一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室

摘要

本发明公开了一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，包括值班供油嘴、主燃级供油嘴、三级旋流器和火焰筒。两路燃油分别供给值班喷嘴和主燃级多点喷射孔，空气经三级同轴旋流器供给燃烧室头部。内侧两级旋流器为斜切孔旋流器和径向旋流器，两级旋流方向相反，斜切孔旋流器中心安装离心雾化喷嘴，内侧双级旋流器和中心值班喷嘴组合匹配；外侧旋流器为径向旋流器，旋向和第二级相反，主燃级燃油通过第三级旋流器前壁面上的小孔以多点直接喷射方式进入旋流器叶片通道，在旋流器通道内加速破碎雾化，与空气掺混，在第三级旋流出口处形成预混或部分预混的油气混合物，进入主燃区燃烧。本发明用于航空发动机燃烧室或工业燃气轮机燃烧室。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，是一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，结构简单紧凑，能够保证燃烧室在较低负荷和较高负荷等各种状态时高效且稳定的工作，显著降低污染物的排放。

背景技术

为了满足未来民用飞机用大涵道比涡扇发动机更经济、更环保、更安全的要求，国际民航组织对航空燃气轮机的污染物尤其是NO_X排放要求越来越严格，几大航空工业大国及其几大燃气轮机公司针对环境危害最大的NO_X排放突出问题，在航空发动机研究中将NO_X的控制作为重点课题进行了广泛的研究。在实现低NO_X排放的新燃烧技术方面取得了一系列的成果，目前已经应用的低污染燃烧技术，主要包括GE公司的双环预混旋流燃烧室(TAPS)、R-R公司的贫油预混预蒸发燃烧室(LPP)和贫油直接喷射燃烧室(LDI)以及PW公司的富油/淬熄/贫油(Rich-burn，Quick-mix，Lean-burn，简称RQL)。TAPS装备于GE90发动机，其NO_X排放比国际民航组织ICAO规定的CAEP2(Committee on Aviation Environmental Protection)标准降低了约50％，GE公司目前已经将第I代TAPS应用到波音787飞机的GEnx发动机中。在此基础上，GE公司在LEAP56计划下开发了更低排放的第II代TAPS燃烧室，以期望使NO_X排放较第I代TAPS降低50％。

GE公司研发了多种采用预混方式的燃油喷嘴，并针对不同方案TAPS燃烧室申请了多项美国专利：0178732、6354072、6363726、6381964、6389815、6418726和6453660等，这些专利的共同点是均采用了燃油分级方案，主燃级燃油喷射到主旋流器的下游，形成预混预蒸发的油气混合物，但是这种方式燃油不能得到充分雾化和蒸发，为了使得油气混合物掺混的均匀，这种掺混方式所需的混合距离较长，蒸发时间也较长，这不利于减轻燃烧室的长度和重量。R-R公司基于多点喷射(LDI)技术研发了多种分级燃油喷嘴，值班级采用空气雾化喷嘴或离心雾化喷嘴，主燃级采用预膜式空气雾化喷嘴，在发动机全环试验件上NO_X排放比CAEP2标准降低了约70％。中国的北京航空航天大学在低污染燃烧室方面也申请了多项专利，专利申请号：200710178394.X提出的预混预蒸发燃烧室其主燃级燃油采用的方案是在旋流器叶片末端喷入，也存在掺混长度较短的问题。专利申请号：201010101574.X提出的带预混预蒸发环管的低污染燃烧室主燃级燃油采用切向或轴向供油方式，增加了燃烧室头部燃油和空气混合装置的复杂性。200810105062.3提出了一种主燃级在径向旋流器拐弯区直接喷射的预混预蒸发燃烧室，但是值班级只有一级旋流器，值班区燃油的雾化效果不好，不利于值班级的稳焰作用。

对这些技术进行归纳总结，可以发现抑制NO_X和控制CO、UHC的排放是一个相互矛盾的过程。要想抑制或者降低NO_X的排放，特别是热力型NO_X的排放，根本上需要控制燃烧区温度，因为其生成量与温度呈指数上升关系。因此如果能够实现温和的低温燃烧，就能从根本上实现NO_X的减排。但另一方面如果燃烧温度过低，会造成燃料燃烧不充分，使得CO和UHC的排放增加。在各种排放物之间进行折衷是很常见的策略，即寻求一个合适的温度燃烧范围，使得两者都能实现较低排放。其核心措施是在较宽广的工况下控制燃烧区的当量比和局部当量比的均匀性，这就要使空气和燃油在进入燃烧室燃烧之前必须进行充分的预混。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，以克服现有燃烧技术的不足，充分兼顾航空发动机在高低不同负荷下高效稳定燃烧的同时实现污染物UHC、CO和NO_X的低排放，尤其是降低高负荷下的NO_X排放，且结构简单紧凑。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，其包括值班级和主燃级，燃油采用分级供油的方式分别供入值班级和主燃级，为分级复合燃烧方式；

