一种径向旋流器拐弯区液雾喷射预混预蒸发低污染燃烧室

摘要

一种径向旋流器拐弯区液雾喷射预混预蒸发低污染燃烧室，燃烧室为单环腔结构，由燃烧室头部和火焰筒组成，其中燃烧室头部包括位于中心的预燃级和外圈的主燃级；采用主燃级燃油在主燃级径向旋流器后拐弯区内的液雾喷射方案，主燃级燃油在喷入拐弯区之前与空气预先混合，混合后再喷入到拐弯区中的油气混合物在主燃级径向旋流器旋流气体的作用下形成预混预蒸发油气混合物进入到燃烧区中燃烧，该燃烧方式能有效的降低燃烧室污染物的排放；同时主燃级燃油在主燃级径向旋流器后拐弯区内的液雾喷射以及拐弯区的拐弯流动可以减小燃烧室的长度；本发明主要用于航空发动机燃烧室，亦可用于工业燃气轮机和舰船燃气轮机燃烧室中，以减少排向大气中的污染物。

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空发动机燃烧室技术，特别涉及一种径向旋流器拐弯区液雾喷射预混预蒸发低污染燃烧室。

背景技术

航空发动机燃烧的主要发展趋势是低污染燃烧，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CAEP4(Committee on Aviation EnvironmentalProtection)标准的要求已经非常严格，特别是对NOx污染排放要求，而2008年后将采用的CAEP6标准则更为严格。工业燃气轮机的污染排放要求达到个位数——万分之一浓度排放要求。

一般来说，航空发动机污染物可分为两类：由于高的火焰温度产生的污染物是氮氧化物(NOx)；由于低的火焰温度产生的污染物是一氧化碳和未燃碳氢(CO和UHC)。根据污染物产生的机理以及实验结果可知，燃烧室燃烧区当量比在很小的一个范围内(0.6～0.8)，上述两大类污染物排放达到最小。对于常规燃烧室来说，在高功率状态时，由于采用液雾扩散燃烧方式，燃烧区局部当量比总是在1附近，远超过上述低污染燃烧所需当量比范围要求，因此CO和UHC的排放小，但是NOx的排放达到最大。在低功率状态时，燃烧区当量比又很低，远低于上述低污染燃烧所需当量比区间，NOx排放低，但CO和UHC排放又很高，因此对于常规燃烧室来说，无法满足在整个发动机工作范围内的低污染要求。

GE发动机公司提出了一种低污染燃烧室-TAPS(Twin Annular Premixing Swirler)，燃烧室头部包括主燃级和预燃级，主燃级和预燃级分别供油，实现分区燃烧方式。根据这一思路，GE公司申请了几项美国专利。申请号分别为6389815、6354072、0178732和6381964的美国专利提出的主燃级方案是：主燃级燃油喷入到径向旋流器拐弯区之后的某一位置，形成预混预蒸发油气混合物。从这些专利的附图可知，燃油喷射点到燃烧区入口处距离大约是燃烧室头部结构高度的一半，对于这种分级燃烧室来说，头部结构高度大于常规燃烧室的头部结构高度，因此燃烧室头部的轴向长度太长，从而影响燃烧室乃至发动机的长度和重量要求。在申请号为6453660美国专利中同样存在这种问题，燃油喷射点到燃烧区入口处距离大约是燃烧室头部结构高度的三分之一，而且主燃级燃油喷射系统非常复杂，导致燃烧室头部结构非常复杂。上述几个美国专利都实现了整个发动机工作范围内的低污染要求，但是主燃级燃油喷射点离径向旋流器出口都有一段距离，而这段距离增加了燃烧室头部轴向长度。另外上述美国专利只是由旋流器来调节空气的旋流强度，而没有采取措施控制燃油的初始旋流强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，克服上述现有技术的不足，采用径向旋流器后拐弯区内的燃油液雾喷射，采用燃油在进入拐弯区之前的油气预先混合以及拐弯区内的油气混合物在径向旋流器后的拐弯流动方式，减小燃油喷射点到燃烧区入口的距离，从而减小燃烧室头部结构的轴向长度，同时能够有效的降低燃烧室污染排放。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种径向旋流器拐弯区液雾喷射预混预蒸发低污染燃烧室，由燃烧室头部26和火焰筒组成，其特征在于：燃烧室为单环腔结构，燃烧室头部26包括位于中心的预燃级24和外圈的主燃级25；主燃级25又包含有直射式空气雾化喷嘴33和主燃级径向旋流器34；直射式空气雾化喷嘴33喷出的主燃级燃油41经过主燃级燃油喷射点38进入主燃级集油腔42中；同时主燃级直射式空气物化喷嘴空气流39也进入到集油腔42中，在集油腔42中油气预先混合，混合后的油气混合物以液雾的形式再从主燃级径向旋流器左侧壁43上的孔喷入到主燃级径向旋流器叶片37后的主燃级径向旋流器后拐弯区36中，在主燃级径向旋流器34的旋流气体作用下形成预混预蒸发油气混合物进入到燃烧区16中燃烧，实现径向旋流器拐弯区液雾喷射预混预蒸发燃烧方案。

