一种中心分级贫油预混低污染燃烧室的制作方法

本发明属于燃气轮机低污染燃烧室领域，涉及一种中心分级贫油预混低污染燃烧室。

背景技术：

航空发动机污染排放相对于地面污染排放主要有两大特点：一是具有集中性和局部性的特点，主要集中在大型机场、航空工厂试车台、研究单位实验室及附近地区。由于航空发动机流量大，因此局部地区污染物浓度很高；二是民用航空发动机是造成高空大气污染的主要原因。因此，国际民航组织下属的航空环境保护委员会caep从1980年开始制订了一系列排放标准，对民用航空发动机一氧化碳co、未燃碳氢uhc、氮氧化物nox、微粒子和碳烟的排放做出了严格的规定，民用航空发动机要取得适航认证必须满足国际民航组织icao的污染排放要求。为了能够满足日益严格的污染物排放要求，发展环境友好型的低污染发动机成为民航发动机的发展趋势，而发动机污染物产生的源头在燃烧室，所以研发低污染燃烧技术就显得极为关键。

目前，常用的航空发动机低污染燃烧技术主要分为三种：富油燃烧-快速淬熄-贫油燃烧rql、贫油预混预蒸发燃烧lpp和贫油直接喷射燃烧ldi。lpp和ldi燃烧技术由于采用贫油方式组织燃烧，因此在降低污染排放方面较rql具有更大潜力。针对lpp燃烧组织技术，国外ge公司申请的专利us8607575、us8171735和us6363726等方案主燃级均采用贫油预混预蒸发技术，国内北航和工热所等单位也提出了一些主燃级采用贫油预混的低污染燃烧室方案。这些方案均在降低排放方面有较大改善，同时也存在一些不足，一方面是值班级多采用单油路离心喷嘴匹配单级旋流，使得值班级工况范围窄，导致主燃级打开较早，燃烧效率较低；另一方面主燃级燃油喷射全部采用单相直射式空气雾化喷嘴，射流深度随工况变化的敏感性太大，在小工况时穿透深度太小，雾化容易沾湿喷射侧壁面，而且雾化较差，在大工况下穿透深度又太大，容易沾湿预混段外壁面，导致大工况下预混段内易产生自燃现象，并且存在污染排放增大等问题。为此，西北工业大学燃烧团队在2017年申请的专利cn201710608804.3就基于ldi概念设计了一种低排放燃烧室，其中值班级采用单级旋流器匹配单油路离心喷嘴实现值班级的扩散燃烧，主燃级采用单级旋流器匹配多个带环形空气的同轴顺流空气雾化喷嘴实现主燃级的扩散燃烧，扩散燃烧较预混燃烧而言，其优点是能够有效避免自燃和回火等问题，但该燃烧室的缺点主要是主燃级油气混合不均匀，导致燃烧室中出现局部高温点，从而使得减排能力降低，另外也存在值班级工况范围窄等问题。

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，本发明提出一种中心分级贫油预混低污染燃烧室，值班级采用成膜式空气雾化喷嘴匹配两级旋流器，主燃级采用带环形空气的直射式喷嘴匹配单级旋流器。一方面改善小工况火焰稳定，拓宽值班级的工作边界；另一方面解决了主油穿透深度随工况的敏感性太大的问题。

本发明采用中心分级分区燃烧技术，将有效解决小工况下火焰稳定和大工况下污染排放问题。在小工况下，仅值班级工作，值班级采用成膜式空气雾化喷嘴匹配两级旋流器实现扩散燃烧，通过加强小工况下的燃油雾化，改善小工况下的火焰稳定特性，并有效拓宽了值班级的工作边界。大工况下，值班级和主燃级同时工作，主燃级采用多个带环形空气的直射式空气雾化喷嘴匹配单级旋流器实现贫油预混燃烧，能够有效解决传统预混燃烧室中主油穿透深度随工况变化敏感性太大的问题，保证主燃级在全工况范围内具有良好的雾化和油气混合特性，可以显著降低大工况下的污染排放量，并避免自燃问题的产生。

