一种采用旋流器/预膜板一体化主燃级的贫油预混预蒸发燃烧室头部结构制造技术

本发明专利技术涉及一种采用旋流器/预膜板一体化主燃级的贫油预混预蒸发燃烧室头部结构，该头部结构采用中心分级燃烧方式，分为预燃级和主燃级，预燃级采用扩散燃烧与旋流预混燃烧相结合的方式；主燃级采用预混预蒸发燃烧方式，能有效的降低燃烧污染物。主燃级采用旋流器/预膜板一体式结构，结构简单可靠，一级和二级燃油在同一预膜板上形成油膜，并在两股旋流作用下雾化、蒸发及掺混，有利于在主燃级出口形成均匀的油气混合物，降低燃烧污染物。主燃级双油路的设计有利于燃烧室不同工况下的油气匹配，进一步降低航空发动机燃烧室整个着陆起飞循环的污染排放水平。主燃级通道的微收缩型设计和防回火环的设计可有效解决回火问题，保证燃烧室头部安全。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空燃气轮机的
，具体涉及一种采用旋流器/预膜板一体化主燃级的贫油预混预蒸发燃烧室头部结构，该燃烧室采用中心分级燃烧的模式，预燃级在中心，采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，用以保证燃烧室工作的稳定性和安全性，同时降低小工况下的污染排放；双油路主燃级在预燃级径向外围，采用预混预蒸发燃烧的方式，主燃级双油路的设计能够满足进场等中小工况下主燃级一级进行工作，起飞等大工况下主燃级两级均进行工作，有利于燃烧室不同工况下的油气匹配，有利于于降低整个燃烧室的污染排放，从而降低航空发动机整个着陆起飞循环(Landing and Take-off，LTO)循环的污染排放水平。
技术介绍
现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于现代航空发动机燃烧室来说，仍然存在大量的难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念的发展应用才是保证其持续进步的源泉。现代民用航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。民用航空发动机燃烧室必须满足日益严格的航空发动机污染排放标准。目前采用的CAEP6(Committee on Aviation Environmental Protection)标准对污染排放物的规定已经非常严格，特别是对NOx污染排放要求；而最新的CAEP8标准提出了将NOx的排放在CAEP6的排放标准上降低15％，随着航空业的迅猛发展和人们环保意识的不断提高，未来对燃气轮机燃烧室污染排放会提出更高的要求。美国航空发动机著名公司GE对低污染燃烧室早已着手研究，GE首先研发了双环腔低污染燃烧DAC(用于GE90和CFM56)，。在下一代低污染燃烧室方面，GE公司采用LDM(Lean Direct Mixing Combustion，贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS(Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃烧室，采用TAPS1低污染燃烧技术成功应用于GE-nx系列发动机上，并已经取证，LTO的NOx排放较CAEP6标准降低50-60％，成为当前最先进的民用低污染发动机。应用更先进的TAPS 2技术的LEAP-X发动机将应用于我国的C919客机，其NOX排放比目前CAEP6标准要低60％。GE公司申请了多项美国专利：申请号6363726、6389815、6354072、6418726、0178732、6381964和6389815，所有这些专利都是预燃级采用扩散燃烧、主燃级采用预混燃烧的燃烧组织方式，目的是降低排放指数最大的大工况下的NOx排放。中国的北京航空航天大学对低污染燃烧室也申请了200710178394.X、200810105062.3、200810105061.9、200810104686.3、200810104684.4、200910238793.X、201010101574.X、201010034141.7、201010277014.X、201010623917.9、201210335832.X、201310250022.9等多项专利，采用的方案是预燃级采用扩散燃烧方式，主燃级采用预混燃烧方式，主燃级为环形结构，轴向或径向供油，采用多点喷射或是预膜雾化方式，目的是降低大工况下的NOx排放，从而使整个LTO循环的NOx的排放得到降低，但要进一步降低整个LTO循环的NOx的排放水平难度较大。以上所述的专利，都是针对在大工况下降低污染排放，而根据国际民航组织(International Civil Aviation Organization， ICAO)规定的一个标准循环下的排放物指数，用LTO Emission来表达这个参数，计算如下式：LTOEmission(g/kN)=DpFoo=ΣiNEIm,im·mf,iTm,iFoo]]>由上式可知，LTO Emission跟四个工况下的NOx排放量有关，即既与大工况下的NOx排放有关，还与小工况下的NOx排放有关。