專利名稱：一種部分預混預蒸發(fā)燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬于航空發(fā)動機領(lǐng)域，涉及一種渦流器葉片通道中液霧噴射的部分預混預蒸發(fā)燃燒室。
背景技術(shù)：
國際民航組織在80年代就頒布了 “環(huán)境保護標準”和“航空發(fā)動機排放”條例，并不斷修訂完善，目前已開始執(zhí)行CAEP 6排放標準。各大航空發(fā)動機公司和研究機構(gòu)均把控制污染物排放作為重要課題進行研究，其中低排放燃燒技術(shù)是民用航空發(fā)動機最重要的研究內(nèi)容。由于污染排放是適航取證對民機發(fā)動機的強制性要求，歐美的幾家國際知名航空發(fā)動機公司針對越來越嚴厲的排放要求，實施了先進民用發(fā)動機研制計劃，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)預混旋流(TAPQ組織燃燒技術(shù)， 已用于Leap-X發(fā)動機上，其NOx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)動機上，預計NOx污染排放比CAEP 6低40%。RR公司采用ANTLE計劃發(fā)展的LDIS低污染燃燒室，其NOx污染排放比CAEP 2標準降低了 50%。NOx是航空發(fā)動機燃燒室設(shè)計人員需要重點考慮的污染物之一，在航空發(fā)動機中， 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始采用貧油預混預蒸發(fā)技術(shù)來保證燃燒區(qū)的當量比在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)的燃燒室通常其預混段較長，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)定燃燒的機率倍增。傳統(tǒng)的燃燒室采用富油頭部設(shè)計，燃燒區(qū)的當量比在1左右，這種燃燒方式無法降低污染物，特別是NOx的生成量，但這種燃燒室相對于采用貧油預混預蒸發(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，比如慢車貧油熄火邊界(LBO)和貧油點火邊界(LLO)。要保證燃燒室的性能同時還要降低污染物排放，需要將以上兩種技術(shù)結(jié)合，副燃級采用直接噴射，主燃級采用貧油部分預混預蒸發(fā)的混合燃燒模式，即能保證燃燒室的性能要求，又能保證污染物排放的要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明專利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部分預混預蒸發(fā)燃燒室。本發(fā)明專利的技術(shù)方案是頭部方案采用中心分級的DIPME(Rich/Lean Direct Injection and Lean Partial Pre—Mixing & Pre—Evaporation) t昆合燃燒模式,艮口在啟動和小狀態(tài)時，副燃級采用富油直接噴射(Rich DirectInjection)燃燒模式，該燃燒模式是通過副油路離心噴嘴(或空氣霧化噴嘴)和副燃級軸向渦流器構(gòu)成的副燃級實現(xiàn)局部富油，這種組織燃燒方式是介于預混燃燒和擴散燃燒之間；在大狀態(tài)(包括起飛、巡航等狀態(tài))時，副燃級采用貧油直接噴射(Lean Direct hjection)燃燒模式，主燃級采用貧油部分預混預蒸發(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，周圍燃燒區(qū)為貧油部分預混預蒸發(fā)燃燒，燃燒區(qū)當量比控制在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間，從而有效控制NOx和CO的生成量。主燃級由一級軸向渦流器和一級徑向渦流器，以及位于軸向渦流器葉片通道內(nèi)的直接燃油噴射式噴嘴組成，燃油依靠噴嘴內(nèi)外的壓差進行初始霧化，再依靠軸向渦流器的剪切作用，可以使主燃級燃油得到充分的霧化，并與來流空氣進行良好的部分預混合。主燃級出口采用收斂型通道，加速氣流并防止發(fā)生回火；主燃級軸向渦流器采用強旋流，徑向渦流器采用弱旋流且與軸向渦流器旋向相反，對主燃級燃油進行充分霧化。具體結(jié)構(gòu)為一種部分預混預蒸發(fā)燃燒室，包括擴壓器(11)、外機匣(12)、內(nèi)機匣(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(30)和主燃級(31)組成，其中1)副燃級(30)由一級軸向渦流器(32)、收斂段(33)、喉道(34)、擴張段(35)和副油路噴嘴(36)構(gòu)成，一級軸向渦流器(32)內(nèi)安裝有軸向渦流器葉片(37)，一級軸向渦流器(32)收斂段(33)及擴張段(35)依次相連，副油路噴嘴(36)位于一級軸向渦流器(32) 出口與喉道(34)之間，與一級軸向渦流器(32)的距離(61)為5mm左右。2)主燃級(31)由一級軸向渦流器(39)、一級徑向渦流器GO)、預混段、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)位于主燃級軸向渦流器(39)葉片通道之間。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，旋流強度在0. 45 0. 75之間。所述軸向渦流器擴張段角度(58)在90° 150°之間，收斂段角度(60)在90°