技术方案

一种中心分级贫油预混低污染燃烧室，包括扩压器、燃烧室头部、头部安装端壁、火焰筒和燃烧室机匣；所述的燃烧室头部由值班级和主燃级组成，并采用同心圆式排布方式；其特征在于：所述值班级8和主燃级9为集成结构，包括值班级8的成膜式空气雾化喷嘴和两级旋流器以及主燃级9的主油喷射装置和主燃级旋流器；值班级8的一级旋流器位于中心，其外圈为值班级集油环25，集油环25外圈为值班级8的二级旋流器，值班级8的二级旋流器外圈为主燃级集油环41，主燃级集油环41外圈为主燃级旋流器；值班级集油环25上设有值班级进油管15；主燃级集油环41上设有主燃级燃油管31；主燃级集油环41与主燃级旋流器中间设有多个直射式喷嘴37；所述直射式喷嘴37包括环形雾化空气通道支撑肋48、环形空气通道51和直射式喷嘴内部通道52；圆柱结构中心设有直射式喷嘴内部通道52，一端为直射式喷嘴进口50，另一端为燃油喷射孔49；两端设有圆形台阶，圆形台阶之间设有环形雾化空气通道支撑肋48；燃油喷射孔49一端台阶上设有环形空气通道51；所述主燃级旋流器出口设有冷却空气和燃油雾化空气通道挡板39，挡板上设有多个切向冷却小孔38；所述值班级8的两级旋流器和主燃级旋流器的出口平齐，空气出口通道为环形收敛通道；所述值班级8两级旋流器的叶片旋向相反，主燃级旋流器与值班级二级旋流器旋向相同。

所述值班级8的一级旋流器叶片11采用轴流式直叶片，旋流角度为20°～50°，叶片个数为6～20个。

所述值班级8的叶片20采用轴流式直叶片，旋流角度为30°～60°，叶片个数为6～20个。

所述值班级8的两级旋流器的空气流量之比为0.5～1.2。

所述成膜式空气雾化喷嘴的内壁14收敛侧和二级旋流器出口挡板21收敛侧与轴线夹角为30°～60°。

所述成膜式空气雾化喷嘴通道26的环高为0.05～0.5mm，长度为0.5～25mm。

所述主燃级旋流器的叶片35的旋流角度为40°～75°，叶片个数为6～20个。

所述主燃级旋流器的外壁36收敛侧与轴线夹角为0°～45°。

所述直射式喷嘴37中燃油喷射孔49与轴向的夹角为-75°～75°，喷口直径为0.1～0.8mm，直射式喷嘴内部通道52长度是喷口直径的10～40倍。

所述直射式喷嘴37中环形空气和燃油的流量之比即气液比为1～5。

有益效果

本发明提出的一种中心分级贫油预混低污染燃烧室，燃烧室头部由值班级和主燃级组成，并采用同心圆式排布方式；所述值班级和主燃级为集成结构，包括值班级的成膜式空气雾化喷嘴和两级旋流器以及主燃级的主油喷射装置和主燃级旋流器；值班级两级旋流器的叶片旋向相反，主燃级旋流器与值班级二级旋流器旋向相同。值班级位于中心，由成膜式空气雾化喷嘴和两级旋流器组成，两级旋流器在下游形成合理的中心回流区，另外油膜在两级旋流的剪切作用下改善了雾化效果。在小工况下，值班级单独工作，值班级采用成膜式空气雾化喷嘴匹配两级旋流器实现非预混燃烧，此时合理的回流区结构和较富的局部当量比有利于拓宽燃烧室的火焰稳定边界；有效改善了小工况下的火焰稳定特性，并拓宽了值班级的工作边界。主燃级由多个带环形空气的直射式喷嘴和主燃级旋流器组成，环形空气有效的控制了射流在全工况范围内具有合理的穿透深度，旋流空气与多个射流在主燃级平直通道和收敛通道中进行预先混和，形成的均匀可燃混气在燃烧室内进行预混燃烧。随着工况的增加，值班级和主燃级同时工作，主燃级采用多个带环形空气的直射式空气雾化喷嘴匹配单级旋流器实现贫油预混燃烧，环形空气可以有效控制主油在预混环腔中的穿透深度，从而改善预混效果，此时均匀的油气混合物有利于消除燃烧室内的高温热点，能够显著降低大工况下污染排放量。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

1)采用分级分区的燃烧概念，将燃烧室头部分为值班级和主燃级，值班级采用双旋流扩散燃烧，主燃级采用预混燃烧，能够有效拓宽燃烧室稳定工作边界，并显著降低大工况下的污染排放。

2)值班级采用成膜式空气雾化喷嘴匹配两级旋流器，燃油在两级旋向相反的旋流空气剪切作用下雾化及油气混合，以扩散燃烧方式有效拓宽了火焰稳定边界。

3)主燃级燃油采用带环形空气的直射式喷嘴，能够保证主油在宽工况范围内均有合理的穿透深度，有效解决了传统直射式喷嘴在小工况下穿透深度不足和大工况下穿透深度过大的问题，避免因沾湿预混段内外侧避免而引起的自燃问题。

