專利名稱：一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒技術(shù)的航空燃氣輪機低污染燃燒室。采用分級燃燒的模式，主燃級采用預(yù)混燃燒的方式，主要用于降低大工況下的污染排放；預(yù)燃級采用擴散燃燒的方式，在保證燃燒室穩(wěn)定燃燒，主燃級采用分兩級的預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒的方式， 降低航空發(fā)動機整個LTO循環(huán)的污染排放。
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1 5%，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)，Pff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 Mixing Combustion，貧油直接混合燃燒室)技術(shù)為其GEnx發(fā)動機研制的TAPS (Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃燒室。該燃燒室在臺架全環(huán)試驗驗證中，NOx污染排放比 CAEP2排放標準降低了 50%。GE公司申請了多項美國專利申請?zhí)?363726、6389815、 6354072,6418726,0178732,6381964和6389815，所有這些專利都是預(yù)燃級采用擴散燃燒、 主燃級采用預(yù)混燃燒的燃燒組織方式，目的是降低排放指數(shù)最大的大工況下的NOx排放。 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。中國的北京航空航天大學(xué)對低污染燃燒室也申請了 200910238793. X、 201010101574. X,201010034141. 7、201010277014. X等多項專利，采用的方案是預(yù)燃級采用擴散燃燒方式，主燃級采用預(yù)混燃燒方式，主燃級為環(huán)形結(jié)構(gòu)，軸向或徑向供油，采用多點噴射或是預(yù)膜霧化方式，目的是降低大工況下的NOx排放，從而使整個LTO循環(huán)的NOx的排放得到降低，但要進一步降低整個LTO循環(huán)的NOx的排放水平難度較大。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
N
ΓΠΠΠ7 Γ) 〉^^m.j-^mf.iXn.i LUUU /」 LTO Emission(g/kN) = ^ = ^-
F。。Fcro由上式可知，LTO Emission跟四個工況下的NOx排放量有關(guān)，即既與大工況下的 NOx排放有關(guān)，還與小工況下的NOx排放有關(guān)。標準LTO循環(huán)中的運行模式、每個運行模式下的推力和運行時間，如下表所示。表1ICAO規(guī)定的LTO循環(huán)中的運行模式和時間
運行模式推力設(shè)置運行時間(min)起飛(Take-off)100% Foo0. 7爬升(Climb)85% Foo2. 2進場(Approach)30% Foo4. 0滑行/地面慢車(Taxi/ground idle)7% Foo0常規(guī)或者現(xiàn)役的推力在140KN的CFM56-5B/3發(fā)動機的NOx排放如下表，數(shù)據(jù)來源 jJ1 ICAO Emission data bank。表2CFM56-5B/3 的 NOx 排放水平
參數(shù)單位慢車進場爬升起飛排放指數(shù)(EI)g/(kgf)4. 459. 2819. 7726. 18燃油流量kg/s0. 1120. 4481. 0861. 325運行時間g156024013242排放量g/kN777. 5997. 82834.11456.9燃燒室采用分級燃燒，預(yù)燃級為擴散燃燒方式，主燃級為預(yù)混燃燒方式，降低了大工況下的NOx排放，可以達到的NOx排放如下表所示表3主燃級采用預(yù)混燃燒可以達到的NOx排放水平
參數(shù)單位慢車進場爬升起飛NOx排放指數(shù)(EI)g/(kgf)4. 459. 2844. 權(quán)利要求
1. 一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室，其特征在于所述燃燒室采用單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，它由燃燒室外機匣(6)和燃燒室內(nèi)機匣(7)構(gòu)成外輪廓；外界空氣通過擴壓器(10) 進入，火焰筒外壁(8)、火焰筒內(nèi)壁(9)和燃燒室頭部(1 組成燃燒區(qū)域，燃燒用空氣全部由燃燒室頭部(1 進入火焰筒，摻混空氣由火焰筒外壁(8)上的外摻混孔(11)和火焰筒內(nèi)壁(9)上的內(nèi)摻混孔(1 射入；所述燃燒室頭部(1 采用分級燃燒方案，分為主燃級 (14)和預(yù)燃級(15)，主燃級外環(huán)(38)通過頭部整體端壁(5 與火焰筒外壁(8)和火焰筒內(nèi)壁(9)連接固定，主燃級內(nèi)環(huán)腔(37)和燃油噴嘴(16)為一體；預(yù)燃級(1 通過預(yù)燃級頭部端壁0 與主燃級(14)連接，并與主燃級(14)同心；所述預(yù)燃級(1 