一种采用气泡雾化喷嘴的贫油直接喷射低污染燃烧室制造技术

本发明专利技术公开了一种采用气泡雾化喷嘴的贫油直接喷射低污染燃烧室，燃烧室采用单环腔结构，包括扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、火焰筒外壁、火焰筒内壁及燃烧室头部。燃油通过多个气泡雾化喷嘴雾化成极细极均匀的液雾，直接喷入燃烧室进行燃烧。燃烧室采用分级燃烧结构，中心预燃级采用下沉设计，有稳定火焰作用；预燃级外围的主燃级依靠预燃级稳定火焰，主燃级根据工况需要开启工作。本发明专利技术的低污染燃烧室采用贫油直接喷射技术，燃油通过多个喷嘴喷入燃烧室，增加了燃油空间分布的均匀性；采用特殊的气泡雾化喷嘴进行燃油喷射，使燃油具有好的雾化质量，利于燃油雾化与掺混，进一步增加了燃油分布的均匀性，使燃烧室具有很大的降低污染排放的潜力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空燃气轮机的
，具体涉及一种采用气泡雾化喷嘴的贫油直接喷射低污染燃烧室，该燃烧室采用分级燃烧的模式，预燃级在中心，采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，在保证燃烧室稳定燃烧的同时，降低小工况下的污染排放；主燃级在预燃级外围，采用预混预蒸发燃烧的方式，主要用于降低大工况下的污染排放，从而降低航空发动机整个着陆起飞循环(LandingandTake-off,LTO)循环的污染排放。
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(CommitteeonAviationEnvironmentalProtection)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。美国航空发动机的两个著名公司GE和PW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)，PW公司采用了RQL(富油燃烧-淬熄-贫油燃烧，Richburn-Quench-Leanburn，简称RQL)低污染燃烧室TALONII(用于PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃烧室方面，GE公司采用LDM(LeanDirectMixingCombustion，贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS(TwinAnnularPremixingSwirler)低污染燃烧室。该燃烧室在台架全环试验验证中，NOx污染排放比CAEP2排放标准降低了50％。GE公司申请了多项美国专利：申请号US6363726、US6389815、US6354072、US6418726、US01/078732、US6381964和US6389815，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，目的是降低污染指数最大的大工况下的NOx排放。PW公司继续采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃烧室为TALONX，采用的头部形式是PW公司发展的空气雾化喷嘴，燃烧室为单环腔，在V2500发动机扇型试验段上的试验结果比CAEP2标准降低了50％。Rolls-Royce公司采用LDM技术发展的低污染燃烧室是ANTLE，该燃烧室是一个单环腔分级燃烧室，其NOx污染排放比CAEP2标准降低了50％，用于其新一代发动机湍达1000。中国的北京航空航天大学对低污染燃烧室也申请了CN200910238793.X、CN201010101574.X、CN201010034141.7、CN201010277014.X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(InternationalCivilAviationOrganization,ICAO)规定的一个标准循环下的排放物指数，用LTOEmission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，LTOEmission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1ICAO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/groundidle)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ICAOEmissiondatabank。表2CFM56-5B/3的NOx排放水平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g156024013242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，核心问题是降低燃烧区的温度，同时使燃烧区温度场均匀，即整体和局部的当量比控制，而主燃区当量比的均匀性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均匀性。