本发明属于低污染燃烧室领域，具体是指一种多点贫油直接喷射的低污染燃烧室。
背景技术
近年来，随着人们对环保问题越来越重视，航空发动机的环保性在研制要求中越来越突出，降低污染、延长寿命是燃气涡轮发动机的主要发展目标。
为此，世界各国都对低污染燃烧技术进行广泛的研究，发展了不同形式的低污染燃烧室。例如，早在20世纪70年代美国就发展了分级燃烧技术、贫油预混预蒸发燃烧室(lpp)、富油燃烧-猝熄-贫油燃烧技术(rql)、催化燃烧室以及变几何燃烧室（vgc）等，其主要目的都是为了大幅度减少氮氧化物的生成。但是这些技术都有其不足之处，rql燃烧技术在中间区很难保证快速充分混合，从而燃烧效率降低；lpp燃烧技术有着回火、自燃、燃烧不好维持稳定等问题。
因此，贫油直接喷射技术(ldi)受到了重视，ldi技术将燃油直接喷射到燃烧室中与空气混合燃烧，由于不与空气预混，所以ldi技术不存在自燃和回火等问题。许多研究机构研究表明，分级ldi燃烧方案，能有效降低氮氧化物排放，其nox排放比caep/6规定低80%以上。
但是在针对各种工况条件下的低污染燃烧室的设计一直是本领域技术人员厄待解决的技术难题。因此，更好地减少污染物排放，且兼顾lto循环下各工况下燃烧效率的燃烧室的应运而生。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种多点贫油直接喷射的低污染燃烧室，采用分级燃烧策略，将燃烧室头部分为值班级、第一主燃级、第二主燃级，值班级采用离心喷嘴形成扩散燃烧方式，主燃级采用贫油直接喷射燃烧方式，解决了现有技术中存在的问题。
本发明是这样实现的：
一种多点贫油直接喷射的低污染燃烧室，包括扩压器、与扩压器连接的燃烧室机匣、燃烧室机匣内部设置的火焰筒、与火焰筒相连接的燃烧室头部，燃烧室头部上的值班级为中心旋流器，与喷油杆相连接；
值班级中心的两侧设置第一主燃级两个旋流器、以及靠近值班级外环和内环上设置第二主燃级四个旋流器的结构为7点贫油直接喷射头部；
值班级只有在外环和内环上设置第二主燃级四个旋流器的结构为5点贫油直接喷射头部；
值班级为离心式喷嘴，7点贫油直接喷射头部和5点贫油直接喷射头部中心布置的值班级在所有工况下均喷油燃烧,为燃气轮机低污染燃烧室提供稳定的值班扩散燃烧火焰；第一主燃级、第二主燃级为直射式喷嘴；
燃烧室头部采用7点贫油直接喷射头部与5点贫油直接喷射头部周向相互交错均匀进行布置。即，头部为7点贫油直接喷射旋流器与5点贫油直接喷射旋流器在燃烧室头部周向相互交错均匀进行布置。5点贫油直接喷射头部结构与7点贫油直接喷射头部相仿，不同之处在于5点贫油直接喷射头部结构的值班级两侧没有直射式喷嘴。
进一步，所述的值班级包括值班级扩张通道、值班级扩张通道上的斜切孔、与值班级扩张通道连接的值班级离心喷嘴圆台；值班级离心喷嘴圆台后依次设置有值班级离心喷嘴、与值班级离心喷嘴相连接的值班级离心喷嘴内通道。
进一步，所述的第一主燃级、第二主燃级中各单元贫油喷射头部结构相同，包括主燃级扩张通道、两级轴向旋流器，分别为与主燃级扩张通道连接的主燃级二级旋流器、主燃级二级旋流器内部连接的主燃级一级旋流器，主燃级一级旋流器连接有主燃级中心轴向空气加速通道。
进一步，所述的火焰筒壁面设置有掺混孔。
进一步，所述的值班级扩张通道与主燃级扩张通道的出口平齐。
进一步，所述的主燃级二级旋流器外侧形成主燃级二级旋流通道收敛段，所述的主燃级一级旋流器以及主燃级二级旋流器之间形成主燃级一级旋流通道收敛段。
进一步，所述的主燃级中心轴向空气加速通道、主燃级一级旋流器、主燃级二级旋流器三级进气方式通过主燃级燃油喷嘴外通道与主燃级燃油喷嘴出口连接。
进一步，所述的值班级出口当量比为0.6～1.6，具体根据燃烧室工况稍有变化。