标准LTO循环中的运行模式、每个运行模式下的推力和运行时间，如下表所示。表1 ICAO规定的LTO循环中的运行模式和时间运行模式推力设置运行时间(min)起飞(Take-off)100％Foo0.7爬升(Climb)85％Foo2.2进场(Approach)30％Foo4.0滑行/地面慢车(Taxi/ground idle)7％Foo26.0常规或者现役的推力在140KN的CFM56-5B/3发动机的NOx排放如下表，数据来源于ICAO Emission data bank。表2 CFM56-5B/3的NOx排放水平参数单位慢车进场爬升起飞排放指数(EI)g/(kgf)4.459.2819.7726.18燃油流量kg/s0.1120.4481.0861.325运行时间s156024013242排放量g/kN777.5997.82834.11456.9燃烧室采用分级燃烧，预燃级为扩散燃烧方式，主燃级为预混燃烧方式，降低了大工况下的NOx排放，可以达到的NOx排放如下表所示：表3 主燃级采用预混燃烧可以达到的NOx排放水平参数单位慢车进场爬升起飞NOx排放指数(EI)g/(kgf)4.459.2844.1燃油流量kg/s0.1120.4481.0861.325运行时间s156024013242排放量g/kN777.5997.8594228在小工况(地面慢车、进场)下，虽然NOx排放指数较低，根据表1可知小工况下的运行时间远远高于其他大工况，根据表3可知，当主燃级采用预混燃烧方式时，可以使大工况下的NOx排放指数得到大幅度降低，此时预燃级的NOx排放总量在整个LTO循环的污染排放排放中占的比重最大，因此要想进一步降低整个LTO循环的NOx排放，就需要考虑降低预燃级的NOx排放。而不管是何种先进的低污染燃烧室，其关键技术就是降低NOx(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、UHC(未燃碳氢化合物)和冒烟的燃烧技术，核心问本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用旋流器/预膜板一体化主燃级的贫油预混预蒸发燃烧室头部结构，其特征在于：燃烧室头部采用中心分级燃烧方案，分为预燃级(15)和双油路主燃级(14)，燃油杆(16)供给燃烧室所有燃油，燃油分为三路，包括预燃级油路(20)，主燃级一级油路(21)及主燃级二级油路(22)；所述双油路主燃级(14)通过头部整体端壁(19)与火焰筒外壁(8)和火焰筒内壁(9)固定，预燃级(15)通过隔离段(17)与双油路主燃级(14)连接，并与双油路主燃级(14)同心；所述的双油路主燃级(14)采用旋流器/预膜板一体化结构，由主燃级雾化旋流器(31)、主燃级预膜板(33)、主燃级外壁(32)、主燃级集油环(34)和主燃级内壁(35)组成；主燃级雾化旋流器(31)和主燃级预膜板(33)焊接成一体，主燃级集油环(34)和主燃级内壁(35)焊成一体，并与主燃级雾化旋流器(31)、主燃级外壁(32)焊接，构成双油路主燃级(14)，再通过主燃级外壁(32)和燃烧室头部端壁(19)连接到燃烧室头部；主燃级集油环开有两级集油槽，分别是主燃级一级集油槽(36)和主燃级二级集油槽(37)，两级集油槽之间焊有主燃级集油槽隔板(46)，用于分隔燃油；主燃级集油环外壁有主燃级一级燃油喷射孔(42)和主燃级二级燃油喷射孔(43)，主燃级一级燃油喷射孔(42)通过主燃级一级燃油分配孔(40)与主燃级一级集油槽(36)相连，主燃级二级喷射孔(43)通过主燃级二级燃油分配孔(41)、主燃级二级燃油分配管(47)与主燃级二级集油槽(37)相连；主燃级二级燃油分配管(47)与主燃级二级燃油分配孔(41)、主燃级集油槽隔板(46)焊接成一体；预燃级燃油通过燃油杆(16)的预燃级油路(20)流进预燃级燃油喷嘴(23)中；双油路主燃级(14)燃油分别经过燃油杆(16)的主燃级一级油路(21)和主燃级二级油路(22)，分别进入主燃级一级集油槽(36)和是主燃级二级集油槽(37)，再由主燃级一级燃油喷射孔(42)和主燃级二级燃油喷射孔(43)喷出，一部分燃油在旋转气流作用下雾化蒸发，一部分燃油在主燃级燃油预膜板(33)形成油膜，在上下两股气流下剪切雾化；在航空发动机慢车、进场工况只有主燃级一级燃油喷射孔(42)处于喷油工作状况，而在航空发动机爬升、起飞大工况主燃级两级油路均处于工作状态；主燃级外壁(32)开有主燃级外壁剪切槽(49)，用于加强预膜板外侧空气旋流强度，从而加强预膜板内外环气流的剪切力，有助于雾化；主燃级内的油雾在预混预蒸发段与空气掺混蒸发形成均匀混合可燃气，以一定的旋流形式进入火焰筒进行预混燃烧；主燃级防回火吹扫环(49)与主燃级外壁(32)焊接成一体。...