由中心向外包括預(yù)燃級旋流器組件(20)、預(yù)燃級噴嘴(21)、預(yù)燃級頭部端壁(22)，預(yù)燃級噴嘴和預(yù)燃級旋流器組件OO)配合定位，預(yù)燃級旋流器組件OO)和預(yù)燃級頭部端壁0 連接，預(yù)燃級(1 利用由預(yù)燃級旋流器組件OO)進入燃燒室的旋流空氣產(chǎn)生的低速回流區(qū)穩(wěn)定火焰，預(yù)燃級旋流器組件OO)通過預(yù)燃級頭部端壁0 與主燃級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)(33)相連接；預(yù)燃級噴嘴位于預(yù)燃級旋流器組件OO)內(nèi)，并與預(yù)燃級旋流器組件OO)同軸； 預(yù)燃級頭部端壁0 安裝于主燃級預(yù)混蒸發(fā)段內(nèi)環(huán)(3 和預(yù)燃級外環(huán)管上；其中預(yù)燃級旋流器OO)包括預(yù)燃級外環(huán)管(23)、預(yù)燃級文氏管(M)、預(yù)燃級旋流器葉片(25)、 預(yù)燃級噴嘴定位環(huán)(26)，預(yù)燃級旋流器葉片0 依次連接預(yù)燃級外環(huán)管(23)、預(yù)燃級文氏管(M)、預(yù)燃級噴嘴定位環(huán)；所述主燃級(14)由預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)外環(huán)(31)、預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)中環(huán)(32)、預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(33)，主燃級內(nèi)燃油環(huán)(43)、主燃級外燃油環(huán)(42)、主燃級外旋流器(34)和主燃級內(nèi)旋流器(3 構(gòu)成，其中主燃級內(nèi)旋流器(3 與預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)中環(huán) (42)、預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(3 連接在一起，構(gòu)成了預(yù)混預(yù)蒸發(fā)內(nèi)環(huán)腔(37)，主燃級外旋流器(34)與預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)外環(huán)(31) —起構(gòu)成主燃級外環(huán)(38)，和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)中環(huán)(32)構(gòu)成了預(yù)混預(yù)蒸發(fā)外環(huán)腔(36)；所述燃油噴嘴(16)由中心向外包括預(yù)燃級噴油嘴(39)、主燃級內(nèi)噴油嘴GO)和主燃級外噴油嘴Gl)為一整體，預(yù)燃級噴油嘴(39)和預(yù)燃級噴嘴定位環(huán)06)連接；燃油噴嘴(16)從燃燒室頭部(1 的上游直接插入主燃級外環(huán)(38)中；其中預(yù)燃級噴油嘴為單個噴嘴，直接插入到預(yù)燃級噴嘴定位環(huán)06)下游內(nèi)通道(XT)里， 經(jīng)過預(yù)燃級燃油管路08)的燃油通過預(yù)燃級噴油嘴形成預(yù)燃級油霧(17)，預(yù)燃級油霧(17)打在預(yù)燃級旋流器文氏管內(nèi)壁面09)上形成油膜，在經(jīng)過預(yù)燃級內(nèi)通道(XT)的來流作用下進行霧化，在預(yù)燃級出口(30)進行擴散燃燒；主燃級內(nèi)噴油嘴GO)由主燃級燃油內(nèi)通道0 和主燃級內(nèi)直射噴孔G9)組成，固定于預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(3 內(nèi)側(cè)，主燃級內(nèi)燃油環(huán)G3)和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(33) —起構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)主燃級燃油內(nèi)通道G5)；預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(3 上沿周向均勻開有多個主燃級內(nèi)直射噴孔(49)，燃油通過主燃級內(nèi)燃油管G6)進入主燃級燃油內(nèi)通道(45)，然后經(jīng)過主燃級內(nèi)直射噴孔09)形成多股主燃級內(nèi)環(huán)噴霧(19)，向主燃級內(nèi)環(huán)腔(37)中噴射；主燃級內(nèi)環(huán)油霧(19)在主燃級內(nèi)旋流的作用下進行蒸發(fā)和預(yù)混和摻混，實現(xiàn)燃油快速蒸發(fā)并與空氣均勻摻混，然后經(jīng)過主燃級內(nèi)環(huán)腔(37)進入主燃級內(nèi)環(huán)出口(50)進行預(yù)混燃燒，保證低污染排放；主燃級外噴油嘴Gl) 由主燃級燃油外通道G4)和主燃級外直射噴孔G8)組成，固定于預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(33) 內(nèi)側(cè)，主燃級內(nèi)噴油嘴GO)外側(cè)；主燃級外燃油環(huán)0 和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(3 —起構(gòu)成一環(huán)形結(jié)構(gòu)主燃級燃油外通道G4)；主燃級內(nèi)旋流器(35)、預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(33)和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)中環(huán)(3 上沿周向均勻開有多個主燃級外直射噴孔(48)，燃油通過主燃級外燃油管G7)進入主燃級燃油外通道(44)，然后經(jīng)過主燃級外直射噴孔08)形成多股主燃級外環(huán)噴霧(18)，向主燃級外環(huán)腔中噴射；主燃級外環(huán)油霧(18)在主燃級外旋流的作用下進行蒸發(fā)和預(yù)混和摻混，實現(xiàn)燃油快速蒸發(fā)并與空氣均勻摻混，然后經(jīng)過主燃級外環(huán)腔 (36)進入主燃級出口(51)進行預(yù)混燃燒，保證低的污染排放。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室，其特征在于 所述預(yù)燃級噴油嘴為壓力霧化噴嘴、氣動霧化噴嘴或組合式噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室，其特征在于 所述預(yù)燃級(1 采用的預(yù)燃級旋流器OO)為葉片式或槽道式旋流器，葉片安裝角度和槽道角度為30° 70°，預(yù)燃級旋流器OO)的級數(shù)η為1 < η < 3 ；每級葉片式旋流器的結(jié)構(gòu)是軸向旋流器，或是徑向旋流器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室，其特征在于 所述燃油噴嘴(16)供應(yīng)燃燒室所需的全部燃油，主燃級燃油占總?cè)加土康谋壤秊?0% 90%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室，其特征在于 所述主燃級(1 采用的主燃級內(nèi)旋流器(3 和主燃級外旋流器(34)為葉片式旋流器，葉片安裝角度為30° 70° ；每級葉片式旋流器的結(jié)構(gòu)是軸向旋流器，或是徑向旋流器，兩級旋向相同或相反。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室，其特征在于 所述主燃級內(nèi)直射噴孔G9)和主燃級外直射噴孔G8)的個數(shù)為6 30個，主燃級內(nèi)旋流器(35)和主燃級外旋流器(34)葉片的個數(shù)與直射噴油孔08，49)的個數(shù)之比為1 1 5 1 ；主燃級內(nèi)直射噴孔G9)和主燃級外直射噴孔G8)和預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(3 壁面所形成的傾角均為10° 90，與對應(yīng)主燃級燃油外通道04)和主燃級燃油內(nèi)通道0 的有效流通面積比值為1 2 1 5 ；所述主燃級內(nèi)直射噴孔09)和主燃級外直射噴孔08) 軸向位置距主燃級內(nèi)出口(50)和主燃級外出口(51)的軸向距離為20 50mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室，其特征在于 所述主燃級內(nèi)直射噴孔G9)的結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種是開在預(yù)混預(yù)蒸發(fā)環(huán)內(nèi)環(huán)(3 上，噴油到主燃級內(nèi)環(huán)腔(37)內(nèi)另一種是開在主燃級內(nèi)旋流器(3 葉片上，噴孔和葉片表面所形成的傾角均為10° 90。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室，其特征在于 所述燃燒室頭部(1 沿周向均勻布置，個數(shù)為10 60個，燃燒室頭部(1 的空氣量占燃燒室總空氣量的20% 80%，其中主燃級(14)占頭部空氣量的60% 90%，預(yù)燃級(15) 占頭部空氣量的10% 40%。
全文摘要
一種結(jié)構(gòu)分三級預(yù)混預(yù)蒸發(fā)的低污染燃燒室，采用單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，包括擴壓器、燃燒室外機匣、燃燒室內(nèi)機匣、火焰筒外壁、火焰筒內(nèi)壁和燃燒室頭部；燃燒用空氣全部由燃燒室頭部進入火焰筒，采用分級燃燒方案，分為預(yù)燃級一級和主燃級兩級；主燃級采用預(yù)混燃燒方式，預(yù)燃級采用旋流穩(wěn)定的擴散燃燒方式。主燃級結(jié)構(gòu)上分為兩級，避免了主燃級一級的情況下，轉(zhuǎn)級時主級油氣混合變差導(dǎo)致的污染排放的增加，在不影響穩(wěn)定燃燒的同時降低了30％工況下的污染物排放。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，在不影響燃燒穩(wěn)定性的同時，降低了航空發(fā)動機燃燒室的整個著陸起飛循環(huán)(Landing and Take-off，LTO)的污染排放得到進一步降低。
文檔編號F23R3/30GK102242940SQ20111021490
公開日2011年11月16日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者張弛, 曹文宇, 林宇震, 許全宏 申請人:北京航空航天大學(xué)