專利名稱：一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空燃氣輪機的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，該燃燒室采用中心分級燃燒的模式，預(yù)燃級在中心，采用擴散燃燒和預(yù)混燃燒相結(jié)合的方式，用以保證燃燒室工作的穩(wěn)定性和安全性，同時降低小工況下的污染排放；主燃級在預(yù)燃級徑向外圍，采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒的方式，主燃級頭部軸向多點供入燃油。該發(fā)明有利于于降低整個燃燒室的污染排放，并保證燃燒室高效穩(wěn)定工作，從而降低航空發(fā)動機整個著陸起飛循環(huán)(Landing and Take-off, LT0)循環(huán)的污染排放水平。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室的基本性能和結(jié)構(gòu)分布已經(jīng)達到相當(dāng)高的水平，但是對于現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室來說，仍然存在大量的難題和挑戰(zhàn)，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新概念的發(fā)展應(yīng)用才是保證其持續(xù)進步的源泉。現(xiàn)代民用航空發(fā)動機燃燒室的主要發(fā)展趨勢是低污染燃燒。民用航空發(fā)動機燃燒室必須滿足日益嚴格的航空發(fā)動機污染排放標準。目前采用的 CAEP6 (Committee on Aviation Environmental Protection)標準對污染排放物的規(guī)定已經(jīng)非常嚴格，特別是對NOx污染排放要求；而最新的CAEP8標準提出了將NOx的排放在CAEP6的排放標準上降低15%，隨著航空業(yè)的迅猛發(fā)展和人們環(huán)保意識的不斷提高，未來對燃氣輪機燃燒室污染排放會提出更高的要求。美國航空發(fā)動機的兩個著名公司GE和PW對低污染燃燒室早已著手研究，GE首先研發(fā)了雙環(huán)腔低污染燃燒DAC (用于GE90和CFM56)，PW公司采用了 RQL (富油燃燒-淬熄-貧油燃燒，Rich burn-Quench-Lean burn,簡稱RQL)低污染燃燒室TALON II (用于PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃燒室方面，GE公司采用LDM(Lean Direct MixingCombustion,貧油直接混合燃燒室)技術(shù)為其GEnx發(fā)動機研制的TAPS (Twin AnnularPremixing Swirler)低污染燃燒室。該燃燒室已經(jīng)進入整機驗證階段，即將取證,在臺架全環(huán)試驗驗證中，NOx污染排放比CAEP2排放標準降低了 50%。申請?zhí)?389815、6354072、6418726,0178732,6381964和6389815等美國專利的主燃級方案采用主燃級燃油噴入到軸向或徑向旋流器的后部從而形成預(yù)混預(yù)蒸發(fā)油氣混合物，但要達到一定的混合度和蒸發(fā)度所需的混合和蒸發(fā)距離較長，從而影響燃燒室乃至發(fā)動機的長度和重量要求，申請?zhí)?363726的美國專利存在同樣的問題，上述幾個美國專利都實現(xiàn)了整個發(fā)動機工作范圍內(nèi)的低污染要求，但主燃級燃油噴射點離旋流器出口都有一段不小的距離，增加了燃燒室頭部軸向長度。PW公司繼續(xù)采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃燒室為TALONX，采用的頭部形式是PW公司發(fā)展的空氣霧化噴嘴，燃燒室為單環(huán)腔，在V2500發(fā)動機扇型試驗段上的試驗結(jié)果比CAEP2標準降低了 50%。Rolls-Royce公司采用LDM技術(shù)發(fā)展的低污染燃燒室是ANTLE，該燃燒室是一個單環(huán)腔分級燃燒室，其NOx污染排放比CAEP2標準降低了 50%，用于其新一代發(fā)動機湍達1000。PW公司繼續(xù)采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃燒室為TALON X，采用的頭部形式是PW公司發(fā)展的空氣霧化噴嘴，燃燒室為單環(huán)腔，在V2500發(fā)動機扇型試驗段上的試驗結(jié)果比CAEP2標準降低了 50%。Rolls-Royce公司采用LDM技術(shù)發(fā)展的低污染燃燒室是ANTLE，該燃燒室是一個單環(huán)腔分級燃燒室，其NOx污染排放比CAEP2標準降低了 50%，用于其新一代發(fā)動機湍達1000。以上所述的專利，都是針對在大工況下降低污染排放，而根據(jù)國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)規(guī)定的一個標準循環(huán)下的排放物指數(shù),用LTO Emission來表達這個參數(shù),計算如下式:
權(quán)利要求