左右ο所述副燃級軸向長度(38)在25mm 32mm之間，主燃級軸向長度(52)在22mm ^mm之間。所述軸向渦流器葉片04)安裝角在50° 60°之間，葉片數(shù)量為8 12片，軸向渦流器(39)出口到主燃級出口間的距離(62)在10 15mm之間，徑向渦流器葉片06) 安裝角在0° 25°之間，保證兩級渦流器的平均旋流強度在0.6左右。所述軸向渦流器(39)為強旋流，徑向渦流器GO)為弱旋流，兩者配合使用，所述收斂喉道G2)同預混段Gl)配合使用。所述收斂喉道02)的內(nèi)收斂角08)在20° 45°之間，外收斂角09)在10° 30°之間，收斂喉道02)同預混段Gl)配合使用。所述主燃級設(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)。所述燃油噴射孔05)到軸向渦流器(39)進口距離(54)為3 8mm，燃油噴射孔 (45)直徑0. 5mm 0. 7mm,噴射孔數(shù)量為8 12個，噴射角度(59)在45° 70°之間。本發(fā)明專利的有益效果是燃燒室60% 80%的空氣從頭部進入燃燒區(qū)燃燒，在降低污染排放的同時，兼顧燃燒室點火/熄火及低狀態(tài)高效率的性能要求；主燃級采用直射式噴嘴以一定角度 70° )噴射到主燃級通道中，充分有效地對燃油進行霧化并與空氣預先混合，可以得到良好的濃度場；預燃級可以直接噴射到燃燒區(qū)，形成局部富油， 以保證燃燒室的點火和熄火性能，也可以通過改變噴嘴位置，使空氣與燃油進行部分預先混合，以改善低工況下NOx的排放。通過預燃級和主燃級的兩個收擴口有效防止回火，解決貧油預混預蒸發(fā)燃燒的關(guān)鍵技術(shù)難題；主燃區(qū)貧油燃燒，降低了油耗；采用LPP燃燒技術(shù)較大幅度降低了 N0x、UHC、C0和煙粒子等污染物的排放。結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮了易于拆裝的問題， 便于試驗時更換優(yōu)化的結(jié)構(gòu)以及便于維修更換。

圖1為一種貧油部分預混預蒸發(fā)低排放燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為一種貧油部分預混預蒸發(fā)低排放燃燒室頭部示意圖；圖3為圖2中主燃級(31)的局部放大示意圖；圖4為圖2中主燃級(31)的具體實施例子之一，顯示了將徑向渦流器GO)改變?yōu)橹蓖ǖ?55)的示意圖；圖5為圖2中主燃級(31)的具體實施例子之二，顯示了將徑向渦流器GO)改變?yōu)檩S向渦流器(56)的示意圖；圖6為圖4中直通道(55)與主燃級渦流器(39)之間的支撐筋(57)示意圖，顯示了四個支撐筋的位置；
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及具體實施例子詳細介紹本發(fā)明。請參閱圖1 圖4。圖 1 是采用中心分級的 DIPME (Rich/Lean Direct Injection and Lean PartialPre-Mixing & Pre-Evaporation)混合燃燒模式的低污染燃燒室示意圖，燃燒室 (10)包括擴壓器(11)、外機匣(12)、內(nèi)機匣(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壓器(11)進入燃燒室，超過50%的空氣從頭部(1 進入火焰筒(16)，其余空氣通過燃燒室外環(huán)00)和內(nèi)環(huán)進入火焰筒(16)，燃油通過噴嘴(14)進入火焰筒(16)，在火焰筒 (16)內(nèi)，電嘴(17)點火后，空氣與燃油燃燒，從火焰筒出口 02)排出。圖2是DIPME低污染燃燒室頭部(15)結(jié)構(gòu)細節(jié)，頭部由副燃級(30)和主燃級(31) 組成。頭部(15)進氣量大約占燃燒室(10)總氣量的50% 80%，具體進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(30)進氣量大約占燃燒室總進氣量的5% 20%，具體進氣量同燃燒室慢車狀態(tài)油氣比密切相關(guān)，主燃級(31)進氣量大約占燃燒室總進氣量的40 % 65 %，具體進氣量同燃燒室起飛狀態(tài)油氣比密切相關(guān)。副燃級(30)由一級軸向渦流器(32)、收斂段(33)、喉道(34)、擴張段(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(30)空氣流量，收斂段角度(60) —般90°左右，擴張段(3 的設(shè)計需要考慮頭部積炭和冷卻，此外必須保證在副燃級(30)下游形成有助于點火和火焰穩(wěn)定的斜回流區(qū)，擴張段角度(58) 太小容易積炭，角度太大會出現(xiàn)冷卻問題。副油路噴嘴(36)位于副燃級渦流器(32)出口與副燃級喉道(34)之間，到渦流器出口的距離(61)為5mm左右，這樣使得副燃級的燃燒方式介于預混燃燒和擴散燃燒之間，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(30)都要工作，在啟動和小工況時這里是局部富油燃燒，在大工況時這里是貧油燃燒。 主燃級(31)由一級軸向渦流器(39)、一級徑向渦流器GO)、預混段、收斂喉道G2)和直接燃油噴射式噴嘴G3)構(gòu)成。