一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室制造技术

一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，采用单环腔结构，由燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、外火焰筒、内火焰筒和燃烧室头部组成；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，采用分级燃烧方案，分为预燃级和主燃级；主燃级由预混预蒸发环管、主燃级喷嘴和主燃级旋流器构成，燃油在预混预蒸发环管内蒸发混合，形成均匀混合可燃气后再进入火焰筒，属于预混燃烧；燃油喷嘴供给预燃级燃油和主燃级燃油；燃烧室稳定工作范围主要受预燃级控制，确保在较宽的工作范围内燃烧室均能稳定燃烧，同时也为主燃级提供了稳定点火源；燃烧室污染排放则主要受主燃级控制，将主燃级预混气当量比控制在低污染燃烧范围内即可保证整个燃烧室的污染排放大大降低。本发明专利技术预混预蒸发结构尺寸小，结构简单，具备模块化特征，不但能降低航空发动机燃烧室污染排放，还能保证良好的燃烧稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用预混预蒸发环管作为主燃级的航空燃气轮机低污染燃烧室，能够降低污染排放，并保证燃烧室高效稳定工作。
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。 现代航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。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CAEP4(Committee onAviationEnvironmental Protection)标准的要求已经非常严格，特别是对N0x污染排放要求，2008年采用的CAEP6标准则更为严格。 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公司采用了类RQL(富油燃烧-淬熄-贫油燃烧，Rich burn-Quench-Lean burn，简称RQL)低污染燃烧室TALON II (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(Lean DirectMixingCombustion,贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS (TwinAn皿larPremixing Swirler)低污染燃烧室。该燃烧室已经进入整机验证阶段，即将取证，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% 。并且GE公司申请了多项美国专利:申请号6389815、6354072、6418726、0178732、6381964和6389815等美国专利的主燃级方案采用主燃级燃油喷入到轴向或径向旋流器的后部从而形成预混预蒸发油气混合物，但要达到一定的混合度和蒸发度所需的混合和蒸发距离较长，从而影响燃烧室乃至发动机的长度和重量要求，申请号6363726的美国专利存在同样的问题，上述几个美国专利都实现了整个发动机工作范围内的低污染要求，但主燃级燃油喷射点离旋流器出口都有一段不小的距离，增加了燃烧室头部轴向长度。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TALON X，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也就低污染燃烧室申请了 ZL200810104686. 3、ZL200810105061. 9、200810105062. 3和200810104684. 4等多项专利，采用的方案是在旋流器叶片内部或拐弯区就喷入主燃级燃油，与美国GE公司的专利相比将主燃级燃油的喷入点位置提前了，从而在几何尺寸上可以縮短主燃级长度。但这些专利中主燃级的蒸发及掺混效果受旋流器流动影响很大，要进一步降低污染排放水平难度较大，于是北京航空航天大学又提出了专利申请200910238793. x的方案，采用预膜空气环的预混预蒸发结构，并在主燃级出口设置了主燃级出口导流支撑，从而提高主燃级的蒸发掺混效果，但主燃级的复杂度和重量有所增加。 而不管是何种先进的低污染燃烧室，其关键技术就是降低N0X (氮氧化物)、C0 ( —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，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下都应如此。