專(zhuān)利名稱(chēng)：一種部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，涉及一種直接燃油噴射的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)然燒室。
背景技術(shù)：
國(guó)際民航組織在80年代就頒布了 “環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)”和“航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放”條例，并不斷修訂完善，目前已開(kāi)始執(zhí)行CAEP 6排放標(biāo)準(zhǔn)。各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司和研究機(jī)構(gòu)均把控制污染物排放作為重要課題進(jìn)行研究，其中低排放燃燒技術(shù)是民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的研究?jī)?nèi)容。由于污染排放是適航取證對(duì)民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)制性要求，歐美的幾家國(guó)際知名航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司針對(duì)越來(lái)越嚴(yán)厲的排放要求，實(shí)施了先進(jìn)民用發(fā)動(dòng)機(jī)研制計(jì)劃，掌握了低排放燃燒室的關(guān)鍵技術(shù)。GE公司研制的燃燒室采用最新的雙環(huán)預(yù)混旋流(TAPQ組織燃燒技術(shù)， 已用于Leap-X發(fā)動(dòng)機(jī)上，其N(xiāo)Ox污染排放比CAEP 6低47. 7%。PW公司采用RQL技術(shù)發(fā)展的TALON X燃燒室在PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)上，預(yù)計(jì)NOx污染排放比CAEP 6低40%。RR公司采用ANTLE計(jì)劃發(fā)展的LDIS低污染燃燒室，其N(xiāo)Ox污染排放比CAEP 2標(biāo)準(zhǔn)降低了 50%。GE公司的TAPS燃燒技術(shù)已申請(qǐng)了多項(xiàng)美國(guó)專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)為US0063M072B1、 US006381964B1、US006389815B1等的美國(guó)專(zhuān)利提出的技術(shù)方案是副燃級(jí)(預(yù)燃級(jí))由離心噴嘴、兩級(jí)軸向旋流器、文氏管和套筒構(gòu)成，主燃級(jí)(主燃級(jí))由直射式噴嘴和一級(jí)或兩級(jí)徑向旋流器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，軸向長(zhǎng)度太長(zhǎng)。北京航空航天大學(xué)也申請(qǐng)了幾種貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室的專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)枮?00810105062. 3的專(zhuān)利提出的技術(shù)方案是副燃級(jí)由離心噴嘴、一級(jí)軸向旋流器和收擴(kuò)段構(gòu)成，主燃級(jí)由直射式空氣霧化噴嘴、一級(jí)徑向旋流器和收擴(kuò)件構(gòu)成，主燃級(jí)燃油的氣動(dòng)霧化不是很強(qiáng)，且出口收斂不是很明顯，容易造成回火，副燃級(jí)的收擴(kuò)段喉道直徑太大，容易使副燃級(jí)空氣流量分配過(guò)大，進(jìn)而影響副燃級(jí)點(diǎn)火和熄火性能，還可能會(huì)造成副燃級(jí)噴嘴積碳結(jié)焦。NOx是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的污染物之一，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中， NOx主要由燃燒區(qū)火焰溫度決定。