值班级包括值班供油嘴、中心离心雾化喷嘴、第一级空气旋流器、第二级空气旋流器、文丘里管；值班级油路经值班供油嘴从离心喷嘴喷出；空气从第一级旋流器、第二级旋流器进入火焰筒头部，油气混合物在中心回流区燃烧，形成稳定火焰的值班区；

主燃级包括主燃级供油嘴、储油槽、封油环、多点喷射孔、第三级旋流器；主燃级油路经主燃级供油嘴进入环形侧壁内的储油槽后，经多个平口喷射孔直接喷射进入第三级旋流器的叶片通道中，与从第三级旋流器进口进来的空气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外侧回流区中燃烧，形成贫预混的主燃区；

主燃区位于值班区的外圈，并同轴，两者形成中心分级；

值班区和主燃区中的燃烧耦合在一起，高温燃气产物向下游流动，从火焰筒外筒和内筒上开设的掺混孔进来的空气对高温产物进行冷却，使燃烧室出口处的燃烧产物温度分布达到涡轮进气要求后，送入涡轮。

所述的采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，其所述值班级，是通过内侧的第一、第二双级旋流器和离心喷嘴的匹配来实现；其中，第一级旋流器为斜切孔旋流器，其凸台上面设有6～16个带有倾斜角度的斜切孔；离心喷嘴与外周圆套设的离心喷嘴外套，组合安装于第一级旋流器入口中心，燃油经离心喷嘴从离心喷口喷出后形成环状的油雾锥体，打在文丘里管的内壁上，油雾沿着文丘里管内壁向下游运动；

第一股旋流空气经第一级旋流器上的斜切孔的出口进入文丘里管，第二股旋流空气从第二级旋流器进口经第二级径向旋流器的叶片的通道产生旋流作用后，从第二级旋流器出口进入火焰筒头部，油雾锥体在两股旋流空气作用下破碎物化，形成油气混合物、雾化蒸发，在值班区中以扩散燃烧方式发生化学反应。

所述的采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，其所述第二级旋流器的叶片为弯曲叶片，叶片安装角为47°～67°，角度取决于所需要的旋流强度，叶片个数为8～24个，为偶数，具体个数取决于通过旋流器的通流面积；文丘里管安装在第二级旋流器的内环面。

所述的采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，其所述主燃级，燃油经主燃级供油嘴、储油槽、多个周向均布的平口喷射孔喷射出，形成带有锥角的油雾锥体，直射入第三级旋流器叶片的通道中，在第三级旋流器进口进来的空气旋流作用下加速破碎物化，燃油和空气迅速均匀地掺混，在第三级旋流器出口处形成预混均匀的油气混合物，进入燃烧室主燃区燃烧。

所述的采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，其所述喷射孔，喷嘴直径为0.3～0.5mm，沿周向均布8～24个，为偶数，具体个数取决于第三级旋流器叶片的个数N，喷嘴个数等于叶片个数N，或为N的一半。

所述的采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，其所述第三级旋流器，为径向旋流器，其叶片为弯曲叶片；叶片安装角为47°～67°，角度取决于所需要的旋流强度；叶片个数为8～24个，为偶数，具体个数取决于通过旋流器的通流面积。

所述的采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，其所述第一级旋流器和第二级旋流器的旋流方向相反，第三级旋流器和第二级旋流器的旋流方向相反。

所述的采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，其还包括火焰筒外筒、火焰筒内筒；火焰筒头部周圆向后延伸出火焰筒外筒、火焰筒内筒，火焰筒后端为燃烧室出口；在火焰筒外筒、内筒壁上，分别设有至少一排外筒掺混孔、至少一排内筒掺混孔。

参加燃烧的空气全部从头部三级旋流器的组合装置中进入火焰筒，燃烧用的空气占全部空气量的60％～70％，约20％的空气从掺混孔进入火焰筒对高温燃气进行掺混冷却，以达到燃烧室所要求的出口温度，剩余10％～20％的空气作为气膜对火焰筒壁面进行冷却，满足材料热负荷要求。

