一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，采用單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，燃燒室采用中心分級燃燒方式，燃燒室頭部分為預燃級和主燃級，預燃級采用擴散燃燒與旋流預混燃燒相結(jié)合的方式，在保證燃燒穩(wěn)定性的同時降低小工況的污染物排放；主燃級采用預混預蒸發(fā)燃燒方式，能有效的降低燃燒污染物。主燃級燃油路分為兩級，每級燃油在預膜板上形成油膜，油膜在兩股旋流作用下霧化、蒸發(fā)及摻混，形成均勻的油氣混合物，有利于降低燃燒污染物；雙油路的設(shè)計能夠滿足進場等中小工況下主燃級一級進行工作，起飛等大工況下主燃級兩級均進行工作，有利于燃燒室不同工況下的油氣匹配，進一步降低航空發(fā)動機燃燒室整個著陸起飛循環(huán)的污染排放水平。
【專利說明】一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空燃氣輪機的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，該燃燒室采用中心分級燃燒的模式，預燃級在中心，采用擴散燃燒和預混燃燒相結(jié)合的方式，用以保證燃燒室工作的穩(wěn)定性和安全性，同時降低小工況下的污染排放；雙油路主燃級在預燃級徑向外圍，采用預混預蒸發(fā)燃燒的方式，主燃級雙油路的設(shè)計能夠滿足進場等中小工況下主燃級一級進行工作，起飛等大工況下主燃級兩級均進行工作，有利于燃燒室不同工況下的油氣匹配，有利于于降低整個燃燒室的污染排放，從而降低航空發(fā)動機整個著陸起飛循環(huán)(Landing and Take-off, LT0)循環(huán)的污染排放水平。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室的基本性能和結(jié)構(gòu)分布已經(jīng)達到相當高的水平，但是對于現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室來說，仍然存在大量的難題和挑戰(zhàn)，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新概念的發(fā)展應用才是保證其持續(xù)進步的源泉?，F(xiàn)代民用航空發(fā)動機燃燒室的主要發(fā)展趨勢是低污染燃燒。民用航空發(fā)動機燃燒室必須滿足日益嚴格的航空發(fā)動機污染排放標準。目前采用的 CAEP6 (Committee on Aviation Environmental Protection)標準對污染排放物的規(guī)定已經(jīng)非常嚴格，特別是對NOx污染排放要求；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(yè)的迅猛發(fā)展和人們環(huán)保意識的不斷提高，未來對燃氣輪機燃燒室污染排放會提出更高的要求。
[0003]美國航空發(fā)動機的兩個著名公司GE和PW對低污染燃燒室早已著手研究，GE首先研發(fā)了雙環(huán)腔低污染燃燒DAC (用于GE90和CFM56)，PW公司采用了 RQL (富油燃燒-淬熄-貧油燃燒，Rich burn-Quench-Lean burn,簡稱RQL)低污染燃燒室TALON II (用于PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃燒室方面，GE公司采用LDM(Lean Direct MixingCombustion,貧油直接混合燃燒室)技術(shù)為其GEnx發(fā)動機研制的TAPS (Twin AnnularPremixing Swirler)低污染燃燒室。該燃燒室在臺架全環(huán)試驗驗證中，NOx污染排放比CAEP2排放標準降低了 50%。GE公司申請了多項美國專利:申請?zhí)?363726、6389815、6354072、6418726、0178732、6381964和6389815，所有這些專利都是預燃級采用擴散燃燒、主燃級采用預混燃燒的燃燒組織方式，目的是降低排放指數(shù)最大的大工況下的NOx排放。PW公司繼續(xù)采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃燒室為TALON X，采用的頭部形式是PW公司發(fā)展的空氣霧化噴嘴，燃燒室為單環(huán)腔，在V2500發(fā)動機扇型試驗段上的試驗結(jié)果比CAEP2標準降低了 50%。Rolls-Royce公司采用LDM技術(shù)發(fā)展的低污染燃燒室是ANTLE，該燃燒室是一個單環(huán)腔分級燃燒室，其NOx污染排放比CAEP2標準降低了 50%，用于其新一代發(fā)動機湍達1000。