為了預防不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象的出現(xiàn)，需保持兩級渦流器的平均旋流強度在0.6左右，為此，可以將主燃級徑向渦流器00)改為非旋流直通道 (55)或弱旋流軸向渦流器(56)，亦可以達到同樣的性能要求。兩級渦流器或一級渦流器和直通道的有效流通面積和收斂喉道0 面積共同決定主燃級(31)空氣流量。預混段和收斂喉道的總長度G7)在10 15mm之間能有效保證主燃級燃油達到部分預混預蒸發(fā)。收斂喉道同預混段配合使用，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^幻位于主燃級軸向渦流器(39)葉片通道之間，燃油從主油路進入集油腔(53)，再從燃油噴射孔0 噴出，依靠噴嘴內(nèi)外的壓差進行一次霧化，再依靠主燃級軸向渦流器(39)的強旋流作用，使得主燃級燃油得到充分的霧化和混合。主燃級(31) —般在略低于30%推力工況開啟，其燃燒方式屬于貧油預混燃燒，在主燃級(31)下游形成脫體火焰，一邊燃燒一邊預混蒸發(fā)，對控制NOx污染物非常有利。
權(quán)利要求1.一種部分預混預蒸發(fā)燃燒室，包括擴壓器(11)、外機匣(12)、內(nèi)機匣(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(30)和主燃級(31)組成，其中1)副燃級(30)由一級軸向渦流器(32)、收斂段(33)、喉道(34)、擴張段(35)和副油路噴嘴(36)構(gòu)成，一級軸向渦流器(32)內(nèi)安裝有軸向渦流器葉片(37)，一級軸向渦流器 (32)收斂段(33)及擴張段(35)依次相連，副油路噴嘴(36)位于一級軸向渦流器(32)出口與喉道(34)之間，與一級軸向渦流器(32)的距離(61)為5mm左右；2)主燃級(31)由一級軸向渦流器(39)、一級徑向渦流器(40)、預混段(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)位于主燃級軸向渦流器 (39)葉片通道之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預混預蒸發(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，旋流強度在0. 45 0. 75 之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述軸向渦流器擴張段角度(58)在90° 150°之間，收斂段角度(60)在90°左右。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種渦流器葉片通道中液霧噴射的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述副燃級軸向長度(38)在25mm 32mm之間，主燃級軸向長度(52)在 22mm ^mm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述軸向渦流器葉片 (44)安裝角在50° 60°之間，葉片數(shù)量為8 12片，軸向渦流器(39)出口到主燃級出口間的距離(62)在10 15mm之間，徑向渦流器葉片06)安裝角在0° 25°之間，保證兩級渦流器的平均旋流強度在0. 6左右。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述軸向渦流器(39)為強旋流，徑向渦流器GO)為弱旋流，兩者配合使用，所述收斂喉道0 同預混段Gl)配合使用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述收斂喉道0 的內(nèi)收斂角G8)在20° 45°之間，外收斂角09)在10° 30°之間，收斂喉道02)同預混段Gl)配合使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述主燃級設(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)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于所述燃油噴射孔05)到軸向渦流器(39)進口距離(54)為3 8mm，燃油噴射孔05)直徑0. 5mm 0. 7mm,噴射孔數(shù)量為8 12個，噴射角度(59)在45° 70°之間。
專利摘要本實用新型專利屬于航空發(fā)動機領(lǐng)域，涉及一種渦流器葉片通道中液霧噴射的部分預混預蒸發(fā)燃燒室。燃燒室的頭部由副燃級和主燃級構(gòu)成，其中副燃級由一級軸向渦流器、收斂段、喉道、擴張段和副油路噴嘴構(gòu)成；主燃級由一級軸向渦流器、一級徑向渦流器、預混段、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的DIPME混合燃燒模式。在小狀態(tài)時，副燃級采用富油直接噴射燃燒模式，在大狀態(tài)時，副燃級采用貧油直接噴射燃燒模式，主燃級采用貧油部分預混預蒸發(fā)燃燒模式，為了保證燃油霧化，主燃級采用壓力直接燃油噴射式噴嘴。這種燃燒室頭部可以在不犧牲燃燒室其他性能的同時，較大幅度降低UHC、NOx、CO和煙粒子的排放。
文檔編號F23R3/30GK202032613SQ201020701308
公開日2011年11月9日 申請日期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, 鄧遠灝, 馬存祥 申請人:中國燃氣渦輪研究院