所述的主燃级直射式空气物化喷嘴空气流39可以通过主燃级空气雾化喷嘴空气孔46、或者通过主燃级空气雾化喷嘴空气槽47、或者上述两种方式的组合进入到集油腔42。

所述的直射式空气物化喷嘴空气流39喷出的空气的旋流强度可以通过调整主燃级空气雾化喷嘴空气孔46或主燃级空气雾化喷嘴空气槽47的角度来控制。

所述的主燃级25的直射式空气雾化喷嘴33的喷射点38位于主燃级径向旋流器左侧壁43上，喷射点38数量与主燃级径向旋流器叶片37数量相同。

所述的主燃级燃油喷射点到燃烧区入口处距离49x与燃烧室头部结构高度48y之间的关系是：$x\le \frac{1}{6}y.$

所述的主燃级25的气量占燃烧室头部气量的65％～95％，预燃级24的气量占5％～35％。

所述的燃烧用气量全部从燃烧室头部26供入，火焰筒上没有主燃孔，只有冷却孔、外掺混孔21和内掺混孔22。

所述的主燃级收扩件收缩角度45在0°至180°内可调。

本发明的工作原理：主燃级燃油在喷入到拐弯区之前与旋流空气预混，这种预混的油气混合物再喷射到主燃级径向旋流器叶片后的拐弯区中，拐弯区中的气流转向进一步强化油气混合，这种混合物在主燃级径向旋流器旋流气体的作用下形成预混预蒸发状态后进入到主燃区中燃烧，形成预混燃烧方式。同时可通过控制进入拐弯区之前的旋流空气旋流强度来控制进入拐弯区内液雾的旋流强度，从而适应不同的发动机工况要求。预燃级采用离心喷嘴和旋流器结构，形成扩散燃烧方式，兼顾燃烧稳定和污染排放两个矛盾的性能要求。这种燃烧方式能够控制燃烧室在不同状态下的当量比，使该当量比始终保持在低污染排放的区间内，从而有利于控制污染排放。燃烧室火焰筒上没有主燃孔，只有冷却孔和掺混孔，燃烧用气量全部从燃烧室头部进入。主燃级和预燃级保持合适的气量分配，以适应不同发动机燃烧室工况要求。控制冷却空气流动，避免产生过多的CO和UHC。