1.一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述低污染燃燒室采用單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，由擴壓器(10)、燃燒室外機匣(6)、燃燒室內(nèi)機匣(7)、火焰筒外壁(8)、火焰筒內(nèi)壁(9)和燃燒室頭部(13)組成，擴壓器(10)通過內(nèi)、外壁和燃燒室外機匣(6)和燃燒室內(nèi)機匣(7)焊接在一起，火焰筒外壁(8)通過后緣的支板和燃燒室外機匣(6 )連接在一起，火焰筒內(nèi)壁(9 )同樣通過后部的支板和燃燒室內(nèi)機匣(7 )連接固定；在火焰筒外壁(8 )后部設(shè)置有火焰筒外環(huán)摻混孔(11)，在火焰筒內(nèi)壁(9 )后部設(shè)置有火焰筒內(nèi)環(huán)摻混孔(12)，燃燒用空氣全部由燃燒室頭部(13)進入火焰筒，摻混空氣由火焰筒內(nèi)環(huán)摻混孔(12)和火焰筒外環(huán)摻混孔(11)進入火焰筒，以調(diào)整燃燒室出口溫度分布；所述燃燒室采用中心分級燃燒方案，分為預(yù)燃級(15)和主燃級(14)，燃油桿(16)供給燃燒室(3)所有燃油，燃油分為兩路，包括預(yù)燃級油路(20)和主燃級油路(21);所述主燃級(14)通過頭部端壁(19)與火焰筒外壁(8)和火焰筒內(nèi)壁(9)固定；預(yù)燃級(15)通過隔離段(17)與主燃級(14)聯(lián)接，并與主燃級(14)同心；所述主燃級(14)由主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)(40)和主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)(41)構(gòu)成；其中主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46 )由壓力霧化噴嘴(37 )、一級切向孔旋流器(36 )、二級切向槽旋流器(42)和主燃級噴嘴安裝環(huán)(39)構(gòu)成 ，壓力霧化噴嘴(37)能有效解決發(fā)動機小狀態(tài)下的燃油霧化問題，主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)采用在同一圓周上設(shè)置多個壓力霧化噴嘴(37)的多點噴射方式；壓力霧化噴嘴(37)插入到二級集油槽(34)端壁上，采用焊接固定，一級切向孔旋流器(36)通過安裝環(huán)面嵌入到二級切向槽旋流器(42)中通過焊接構(gòu)成主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)的兩級軸向排布的初始霧化旋流裝置，一級集油槽端壁(31)、一級集油槽(43)、二級集油槽(34)、主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)的初始霧化旋流裝置和主燃級噴嘴安裝環(huán)(39)焊接為一個整體；主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)采用整體安裝，主燃級噴嘴安裝環(huán)(39)的內(nèi)外環(huán)面為安裝定位面，主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)通過主燃級噴嘴安裝環(huán)(39)插入到主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)(40)、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)(41)中，有效解決了主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)的安裝和定位問題；燃油桿(16)與主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)在一級集油槽端壁進油口(32)處焊接形成主燃級油路；燃油桿(16)與預(yù)燃級噴嘴(22)螺紋連接形成預(yù)燃級油路；一級集油槽(43)上開有燃油節(jié)流孔(33)將一級集油槽(43)和二級集油槽(34)連通；預(yù)燃級燃油通過燃油桿(16)的預(yù)燃級油路(20)流進預(yù)燃級噴嘴(22)中；主燃級燃油經(jīng)過燃油桿(16)的主燃級油路(21)進入一級集油槽(43)中，再經(jīng)燃油節(jié)流孔(33)、二級集油槽(34)和壓力霧化噴嘴(37)軸向依次噴入一級空氣霧化通道(45)和二級空氣霧化通道(44)中，燃油在一級切向孔旋流器(36)和二級切向槽旋流器(42)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流作用下進行霧化蒸發(fā)，主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)切向槽旋流器(47)和主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)切向槽旋流器(48)產(chǎn)生強旋氣流對燃油進行進一步的霧化、蒸發(fā)和摻混，采用串聯(lián)式空氣霧化燃油方式提高了進入主燃級的空氣利用率，充分利用燃燒室有效的軸向空間，結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)卻能使主燃級燃油能更加高效的霧化和蒸發(fā)；多個主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)噴射的主燃級燃油在兩級軸向旋流空氣的剪切作用下，迅速形成均勻的油氣混合物，保證燃油進入預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段時的徑向均勻性，利于解決預(yù)模式燃油霧化可能帶來的油氣徑向不均勻的問題，多股油氣混合物在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段匯合，在主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)切向槽旋流器(48)和主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)切向槽旋流器(47)所產(chǎn)生的強旋空氣作用下，迅速實現(xiàn)主燃級燃油的周向均勻，并進一步提高燃油的徑向均勻性，最后燃油蒸汽與空氣的混氣以一定的旋流形式進入火焰筒燃燒，保證較低的污染排放。