專利名稱：一種貧油部分預混預蒸發(fā)燃燒室的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于航空發(fā)動機領域，涉及一種預燃級直接噴射燃燒模式和主燃級部分預混預蒸發(fā)燃燒模式的低排放燃燒室。
背景技術：
國際民航組織在80年代就頒布了 “環(huán)境保護標準”和“航空發(fā)動機排放”條例，并不斷修訂完善，目前已開始執(zhí)行CAEP6排放標準。各大航空發(fā)動機公司和研究機構均把控制污染物排放作為重要課題進行研究，其中低排放燃燒技術是民用航空發(fā)動機最重要的研究內容之一。由于污染排放是適航取證對民機發(fā)動機的強制性要求，歐美的幾家國際知名航空發(fā)動機公司針對越來越嚴厲的排放要求，實施了先進民用發(fā)動機研制計劃，掌握了低排放燃燒室的關鍵技術。GE公司研制的燃燒室采用最新的雙環(huán)預混旋流(TAPS)組織燃燒技術，已用于Leap-X發(fā)動機上，其NOx污染排放比CAEP6低47.7%。PW公司采用RQL技術發(fā)展的TALON X燃燒室在PW1000G發(fā)動機上，預計NOx污染排放比CAEP6低40%。RR公司采用ANTLE計劃發(fā)展的LDIS低污染燃燒室，其NOx污染排放比CAEP2標準降低了 50%。GE公司的TAPS燃燒技術已申請了多項美國專利，專利號為US006354072B1、US006381964B1、US006389815B1等的低排放燃燒室頭部專利提出的技術方案是:預燃級由離心噴嘴、兩級軸向渦流器、文氏管和套筒構成，主燃級由直射式噴嘴和一級或兩級徑向渦流器構成，結構比較復雜，軸向長度太長，導致頭部(大噴嘴)很大，需要在機匣上開很大的孔才能裝拆頭部。北京航空航天大學也申請了幾種貧油預混預蒸發(fā)燃燒室的專利，申請?zhí)枮?00810105062.3的專利提出的技術方案是:預燃級由離心噴嘴、一級軸向渦流器和收擴段構成，主燃級由直射式空氣霧化噴嘴、一級徑向渦流器和收擴件構成，主燃級燃油的氣動霧化不是很強，且出口收斂不是很明顯，容易造成回火；預燃級的收擴段喉道直徑太大，容易使副燃級空氣流量分配過大，進而影響副燃級點火和熄火性能，還可能會造成副燃級噴嘴積碳結焦。中國燃氣渦輪研究院已申請了三種貧油部分預混預蒸發(fā)燃燒室的專利，專利號分別為CN202032612U、CN202032613U和CN202082953U，這三項專利提出的技術方案是:頭部方案采用中心分級的兩級油路DIPME混合燃燒模式，預燃級由離心噴嘴、一級軸向渦流器、縮擴段構成；主燃級由直射式噴嘴和一級軸向(徑向)或一級軸向和一級徑向渦流器構成，在大狀態(tài)和小狀態(tài)具有很好的燃燒性能和污染排放特性，低工況燃燒效率稍差，而且頭部預燃級和主燃級拆裝不易。這些專利的預燃級均采用一級軸向渦流器，燃油霧化主要由噴嘴內外壓力差完成，對于低工況，其霧化效果不是很好，燃燒效率較低。NOx是航空發(fā)動機燃燒室設計人員需要重點考慮的污染物之一，在航空發(fā)動機中，NOx主要由燃燒區(qū)火焰溫度和燃氣停留時間決定。目前已有低污染燃燒室開始采用貧油預混預蒸發(fā)技術來保證燃燒區(qū)的當量比在0.5 0.65范圍內，有效控制火焰溫度從而降低NOx的生成。采用該技術的燃燒室通常其預混段較長，容易出現(xiàn)自燃和回火，又由于這種燃燒室在貧油狀態(tài)燃燒，混合蒸發(fā)的很好，使得出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒的機率倍增。