本发明的低污染燃烧室与现有技术相比所具有的优点：

1)本发明采用燃油分级措施，燃油分别供给值班级喷嘴和主燃级多点喷射喷嘴，与传统的所有燃油从中心喷嘴喷出相比，燃油液滴在空间上分布比较均匀，有效抑制局部热斑的形成。

2)本发明主燃级燃油采取多点直接喷射和预混预蒸发技术，燃油喷射进入主燃级旋流器通道，通道内高速旋流空气加速了燃油的破碎雾化蒸发，强烈的旋流作用加强了空气和燃油射流的相互作用，有利于燃油液滴破碎形成粒径较小的液滴，从喷射点到旋流器出口处预混预蒸发段距离长，有利于形成均匀的油气混合物进入主燃区燃烧。

3)本发明采取了头部三级旋流器加掺混孔方案，与传统的双级旋流杯加主燃孔、补燃孔、掺混孔方案相比，头部进气量大大增加，有助于形成均匀的且当量比较贫的燃烧区，反应区温度大大降低，有效抑制热力型NO_X的生成。

4)采取了分区分级复合燃烧方案，燃烧室在较低负荷时，只有值班级工作，保证了较高的燃烧效率，有效降低未燃物UHC、CO的排放。在较高负荷时，值班级和主燃级共同工作，值班级起稳定燃烧作用，拓宽了燃烧室的稳定工作范围，主燃区为贫预混燃烧，保证燃烧效率的同时实现低NO_X排放。

5)本发明提出的低污染燃烧室采取的方案结构简单紧凑，与现有燃烧室相比一方面有助于较少燃烧室的长度和重量，另一方面改善燃烧室性能，提高燃烧效率，拓宽稳定工作范围，显著降低UHC、CO和NO_X排放。

6)可以用于航空发动机低污染燃烧室，也可用于工业燃气轮机低排放燃烧室。

附图说明

图1是本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室的头部三级旋流器示意图；

图2是本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室结构及进气示意图；

图3是本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室中第一级旋流器示意图；

图4是本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室中第二级旋流器示意图；

图5是本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室中第三级旋流器示意图；

图6是本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室剖视图；

图7是本发明的低污染燃烧室污染排放与主燃区当量比之间的关系图。

图中标号：

1：第一级旋流器            2：第二级旋流器

3：第三级旋流器            4：挡环

5：文丘里管                6：储油槽

7：多点喷射孔              8：封油环

9：火焰筒头部              10：值班供油嘴

11：主燃级供油嘴           12：离心雾化喷嘴

13：第一级旋流器斜切孔     14：斜切孔出口

15：第二级旋流器进口       16：第二级旋流器出口

17：第三级旋流器进口       18：第三级旋流器出口

19值班级油路               20：离心喷口

21：主燃级油路             22：主燃级多点喷油出口

23：火焰筒外筒             24：火焰筒内筒

25：外筒掺混孔             26：内筒掺混孔

27：燃烧室出口             28：值班区

29：主燃区                 30：第二级旋流叶片

31：第三级旋流叶片         32：离心喷嘴外套

33：值班级油雾锥体         34：主燃级油雾锥体。

具体实施方式

为使本发明的技术方案、实施方式和所具优势更加清楚详细，下面结合所属示意图，并列出具体施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室的原理：燃油和参加燃烧的空气都分别采取分级的方式进入燃烧室，这种分级方案有利于燃油和空气的充分掺混。燃油分两路进入值班级喷嘴和主燃级多点喷嘴，参加燃烧的空气分别从三级旋流器进入火焰筒头部。从中心值班喷嘴进来的燃油和内侧两级旋流空气形成值班级，在发动机处于低负荷如点火、慢车或进场状态时，值班级单独工作，值班区的当量比大于1，为富油扩散燃烧，较高的燃烧效率可以有效降低CO和UHC的排放。主燃级燃油以多点直接喷射方式进入第三级旋流器叶片通道，在旋流空气强烈的剪切作用下，迅速破碎雾化蒸发，在旋流器出口截面处形成均匀预混的油气混合物，主燃区的当量比设计为0.6～0.8，为NO_X和CO排放都较低的贫燃区间，既降低了污染物排放，又能保证较高的燃烧效率。在发动机处于高负荷如爬升和起飞时，值班级和主燃级同时工作，主燃区不存在化学恰当比，整个区域为贫预混燃烧，主燃区燃烧温度低于1800K，达到降低污染物排放的目的。为了消除贫预混燃烧存在的燃烧不稳定性问题，值班区的高温扩散燃烧，起到连续稳定的点火源，主燃区和值班区存在交叉区域，因此值班级的存在保证了整个燃烧区域的持续稳定的燃烧。整个燃烧区反应后产生的高温燃气混合物向燃烧室下游流动，从火焰筒掺混孔进来的冷却气对高温燃气进行冷却和掺混，使得燃烧室出口温度满足设计要求。