目前已有低污染燃燒室開(kāi)始采用貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)技術(shù)來(lái)保證燃燒區(qū)的當(dāng)量比在0. 5 0. 65范圍內(nèi)，有效控制火焰溫度從而降低NOx的生成。采用該技術(shù)的燃燒室通常其預(yù)混段較長(zhǎng)，容易出現(xiàn)自燃和回火，又由于這種燃燒室在貧油狀態(tài)燃燒，混合蒸發(fā)的很好，使得出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒的機(jī)率倍增。傳統(tǒng)的燃燒室采用富油頭部設(shè)計(jì)，燃燒區(qū)的當(dāng)量比在1左右，這種燃燒方式無(wú)法降低污染物，特別是NOx的生成量，但這種燃燒室相對(duì)于采用貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)技術(shù)的燃燒室工作更穩(wěn)定，其某些燃燒室基本性能更高，比如慢車(chē)貧油熄火邊界(LBO)和貧油點(diǎn)火邊界(LLO)。要保證燃燒室的性能同時(shí)還要降低污染物排放，需要將以上兩種技術(shù)結(jié)合，副燃級(jí)采用直接噴射，主燃級(jí)采用貧油部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的混合燃燒模式，即能保證燃燒室的牲能要求，又能保證污染物排放的要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的提供一種能夠保證燃燒室性能并且降低污染排放的直接燃油噴射的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室。本發(fā)明的技術(shù)方案是頭部方案采用中心分級(jí)的DIPME (Rich/LeanDirect Injection and Lean Partial Pre—Mixing & Pre—Evaporation) t昆合燃燒模式,艮口在啟云力和小狀態(tài)時(shí)，副燃級(jí)采用富油直接噴射(Rich Direct hjection)燃燒模式，該燃燒模式是通過(guò)副油路離心噴嘴(或空氣霧化噴嘴)和副燃級(jí)軸向渦流器構(gòu)成的副燃級(jí)實(shí)現(xiàn)局部富油，這種組織燃燒方式是介于預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒之間；在大狀態(tài)(包括起飛、巡航等狀態(tài))時(shí)，副燃級(jí)采用貧油直接噴射(Lean Direct hjection)燃燒模式，主燃級(jí)采用貧油部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(Lean Partial Pre-Mixing & Pre-Evaporation)燃燒模式，使中心燃燒區(qū)起穩(wěn)定火焰作用，周?chē)紵齾^(qū)為貧油部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒，燃燒區(qū)當(dāng)量比控制在0.5 0. 65之間，燃燒區(qū)溫度控制在1700K 1900K范圍內(nèi)，并控制高溫火焰的停留時(shí)間，從而有效控制NOx和CO的生成量。主燃級(jí)由一級(jí)軸向渦流器和一級(jí)徑向渦流器，以及位于兩級(jí)渦流器之間的壓力直接燃油噴射式噴嘴組成，依靠噴嘴內(nèi)外的壓差進(jìn)行一次霧化，再依靠?jī)杉?jí)渦流器的氣流剪切作用，可以使主燃級(jí)燃油得到充分的霧化，并與來(lái)流空氣進(jìn)行良好的部分預(yù)混合。主燃級(jí)出口采用收斂型通道，加速氣流并防止發(fā)生回火。主燃級(jí)軸向旋流器采用強(qiáng)旋流，徑向旋流器采用弱旋流且與軸向旋流器旋向相反，以達(dá)到良好霧化的效果。具體結(jié)構(gòu)為一種部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，包括擴(kuò)壓器(11)、外機(jī)匣(12)、內(nèi)機(jī)匣 (13)、噴嘴(14)、燃燒室頭部(15)、火焰筒(16)和電嘴(17)，根據(jù)需要火焰筒上有主燃孔 (18)和摻混孔(19)，所述燃燒室頭部(15)由副燃級(jí)(30)和主燃級(jí)(31)組成，其中1)副燃級(jí)(30)由一級(jí)軸向渦流器(32)、收斂段(33)、喉道(34)、擴(kuò)張段(35)和副油路噴嘴(36)構(gòu)成，一級(jí)軸向渦流器(32)內(nèi)安裝有軸向渦流器葉片(37)，一級(jí)軸向渦流器(32)收斂段(33)及擴(kuò)張段(35)依次相連，副油路噴嘴(36)位于一級(jí)軸向渦流器(32) 出口與喉道(34)之間，距離一級(jí)軸向渦流器(32)5mm左右。