傳統(tǒng)的燃燒室采用富油頭部設計，燃燒區(qū)的當量比在1.0左右，這種燃燒方式無法降低污染物，特別是NOx的生成量，但這種燃燒室相對于采用貧油預混預蒸發(fā)技術的燃燒室工作更穩(wěn)定，其某些燃燒室基本性能更高，比如慢車貧油熄火邊界(LBO)和貧油點火邊界(LLO)。要保證燃燒室的性能同時還要降低污染物排放，需要將以上兩種技術結合，預燃級采用直接噴射燃燒模式，主燃級采用貧油部分預混預蒸發(fā)燃燒模式，在一個燃燒室頭部中將兩種燃燒模式結合形成的混合燃燒模式，既能保證燃燒室的性能要求，又能保證污染物排放的要求。為了滿足民用航空發(fā)動機的維修性，使頭部噴嘴更換容易，需要頭部噴嘴裝拆方便，且工程上實現(xiàn)起來較易。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的:提供一種能夠保證燃燒室性能并且降低污染排放及便于頭部裝拆的直接燃油噴射的部分預混預蒸發(fā)燃燒室。本實用新型的技術方案是:一種部分預混預蒸發(fā)燃燒室，包括擴壓器11、外機匣12、內機匣13、噴油桿14、燃燒室頭部15、火焰筒16和電嘴17，根據(jù)需要火焰筒上有主燃孔18和摻混孔19，所述燃燒室頭部15由預燃級30和主燃級31組成，其中:I預燃級30由預燃級一級渦流器32、預燃級二級渦流器35、文氏管33和預燃級噴嘴36構成；預燃級噴嘴36出口端面與文氏管33出口端面距離58在合適的范圍內，以保證良好的霧化和燃燒性能。2主燃級31由主燃級渦流器46、預混段48和直接燃油噴射式噴嘴44構成，直接燃油噴射式噴嘴噴孔45位于主燃級渦流器葉片47中間。所述預燃級一級渦流器葉片37安裝角度在30° 45°之間，葉片37數(shù)量在10 16片之間，旋流強度在0.5 0.7之間；文氏管角度39在20° 80°之間。所述預燃級二級渦流器葉片38安裝角度在30° 40°之間，葉片38數(shù)量在10 16片之間，旋流強度在0.4 0.6之間；套筒角度40在20° 80°之間，擴張段角度41在90° 120°之間。所述主燃級渦流器葉片47安裝角在35°飛0°之間，使得主燃級旋流強度在0.6左右；且旋向與預燃級二級向渦流器35旋向相反。所述預燃級一級向渦流器32與預燃級噴嘴36旋向相反，與預燃級二級向渦流器35旋向相同或相反，以保證良好的霧化和合理的燃油濃度、尺寸分布。所述主燃級預混段48軸向長度52在20mm 30mm之間；預混段48內壁平直便于拆裝。所述頭部轉接段49有直徑0.8mm 1.2mm的沖擊冷卻小孔50，對擋濺盤51進行冷卻；所述直接燃油噴射式噴嘴44噴口 45直徑0.5mnT0.7mm,噴孔數(shù)量6 10個，噴射角度60在45° 90°之間；所述預混段48平直內壁開設的吹出附面層小孔53直徑0.5
0.8mm，小孔數(shù)目在40 80個之間。預燃級30和主燃級噴嘴44組成的大噴嘴62與主燃級渦流器46配合，其中主燃級渦流器46和頭部轉接段49固定于火焰筒16上。所述預燃級一級渦流器32、預燃級二級渦流器35、預燃級一級渦流器葉片37、預燃級二級渦流器葉片38為斜向渦流器或軸向渦流器，所述主燃級渦流器葉片47為軸向或徑向渦流器葉片，所述主燃級渦流器46為軸向渦流器或徑向渦流器。[0018]本發(fā)明的有益效果是:本實用新型預燃級采用直接噴射燃燒模式，既保證燃燒室穩(wěn)定工作，又能減少小工況污染物排放，其文氏管設計不僅能解決噴嘴和文氏管積炭問題，還能保證在預燃級下游形成有助于點火和火焰穩(wěn)定的回流區(qū)結構；主燃級采用貧油部分預混預蒸發(fā)燃燒技術，能較大幅度降低N0X、UHC、CO和煙粒子等污染物的排放；主燃級渦流器的設計考慮了預防回火自燃現(xiàn)象的出現(xiàn)；主燃級軸/徑向渦流器和平直預混段的設計考慮了頭部裝拆的問題。采用不同的頭部進氣，NOx排放能達到比CAEP/6低409Γ70%。