本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，为了实现低排放目标，本发明遵循了两条基本原则，一是遵循低污染燃烧的基本原理，二是满足燃烧室的基本性能要求。本发明提出了燃烧区分级燃烧方案，具体来说就是燃油中心分级并采用多点喷射技术，燃烧室头部采取三级旋流进气，其中第一级为斜切孔旋流器，中心安装的是一个离心喷嘴；第二和第三级采用径向旋流器。内侧两级旋流器和离心喷嘴的匹配形成值班级，这种双级旋流加离心喷嘴技术相对比较成熟。

燃油分成两路进入燃烧室，其中第一路从中心值班离心喷嘴进入燃烧室，在双级旋流杯的作用下雾化蒸发后燃烧，值班级这种燃烧方式为扩散燃烧。在发动机处于进场、慢车等小负荷状态时仅值班级单独工作，此时值班级的当量比大于1，为富油燃烧，燃烧室能高效稳定地工作，有效降低污染物UHC和CO的排放。

第二路燃油采用多点喷射，主燃级旋流器前壁面上开有环形储油槽，储油槽侧面开有多个沿周向均布的直径为0.3～0.5mm的小孔，燃油通过小孔直接横向射入旋流器叶片通道中，在旋流空气的剪切作用下加速破碎雾化，在旋流器通道出口处形成均匀的油气混合物，进入燃烧室主燃区燃烧，主燃区设计当量比为0.6～0.8的贫油燃烧，由于燃油和主燃级空气在旋流器通道内掺混并蒸发后进入燃烧区燃烧，为贫预混燃烧方式，因此它同时兼有贫油预混预蒸发(LPP)和贫油直接喷射(LDI)的双重优点，全面降低主燃级的温度，主燃区燃烧温度控制在1800K以下，有效抑制NO_X尤其是热力型NO_X的生成。在进场以上的大负荷如起飞和爬升时，值班级和主燃级共同工作，值班区的扩散燃烧对主燃区而言提供了稳定的点火源，既保证了低排放要求，而又充分考虑到燃烧稳定性、燃烧效率等，全面满足燃烧室的基本性能要求。

而常规燃烧室采取旋流杯头部加主燃孔方案，其特点是所有燃油从一个喷嘴或者一个位置喷出，其熄火特性是通过旋流杯的富油头部来保证的。在设计点工作时头部旋流杯一定是富油的，燃油不能充分燃烧，在下游通过主燃孔进气来形成主燃烧区，把十分富油的头部掺混到主燃区当量比为1左右，使其完全燃烧，这种传统方案使得主燃区燃烧温度较高，无法取得较低的热力型NO_X排放。

本发明的一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室，由于头部采取了三级旋流进气，并采取了预混预蒸发的措施，主燃区的油气掺混的相当均匀，当量比为0.6～0.8的贫油燃烧，因此不再需要藉助主燃孔进气来稀释富油混合物。为此取消了主燃孔和补燃孔，仅仅保留掺混孔，值班级和主燃级发生反应后，高温燃气向下游流动，从掺混孔进入火焰筒的空气对高温燃气进行掺混冷却，达到燃烧室出口所需要的温度。

本发明中的主燃级采用多点直射式喷嘴，直径为0.3～0.5mm，个数为8～24个，具体个数和第三级旋流器叶片个数有关。

本发明中的第一级旋流器为斜切孔旋流器，斜切孔个数为6～12个，孔中心线沿径向和轴向均有一定倾斜角度，旋流器中心安装离心喷嘴。

本发明中的第二级和第三级旋流器为径向旋流器，叶片个数为8～24个，叶片为弯曲叶片，叶片安装角为47°～67°，角度取决于所需要的旋流强度。

图1是本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室头部三级旋流器的示意图，图2是本发明一种采用燃油分级空气三级旋流进气的低污染燃烧室结构及进气示意图，包括值班级和主燃级，燃油采用分级供油的方式分别供入值班级和主燃级。值班供油嘴10出口内同轴固接离心雾化喷嘴12，喷嘴外套32套设于值班供油嘴10后部，喷嘴外套32后端同轴固设于第一级旋流器1入口内，第一级旋流器1后端顺序同轴接有第二级旋流器2、环形侧壁、第三级旋流器3、火焰筒头部9。火焰筒头部9周圆向后延伸出火焰筒外筒23、火焰筒内筒24，火焰筒后端为燃烧室出口27。在火焰筒外筒23、内筒24壁上，分别设有至少一排外筒掺混孔25、至少一排内筒掺混孔26。第一级旋流器1周圆外端套设有挡环4。