2)主燃級(jí)(31)由一級(jí)軸向渦流器(39)、一級(jí)徑向渦流器G0)、預(yù)混段、收斂喉道G2)和直接燃油噴射式噴嘴G3)構(gòu)成，直接燃油噴射式噴嘴G3)位于軸向渦流器 (39)和徑向渦流器(40)之間。所述軸向渦流器葉片(37)安裝角度在30° 45°之間，葉片數(shù)量在10 16片之間，旋流強(qiáng)度在0. 45 0. 75之間。所述軸向渦流器收斂段角度(55)在90°左右，擴(kuò)張段角度(58)在90° 150° 之間。所述副燃級(jí)軸向長(zhǎng)度(38)在25mm 32mm之間，主燃級(jí)軸向長(zhǎng)度(52)在25mm 40mm之間。所述軸向渦流器葉片04)安裝角在45° 60°之間，徑向渦流器葉片05)安裝角在25° 40°之間，或者軸向渦流器葉片G4)安裝角在25° 40°之間，徑向渦流器葉片0 安裝角在45° 60°之間，保證兩級(jí)渦流器的平均旋流強(qiáng)度在0.6左右。所述壓力直接燃油噴射式噴嘴G3)出口到主燃級(jí)出口間的距離(62)在10 15mm之間。所述收斂喉道02)的內(nèi)收斂角07)在10° 45°之間，外擴(kuò)張角08)在5° 30°之間，外收斂角G9)在5° 20°之間，收斂喉道02)同預(yù)混段配合使用。所述主燃級(jí)設(shè)置有直徑0. 5mm Imm的冷卻小孔(50)，夾部設(shè)置有直徑0. 5mm 1.2mm上位冷卻小孔(51)，所述壓力直接燃油噴射式噴嘴03)噴口(54)直徑0. 5mm 0.7mm，噴孔數(shù)量8 12個(gè)，噴射角度可以垂直壁面，向軸向渦流器(39)偏轉(zhuǎn)45°，或向徑向渦流器^))偏轉(zhuǎn)45°本發(fā)明的有益效果是副燃級(jí)采用直接噴射燃燒模式，即保證燃燒室穩(wěn)定工作，又能減少小工況污染物排放，其擴(kuò)張段設(shè)計(jì)不僅能解決頭部積炭和冷卻問(wèn)題，還能保證在副燃級(jí)下游形成有助于點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定的斜回流區(qū)；主燃級(jí)采用貧油部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒技術(shù)，能較大幅度降低N0x、UHC、CO和煙粒子等污染物的排放，其收斂喉道和預(yù)混段的設(shè)計(jì)能有效防止自燃和回火現(xiàn)象的出現(xiàn)；主燃級(jí)渦流器的設(shè)計(jì)考慮了預(yù)防不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象的出現(xiàn)；主燃級(jí)壓力直接燃油噴射式噴嘴首先依靠噴嘴壓差使燃油一次霧化，再借助兩級(jí)渦流器空氣的作用，使得燃油得到充分的霧化和混合。采用不同的頭部進(jìn)氣，NOx排放能達(dá)到比 CAEP 6 低 35% 60%。

圖1為低排放燃燒室示意圖圖2為一種直接燃油噴射式噴嘴的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的頭部結(jié)構(gòu)方案。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例子詳細(xì)介紹本發(fā)明。圖 1 是采用中心分級(jí)的 DIPME (Rich/Lean Direct Injection and LeanPartial Pre-Mixing & Pre-Evaporation)混合燃燒模式的低排放燃燒室示意圖，燃燒室(10)包括擴(kuò)壓器(11)、外機(jī)匣(12)、內(nèi)機(jī)匣(13)、噴嘴(14)、頭部(15)、火焰筒(16)和電嘴(17)，根據(jù)需要火焰筒上有主燃孔(18)和摻混孔(19)。燃燒室的工作情況為空氣從擴(kuò)壓器(11)進(jìn)入燃燒室，超過(guò)50%的空氣從頭部(1 進(jìn)入火焰筒(16)，其余空氣通過(guò)燃燒室外環(huán)00) 和內(nèi)環(huán)進(jìn)入火焰筒(16)，燃油通過(guò)噴嘴(14)進(jìn)入火焰筒(16)，在火焰筒(16)內(nèi)，電嘴(17)點(diǎn)火后，空氣與燃油燃燒，從火焰筒出口 02)排出。