[0004]中國的北京航空航天大學對低污染燃燒室也申請了 200710178394.X、200810105062.3,200810105061.9,200810104686.3,200810104684.4,200910238793.X、201010101574.X,201010034141.7、201010277014.X等多項專利，采用的方案是預燃級采用擴散燃燒方式，主燃級采用預混燃燒方式，主燃級為環(huán)形結(jié)構(gòu)，軸向或徑向供油，采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(huán)的NOx的排放得到降低，但要進一步降低整個LTO循環(huán)的NOx的排放水平難度較大。
[0005]以上所述的專利，都是針對在大工況下降低污染排放，而根據(jù)國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)規(guī)定的一個標準循環(huán)下的排放物指數(shù)，用LTO Emission來表達這個參數(shù)，計算如下式:
【權(quán)利要求】
1.一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:燃燒室采用中心分級燃燒方案，分為預燃級(15)和雙油路主燃級(14)，燃油桿(16)供給燃燒室所有燃油，燃油分為三路，包括預燃級油路(20)，主燃級一級油路(21)及主燃級二級油路(22 );所述雙油路主燃級(14)通過頭部整體端壁(19 )與火焰筒外壁(8 )和火焰筒內(nèi)壁(9 )固定，預燃級(15)通過隔離段(17)與雙油路主燃級(14)連接，并與雙油路主燃級(14)同心；所述的雙油路主燃級(14)采用四級旋流結(jié)構(gòu)，由主燃級一級霧化軸向旋流器(31)、主燃級二級霧化軸向旋流器(32)、主燃級外旋流器(33)、主燃級內(nèi)旋流器(34)、主燃級一級燃油預膜板(35)、主燃級二級燃油膜板(36)和主燃級外壁(37)組成；主燃級二級霧化軸向旋流器(32 )、主燃級外旋流器(33 )及主燃級外壁(37 )通過焊接形成主燃級外環(huán)整體，再通過主燃級外壁(37)和燃燒室頭部端壁(19)連接到燃燒室頭部；主燃級一級霧化軸向旋流器(31)和主燃級內(nèi)旋流器(34)焊接成整體，然后通過主燃級一級霧化軸向旋流器(31)葉片外緣和主燃級集油環(huán)(42)內(nèi)壁焊接成一個整體，構(gòu)成雙油路主燃級內(nèi)環(huán)部分,主燃級集油環(huán)(42)外圓柱面和主燃級二級霧化軸向旋流器(32)內(nèi)環(huán)面是安裝配合面；集油環(huán)內(nèi)端壁(52)、集油環(huán)外端壁(51)和主燃級集油環(huán)(42)內(nèi)、外壁面焊接，構(gòu)成內(nèi)、外兩個集油槽，分別是:一級燃油集油槽(45)和二級燃油集油槽(46);在主燃級集油環(huán)(42)外壁面上有主燃級二級燃油噴射孔(39)，噴射孔通過主燃級二級燃油分配孔(47)和二級燃油集油槽 (46)連通；主燃級集油環(huán)(42)內(nèi)壁面上有主燃級一級燃油噴射孔(38)，噴射孔通過主燃級一級燃油分配孔(48)和一級燃油集油槽(45)連通；主燃級集油環(huán)(42)和燃油桿(16)在主燃級一級集油槽進油孔(43)、主燃級二級集油槽進油孔(44)位置處通過焊接成一個整體；預燃級燃油通過燃油桿(16)的預燃級油路(20)流進預燃級燃油噴嘴(23)中；雙油路主燃級(14)燃油分別經(jīng)過燃油桿(16)的主燃級一級油路(21)和主燃級二級油路(22)分別進入主燃級集油環(huán)(42)的一級燃油集油槽(45)和二級燃油集油槽(46)，再經(jīng)由一級燃油噴射孔(38)及二級燃油噴射孔(39)分別噴入主燃級一級燃油霧化通道(40)和主燃級二級燃油霧化通道(41)中，一部分燃油在旋轉(zhuǎn)氣流作用下霧化蒸發(fā)，一部分燃油在主燃級一級燃油預膜板(35)和主燃級二級燃油膜板(36)上形成一級油膜(28)和二級油膜(29);主燃級一級燃油預膜板(35)的油膜在主燃級一級霧化軸向旋流