一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室制造技术

本发明专利技术公开了一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，空气通过径向分级的三级旋流器从头部进入火焰筒，燃油通过值班级和主燃级两级油路进入燃烧室，在燃烧室头部形成值班区和主燃区，值班区以扩散方式燃烧，主燃区以预混方式燃烧，燃烧后的高温产物流向下游，经排气弯管转过180°后排出燃烧室。中心值班级在燃烧室处于点火、启动和慢车等低负荷时工作，提高燃烧效率，降低未燃物CO和UHC的排放；在慢车以上的较大负荷时，主燃级与值班级共同工作，其中值班级为主燃级提供稳定点火源，拓宽燃烧室工作边界，主燃区设计成当量比为0.6～0.65的贫油燃烧，其反应温度远低于绝热火焰温度，降低氮氧化物NOX的生成与排放。本发明专利技术提出的多级旋流进气燃油分级方案，可用于航空发动机燃烧室或地面燃气轮机燃烧室。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种采用燃油分级方案的低排放燃烧室，特别是与径向旋流进气方案相匹配的低排放回流燃烧室，结构简单紧凑。采用该方案的燃烧室稳定工作边界大幅拓宽，并能显著降低排放。
技术介绍
随着全球经济的迅速发展和日益上升的环境保护意识，航空发动机和地面燃气轮机作为最高效的动力设备，其污染物排放水平越来越受到严格限制。国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)对航空发动机的排放物尤其是氮氧化物NOX排放的要求愈发苛刻。国际民航组织根据其下属的航空环境保护委员会(CAEP)的建议对民航飞机污染物排放的有关规定，称之为CAEP1。航空发动机要取得认证，须按照上述规定执行。该标准实施之后，飞机排出的CO和UHC有显著降低，但是NOX降低程度却不甚明显。这是因为近三十年来航空发动机燃烧室的进气温度和进气压力有了显著的提高，一方面有助于提高发动机的工作效率，促进燃料完全燃烧，从而降低CO和UHC的排放；但同时由于燃烧温度提高，NOX生成量也大大增加。为了进一步降低NOX排放，ICAO又陆续颁布了CAEP2、CAEP4、CAEP6和CAEP8标准，对NOX排放的要求越来越严。CAEP6排放标准比CAEP4严格了18％～26％，最新的CAEP8标准要求NOX排放将在CAEP6基础上再减少15％。世界几大航空工业大国及几大燃气轮机公司如GE、PW和R-R针对环境危>害最大的NOX排放问题，在航空发动机研究中将NOX的控制作为重点课题进行了深入细致的研究。在实现低NOX排放的新燃烧技术方面取得了一系列的丰硕成果，目前已经应用的低排放燃烧技术，包括GE公司的双环预混旋流燃烧室、PW公司的富油/淬熄/贫油和R-R公司的贫油预混预蒸发燃烧室和贫油直接喷射燃烧室等。GE公司提出的双环预混旋流燃烧室是一种燃油分级低排放燃烧室，其特点是采用值班级和主燃级产生两股共轴的环形旋转射流，每股旋转射流都由为满足特定目标而专门设计的旋流器产生，值班级与主燃级两级采用同轴布置方式。中心值班级可以满足点火和低功率工作(启动、慢车等)的雾化要求，也满足点火、起动、贫油燃烧稳定性和燃烧效率等设计要求所需的流场特性。外侧为主燃级，采用的是径向旋流器，燃油射入旋流器通道，使得油气预先在通道中混合均匀，然后进入燃烧室以确保在较低温度下均匀燃烧从而减少NOX生成，满足发动机处于大功率状态要求(进场以上的状态，包括起飞、爬升等)。该燃烧室能够建立理想的预混环境，取得较高的燃烧效率、较低且均匀的火焰温度，进而不仅能够降低NOX的排放，也能够明显延长下游热端部件的寿命。该型燃烧室的缺点在于，燃油喷射到主旋流器的下游，形成预混预蒸发的油气混合物，但是采用这种喷射方式燃油不能得到充分雾化和蒸发，为了使得油气混合物掺混的均匀，这种喷射方式所需的掺混距离较长，蒸发时间也较长，这非常不利于减轻燃烧室的长度和重量。国内科研院所所提出的低污染燃烧室技术，均不同程度地存在以下缺点：主燃级燃油在旋流器叶片末端喷入，掺混长度较短；值班区燃油的雾化效果不好，不能和旋流空气充分掺混，不利于值班级的稳焰作用；在中心值班级和外侧主燃级之间增加中间级，在一定程度上阻断值班级和主燃级火焰的耦合，造成主燃级火焰熄火的可能性；主燃级燃油采用切向或轴向供油方式，增加了燃烧室头部燃油和空气混合装置的复杂性，也不利于燃烧室减重；其主燃级燃油的喷射源不是位于旋流器叶片通道内，燃油不能和旋流空气剧烈掺混，使得燃油和空气的预混效果欠佳。