进一步，所述的7点贫油直接喷射头部与5点贫油直接喷射头部的出口当量比为0.4～0.9，具体根据燃气轮机低污染燃烧室工况而发生变化；7点贫油直接喷射头部和5点贫油直接喷射头部个数分别为4～15个，具体个数根据燃气轮机低污染燃烧室直径大小而定。
进一步，在7%推力工况时，仅值班级工作；在30%推力工况时，值班级和第一主燃级同时工作；在85%和100%推力工况时，值班级、第一主燃级、第二主燃级同时工作。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
1）采用分级燃烧策略，将燃烧室头部分为值班级和第一主燃级、第二主燃级，主燃级也实现两级燃烧，有效解决了贫油燃烧室在小工况（特别是30%工况）燃烧效率很低的问题，拓宽了燃烧室的工作范围，同时降低了污染物排放；
2）第一主燃级、第二主燃级采用燃油直接喷射方式，避免了回火和自燃等问题，降低了燃烧室头部烧毁的风险；主燃级采用多点贫油直接喷射方式，主燃级两级轴向旋流器保证燃油与空气快速均匀混合，提高了燃烧效率，主燃级内平均当量比为0.4～0.9，降低燃烧室主燃级平均温度，从而降低污染物nox排放；
3）值班级采用离心喷嘴形成扩散燃烧方式，保证各工况下均能可靠稳定燃烧；主燃级采用贫油直接喷射燃烧方式，有效避免自燃和回火等问题发生；针对不同的工况：在7%推力工况时，仅值班级工作；在30%推力工况时，值班级和第一主燃级同时工作，从而兼顾该工况下污染物排放与燃烧效率；在85%和100%推力工况时，值班级和第一主燃级、第二主燃级同时工作；各工况下，燃烧室主燃级内平均当量比为0.4～0.9，保证燃烧室主燃级平均温度较低，从而有效降低污染物排放，同时兼顾燃烧效率。
附图说明
图1为本发明的一种多点贫油直接喷射的低污染燃烧室的整体示意图；
图2为本发明的一种多点贫油直接喷射的低污染燃烧室的剖视图
图3为本发明的一种多点贫油直接喷射的低污染燃烧室的头部正视图；
图4为本发明的一种多点贫油直接喷射的低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部的正视图；
图5为本发明的一种多点贫油直接喷射的低污染燃烧室的7点贫油直接喷射头部的剖视放大图；
图6为本发明的一种多点贫油直接喷射的低污染燃烧室的5点贫油直接喷射头部的正视图；
其中，1-扩压器、2-燃烧室机匣、3-燃烧室头部、4-火焰筒、5-7点贫油直接喷射头部、6-5点贫油直接喷射头部、7-值班级、8-第一主燃级、9-第二主燃级、10-掺混孔、11-喷油杆、12-值班级离心喷嘴内通道、13-值班级离心喷嘴出口、14-斜切孔、15-值班级离心喷嘴圆台、16-值班级扩张通道、17-主燃级扩张通道、18-主燃级燃油喷嘴出口、19-主燃级燃油喷嘴外通道、20-主燃级中心轴向空气加速通道、21-主燃级一级旋流器、22-主燃级二级旋流器、23-主燃级一级旋流通道收敛段、24-主燃级二级旋流通道收敛段。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1~2所示，本发明提供了一种基于多点贫油直接喷射的低污染燃烧室，包括扩压器1、燃烧室机匣2、燃烧室头部3、火焰筒4。经过压气机压缩后的高速气流经过扩压器1减速扩压后，分成两股，一股进入燃烧室机匣2与火焰筒4壁面形成的内外环形通道，另一股通过燃烧室头部3，进入火焰筒4内参与燃烧。流入内外环通道中的气流一部分用于火焰筒的冷却，另一部分从掺混孔10进入火焰筒内，调节燃烧室出口的温度分布。进入燃烧室头部3的空气流量占总空气流量的60%～85%，冷却空气量占15%～20%，进入掺混孔的空气量占空气量的0%～20%。