器(31)的旋轉(zhuǎn)氣流與主燃級內(nèi)旋流器(34)旋流氣流共同作用下霧化破碎，主燃級二級燃油預膜板(36)的油膜在主燃級二級霧化軸向旋流器的旋轉(zhuǎn)氣流(32)與主燃級外旋流器(33)旋流氣流共同作用下霧化破碎；在航空發(fā)動機慢車、進場等工況只有主燃級一級燃油噴射孔(38)處于噴油工作狀況，而在航空發(fā)動機爬升、起飛大工況主燃級兩級油路均處于工作狀態(tài)；主燃級內(nèi)的油霧在預混預蒸發(fā)段與空氣摻混蒸發(fā)形成均勻混合可燃氣，以一定的旋流形式進入火焰筒進行預混燃燒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述預燃級(15)采用的旋流器的級數(shù)為I < η < 3 ;每級旋流器采用旋流器的結(jié)構(gòu)是軸向旋流器，或是徑向旋流器，或是切向旋流器；當預燃級(15)的級數(shù)η=1時，旋流器直接與隔離段(17)連接；當預燃級(15)的級數(shù)l〈n ( 3時，各級旋流器先連接成一個整體，再與隔離段(17)連接；當預燃級(15)的級數(shù)l〈n< 3時，各級旋流器的旋流方向或是同旋，或是反旋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述預燃級燃油噴嘴(23)結(jié)構(gòu)是壓力霧化噴嘴、氣動霧化噴嘴或組合式噴嘴，噴嘴流量數(shù)在8~22kg/(hr.MPa0-5)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述雙油路主燃級(14)中的主燃級一級霧化軸向旋流器(31)與主燃級二級霧化軸向旋流器(32)結(jié)構(gòu)是軸向旋流器；主燃級外旋流器(33)結(jié)構(gòu)是軸向旋流器，或是徑向旋流器，或是切向旋流器；主燃級內(nèi)旋流器(34)結(jié)構(gòu)是徑向旋流器，或是切向旋流器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述雙油路主燃級(14)的四級旋流中氣流的旋向或為同旋，或為反旋，四股旋流最終匯為一股，以旋流形式進入燃燒室中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述主燃級一級油路(21)及主燃級二級油路(22)中的主燃級燃油占總?cè)加土康谋壤秊?0%~90%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述燃燒室頭部(13)沿周向均勻布置，個數(shù)為12~30個，燃燒室頭部(13)的空氣量占燃燒室總空氣量的40%~75%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述 主燃級(14)占燃燒室頭部(13)空氣量的70%~90%，預燃級(15)燃燒室頭部(13)空氣量的10%~30%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:所述燃燒室的火焰筒外壁(8)和火焰筒內(nèi)壁(9)的冷卻方式采用氣膜冷卻、發(fā)散冷卻或復合冷卻方式。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙油路四旋流預膜式主燃級的預混預蒸發(fā)低污染燃燒室，其特征在于:由擴壓器(10)、燃燒室外機匣(6)、燃燒室內(nèi)機匣(7)、火焰筒外壁(8)、火焰筒內(nèi)壁(9)和燃燒室頭部(13)組成，擴壓器(10)通過內(nèi)、外壁和燃燒室外機匣(6)和燃燒室內(nèi)機匣(7)焊接在一起，火焰筒外壁(8)通過后緣的支板和燃燒室外機匣(6)連接在一起，火焰筒內(nèi)壁(9)通過后部的支板和燃燒室內(nèi)機匣(7)連接固定；在火焰筒外壁(8)后部設(shè)置有火焰筒外環(huán)摻混孔(11)，在火焰筒內(nèi)壁(9)后部設(shè)置有火焰筒內(nèi)環(huán)摻混孔(12)，燃燒用空氣全部由燃燒室頭部(13)進入火焰筒，摻混空氣由內(nèi)環(huán)摻混孔(12)和外環(huán)摻混孔(11)進入火焰筒。
【文檔編號】F23R3/32GK103697500SQ201310722586
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】林宇震, 李林, 張弛, 康堯 申請人:北京航空航天大學, 中航商用航空發(fā)動機有限責任公司