无论采取何种方案的低排放燃烧室，都面临降低氮氧化物NOX和降低一氧化碳CO、UHC未燃碳氢化合物之间的矛盾，这是由于燃烧室在低负荷和高负荷状态的主要排放物生成机理不同。抑制NOX和控制CO、UHC的排放是一个相互矛盾的过程，要想抑制或者降低NOX的排放，特别是热力型NOX的排放，需要控制主燃烧区温度，因为一旦过了1700K，其生成量随温度呈指数上升关系。如果能够实现温和的低温燃烧，就能从根本上实现NOX的减排；但另一方面如果燃烧温度过低，会造成燃烧不完全，使CO、UHC排放增加，会降低燃烧效率。在各种排放物之间进行折衷是很常见的策略，即寻求一个合适的温度燃烧范围，使NOX和CO都能实现较低排放。根据NOX和CO产生机理和温度区间不同，燃烧室主燃区当量比应该位于0.6～0.8区间，并且在所有工况下都应该如此。其核心措施是在较宽广的工况范围内控制燃烧区的当量比和并实现当量比在局部的均匀性，而燃烧区当量比的均匀性取决于燃油的雾化蒸发效果及燃油和空气掺混的均匀性，这就需要燃油在进入燃烧室之前必须和空气进行充分的预混，本专利技术专利提出的径向旋流进气燃油分级方案解决了这一问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题：为克服上述现有燃烧技术的不足，本专利技术提供了一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，结构简单紧凑，且能充分兼顾燃烧室在全工况范围内NOX的减排和UHC、CO的排放，尤其是降低高负荷时的NOX排放。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，空气采用多级旋流进气，燃油采用分级供油方案，所述低排放回流燃烧室包括燃烧室外机匣、头部机匣、燃烧室内机匣、排气弯管、喷嘴装置和火焰筒，其特征在于，所述喷嘴装置设置于所述火焰筒的头部，包括值班级喷嘴组件和主燃级喷嘴组件，火焰筒头部燃烧区域分为相互耦合燃烧的位于中心的值班区和靠近外侧的主燃区，其中，--所述值班级喷嘴组件包括同轴设置的值班级供油嘴、喷嘴、第一级旋流器、文氏管和第二级旋流器；所述值班级供油嘴一端与第一路燃油总管连通，另一端与所述喷嘴的进油端连通，值班级燃油经所述值班供油嘴从喷嘴的离心喷口喷出；所述第一级旋流器的出口端面连接所述文氏管，所述文氏管的出口段处套设所述第二级旋流器，空气从所述第一级旋流器和第二级旋流器进入火焰筒头部；所述值班级燃油在第一级旋流器喷出的空气的作用下形成油雾锥体，油雾打在所述文氏管的内壁面形成值班级油膜沿着内壁向下游运动，与从所述第一级旋流器和第二级旋流器进来的空气迅速掺混形成油气混合物，油气混合物在旋流器下游的中心回流区以扩散方式燃烧，形成稳定燃烧的值班区；--所述主燃级喷嘴组件包括主燃级供油嘴、供油管和第三级旋流器，所述第三级旋流器套设在所述第二级旋流器的出口段，所述主燃级供油嘴一端与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，空气采用多级旋流进气，燃油采用分级供油方案，所述低排放回流燃烧室包括燃烧室外机匣、头部机匣、燃烧室内机匣、排气弯管、喷嘴装置和火焰筒，其特征在于，所述喷嘴装置设置于所述火焰筒的头部，包括值班级喷嘴组件和主燃级喷嘴组件，火焰筒头部燃烧区域分为相互耦合燃烧的位于中心的值班区和靠近外侧的主燃区，其中，‑‑所述值班级喷嘴组件包括同轴设置的值班级供油嘴、中心喷嘴、第一级旋流器、文氏管和第二级旋流器；所述值班级供油嘴一端与第一路燃油总管连通，另一端与所述中心喷嘴的进油端连通，值班级燃油经所述值班供油嘴从中心喷嘴的离心喷口喷出；所述第一级旋流器的出口端面连接所述文氏管，所述文氏管的出口段处套设所述第二级旋流器，空气从所述第一级旋流器和第二级旋流器进入火焰筒头部；所述值班级燃油在第一级旋流器喷出的空气的作用下形成油雾锥体，油雾打在所述文氏管的内壁面形成值班级油膜沿着内壁向下游运动，与从所述第一级旋流器和第二级旋流器进来的空气迅速掺混形成油气混合物，油气混合物在旋流器下游的中心回流区以扩散方式燃烧，形成稳定燃烧的值班区；‑‑所述主燃级喷嘴组件包括主燃级供油嘴、供油管和第三级旋流器，所述第三级旋流器套设在所述第二级旋流器的出口段，所述主燃级供油嘴一端与第二路燃油总管连通，另一端经供油管与主燃级储油槽连通，所述主燃级储油槽开设于所述第二级旋流器和第三级旋流器之间的侧壁内部，主燃级燃油经所述供油嘴和供油管进入所述主燃级储油槽，而后经设置在第三级旋流器叶片外表面的多点直射喷嘴喷射进入第三级空气旋流通道中，与从所述第三级旋流器进来的空气均匀掺混后形成油气混合物，在第三级旋流器出口处形成油气锥体，油气锥体中掺混均匀的油气混合物在外侧回流区中燃烧，形成主燃区。...