【技术特征摘要】
1.一种采用旋流器/预膜板一体化主燃级的贫油预混预蒸发燃烧室头部结构，其特征在
于：燃烧室头部采用中心分级燃烧方案，分为预燃级(15)和双油路主燃级(14)，燃油杆
(16)供给燃烧室所有燃油，燃油分为三路，包括预燃级油路(20)，主燃级一级油路(21)
及主燃级二级油路(22)；所述双油路主燃级(14)通过头部整体端壁(19)与火焰筒外壁
(8)和火焰筒内壁(9)固定，预燃级(15)通过隔离段(17)与双油路主燃级(14)连接，
并与双油路主燃级(14)同心；所述的双油路主燃级(14)采用旋流器/预膜板一体化结构，
由主燃级雾化旋流器(31)、主燃级预膜板(33)、主燃级外壁(32)、主燃级集油环(34)
和主燃级内壁(35)组成；主燃级雾化旋流器(31)和主燃级预膜板(33)焊接成一体，主
燃级集油环(34)和主燃级内壁(35)焊成一体，并与主燃级雾化旋流器(31)、主燃级外
壁(32)焊接，构成双油路主燃级(14)，再通过主燃级外壁(32)和燃烧室头部端壁(19)
连接到燃烧室头部；主燃级集油环开有两级集油槽，分别是主燃级一级集油槽(36)和主燃
级二级集油槽(37)，两级集油槽之间焊有主燃级集油槽隔板(46)，用于分隔燃油；主燃级
集油环外壁有主燃级一级燃油喷射孔(42)和主燃级二级燃油喷射孔(43)，主燃级一级燃
油喷射孔(42)通过主燃级一级燃油分配孔(40)与主燃级一级集油槽(36)相连，主燃级
二级喷射孔(43)通过主燃级二级燃油分配孔(41)、主燃级二级燃油分配管(47)与主燃
级二级集油槽(37)相连；主燃级二级燃油分配管(47)与主燃级二级燃油分配孔(41)、
主燃级集油槽隔板(46)焊接成一体；预燃级燃油通过燃油杆(16)的预燃级油路(20)流
进预燃级燃油喷嘴(23)中；双油路主燃级(14)燃油分别经过燃油杆(16)的主燃级一级
油路(21)和主燃级二级油路(22)，分别进入主燃级一级集油槽(36)和是主燃级二级集
油槽(37)，再由主燃级一级燃油喷射孔(42)和主燃级二级燃油喷射孔(43)喷出，一部
分燃油在旋转气流作用下雾化蒸发，一部分燃油在主燃级燃油预膜板(33)形成油膜，在上
下两股气流下剪切雾化；在航空发动机慢车、进场工况只有主燃级一级燃油喷射孔(42)处
于喷油工作状况，而在航空发动机爬升、起飞大工况主燃级两级油路均处于工作状态；主燃
级外壁(32)开有主燃级外壁剪切槽(49)，用于加强预膜板外侧空气旋流强度，从而加强
预膜板内外环...

【专利技术属性】
技术研发人员：林宇震，王延胜，薛鑫，张弛，李林，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11