圖1為低排放燃燒室示意圖圖2為一種部分貧油預混預蒸發(fā)燃燒室頭部方案示意圖圖3為主燃級具體實施例子之一，顯示了將軸向渦流器改變?yōu)閺较驕u流器的示意圖圖4為主燃級具體實施例子之二，顯示了在軸向渦流器上加直通道的示意圖，兩者結合使旋流強度為中等。圖5為預燃級具體實施例子之一，顯示了將雙級軸向渦流器改為斜軸向渦流器的示意圖圖6為主燃級具體實施例子之二時，主燃級、預燃級噴嘴與渦流器裝拆關系示意圖
具體實施方式
以下結合附圖及具體實施例子詳細介紹本實用新型。頭部方案采用中心分級的兩級油路 DIPME (Rich/Lean Direct Injection and Lean PartialPre-Mixing& Pre-Evaporation)混合燃燒模式，即在起動和小狀態(tài)時，預燃級采用富油直接噴射(Rich Direct Injection)燃燒模式，該燃燒模式是通過副油路離心噴嘴和斜/軸向渦流器及文氏管構成的預燃級實現(xiàn)局部富油，這種組織燃燒方式是介于預混燃燒和擴散燃燒之間；在大狀態(tài)(包括起飛、爬升和巡航等狀態(tài))時，預燃級采用貧油直接噴射(Lean Direct Injection)燃燒模式，主燃級采用貧油部分預混預蒸發(fā)(Lean PartialPre-Mixing&Pre-Evaporation)燃燒模式,使中心燃燒區(qū)起穩(wěn)定火焰并降低燃氣溫度的作用，周圍燃燒區(qū)為貧油部分預混預蒸發(fā)燃燒，燃燒區(qū)局部當量比控制在0.5^0.65之間，燃燒區(qū)溫度控制在1700ΙΓ1900Κ范圍內，并控制高溫火焰的停留時間，從而有效控制NOx和CO的生成量。預燃級由兩級渦流器和離心噴嘴及文氏管組成，預燃級燃油由離心噴嘴進行一次壓力霧化，在文氏管壁上形成一層油膜至文氏管出口，在兩級渦流器氣動力剪切的作用下進行二次霧化；主燃級由一級軸/徑向渦流器和壓力直接燃油噴射式噴嘴組成，依靠噴嘴內外的壓差進行一次霧化，再依靠渦流器內的旋轉氣流剪切作用，可以使燃油得到充分的霧化，并與來流空氣進行良好的部分預混合。圖1 是米用中心分級的兩級油路 DIPME (Rich/Lean Direct Injection andLeanPartial Pre-Mixing &Pre-Evaporation)混合燃燒模式的低排放燃燒室示意圖,燃燒室10包括擴壓器11、外機匣12、內機匣13、噴嘴14、頭部15、火焰筒16和電嘴17，根據(jù)需要火焰筒上有主燃孔18和摻混孔19。燃燒室的工作情況是:空氣從擴壓器11進入燃燒室，超過50%的空氣從頭部15進入火焰筒16，其余空氣通過燃燒室外環(huán)20和內環(huán)21進入火焰筒16，燃油通過噴嘴14進入火焰筒16，在火焰筒16內，電嘴17點火后，空氣與燃油燃燒，從火焰筒出口 22排出高溫燃氣。圖2是DIPME低排放燃燒室頭部15結構細節(jié)，頭部由預燃級30和主燃級31組成。頭部15進氣量大約占燃燒室10總氣量的50°/Γ80%，具體進氣量的多少同燃燒室的總油氣比和冷卻空氣量有關，預燃級30進氣量大約占燃燒室總進氣量的59Γ15%，具體進氣量同燃燒室慢車狀態(tài)油氣比密切相關；主燃級31進氣量大約占燃燒室總進氣量的30°/Γ40%，具體進氣量同燃燒室起飛狀態(tài)油氣比密切相關。