合理的主燃级收敛通道使得可燃混气在主燃级出口加速流动，能有效避免发生回火。

附图说明

图1本发明的全环燃烧室三维轴测图。

图2本发明的全环燃烧室结构剖视图。

图3本发明的燃烧室头部结构剖视图。

图4本发明的燃烧室头部值班级结构主视图和剖视图。

图5本发明的燃烧室头部主燃级结构主视图和剖视图。

图6本发明的燃烧室头部主燃级直射式喷嘴结构示意图和剖视图。

图中：1-扩压器，2-燃烧室外机匣，3-燃烧室内机匣，4-火焰筒外壁，5-火焰筒内壁，6-燃烧室头部，7-头部安装端壁，8-值班级，9-主燃级，10-一级旋流器内轮毂，11-一级旋流器叶片，12-值班级集油环内壁，13-中心锥，14-成膜式空气雾化喷嘴内壁，15-值班级进油管，16-值班级燃油进口，17-成膜式空气雾化喷嘴外壁，18-值班级集油环外壁，19-二级旋流器叶片，20-二级旋流器外壁，21-二级旋流器出口挡板，22-一级旋流空气进口，23-一级旋流空气通道，24-一级旋流空气环形收敛通道，25-值班级集油环，26-成膜式空气雾化喷嘴通道，27-二级旋流空气进口，28-二级旋流空气通道，29-二级旋流空气环形平直通道，30-二级旋流空气环形收敛通道，31-主燃级燃油管，32-主燃级燃油进口，33-主燃级集油环外壁，34-主燃级旋流器内壁，35-主燃级旋流器叶片，36-主燃级旋流器外壁，37-直射式喷嘴，38-切向冷却小孔，39-冷却空气和燃油雾化空气通道挡板，40-冷却空气和燃油雾化空气通道支撑肋，41-主燃级集油环，42-冷却空气和燃油雾化空气进口，43-冷却空气和燃油雾化空气通道，44-主燃级旋流空气进口，45-主燃级旋流空气通道，46-主燃级空气环形平直通道，47-主燃级空气环形收敛通道，48-环形雾化空气通道支撑肋，49-燃油喷射孔，50-直射式喷嘴进口，51-环形空气通道，52-直射式喷嘴内部通道。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1～2所示，本实施例的一种中心分级贫油预混低污染燃烧室，主要包括扩压器1、燃烧室外机匣2、燃烧室内机匣3、火焰筒外壁4、火焰筒内壁5、燃烧室头部6和头部安装端壁7。燃烧室头部6沿周向均匀安装在头部安装端壁7上；所述的燃烧室头部6由值班级8和主燃级9组成，所述的值班级8和主燃级9采用同心圆式排布方式，值班级8位于中心，主燃级9位于外围。

燃烧室外机匣2和内机匣3与扩压器1通过焊接固定，火焰筒外壁4和火焰筒内壁5与头部安装端壁7相连接，燃烧室头部6通过焊接方式安装在头部安装端壁7上。扩压器1将压气机流出的高速气流减速扩压后分成三路，一路经燃烧室头部进入火焰筒外壁4和火焰筒内壁5围成的燃烧区，一路流向燃烧室外机匣2和火焰筒外壁4围成的外环腔，一路流向燃烧室内机匣3和火焰筒内壁5围成的内环腔。对于先进燃气轮机燃烧室而言，燃烧空气全部从燃烧室头部进入，约占总空气量的65％～80％，流入内外环腔的空气主要用于火焰筒冷却和掺混，冷却空气约占总空气量的20％～25％，掺混空气约占0～10％。

如图3所示，本发明实施例采用中心分级燃烧组织方式将燃烧室头部分为值班级8和主燃级9，值班级8位于中心，主燃级9位于外围，其中值班级空气量占总燃烧空气量的20％～40％。在小工况下，值班级单独工作，此时值班级8局部当量比为1～1.5，富油燃烧保证小工况下的火焰稳定。随着工况的不断提高，值班级8和主燃级9同时工作，此时整个头部的平均当量比为0.5～1，保证在值班级火焰稳定的同时，整个燃烧室具有很低的污染排放。

