一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室的製作方法

2023-06-16 01:54:06

專利名稱：一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用預混預蒸發燃燒技術的航空燃氣輪機低汙染燃燒室。採用分級燃燒的模式，主燃級採用預混燃燒的方式，主要用於降低大工況下的汙染排放；預燃級採用擴散燃燒的方式，在保證燃燒室穩定燃燒，主燃級採用分兩級的預混預蒸發燃燒的方式， 降低航空發動機整個LTO循環的汙染排放。
背景技術：
現代航空發動機燃燒室的基本性能和結構分布已經達到相當高的水平，但是對於現代航空發動機燃燒室來說，仍然存在大量的難題和挑戰，新材料、新工藝、新結構、新概念的發展應用才是保證其持續進步的源泉。現代民用航空發動機燃燒室的主要發展趨勢是低汙染燃燒。民用航空發動機燃燒室必須滿足日益嚴格的航空發動機汙染排放標準。目前採用的CAEP6 (Committee on Aviation Environmental Protection)標準對汙染排放物的規定已經非常嚴格，特別是對 NOx汙染排放要求；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 15%，隨著航空業的迅猛發展和人們環保意識的不斷提高，未來對燃氣輪機燃燒室汙染排放會提出更高的要求。美國航空發動機的兩個著名公司GE和PW對低汙染燃燒室早已著手研究，GE首先研發了雙環腔低汙染燃燒DAC(用於GE90和CFM56)，Pff公司採用了 RQL(富油燃燒-淬熄-貧油燃燒，Rich burn-Quench-Lean burn，簡稱RQL)低汙染燃燒室TALON II(用於 PW4000和6000系列)。在下一代低汙染燃燒室方面，GE公司採用LDM (Lean Direct Mixing Combustion，貧油直接混合燃燒室)技術為其GEnx發動機研製的TAPS (Twin Annular Premixing Swirler)低汙染燃燒室。該燃燒室在臺架全環試驗驗證中，NOx汙染排放比 CAEP2排放標準降低了 50%。GE公司申請了多項美國專利申請號6363726、6389815、 6354072,6418726,0178732,6381964和6389815，所有這些專利都是預燃級採用擴散燃燒、 主燃級採用預混燃燒的燃燒組織方式，目的是降低排放指數最大的大工況下的NOx排放。 PW公司繼續採用RQL方式提出了降低NOx汙染排放的低汙染燃燒室為TALON X，採用的頭部形式是PW公司發展的空氣霧化噴嘴，燃燒室為單環腔，在V2500發動機扇型試驗段上的試驗結果比CAEP2標準降低了 50%。Rolls-Royce公司採用LDM技術發展的低汙染燃燒室是ANTLE，該燃燒室是一個單環腔分級燃燒室，其NOx汙染排放比CAEP2標準降低了 50%， 用於其新一代發動機湍達1000。中國的北京航空航天大學對低汙染燃燒室也申請了 200910238793. X、 201010101574. X,201010034141. 7、201010277014. X等多項專利，採用的方案是預燃級採用擴散燃燒方式，主燃級採用預混燃燒方式，主燃級為環形結構，軸向或徑向供油，採用多點噴射或是預膜霧化方式，目的是降低大工況下的NOx排放，從而使整個LTO循環的NOx的排放得到降低，但要進一步降低整個LTO循環的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汙染排放，而根據國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)規定的一個標準循環下的排放物指數，用LTO Emission來表達這個參數，計算如下式
權利要求
1. 一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述燃燒室採用單環腔結構，它由燃燒室外機匣(6)和燃燒室內機匣(7)構成其外輪廓；外界空氣通過擴壓器 (10)進入；火焰筒外壁(8)、火焰筒內壁(9)和燃燒室頭部(13)組成燃燒區域，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)和火焰筒內壁(9)上的內摻混孔(1 射入；所述燃燒室頭部(1 採用分級燃燒方案，分為主燃級(14)和預燃級(1 ；所述預燃級(1 通過預燃級頭部端壁0 與主燃級(14)連接，並與主燃級(14)同心，預燃級(1 由中心向外包括預燃級旋流器組件(20)、預燃級噴嘴(21)、預燃級頭部端壁(22)，預燃級噴嘴和預燃級旋流器組件OO)配合定位，預燃級旋流器組件OO)和預燃級頭部端壁0 連接；預燃級(1 利用由預燃級旋流器組件 (20)進入燃燒室的旋流空氣產生的低速回流區穩定火焰，預燃級旋流器組件OO)通過預燃級頭部端壁0 與主燃級預混預蒸發段內環(3 相連接；預燃級噴嘴位於預燃級旋流器組件OO)內，並與預燃級旋流器組件OO)同軸；預燃級頭部端壁0 連接於主燃級預混蒸發段內環(3 和預燃級外環管上；其中預燃級旋流器OO)包括預燃級外環管(23)、預燃級文氏管(M)、預燃級旋流器葉片(25)、預燃級噴嘴定位環( )，預燃級旋流器葉片0 依次連接預燃級外環管(23)、預燃級文氏管(M)、預燃級噴嘴定位環；所述主燃級(14)由預混預蒸發外環(31)、預混預蒸發環內環(33)、主燃級燃油環(48)、預膜式噴嘴內環(42)、預膜式噴嘴外環(43)、主燃級外旋流器(34)、主燃級內旋流器(3 和預膜式噴嘴內旋流器(32)構成，其中主燃級內旋流器(35)與預膜式噴嘴內環G2)、預混預蒸發環內環(3 連接在一起主燃級內環腔(37)，主燃級外旋流器(34)與預混預蒸發環外環(31) 一起構成主燃級外環(44)，主燃級外環04)和預膜式噴嘴外環構成了主燃級外環腔 (36)，主級內外環腔(36，37)在預膜式噴嘴之後合併成預混段(38)；主燃級外環04)通過頭部整體端壁(51)與火焰筒外壁⑶和火焰筒內壁(9)連接固定，主燃級內環腔(37)和燃油噴嘴(16)為一體；所述燃油噴嘴(16)向燃燒室供給所有燃油，燃油噴嘴(16)由中心向外包括預燃級噴油嘴(39)、主燃級內噴油嘴00)和預膜式噴油嘴Gl)為一整體，預燃級噴油嘴(39)和預燃級噴嘴定位環06)連接，預膜式噴油嘴Gl)和主燃級外環G4)配合定位；燃油噴嘴(16)從燃燒室頭部(1 的上遊直接插入主燃級外環G4)中；其中預燃級噴油嘴為單個噴嘴，直接插入到預燃級噴嘴定位環06)下遊內通道(XT)裡，經過預燃級燃油管路08)的燃油通過預燃級噴油嘴形成預燃級油霧(17)，預燃級油霧(17) 打在預燃級旋流器文氏管內壁面09)上形成油膜，在經過預燃級內通道(XT)的來流作用下進行霧化，在預燃級出口(30)進行擴散燃燒；主燃級內噴油嘴GO)由主燃級內燃油通道(45)和主燃級內直射噴孔(50)組成，固定於預混預蒸發環內環(3 內側，主燃級內燃油環G8)和預混預蒸發環內環(33) —起構成環形結構的主燃級燃油內通道G5)；預混預蒸發環內環(3 上沿周向均勻開有多個主燃級內直射噴孔(50)，燃油通過主燃級內燃油管(46)進入主燃級燃油通道(45)，然後經過主燃級內直射噴孔(50)形成多股主燃級內環噴霧(18)，向預混段(38)噴射；主燃級內環油霧(18)在主燃級內旋流的作用下進行蒸發和預混和摻混，實現燃油快速蒸發並與空氣均勻摻混，然後經過預混段(38)進入主燃級出口 (49)進行預混燃燒，保證較低的汙染排放；預膜式噴油嘴Gl)由預膜式噴嘴內環(42)、外環^幻和預膜式旋流器(3 組成，預膜式噴嘴內環0 和預膜式噴嘴外環連接形成環縫，預膜式旋流器嵌於環縫中；燃油通過預膜式噴油嘴Gl)經過預膜式旋流器(32)形成一層均勻主燃級油膜(19)向預混段(38)噴射；主燃級油膜(19)在主燃級內外旋流的作用下進行蒸發和預混和摻混，實現燃油快速蒸發並與空氣均勻摻混，然後經過預混段(38) 進入主燃級出口 G9)進行預混燃燒，保證較低的汙染排放。
2.根據權利要求1所述的一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述預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.根據權利要求1所述的一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述預燃級旋流器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°，預燃級旋流器OO)的級數η為1 < η 1時，各級葉片式旋流器先連接成一個整體，組成預燃級旋流器OO)後再與預燃級頭部端壁0 連接。
4.根據權利要求1所述的一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述燃油噴嘴(16)供應燃燒室所需的全部燃油，主燃級燃油佔總燃油量的比例為 50% 90%。
5.根據權利要求1所述的一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述主燃級內旋流器(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構是軸向旋流器，或是徑向旋流器，兩級旋向相同或相反。
6.根據權利要求1所述的一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述主燃級內直射噴孔(50)的個數為6 30個，主燃級內旋流器(3 葉片的個數與直射噴油孔(50)的個數之比為1 1 5 1。
7.根據權利要求1所述的一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述直射噴孔(50)和預混預蒸發環內環(3 壁面所形成的傾角均為10° 90°，與對應燃油通道0 的有效流通面積比值為1 2 1 5 ；所述直射噴孔(50)軸向位置距主燃級出口 G9)的軸向距離為20 50mm。
8.根據權利要求1所述的一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述預膜式噴嘴Gl)出口軸向位置距主燃級出口 G9)的軸向距離為20 50mm。
9.根據權利要求1所述的一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述主級預混預蒸發外環(31)、預混預蒸發環內環(33)上開切向槽，切向槽和主級預混預蒸發外環(31)、預混預蒸發環內環(3 壁面所形成的傾角均為10° 90°，軸向位置距主燃級出口 G9)的軸向距離為20 50mm。
10.根據權利要求1所述的一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，其特徵在於所述燃燒室頭部(π)沿周向均勻布置，個數為10 60個，燃燒室頭部(1 的空氣量佔燃燒室總空氣量的20% 80%，其中主燃級(14)佔頭部空氣量的60% 90%，預燃級 (15)佔頭部空氣量的10% 40%。
全文摘要
一種預膜式分三級預混預蒸發的低汙染燃燒室，包括擴壓器、燃燒室外機匣、燃燒室內機匣、火焰筒外壁、火焰筒內壁和燃燒室頭部；燃燒用空氣全部由燃燒室頭部進入火焰筒，採用分級燃燒方案，分為預燃級一級和主燃級兩級；主燃級採用預混燃燒方式，預燃級採用旋流穩定的擴散燃燒方式。主燃級結構上分為兩級，避免了主燃級一級的情況下，轉級時主級油氣混合變差導致的汙染排放的增加，在不影響穩定燃燒的同時降低了30％工況下的汙染物排放。主燃級第二級採取預膜式噴嘴，使燃油分布更加均勻，相比離散噴嘴汙染物在大工況下進一步降低。本發明在不影響燃燒穩定性的同時，降低了航空發動機燃燒室的整個著陸起飛循環的汙染排放。
文檔編號F23R3/42GK102242939SQ20111021459
公開日2011年11月16日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者張弛, 曹文宇, 林宇震, 許全宏 申請人:北京航空航天大學