主燃级包括主燃级套筒，所述主燃级套筒内设置有主燃级喷嘴和主燃级旋流器。本实用新型采用中心分级燃烧概念，能够使油气混合更加充分均匀，进一步降低了燃烧室的掺混用气量和污染物的排放，确保了燃烧室的稳定性。
【专利说明】一种多级低污染燃烧系统及燃烧室
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及能源与动力燃烧装置领域，特别涉及一种多级低污染燃烧系统及燃烧室。
【背景技术】
[0002]随着大气环境问题在世界范围内受到越来越多的关注，对于航空发动机污染物排放要求也是越来越严苛。下一代航空发动机产品市场需求表明，氮氧化物(NOx)的排放量比现行国际民航组织(ICAO)规定标准CAEP6要进一步减少45%?60%左右，其它排放物包括一氧化碳(CO)、未燃碳氢(UHC)和烟雾(smoke)排放值同样需要进一步降低。
[0003]研究表明，控制燃烧室内的燃烧反应温度是控制NOx污染排放的关键，而控制燃烧反应温度的主要技术途径之一就是采用贫油预混燃烧模式。但是在地面慢车、起动点火等工作状态下，又需要局部燃烧区采用富油燃烧的油气匹配方式，以维持燃烧稳定性，同时降低小功率状态下CO和UHC的排放。为了缓解大功率状态下NOx排放和小功率状态下CO、UHC排放的矛盾，一般采用分级燃烧的模式，以保证发动机在各种工况下其燃烧室各局部区域均以接近各自最佳燃油空气匹配模式进行高效稳定的燃烧反应。
[0004]分级燃烧技术在航空发动机燃烧室上已得到成功应用，比如:GE90发动机采用的双环腔燃烧室分级燃烧技术；GEnx发动机采用的中心分级燃烧技术等。而采用中心分级燃烧技术由于结构紧凑、分区贫油燃烧控制NOx效果较好等优点，已是低排放燃烧室发展的趋势。但是对于长寿命、低排放燃烧室，需要同时考虑到燃烧室低排放、燃烧效率高以及燃烧室出口温度分布的要求，对于一般中心分级燃烧室，仍未能很好地解决分区后各反应区之间互相影响、分级点附近燃烧效率低下、主燃级油气混合不充分、不均匀、燃油雾化质量差等问题，同时也存在出口温度分布较差及小功率状态燃烧效率低的问题。
实用新型内容
[0005]针对上述问题，本实用新型的目的是提出一种多级低污染燃烧系统及燃烧室，其能够使主燃区油气混合更加充分、均匀，进一步提高燃烧效率。
[0006]为实现上述目的，本实用新型提供了一种多级低污染燃烧系统，其包括采用环腔中心分级结构设置，且能够独立开启或关闭的预燃级、中间级和主燃级，所述预燃级、中间级和主燃级沿径向由内向外依次设置；
[0007]所述预燃级包括预燃级套筒，所述预燃级套筒内设置有预燃级喷嘴和预燃级旋流器；所述中间级包括中间级套筒，所述中间级套筒内设置有中间级喷嘴和中间级旋流器；所述主燃级包括主燃级套筒，所述主燃级套筒内设置有主燃级喷嘴和主燃级旋流器。
[0008]在一优选或可选实施例中，所述预燃级套筒为文氏管，所述预燃级喷嘴为离心式喷嘴，所述预燃级旋流器为轴向旋流器；所述离心式喷嘴设置在所述文氏管内，所述轴向旋流器设置在所述离心式喷嘴与所述文氏管之间。
[0009]在一优选或可选实施例中，所述中间级还包括中间级前端壁，所述中间级喷嘴为中间级直射式喷嘴，所述中间级旋流器为中间级径向旋流器；所述中间级前端壁和中间级套筒设置在所述文氏管的外周向，所述中间级径向旋流器设置在所述中间级前端壁与所述中间级套筒之间，所述中间级直射式喷嘴设置在所述中间级前端壁上。
[0010]在一优选或可选实施例中，所述主燃级还包括主燃级前端壁，所述主燃级喷嘴为主燃级直射式喷嘴，所述主燃级旋流器为主燃级径向旋流器；所述主燃级前端壁和主燃级套筒设置在所述中间级套筒的外周向，所述主燃级径向旋流器设置在所述主燃级前端壁与所述主燃级套筒之间，所述主燃级直射式喷嘴设置在所述中间级套筒上。
[0011]在一优选或可选实施例中，所述文氏管的轴向截面沿所述离心式喷嘴的喷射方向呈先收缩后逐渐扩张的结构，形成预燃级气流通道。
[0012]在一优选或可选实施例中，所述中间级套筒的轴向截面沿所述中间级直射式喷嘴的喷射方向呈先收缩后逐渐扩张的结构，所述中间级套筒与所述文氏管之间形成中间级气流通道。
[0013]在一优选或可选实施例中，所述主燃级套筒的轴向截面沿所述主燃级直射式喷嘴的喷射方向呈逐渐扩张的结构，所述主燃级套筒与所述中间级套筒之间形成主燃级气流通道。