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。这主要取决于两方面一是燃油颗粒直径分布的均匀性，即SMD的分布均匀性；二则是燃油油雾浓度分布的均匀性。从燃烧方式讲，应采用均匀的预混燃烧，达到主燃区当量比均匀性要求以降低污染排放。 目前的常规燃烧方式无法降低NOx、 CO和UHC。原因是目前燃烧室的设计方法所决定的。对于常规燃烧室来说，在高功率状态时，由于采用液雾扩散燃烧方式，燃烧区局部当量比总是在1附近，远超过上述低污染燃烧所需当量比范围要求，此时虽然CO和UHC的排放低，但NOx的排放达到最大。在低功率状态时，燃烧区当量比又很低，远低于上述低污染燃烧所需当量比区间，此时虽然NOx排放低，但CO和UHC排放又很高。另外，由于常规燃烧室普遍采用扩散燃烧方式，局部当量比不均匀，因此对于常规燃烧室来说，无法满足在整个发动机工作范围内的低污染要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术不足，提供一种带预混预蒸发环管的航空发动机低污染燃烧室，该燃烧室燃烧区油气分布均匀，不但能在大部分工况下保持低的污染排放，在低工况下又能保证发动机稳定工作。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，采用单环腔结构，其特征在于由燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、外火焰筒、内火焰筒和燃烧室头部组成；燃烧用空气全部由燃烧室头部进入火焰筒，掺混空气由掺混孔射入；采用分级燃烧方案，分为预燃级和主燃级，燃油喷嘴供给燃油，主燃级通过主燃级头部整体端壁与外火焰筒和内火焰固定，预燃级则通过预燃级头部端壁与主燃级联接；主燃级由预混预蒸发环管外环、预混预蒸发环管内环、主燃级喷嘴和主燃级旋流器构成，其中预混预蒸发环管外环和预混预蒸发环管内环构成了预混预蒸发环管，主燃级旋流器安装环将主燃级旋流器与预混预蒸发环管联接在一起，主燃级喷嘴采用直射式喷嘴插入主燃级旋流器，进行初始雾化，在预混预蒸发环管内旋流实施二次雾化、蒸发和掺混，形成均匀混合可燃气，从预混预蒸发环管出口以一定的旋流形式进入火焰筒。 所述的预混预蒸发环管外环上开有预混预蒸发环管外环一级进气孔、预混预蒸发环管外环二级进气孔、预混预蒸发环管外环三级进气孔，预混预蒸发环管内环上开有预混预蒸发环管内环一级进气孔、预混预蒸发环管内环二级进气孔预混预蒸发环管内环三级进气孔，孔与预混预蒸发环管壁面所形成的倾角均在IO。 90°范围内。 所述的燃烧室头部沿周向均匀布置，个数为10 60个，其空气量占燃烧室总空气量的20% 80% ，其中主燃级占头部空气量的60% 90% ，预燃级占头部空气量的10% 40%。 所述的主燃级旋流器采用双级旋流结构，由主燃级旋流器内旋流进气孔和主燃级旋流器外旋流进气孔进气，进气比例为i : 4 i : 2。 所述的燃油喷嘴供应燃烧室所需的全部燃油，包括预燃级喷嘴和主燃级喷油嘴，其中主燃级喷油嘴的个数为6 30个，主燃级燃油占总燃油量的比例为50% 90%。 本专利技术的原理如下通过控制航空发动机燃烧室内燃烧区的当量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带预混预蒸发环管的低污染燃烧室，其特征在于：燃烧室采用单环腔结构，由燃烧室外机匣（６）和燃烧室内机匣（７）构成其外轮廓，由外火焰筒（８）、内火焰筒（９）和燃烧室头部（１３）形成燃烧区域，燃烧用空气全部由燃烧室头部（１３）进入火焰筒，掺混空气由外火焰筒（８）上的外掺混孔（１１）和内火焰筒（９）上的内掺混孔（１２）射入；所述的燃烧室头部（１３）采用分级燃烧方案，分为主燃级（１４）和预燃级（１５），由燃油喷嘴（１６）供给燃油，主燃级（１４）通过主燃级头部整体端壁（４６）与外火焰筒（８）和内火焰（９）固定；预燃级（１５）通过预燃级头部端壁（４８）与主燃级（１４）联接，并与主燃级（１４）同心；所述的主燃级（１４）由预混预蒸发环管外环（２２）、预混预蒸发环管内环（２３）、主燃级喷油嘴（４５）和主燃级旋流器（２１）构成，其中预混预蒸发环管外环（２２）和预混预蒸发环管内环（２３）构成了预混预蒸发环管，主燃级旋流器安装环（３４）将主燃级旋流器（２１）与预混预蒸发环管联接在一起，主燃级喷油嘴（４５）为直射式喷嘴插入主燃级旋流器（２１）上的主燃级喷油嘴安装孔（３１），通过主燃级旋流器（２１）进行初始雾化，在预混预蒸发环管内旋流实施二次雾化、蒸发和掺混，与空气均匀混合，在较短的几何尺寸内实现快速蒸发掺混，并以一定的旋流形式进入火焰筒燃烧，保证燃烧的稳定性和低的污染排放。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张弛，林阳，林宇震，许全宏，刘高恩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]