【技术特征摘要】
1.一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室，空气采用
多级旋流进气，燃油采用分级供油方案，所述低排放回流燃烧室包括燃烧室
外机匣、头部机匣、燃烧室内机匣、排气弯管、喷嘴装置和火焰筒，其特征
在于，所述喷嘴装置设置于所述火焰筒的头部，包括值班级喷嘴组件和主燃
级喷嘴组件，火焰筒头部燃烧区域分为相互耦合燃烧的位于中心的值班区和
靠近外侧的主燃区，其中，
--所述值班级喷嘴组件包括同轴设置的值班级供油嘴、中心喷嘴、第一级
旋流器、文氏管和第二级旋流器；所述值班级供油嘴一端与第一路燃油总管
连通，另一端与所述中心喷嘴的进油端连通，值班级燃油经所述值班供油嘴
从中心喷嘴的离心喷口喷出；所述第一级旋流器的出口端面连接所述文氏管，
所述文氏管的出口段处套设所述第二级旋流器，空气从所述第一级旋流器和
第二级旋流器进入火焰筒头部；所述值班级燃油在第一级旋流器喷出的空气
的作用下形成油雾锥体，油雾打在所述文氏管的内壁面形成值班级油膜沿着
内壁向下游运动，与从所述第一级旋流器和第二级旋流器进来的空气迅速掺
混形成油气混合物，油气混合物在旋流器下游的中心回流区以扩散方式燃烧，
形成稳定燃烧的值班区；
--所述主燃级喷嘴组件包括主燃级供油嘴、供油管和第三级旋流器，所述
第三级旋流器套设在所述第二级旋流器的出口段，所述主燃级供油嘴一端与
第二路燃油总管连通，另一端经供油管与主燃级储油槽连通，所述主燃级储
油槽开设于所述第二级旋流器和第三级旋流器之间的侧壁内部，主燃级燃油
经所述供油嘴和供油管进入所述主燃级储油槽，而后经设置在第三级旋流器
叶片外表面的多点直射喷嘴喷射进入第三级空气旋流通道中，与从所述第三

\t级旋流器进来的空气均匀掺混后形成油气混合物，在第三级旋流器出口处形
成油气锥体，油气锥体中掺混均匀的油气混合物在外侧回流区中燃烧，形成
主燃区。
2.根据权利要求1所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流
燃烧室，其特征在于：所述火焰筒包括火焰筒外筒、火焰筒内筒和火焰筒头
部，所述火焰筒外筒和火焰筒内筒的壁面上分别开设有一排掺混孔和一排补
燃孔，其中所述补燃孔可以根据实际情况保留或者取消。火焰筒外筒上开设
有三排气膜孔，火焰筒内筒上也开设有三排气膜孔。
3.根据权利要求2所述的采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流
燃烧室，其特征在于：所述值班区和主燃区两个区域中的燃烧耦合在一起，
燃烧产物向下游流动，从火焰筒外筒和火焰筒内筒上开设的补燃孔和掺混孔
进来的空气对高温产物进行冷却，而后经设置于火焰筒尾部...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘富强，刘存喜，杨金虎，张楷雨，穆勇，徐纲，朱俊强，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11