[0014]在一优选或可选实施例中，所述预燃级的所述轴向旋流器的叶片的角度范围为30°?60°，所述中间级径向旋流器的叶片的角度范围为30°?70°，所述主燃级径向旋流器的叶片的角度范围为30°?60°。
[0015]在一优选或可选实施例中，所述中间级前端壁上沿周向设置有6?16个所述中间级直射式喷嘴，所述中间级套筒上沿周向设置有6?20个所述主燃级直射式喷嘴。
[0016]为实现上述目的，本实用新型还提供了一种燃烧室，其包括燃烧室头部，所述燃烧室头部设置有上述任一实施例中的多级低污染燃烧系统。
[0017]基于上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果:
[0018]本实用新型采用中心分级燃烧概念，设置有预燃级、中间级和主燃级三个燃烧区，通过预燃级提供稳火源，以保证整个燃烧室工作的稳定性和安全性，通过中间级和主燃级预混预蒸发，实现低污染燃烧，进而能够使油气混合更加充分均匀，并能够对燃烧室的出口温度分布起到很好的调节作用，降低了燃烧室的掺混用气量和污染物的排放，确保了燃烧室的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0020]图1为本实用新型提供的多级低污染燃烧系统的结构示意图。
[0021]附图中:
[0022]10-预燃级；11-文氏管；12-离心式喷嘴；13-轴向旋流器；
[0023]20-中间级；21_中间级套筒；22_中间级直射式喷嘴；23_中间级径向旋流器；24-中间级前端壁；
[0024]30-主燃级；31_主燃级套筒；32_主燃级直射式喷嘴；33_主燃级径向旋流器；34-主燃级前端壁。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0026]首先对本实用新型中用到的技术术语进行解释。
[0027]燃烧室:在燃气轮机中，用于组织燃料发生燃烧反应的部件。
[0028]分级燃烧:一种降低排放所采用的燃烧策略，有轴向分级、径向分级和中心分级等分级策略。
[0029]主燃级:燃烧室中心分级策略中主要燃烧的一级称为主燃级，通常在小工况下关闭、在其它工况下开启。
[0030]中间级:通常在进场状态开始开启，用于提高进场状态的效率，降低排放。
[0031]预燃级:也称为值班级，通常处于常开状态，用于起动和增加火焰稳定性能。
[0032]本实用新型提供的多级低污染燃烧系统集燃油喷射与混合一体设置，主要包括多路燃油喷射通道和多级旋流器，能够进一步促进燃油的雾化，使主燃区的油气混合更加充分、均匀，进一步提高燃烧效率。
[0033]如图1所示，本实用新型提供的多级低污染燃烧系统具体包括采用环腔中心分级结构设置，且能够独立开启或关闭的预燃级10、中间级20和主燃级30，预燃级10、中间级20和主燃级30沿径向由内向外依次设置。
[0034]预燃级10包括预燃级套筒，预燃级套筒内设置有预燃级喷嘴和预燃级旋流器；预燃级套筒可以采用文氏管11，预燃级喷嘴可以采用离心式喷嘴12，预燃级旋流器可以采用轴向旋流器13。
[0035]中间级包括中间级套筒21，中间级套筒21内设置有中间级喷嘴和中间级旋流器；中间级喷嘴可以采用中间级直射式喷嘴22，中间级旋流器可以采用中间级径向旋流器23。
[0036]主燃级包括主燃级套筒31，主燃级套筒31内设置有主燃级喷嘴和主燃级旋流器；主燃级喷嘴可以采用主燃级直射式喷嘴32，主燃级旋流器可以采用主燃级径向旋流器33。
[0037]预燃级10、中间级20和主燃级30呈中心分级的方式设置，均能够独立开启或关闭。
[0038]在低工况(该工况下的推力与发动机的额定推力的比值范围为0%?30% )下，仅预燃级10工作，使得小工况时火焰稳定性好，燃烧效率高，虽然停留时间长、火焰温度高对控制NOx生成不利，但此时NOx排放有限。
[0039]在中等工况(该工况下的推力与发动机的额定推力的比值范围为30%?60% )下，预燃级10与中间级20共同工作，中间级20的油气混合较为均匀，由于中间级20的油气比小于化学当量比，且中间级20的燃烧区紧邻预燃级10的燃烧区，因而能在有效控制NOx生成的同时保持有较高的燃烧效率。