本专利技术是针对航空发动机低污染燃烧的新方法。根据NOx与CO产生的机理及试验结果可知：燃烧室的主燃区当量比在0.6～0.8范围内产生的NOx与CO(UHC和CO的排放规律类似)很少。基于此原理，要兼顾NOx与CO、UHC的排放量都处于低值范围，应考虑两个因素：其一是主燃区的平均当量比，其二是主燃区平均当量比的均匀性，并且在所有航空发动机的工作情况本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用气泡雾化喷嘴的贫油直接喷射低污染燃烧室，其特征在于：该低污染燃烧室采用单环腔结构，由扩压器(10)、燃烧室外机匣(6)、燃烧室内机匣(7)、火焰筒外壁(8)、火焰筒内壁(9)和燃烧室头部(13)组成；燃烧用空气全部由燃烧室头部(13)进入火焰筒，掺混空气由掺混孔射入；采用分级燃烧方案，分为预燃级(14)和主燃级(15)，燃油喷嘴(16)供给燃烧室所有燃油，主燃级(15)通过头部整体端壁(35)、头部整体导流片(36)与火焰筒外壁(8)和火焰筒内壁(9)固定，预燃级(14)与主燃级(15)集成在头部集成模块(23)上，预燃级(14)在中心，多个主燃级(15)离散分布在预燃级(14)外侧，所述预燃级(14)由预燃级旋流器(33)和预燃级气泡雾化喷嘴(29)组成，主燃级(15)由主燃级旋流器(34)和主燃级气泡雾化喷嘴(30)组成，预燃级气泡雾化喷嘴(29)和主燃级气泡雾化喷嘴(30)由燃油连接管(19)、气泡雾化喷嘴外壁(24)、气泡小管(25)、燃油喷孔(27)组成，燃油通过燃油管路(31)和燃油连接管(19)分别进入预燃级气泡雾化喷嘴(29)和主燃级气泡雾化喷嘴(30)的喷嘴腔体(28)，雾化空气在扩压器(10)前引气，通过雾化气管路(32)和雾化气连接管(20)分别进入预燃级气泡雾化喷嘴(29)和主燃级气泡雾化喷嘴(30)的喷嘴腔体(28)，雾化气和燃油在预燃级气泡雾化喷嘴(29)和主燃级气泡雾化喷嘴(30)内部形成泡状两相流动，泡状流体通过燃油喷孔(27)喷入燃烧室，气泡由于喷嘴内外压力差爆炸形成高质量预燃级油雾(17)和主燃级油雾(18)，燃烧空气通过预燃级旋流器(33)和主燃级旋流器(34)进入燃烧室，旋流空气与油雾高效掺混后均匀燃烧，旋流空气流道设计成收扩通道，能有效防止预燃级气泡雾化喷嘴(29)和主燃级气泡雾化喷嘴(30)表面积碳，预燃级(14)在头部集成模块(23)上为凹陷设计(21)，使得预燃级火焰能稳定燃烧，起到点火源的作用。...

【技术特征摘要】
1.一种采用气泡雾化喷嘴的贫油直接喷射低污染燃烧室，其特征在于：该低污染燃烧
室采用单环腔结构，由扩压器(10)、燃烧室外机匣(6)、燃烧室内机匣(7)、火焰筒外壁
(8)、火焰筒内壁(9)和燃烧室头部(13)组成；燃烧用空气全部由燃烧室头部(13)进
入火焰筒，掺混空气由掺混孔射入；采用分级燃烧方案，分为预燃级(14)和主燃级(15)，
燃油喷嘴(16)供给燃烧室所有燃油，主燃级(15)通过头部整体端壁(35)、头部整体导
流片(36)与火焰筒外壁(8)和火焰筒内壁(9)固定，预燃级(14)与主燃级(15)集成
在头部集成模块(23)上，预燃级(14)在中心，多个主燃级(15)离散分布在预燃级(14)
外侧，所述预燃级(14)由预燃级旋流器(33)和预燃级气泡雾化喷嘴(29)组成，主燃级
(15)由主燃级旋流器(34)和主燃级气泡雾化喷嘴(30)组成，预燃级气泡雾化喷嘴(29)
和主燃级气泡雾化喷嘴(30)由燃油连接管(19)、气泡雾化喷嘴外壁(24)、气泡小管(25)、
燃油喷孔(27)组成，燃油通过燃油管路(31)和燃油连接管(19)分别进入预燃级气泡雾
化喷嘴(29)和主燃级气泡雾化喷嘴(30)的喷嘴腔体(28)，雾化空气在扩压器(10)前
引气，通过雾化气管路(32)和雾化气连接管(20)分别进入预燃级气泡雾化喷嘴(29)和
主燃级气泡雾化喷嘴(30)的喷嘴腔体(28)，雾化气和燃油在预燃级气泡雾化喷嘴(29)
和主燃级气泡雾化喷嘴(30)内部形成泡状两相流动，泡状流体通过燃油喷孔(27)喷入燃
烧室，气泡由于喷嘴内外压力差爆炸形成高质量预燃级油雾(17)和主燃级油雾(18)，燃
烧空气通过预燃级旋流器(33)和主燃级旋流器(34)进入燃烧室，旋流空气与油雾高效掺
混后均匀燃烧，旋流空气流道设计成收扩通道，能有效防止预燃级气泡雾化喷嘴(29)和主
燃级气泡雾化喷嘴(30)表面积碳，预燃级(14)在头部集成模块(23)上为凹陷设计(21)，
使得预燃级火焰能稳定燃烧，起到点火源的作用。
2.根据权利要求1所述的一种采用气泡雾化喷嘴的贫油直接喷射低污染燃烧室，其特
征在于：所述预燃级(14)采用的旋流器的级数为n，其中1≤n≤5；每级旋流器采用旋流器
的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；当预燃级(14)的级数n＝1时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弛，王波，李宇航，林宇震，
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