预燃级在慢车等低功率状态下启动，保持低功率状态时燃烧区的当量比落在上述低污染燃烧当量比区间内，使燃烧的稳定性好，容易起动。当发动机工作在高功率状态时才启动主燃级，控制燃烧区的当量比在上述低污染燃烧当量比区间，主燃级是预混预蒸发模式，能够保证燃烧区内局部当量比的均匀性。采用这种低污染燃烧室头部结构，可确保在航空发动机燃烧室所有的工作状态下，燃烧区的当量比控制在低污染燃烧的区间内，同时通过控制主燃级油雾均匀度、混合度和蒸发度来控制燃烧区的当量比均匀度，从而达到污染排放低，稳定性好等航空发动机燃烧室性能要求。

在某一参数(进口流速和温度压力等)条件下，燃油达到某一混合度下所需要的距离定义为L，从污染排放角度考虑，这个长度越大越好，但是从回火和自燃角度考虑，这个长度又不宜太大，因此对应于某一参数时，综合考虑上述两个因素，这个长度应该是个定值。对于TAPS主燃级径向旋流器方案来说，主燃级燃油喷射点到燃油达到某一混合度时的长度为L，而旋流器出口到喷射点的距离为Lsi，旋流器长度为Ls，这样从旋流器进口到燃油达到某一混合度时的长度为L+Lsi+Ls。本发明采用径向旋流器拐弯区液雾喷射预混预蒸发燃烧方案方案，在达到相同的混合度时的长度为Ls+L，去掉了旋流器出口到喷射点的距离Lsi，缩短了燃烧室头部的长度，另外由于燃油在喷入到拐弯区之前的预先混合，进一步减小燃烧室头部的长度，从而减小了燃烧室的长度和重量。同时由于拐弯区气流转向而强化掺混，从而有利于主燃级油气混合。

本发明与现有技术相比的优点如下：

1.本发明的主燃级燃油在径向旋流器后拐弯区内的液雾喷射，达到相同的混合度和蒸发度时，需要的距离缩短，从而减小了燃烧室的长度；

2.本发明的主燃级径向旋流器后拐弯区内的油气混合物，由于径向旋流器下游的拐弯流动，达到相同的混合度和蒸发度时，需要的距离进一步缩短，从而进一步减小燃烧室的长度；

3.本发明的主燃级燃油在旋流器后拐弯区的液雾喷射，由于拐弯区气流的转向而进一步强化掺混，有利于主燃级油气混合；

4.通过调整与主燃级空气雾化喷嘴燃油预先混合的空气旋流强度控制喷入拐弯区中燃油的旋流强度，从而适应发动机不同工况；

5.本发明的燃烧室燃烧气量全部由头部供入，冷却及掺混等用气则从火焰筒进入，增加燃烧室功效的同时简化燃烧室的结构；

6.本发明的预燃级扩散燃烧与主燃级预混预蒸发燃烧的复合燃烧方式，实现了航空发动机燃烧室低污染排放和宽稳定工作范围等性能要求。

附图说明

图1为发动机结构示意图；

图2为燃烧室结构示意图；

图3为燃烧室的区域3的放大示意图；

图4为图3中的4-4视图，其中图4a为主燃级空气雾化喷嘴空气孔示意图，图4b为主燃级空气雾化喷嘴空气槽示意图；

图5为燃油喷射系统示意图，其中图A为燃油喷射到横向射流中的示意图，图B为TAPS主燃级燃油喷射示意图，图C为本发明主燃级燃油喷射示意图；

图中：10发动机，11低压压气机，12高压压气机，13燃烧室，14高压涡轮，15低压涡轮，16燃烧区，17外机匣，18内机匣，19外火焰筒壁，20内火焰筒壁，21外掺混孔，22内掺混孔，23头部端壁，24预燃级，25主燃级，26头部结构，27预燃级离心喷嘴，28预燃级旋流器，29预燃级收扩件，30预燃级混合腔，31预燃级离心喷嘴燃油，32预燃级旋流器叶片，33直射式空气雾化喷嘴，34主燃级径向旋流器，35主燃级收扩件，36主燃级径向旋流器后拐弯区，37主燃级径向旋流器叶片，38主燃级燃油喷射点，39主燃级直射式空气雾化喷嘴空气流，40主燃级径向旋流器右侧壁，41主燃级燃油，42主燃级集油腔，43主燃级径向旋流器左侧壁，44主燃级油路整流环，45主燃级收扩件收缩角度，46主燃级空气雾化喷嘴空气孔，47主燃级空气雾化喷嘴空气槽，48燃烧室头部结构高度，49主燃级燃油喷射点到燃烧区入口的距离。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