[0040]在大工况(该工况下的推力与发动机的额定推力的比值范围为60 %?100 % )下，预燃级10、中间级20和主燃级30全部打开共同工作，保证油气充分混合，此时燃烧室进口条件对燃烧十分有利，主燃级30的燃烧效率可保持很高水平。
[0041]本实用新型提供的上述预燃级10、中心级20和主燃级30的中心分级策略，可在大幅度降低NOx、CO、UHC和烟雾等污染排放的同时兼顾燃烧室的性能。
[0042]如图1所示，为本实用新型提供的多级低污染燃烧系统的一具体的示意性但非限制性实施例，在该实施例中，多级低污染燃烧系统包括沿径向由内向外依次设置的预燃级
10、中间级20和主燃级30。
[0043]预燃级10包括文氏管11、离心式喷嘴12和轴向旋流器13 ;离心式喷嘴12设置在文氏管11内，轴向旋流器13设置在离心式喷嘴12与文氏管11之间。
[0044]其中，文氏管11的内壁面为收缩-扩张的型面，即文氏管11的轴向截面14沿离心式喷嘴12的喷射方向呈先收缩后逐渐扩张的结构，形成预燃级气流通道。燃油从离心式喷嘴12喷出，在接触到文氏管11的内壁面时形成一层薄油膜，该薄油膜在文氏管11的唇口喷出，油膜两侧分别是预燃级10的轴向旋流器13和中间级20的中间级径向旋流器23所形成的旋流气流，在其剪切作用下雾化，并喷入燃烧室。
[0045]中间级20包括中间级套筒21、中间级直射式喷嘴22、中间级径向旋流器23和中间级前端壁24 ;中间级前端壁24和中间级套筒21设置在文氏管11的外周向，中间级径向旋流器23设置在中间级前端壁24与中间级套筒21之间，中间级直射式喷嘴22设置在中间级前端壁24上。
[0046]其中，中间级套筒21的内壁面为收缩-扩张的型面，即中间级套筒21的轴向截面25沿中间级直射式喷嘴22的喷射方向呈先收缩后逐渐扩张的结构，中间级套筒21与文氏管11之间形成中间级气流通道。中间级直射式喷嘴22的喷口穿过中间级前端壁24，燃油从中间级直射式喷嘴22进入中间级20的气流通道中，燃油在该通道内雾化蒸发并形成均匀混气进入燃烧室。
[0047]主燃级30包括主燃级套筒31、主燃级直射式喷嘴32、主燃级径向旋流器33和主燃级前端壁34 ;主燃级前端壁34和主燃级套筒31设置在中间级套筒21的外周向，主燃级径向旋流器33设置在主燃级前端壁34与主燃级套筒31之间，主燃级直射式喷嘴32设置在中间级套筒21上。
[0048]主燃级套筒31的轴向截面35沿主燃级直射式喷嘴32的喷射方向也可以呈逐渐扩张的结构，主燃级套筒31与中间级套筒21之间形成主燃级气流通道。主燃级直射式喷嘴32的喷口穿过中间级套筒21的外壁面，燃油从主燃级直射式喷嘴32喷入主燃级30的气流通道中，燃油在该通道内雾化蒸发并形成均匀混气进入燃烧室。
[0049]在上述示意性但非限制性实施例中，预燃级10的轴向旋流器13的叶片的角度范围可以为30°?60°，中间级径向旋流器23的叶片的角度范围可以为30°?70°，主燃级径向旋流器33的叶片的角度范围可以为30°?60°。
[0050]在上述示意性但非限制性实施例中，预燃级10的轴向旋流器13的旋向与中间级径向旋流器23的旋向同向或异向，中间级径向旋流器23的旋向与主燃级径向旋流器33的旋向同向或异向。
[0051]在上述示意性但非限制性实施例中，中间级直射式喷嘴22在中间级前端壁24的内壁面沿周向可以均匀布置6?16个，主燃级直射式喷嘴32在中间级套筒21的外壁面沿周向可以均匀布置6?20个。
[0052]本实用新型提供的多级低污染燃烧系统可以用在燃烧室上。
[0053]在本实用新型提供的燃烧室的示意性但非限制性实施例中，燃烧室包括燃烧室头部，燃烧室头部设置有上述任一实施例中的多级低污染燃烧系统，因此，该燃烧室相应的具备多级低污染燃烧系统的有益效果。
[0054]在上述示意性但非限制性实施例中，多级低污染燃烧系统采用单环腔中心分级的燃烧组织策略，燃烧室头部沿径向由内到外依次包含预燃级10、中间级20和主燃级30。火焰筒沿径向有三个同心的环状燃烧区，可以不改变空气分配比例，通过发动机工况条件的变化改变燃油分配以改变油气比，从而控制燃烧温度。
[0055]基于上述描述，可以推导出本实用新型至少具有以下有益效果:
[0056]I)本实用新型采用中心分级燃烧概念，预燃级10提供稳火源，保证整个燃烧室工作的稳定性和安全性，预混预蒸发的中间级20与主燃级30实现低污染燃烧；这种燃烧组织方式在能够有效降低整个LTO (着路-起飞循环)循环的污染排放水平的同时可确保航空发动机燃烧室的稳定性；