环形侧壁周圆径向外部固接有主燃级供油嘴11，主燃级供油嘴11与环形侧壁内的储油槽6相通连，在储油槽6的后侧壁上设有多个平口喷射孔7。多个平口喷射孔7均布于一圆周上。环形侧壁中心孔有向后的文丘里管，环形侧壁周圆外端，以封油环8固封。

值班级包括离心喷嘴12、第一级斜切孔旋流器1、第二级径向旋流器2和文丘里管5，其中，中心离心雾化喷嘴12外面的喷嘴外套32安装在斜切孔旋流器1中心，斜切孔旋流器1在挡环4的保护下，可以活动自如。第一路燃油从值班供油嘴10进入离心喷嘴12，从离心喷口20喷射出来，形成的值班级油雾锥体33打在文丘里管5内壁后形成油膜，油膜沿着内壁向下游运动，与从斜切孔13出口14和第二级径向旋流器2出口16进来的空气迅速掺混，形成的混合物在值班区28以扩散方式燃烧。两级旋流器1、2的旋向方向相反，有利于燃油的充分破碎雾化。值班级燃油占总燃油量的15％～30％。

剩余大部分燃油从主燃供油嘴11进入主燃级储油槽6，储油槽位于第二级旋流器2和第三级旋流器3中间的侧壁内，8个直径为0.3～0.5mm多点喷射孔7连通储油槽6，主燃级燃油以多点直接喷射方式从小孔7横向射入主燃级旋流器叶片31通道中，形成的主燃级油雾锥体34，与从第三级旋流器3(即主燃级旋流器)进来的旋流空气边混合边雾化蒸发，形成预混均匀的油气混合物从主燃级旋流器3出口进入火焰筒头部9，在主燃区29中以贫预混方式燃烧。主燃区29位于值班区28的外圈，并和所述值班区28同轴，两者形成中心分级。

第一级旋流器斜切孔13个数为8～16，图3中所示的结构为8个，斜切孔中心线沿轴向和径向均呈一定角度，为30°～60°。第二级旋流器2的叶片30和第三级旋流器3的叶片31个数为8～24，图4和图5中所示径向旋流器叶片个数均为8个均布。多点喷射的个数为8个，等于主燃级叶片通道个数，当然也可为叶片通道个数的一半。

图6为采用燃油分级空气三级旋流进气方案的低污染燃烧室示意图，燃烧过程发生在值班区28和主燃区29，发生反应后高温燃气产物向火焰筒下游流动，经火焰筒外筒23上的掺混孔25和火焰筒内筒上的掺混孔26进来的冷却空气掺混后，在燃烧室出口27达到所要求的温度分布，满足涡轮进口导流叶片受热强度的要求。

掺混空气量约为20％，气膜冷却气量约为10％～20％，剩余60％～70％的空气都从头部三级旋流器进入燃烧室。保证主燃区恰好位于当量比为0.6～0.8的贫燃区间，此区间恰好位于低NO_X和低CO排放区间，如图7所示，从而实现低污染排放的目标。

本发明未详细阐述部分为本领域公共常识。

本发明提出的燃油分级空气三级旋流进气方案解决了空气和燃油在进入燃烧室燃烧之前充分预混的问题。

本发明充分兼顾抑制NO_X和控制CO、UHC的排放。在燃烧室处于低负荷状态工作时，燃烧室总油气比较小，所有燃油从中心离心喷嘴进入值班区，以传统的扩散燃烧方式发生反应，一方面能够稳定火焰，拓宽燃烧室的熄火边界，另一方面提高了燃烧效率，降低CO和UHC的排放。而到了某一较高负荷时，燃油分级供入值班级和主燃级，值班级当量比保持在化学恰当比1和稍富油的当量比如1.2之间，起到稳定燃烧的作用，而主燃区当量比控制在0.6～0.8的贫燃区间，这样能显著降低主燃区的反应温度，有效抑制NO_X尤其是热力型NO_X的生成。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，对于本领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明和原理的前提下，还可做出若干改进和润饰优化，这些改进和润饰等均应包含在本发明的保护范围之内。