如图3所示，燃烧室头部3采用7点贫油直接喷射头部与5点贫油直接喷射头部周向相互交错均匀进行布置。如图4所示，当值班级7中心的两侧设置第一主燃级8两个旋流器、以及值班级7外环和内环上设置第二主燃级9四个旋流器的结构为7点贫油直接喷射头部5；如图6所示，当只有在值班级7外环和内环上设置第二主燃级9四个旋流器的结构为5点贫油直接喷射头部6。
本发明采用分级燃烧技术，燃烧室头部3分为值班级7、第一主燃级8和第二主燃级9，其中主燃级也进行了分级燃烧。第一主燃级8和第二主燃级9均匀周向分布在值班级7外，主燃级扩张通道17与值班级扩张通道16出口平齐，采用焊接等方式连接。在7%推力工况时，仅值班级7工作，采用局部富油燃烧方式，值班级头部出口当量比为0.6～1.6，保证稳定可靠燃烧；在30%推力工况时，值班级7和第一主燃级8同时工作，兼顾该工况下燃烧效率和污染物排放；在85%和100%推力工况时，值班级7和第一主燃级8、第二主燃级9同时工作。在大工况时，燃烧室主燃级内平均当量比偏贫，平均当量比为0.4～0.9，保证燃烧室主燃级内平均温度较低，从而有效降低污染物排放。
如图4~5所示，值班级7主要包括值班级离心喷嘴内通道12、值班级离心喷嘴13、值班级离心喷嘴圆台15、值班级扩张通道16、值班级扩张通道内的斜切孔14。值班级燃油喷嘴采用离心式喷嘴，保证燃油雾化效果良好。
值班级气流经过值班级扩张通道上的斜切孔14进入值班级扩张通道16，在通道内形成旋流，在下游形成回流区，值班级燃油通过值班级离心喷嘴内通道12，从值班级离心喷嘴13喷出，随后在值班级扩张通道16与旋转空气快速均匀混合形成可燃气，形成值班扩散燃烧火焰，提供各工况下稳定高温点火源。
第一主燃级8、第二主燃级9中各单元贫油喷射头部结构相同，由主燃级扩张通道17、主燃级燃油喷嘴出口18、主燃级燃油喷嘴外通道19、主燃级中心轴向空气加速通道20、主燃级一级旋流器21、主燃级二级旋流器22、主燃级一级旋流通道收敛段23和主燃级二级旋流通道收敛段24组成。进入主燃级的气流为三股，一股通过主燃级中心轴向空气加速通道20，形成较强的空气轴向速度，一股通过主燃级一级旋流通道21，经过旋流叶片后，产生旋转运动，一股通过主燃级二级旋流通道22，经过旋流叶片后，产生旋转运动，这三股气流全部进入主燃级扩张通道17，并在下游形成回流区。燃油通过直射式喷嘴从主燃级燃油喷嘴出口18喷出，进入主燃级燃油喷嘴外通道19后进入主燃级一级旋流通道21，在主燃级一级旋流通道21形成旋转油膜层，在一级旋流通道21和二级旋流通道22进气相互剪切作用下破碎雾化，并与空气快速均匀混合，形成可燃气。值班级7、第一主燃级8、第二主燃级9中燃油喷嘴可以独立控制，值班级燃油喷嘴采用离心式喷嘴，第一主燃级8、第二主燃级9燃油喷嘴采用直射式喷嘴，主燃级燃油经过主燃级燃油喷嘴外通道19进入主燃级内旋流通道中。
本发明的原理如下：
通过合理控制燃烧室内局部当量比，燃烧室平均当量比及油气混合均匀程度来控制燃烧区的温度分布和平均温度，有效降低污染物排放，到达低排放的目的，同时兼顾各工况燃烧效率。来自压气机的高速气流经过扩压器1减速扩压后，分成两股，一股进入燃烧室机匣2与火焰筒4壁面形成的内外环形通道，用于火焰筒4壁面气膜冷却和掺混孔10进气用于调节燃烧室出口温度分布；另一股通过燃烧室头部3，进入火焰筒4内参与燃烧，燃烧室头部3进气量占扩压器1进气量的60%～85%。在7%推力工况时，仅值班级喷嘴工作，采用局部富油扩散燃烧方式，保证稳定可靠燃烧；在30%推力工况时，值班级7和第一主燃级8同时工作，同时兼顾该工况下燃烧效率和污染物排放；在85%和100%推力工况时，值班级7和第一主燃级8、第二主燃级9同时工作；在大工况时，燃烧室主燃级内平均当量比偏贫，保证燃烧室主燃级内平均温度较低，从而有效降低污染物排放。因此，本发明的多点贫油直接喷射低污染燃烧室稳定燃烧，且具有兼顾低排放和高燃烧效率的优点。