[0057]2)本实用新型采用的预燃级10、中间级20与主燃级30的分级燃烧策略，在中等工况下能有效控制NOx生成的同时保持有较高的燃烧效率；
[0058]3)本实用新型采用的预燃级10、中间级20与主燃级30的分级燃烧策略，使燃油的分配进一步精细化，有利于控制NOx的产生；
[0059]4)燃烧室头部的油气混合更加充分均匀，可以对燃烧室出口温度分布起到很好的调节作用，降低燃烧室的掺混用气量；
[0060]5)本实用新型燃烧室采用单环腔燃烧室结构，头部包含预燃级10、中间级20与主燃级30三级油路，在控制燃烧室NOx排放的同时降低燃烧室头部结构的复杂性及重量。
[0061]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型的【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；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
【权利要求】
1.一种多级低污染燃烧系统，其特征在于:包括采用环腔中心分级结构设置，且能够独立开启或关闭的预燃级、中间级和主燃级，所述预燃级、中间级和主燃级沿径向由内向外依次设置； 所述预燃级包括预燃级套筒，所述预燃级套筒内设置有预燃级喷嘴和预燃级旋流器；所述中间级包括中间级套筒，所述中间级套筒内设置有中间级喷嘴和中间级旋流器；所述主燃级包括主燃级套筒，所述主燃级套筒内设置有主燃级喷嘴和主燃级旋流器。
2.根据权利要求1所述的多级低污染燃烧系统，其特征在于:所述预燃级套筒为文氏管，所述预燃级喷嘴为离心式喷嘴，所述预燃级旋流器为轴向旋流器；所述离心式喷嘴设置在所述文氏管内，所述轴向旋流器设置在所述离心式喷嘴与所述文氏管之间。
3.根据权利要求2所述的多级低污染燃烧系统，其特征在于:所述中间级还包括中间级前端壁，所述中间级喷嘴为中间级直射式喷嘴，所述中间级旋流器为中间级径向旋流器；所述中间级前端壁和中间级套筒设置在所述文氏管的外周向，所述中间级径向旋流器设置在所述中间级前端壁与所述中间级套筒之间，所述中间级直射式喷嘴设置在所述中间级前端壁上。
4.根据权利要求3所述的多级低污染燃烧系统，其特征在于:所述主燃级还包括主燃级前端壁，所述主燃级喷嘴为主燃级直射式喷嘴，所述主燃级旋流器为主燃级径向旋流器；所述主燃级前端壁和主燃级套筒设置在所述中间级套筒的外周向，所述主燃级径向旋流器设置在所述主燃级前端壁与所述主燃级套筒之间，所述主燃级直射式喷嘴设置在所述中间级套筒上。
5.根据权利要求2所述的多级低污染燃烧系统，其特征在于:所述文氏管的轴向截面沿所述离心式喷嘴的喷射方向呈先收缩后逐渐扩张的结构，形成预燃级气流通道。
6.根据权利要求3所述的多级低污染燃烧系统，其特征在于:所述中间级套筒的轴向截面沿所述中间级直射式喷嘴的喷射方向呈先收缩后逐渐扩张的结构，所述中间级套筒与所述文氏管之间形成中间级气流通道。
7.根据权利要求4所述的多级低污染燃烧系统，其特征在于:所述主燃级套筒的轴向截面沿所述主燃级直射式喷嘴的喷射方向呈逐渐扩张的结构，所述主燃级套筒与所述中间级套筒之间形成主燃级气流通道。
8.根据权利要求4所述的多级低污染燃烧系统，其特征在于:所述预燃级的所述轴向旋流器的叶片的角度范围为30°?60°，所述中间级径向旋流器的叶片的角度范围为30°?70°，所述主燃级径向旋流器的叶片的角度范围为30°?60°。
9.根据权利要求4所述的多级低污染燃烧系统，其特征在于:所述中间级前端壁上沿周向设置有6?16个所述中间级直射式喷嘴，所述中间级套筒上沿周向设置有6?20个所述主燃级直射式喷嘴。
10.一种燃烧室，包括燃烧室头部，其特征在于:所述燃烧室头部设置有根据权利要求1-9任一项所述的多级低污染燃烧系统。
【文档编号】F23R3/58GK204006123SQ201420346358
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】吴昊, 鄂亚佳 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司