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述預(yù)燃級噴嘴(22)結(jié)構(gòu)是壓力霧化噴嘴、氣動霧化噴嘴或組合式噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述預(yù)燃級(15)采用的旋流器的級數(shù)為I < η < 3 ;每級旋流器采用旋流器的結(jié)構(gòu)是軸向旋流器，或是徑向旋流器，或是切向旋流器；當(dāng)預(yù)燃級(15)的級數(shù)η=1時，旋流器直接與隔離段(17)連接；當(dāng)預(yù)燃級(15)的級數(shù)l〈n ( 3時，各級旋流器先連接成一個整體，再與隔離段(17)連接；當(dāng)預(yù)燃級(15)的級數(shù)l〈n< 3時，各級旋流器的旋流方向或是同旋，或是反旋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述主燃級(14)中的主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)的一級切向孔旋流器(36)是切向旋流器，或是徑向旋流器；主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)的二級切向槽旋流器(42 )是切向旋流器，或是徑向旋流器，或是軸向旋流器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述主燃級(14)的主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)切向槽旋流器(47)為切向旋流器，或是徑向旋流器；主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)切向槽旋流器(48)為切向旋流器，或是徑向旋流器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述主燃級油路(21)和主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)焊接為一個整體，利用 主燃級噴嘴安裝環(huán)(39)將主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)整體插入到主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)(41)、主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)(40)中，利于主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)的定位和安裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述主燃級(14)采用的供油噴嘴為壓力霧化噴嘴(37)，主燃級燃油經(jīng)過壓力霧化噴嘴(37)依次噴入兩級軸向排布的霧化旋流空氣中進行輔助空氣霧化，隨后油氣混合物匯合到預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)，在主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)切向槽旋流器(47)和主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段外環(huán)切向槽旋流器(48)的氣流剪切下，進一步破碎、霧化、蒸發(fā)和摻混，增加了油氣周向和徑向均勻性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述主燃級雙級空氣輔助霧化噴嘴(46)個數(shù)為6-30個，主燃級燃油占總?cè)加土康谋壤秊?0% 90%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述燃燒室頭部(13)沿周向均勻布置，個數(shù)為14 40個，燃燒室頭部(13)的空氣量占燃燒室總空氣量的30% 80%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述主燃級(14)占燃燒室頭部(13)空氣量的65% 90%，預(yù)燃級(15)占燃燒室頭部(13)空氣量的10% 35%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述燃燒室的火焰筒外壁(8)和火焰筒內(nèi)壁(9)的冷卻方式采用氣膜冷卻、發(fā)散冷 卻或復(fù)合冷卻方式，以對壁面溫度進行控制延長火焰筒的壽命。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴主燃級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，采用單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，燃燒室采用分級燃燒方式，燃燒室頭部分為預(yù)燃級和主燃級，預(yù)燃級采用擴散燃燒，在保證燃燒穩(wěn)定性的同時降低小工況的污染物排放；主燃級采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒方式，能有效的降低燃燒污染物。本發(fā)明采用中心分級的結(jié)構(gòu)，預(yù)燃級結(jié)構(gòu)簡單；主燃級采用多點軸向雙級空氣輔助霧化噴嘴和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段相結(jié)合的方案，利用主燃級噴嘴安裝環(huán)進行定位和安裝，主燃級結(jié)構(gòu)簡單，燃油在兩股旋流作用下霧化、蒸發(fā)及摻混，并在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)與旋流空氣相互作用形成均勻的油氣混合物，有利于航空發(fā)動機燃燒室整個著陸起飛循環(huán)的污染排放水平。
文檔編號F23R3/30GK103185355SQ20131006503
公開日2013年7月3日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者林宇震, 康堯, 李林, 張弛, 王曉峰 申請人:北京航空航天大學(xué)