图1是一个发动机10的示意图，发动机10包括低压压气机11，高压压气机12，燃烧室13，高压涡轮14和低压涡轮15。发动机10工作时，空气经过低压压气机11压缩后，再进入高压压气机12，高压空气进入到燃烧室13中燃烧，燃油喷射系统向高压气流中喷油，在燃烧室13中进行充分有效地燃烧，燃烧后形成高温高压燃气，进入到高压涡轮14和低压涡轮15，从而推动涡轮做功。图2是发动机燃烧室13的示意图，燃烧室为单环腔结构。图3是燃烧室13中区域3的放大视图，是燃烧室头部的详细结构。燃烧室13包括一个燃烧区16，燃烧区的外边界是外火焰筒壁19，内边界是内火焰筒壁20，环形的内火焰筒壁20和外火焰筒壁19在环形的内机匣18和外机匣17之间径向分布。在内、外火焰筒壁面上安排内掺混孔22和外掺混孔21，用于调整燃烧室出口温度分布，内外火焰筒壁面上还安排冷却孔(图中未示出)，用于冷却火焰筒壁面，保证燃烧室的寿命。在燃烧区16的上游是头部结构26，头部结构26通过头部端壁23与火焰筒壁面连接。头部结构26包括预燃级24和主燃级25。因为没有主燃孔，因此所有的燃烧用气量都从燃烧室头部加入，这样燃烧室头部就是一个贫油头部，有利于减小NOx污染排放。预燃级24气量占燃烧室头部气量的5％～35％，主燃级25气量占燃烧室头部气量的65％～95％。

中心预燃级24包括中心喷嘴27、旋流器28和收扩件29。收扩件29形成了预燃级混合腔30。中心喷嘴27采用离心喷嘴，离心喷嘴喷出的燃油31与预燃级旋流器28的旋流空气在预燃级混合腔中混合后再进入到燃烧室的燃烧区中燃烧。