圖2是DIPME低排放燃燒室頭部(15)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，頭部由副燃級(jí)(30)和主燃級(jí)(31) 組成。頭部(15)進(jìn)氣量大約占燃燒室(10)總氣量的50% 80%，具體進(jìn)氣量的多少同燃燒室的總油氣比和冷卻空氣量有關(guān)，副燃級(jí)(30)進(jìn)氣量大約占燃燒室總進(jìn)氣量的5% 20%，具體進(jìn)氣量同燃燒室慢車(chē)狀態(tài)油氣比密切相關(guān)，主燃級(jí)(31)進(jìn)氣量大約占燃燒室總進(jìn)氣量的40 % 65 %，具體進(jìn)氣量同燃燒室起飛狀態(tài)油氣比密切相關(guān)。副燃級(jí)(30)由一級(jí)軸向渦流器(32)、收斂段(33)、喉道(34)、擴(kuò)張段(35)和副油路噴嘴(36)構(gòu)成。軸向渦流器(32)有效流通面積與喉道(34)面積共同決定副燃級(jí)(30) 空氣流量，收斂段(3 角度一般45°左右，擴(kuò)張段(3 的設(shè)計(jì)需要考慮頭部積炭和冷卻， 此外必須保證在副燃級(jí)(30)下游形成有助于點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定的斜回流區(qū)，擴(kuò)張段(35)角度太小容易積炭，角度太大會(huì)出現(xiàn)冷卻問(wèn)題。副油路噴嘴(36)位于副燃級(jí)渦流器(32)出口與副燃級(jí)喉道(34)之間，距離渦流器出口 5mm左右，這樣使得副燃級(jí)的燃燒方式介于預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒之間，不僅有助于燃燒室工作穩(wěn)定，也有助于降低小工況的污染物。在燃燒室所有工況中，副燃級(jí)(30)都要工作，在啟動(dòng)和小工況時(shí)這里是局部富油燃燒，在大工況時(shí)這里是貧油燃燒。[0025] 主燃級(jí)(31)由一級(jí)軸向渦流器(39)、一級(jí)徑向渦流器GO)、預(yù)混段、收斂喉道0 和直接燃油噴射式噴嘴^幻構(gòu)成。保持兩級(jí)渦流器的平均旋流強(qiáng)度在0.6左右， 有助于預(yù)防不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象的出現(xiàn)。兩級(jí)渦流器有效流通面積和收斂喉道0 面積共同決定主燃級(jí)(31)空氣流量。預(yù)混段和收斂喉道的總長(zhǎng)度G6)在15 25mm之間能有效保證主燃級(jí)燃油達(dá)到部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)。收斂喉道同預(yù)混段配合使用，能有效防止回火現(xiàn)象的發(fā)生，此外在主燃級(jí)增加冷卻小孔(50)能有效防止自燃現(xiàn)象的發(fā)生。直接燃油噴射式噴嘴 (43)位于兩級(jí)渦流器之間，燃油從主油路進(jìn)入集油腔(53)，再?gòu)膰娍?54)噴出，依靠噴嘴內(nèi)外的壓差進(jìn)行一次霧化，再依靠?jī)杉?jí)渦流器的剪切作用，使得主燃級(jí)燃油得到充分的霧化和混合。主燃級(jí)(31) —般在30%推力以上工況開(kāi)啟，其燃燒方式屬于貧油預(yù)混燃燒，在主燃級(jí)(31)下游形成脫體火焰，對(duì)控制NOx污染物非常有利。
權(quán)利要求1.一種部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，包括擴(kuò)壓器(11)、外機(jī)匣(12)、內(nèi)機(jī)匣(13)、噴嘴 (14)、燃燒室頭部(15)、火焰筒(16)和電嘴(17)，根據(jù)需要火焰筒上有主燃孔(18)和摻混孔(19)，其特征在于所述燃燒室頭部(15)由副燃級(jí)(30)和主燃級(jí)(31)組成，其中1)副燃級(jí)(30)由一級(jí)軸向渦流器(32)、收斂段(33)、喉道(34)、擴(kuò)張段(35)和副油路噴嘴(36)構(gòu)成，一級(jí)軸向渦流器(32)內(nèi)安裝有軸向渦流器葉片(37)，一級(jí)軸向渦流器 (32)收斂段(33)及擴(kuò)張段(35)依次相連，副油路噴嘴(36)位于一級(jí)軸向渦流器(32)出口與喉道(34)之間，距離一級(jí)軸向渦流器(32)5mm左右。