如图4所示，值班级8由一级旋流器内轮毂10、一级旋流器叶片11、值班级集油环内壁12、中心锥13、成膜式空气雾化喷嘴内壁14、值班级进油管15、成膜式空气雾化喷嘴外壁17、值班级集油环外壁18、二级旋流器叶片19、二级旋流器外壁20和二级旋流器出口挡板21组成，均通过焊接连接。值班级8空气分两路，一路经一级旋流空气进口22进入一级旋流空气通道23并产生旋转运动，随后在一级旋流空气环形收敛通道24中充分发展以消除一级旋流器叶片11产生的尾迹。另一路经二级旋流空气进口27进入二级旋流空气通道28并产生旋转运动，随后在二级旋流空气环形平直通道29和二级旋流空气环形收敛通道30中充分发展以消除二级旋流器叶片19产生的尾迹。燃油从值班级燃油进口16经值班级进油管15进入值班级集油环25，随后在成膜式空气雾化喷嘴通道26中充分发展，最终在出口形成一个环形油膜。油膜在两级旋流的剪切作用下雾化和混合，随后旋流空气在下游形成中心回流区用于稳定火焰。一级旋流器叶片11采用轴流式直叶片，旋流角度为20°～50°，叶片个数为6～20个。二级旋流器叶片19采用轴流式直叶片，旋流角度为30°～60°，叶片个数为6～20个。两级旋流器旋向相反，两级旋流器的空气流量之比为0.5～1.2。成膜式空气雾化喷嘴内壁14收敛侧和二级旋流器出口挡板21收敛侧与轴线夹角为30°～60°。成膜式空气雾化喷嘴通道26的环高为0.05～0.5mm，长度为0.5～25mm。

如图5～6所示，主燃级9由主燃级燃油管31、主燃级集油环外壁33、主燃级旋流器内壁34、主燃级旋流器叶片35、主燃级旋流器外壁36、直射式喷嘴37、切向冷却小孔38、冷却空气和燃油雾化空气通道挡板39以及冷却空气和燃油雾化空气通道支撑肋40组成。直射式喷嘴37由燃油喷射孔49和环形雾化空气通道支撑肋48组成。主燃级旋流器内壁34、主燃级旋流器叶片35、主燃级旋流器外壁36以及冷却空气和燃油雾化空气通道挡板39通过焊接连接。主燃级旋流器内壁34与主燃级集油环外壁33通过冷却空气和燃油雾化空气通道支撑肋40连接。主燃级9大部分空气经主燃级旋流空气进口44进入主燃级旋流空气通道45并产生旋转运动，随后在主燃级空气环形平直通道46和主燃级空气环形收敛通道47中充分发展以消除主燃级旋流器叶片35产生的尾迹。主燃级9一小部分空气经冷却空气和燃油雾化空气进口42进入冷却空气和燃油雾化空气通道43。主燃级燃油雾化空气进入环形空气通道51，并包裹着液柱射流一起喷出，保证主油在宽工况范围内均有合理的穿透深度。冷却空气进入冷却小孔38，该部分空气用于冷却空气和燃油雾化空气通道挡板39的冷却，防止高温燃气烧蚀燃烧室头部。主燃级燃油经主燃级进油管31进入主燃级集油环41，然后从直射式喷嘴进口50进入直射式喷嘴内部通道52，最后形成带环形空气的液柱射流喷入主燃级旋流空气通道45，受旋流空气的作用在主燃级空气环形平直通道46和主燃级空气环形收敛通道47中预先混合，均匀混合的可燃混气在主燃级出口加速流动，有效避免了发生回火。主燃级旋流器与值班级二级旋流器旋向相同。主燃级旋流器叶片35采用轴流式直叶片，旋流角度为40°～75°，叶片个数为6～20个。主燃级旋流器外壁36收敛侧与轴线夹角为0°～45°。直射式喷嘴37中燃油喷射孔49与轴向的夹角为-75°～75°，喷口直径为0.1～0.8mm，喷嘴内部通道长度是喷口直径的10～40倍。直射式喷嘴37中环形空气和燃油的流量之比(气液比)为1～5。

本发明的工作过程如下：

本发明设计了一种中心分级贫油预混低污染燃烧室，能够有效抑制污染物(一氧化碳、未燃碳氢、氮氧化物、微粒子和碳烟)的生成，实现低排放燃烧。燃烧室中，从压气机流出的高速气流经扩压器减速扩压后分成三路，分别进入内环腔、外环腔和燃烧室头部，燃烧空气全部从头部进入。基于中心分级分区燃烧的概念，将燃烧室头部分为值班级和主燃级。在小工况下，仅值班级工作，值班级采用成膜式空气雾化喷嘴匹配两级旋流器实现非预混燃烧，此时较富的局部当量比有利于燃烧室的火焰稳定。随着工况的增加，值班级和主燃级同时工作，主燃级采用多个带环形空气的直射式空气雾化喷嘴匹配单级旋流器实现贫油预混燃烧，环形空气可以有效控制主油在预混环腔中的穿透深度，改善预混效果，此时均匀的油气混合物有利于消除燃烧室内的高温热点，能够显著降低大工况下污染排放量。

本发明采用的中心分级贫油预混燃烧室头部结构有效解决了宽工况条件下火焰稳定和污染排放之间的矛盾，保证燃烧室具有宽稳定工作边界的同时，又能显著降低污染排放量。