外圈主燃级25包括直射式空气雾化喷嘴33、主燃级径向旋流器34和主燃级收扩件35。主燃级收扩件35与预燃级收扩件29的外壁面形成了主燃级径向旋流器后拐弯区36，主燃级收扩件35的收缩角度45在0°至180°内可调，以适应不同发动机燃烧室工况要求。直射式空气雾化喷嘴33的主燃级燃油41经过主燃级燃油喷射点38进入主燃级集油腔42，同时主燃级直射式空气雾化喷嘴空气流39从主燃级空气雾化喷嘴空气孔46或主燃级空气雾化喷嘴空气槽47也进入到集油腔42中，在集油腔42中油气预先混合后以液雾的形式再从主燃级径向旋流器左侧壁43上的孔喷入到主燃级径向旋流器后拐弯区36中，与主燃级径向旋流器34的旋流空气混合后形成预混合预蒸发油气混合物，再进入到燃烧区16中燃烧。主燃级径向旋流器34为一级径向旋流器。主燃级油路整流环44用于平均分配每个喷射点的燃油，整流环上的小孔直径和数量根据主燃级燃油雾化情况调节。直射式空气雾化喷嘴33的燃油通过一个孔进入到主燃级径向旋流器左侧壁43，主燃级油路整流环44将这股燃油平均分配，使得燃油均匀的进入到集油腔42中。在集油腔42中，与来自主燃级空气雾化喷嘴空气孔46或主燃级空气雾化喷嘴空气槽47的带旋流的空气流39预先混合，可以通过调整主燃级空气雾化喷嘴空气孔46或主燃级空气雾化喷嘴空气槽47的角度来控制通过孔或槽的空气的旋流强度，从而调节喷入到主燃级径向旋流器后拐弯区36中的油气混合物旋流强度，以适应发动机不同工况。其中图4为图3中的4-4视图，其中图4a为主燃级空气雾化喷嘴空气孔示意图，图4b为主燃级空气雾化喷嘴空气槽示意图；在集油腔42中预先混合后的油气混合物以液雾的形式再喷入到主燃级径向旋流器后拐弯区36中，在主燃级径向旋流器34的旋流空气的作用下形成预混预蒸发油气混合物进入到燃烧区中燃烧。主燃级燃油预先混合的空气可经过主燃级空气雾化喷嘴空气孔46进入，也可经过主燃级空气雾化喷嘴空气槽47进入，或者是上述两种方式的组合。由于主燃级径向旋流器后拐弯区36中气流的转向而强化掺混，有利于主燃级油气更好的混合，这种预混燃烧方式能够减小大功率状态时NOx的污染排放。上述主燃级燃油喷射点到燃烧区入口距离49为燃烧室头部结构高度48的六分之一，喷射点位于主燃级径向旋流器后拐弯区内，去掉了径向旋流器出口到喷射点的距离Lsi，如同5C所示，对比图5A所示的燃油喷射到横向射流中的示意图，和图5B所示的TAPS主燃级燃油喷射示意图，同时由于主燃级径向旋流器下游拐弯流动，可以知道本发明能够缩短燃烧室头部结构的轴向长度，从而减小燃烧室和发动机的长度和重量。

发动机10起动或者慢车等低功率状态时，只有燃烧室的预燃级24供油，主燃级25只有空气经过而不供油，预燃级的离心喷嘴27使得燃烧室燃烧区16形成扩散燃烧方式，从而保证了发动机燃烧室可靠的稳定性和起动特性，并降低CO和UHC污染排放。发动机10工作在起飞或爬升等高功率状态时，主燃级25和预燃级24同时供油，而主燃级直射式空气雾化喷嘴33的主燃级燃油41喷入到拐弯区主燃级径向旋流器后36中，主燃级径向旋流器34的旋流使油气形成预混预蒸发状态，再进入到燃烧区16中燃烧，形成预混燃烧方式，能有效的降低航空发动机NOx污染排放，同时保证了高的燃烧效率和均匀的燃烧室出口温度分布等性能。而主燃级25和预燃级24的收扩件29和35能很好的防止喷嘴积碳和回火。

燃烧室头部安装及连接形式如下：预燃级旋流器叶片32分别与预燃级收扩件29和预燃级旋流器内壁连接，形成一个整体。主燃级径向旋流器左侧壁43分成两部分，在左边部分开出主燃级集油腔42、主燃级喷嘴入口的燃油孔和主燃级空气雾化喷嘴空气孔46或燃级空气雾化喷嘴空气槽47，再将主燃级油路整流环44连接在集油腔的内部，然后将左侧壁的右边部分与左边部分连接成一体，最后将整个主燃级径向旋流器左侧壁43与预燃级收扩件29连接成一体。主燃级径向旋流器叶片37分别与主燃级径向旋流器左侧壁43和主燃级径向旋流器右侧壁40连接，这样预燃级和主燃级旋流器形成了一个整体，最后将燃油喷嘴27插入到预燃级旋流器内，并与主燃级喷嘴入口连接。在发动机燃烧室安装时，火焰筒与机匣安装完成后，从燃烧室前端的喷嘴安装座处插入上述的头部结构(包括燃油喷嘴、主燃级和预燃级旋流器)，与头部端壁23连接，头部端壁23与头部结构26通过一个活动环连接，避免燃烧室的轴向和径向的热应力。