2)主燃級(jí)(31)由一級(jí)軸向渦流器(39)、一級(jí)徑向渦流器(40)、預(yù)混段(41)、收斂喉道 (42)和直接燃油噴射式噴嘴G3)構(gòu)成，直接燃油噴射式噴嘴G3)位于軸向渦流器(39)和徑向渦流器(40)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述軸向渦流器葉片(37)安裝角度在30° 45°之間，葉片數(shù)量在10 16片之間，旋流強(qiáng)度在0.45 0. 75 之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述軸向渦流器收斂段角度(55)在90°左右，擴(kuò)張段角度(58)在90° 150°之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述副燃級(jí)軸向長(zhǎng)度(38)在25mm 32mm之間，主燃級(jí)軸向長(zhǎng)度(52)在25mm 40mm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述軸向渦流器葉片 (44)安裝角在45° 60°之間，徑向渦流器葉片G5)安裝角在25° 40°之間，或者軸向渦流器葉片G4)安裝角在25° 40°之間，徑向渦流器葉片05)安裝角在45° 60° 之間，保證兩級(jí)渦流器的平均旋流強(qiáng)度在0. 6左右。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述壓力直接燃油噴射式噴嘴G3)出口到主燃級(jí)出口間的距離(62)在10 15mm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述收斂喉道G2)的內(nèi)收斂角G7)在10° 45°之間，外擴(kuò)張角G8)在5° 30°之間，外收斂角09)在 5° 20°之間，收斂喉道02)同預(yù)混段Gl)配合使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7所述的部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述主燃級(jí)設(shè)置有直徑0. 5mm Imm的冷卻小孔(50)，頭部設(shè)置有直徑0. 5mm 1. 2mm上位冷卻小孔(51)， 所述壓力直接燃油噴射式噴嘴G3)噴口(54)直徑0.5mm 0.7mm，噴孔數(shù)量8 12個(gè)，噴射角度可以垂直壁面，向軸向渦流器(39)偏轉(zhuǎn)45°，或向徑向渦流器GO)偏轉(zhuǎn)45°。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型是涉及一種部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室。燃燒室的頭部由副燃級(jí)和主燃級(jí)構(gòu)成，其中副燃級(jí)由一級(jí)軸向渦流器、收斂段、喉道、擴(kuò)張段和副油路噴嘴構(gòu)成；主燃級(jí)由一級(jí)軸向渦流器、一級(jí)徑向渦流器、預(yù)混段、收斂喉道和直接燃油噴射式噴嘴構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)頭部的燃燒室采用中心分級(jí)的DIPME混合燃燒模式，即在小狀態(tài)時(shí)，副燃級(jí)采用富油直接噴射燃燒模式，在大狀態(tài)時(shí)，副燃級(jí)采用貧油直接噴射燃燒模式，主燃級(jí)采用貧油部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒模式，主燃級(jí)采用直射式噴嘴進(jìn)行初始?jí)毫F化，之后進(jìn)行二次氣動(dòng)霧化，即對(duì)燃油液滴進(jìn)行軸向和徑向剪切以達(dá)到良好的霧化。這種燃燒室頭部可以在保證燃燒室性能的同時(shí)，較大幅度降低污染物排放。
文檔編號(hào)F23R3/30GK202082953SQ20102070130
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者史家榮, 徐華勝, 鄧遠(yuǎn)灝, 馬存祥 申請(qǐng)人:中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院