預燃級30由預燃級一級斜軸向渦流器32、預燃級二級斜軸向渦流器35、文氏管33和預燃級噴嘴36構成。斜軸向渦流器32和35有效流通面積與文氏管33喉道面積共同決定預燃級30空氣流量，預燃級二級斜軸向渦流器35的空氣流量是預燃級一級斜軸向渦流器32的空氣流量的1.1 1.5倍；文氏管33的設計需要考慮噴嘴積炭。此外，必須保證在預燃級30下游形成有助于點火和火焰穩(wěn)定的回流區(qū)結構。預燃級噴嘴36端面與文氏管33出口端面距離58保持在合適范圍，這樣使得預燃級的燃燒方式介于預混燃燒和擴散燃燒之間，形成良好的二次氣動霧化，不僅有助于燃燒室工作穩(wěn)定，也有助于降低小工況的污染物。為了有助于良好二次氣動霧化，文氏管角度39和套筒角度40在20° 80° ;擴張段角度41在90° 120°，以形成良好的回流區(qū)結構，提高燃燒性能和污染排放特性。在燃燒室所有工況中，預燃級30都要工作，在起動和小狀態(tài)時預燃級是局部富油燃燒，在大狀態(tài)時預燃級是貧油燃燒。圖5所示為預燃級實施例子之一。主燃級31由主燃級軸徑向渦流器46、預混段48和直接燃油噴射式噴嘴44構成。主燃級渦流器的旋流強度在0.6左右，在主燃級出口形成脫體火焰，有助于預防不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象的出現(xiàn)。主燃級渦流器46的有效流通面積決定了主燃級31空氣流量。預混段48長度52在2(T30mm之間能有效保證主燃級燃油達到部分預混預蒸發(fā)。直接燃油噴射式噴嘴44的噴口 45由 渦流器葉片47通道之間噴出，依靠噴嘴內外的壓差進行一次霧化，再依靠渦流器的旋轉氣流剪切作用，使得主燃級燃油得到充分的霧化和部分預混合。主燃級31一般在30%推力以上狀態(tài)工作，其燃燒方式屬于貧油預混燃燒，在主燃級31下游形成脫體火焰，對控制NOx污染物非常有利。為了防止在預混段48下游發(fā)生自燃，在預混段48內壁開設有40 80個Φ0.5 Φ 0.8mm的的吹出附面層小孔53 ;為了防止發(fā)生回火，主燃級出口 57設計為收斂型的，提高氣流速度，使空氣速度遠大于湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。圖3是主燃級實施例子之一。將軸向渦流器改為徑向渦流器，使頭部更易裝拆，主燃級燃油噴射在工程上實現(xiàn)相對較容易。主燃級出口高度63需與渦流器聯(lián)合設計，為了使出口速度不宜過大，以渦流器作為節(jié)流件，這樣，出口高度63取值在合適的范圍內，以發(fā)生防回火。在主燃級出口有一個引導環(huán)64，引導氣流向外偏轉，但偏轉角不能過大，角度61在30° 60°之間。圖4是主燃級實施例子之二。該主燃級實施例子在中航工業(yè)渦輪院已申請的低排放燃燒室頭部專利專利號為CN202032612U中已提出，與本發(fā)明的預燃級30組合形成低排放燃燒室頭部15。該頭部15為了便于工程上拆裝，只能將預燃級噴嘴36和主燃級噴嘴44與預燃級一級渦流器32、預燃級二級渦流器35和主燃級渦流器46進行分體設計，渦流器與火焰筒16相連，在主燃級噴嘴44環(huán)面上形成6 12凸臺67，與渦流器46內壁面形成的槽68相配合，為了避免燃油從凸臺67與槽68之間的縫漏油，特意留有吹除燃油的小縫59。強旋流的軸向渦流器46和無旋流的直通道55組合形成中等旋流，在下游形成脫體火焰。出口收斂喉道作為節(jié)流件，提高氣流速度，防止發(fā)生回火。出口收斂角65、66在40° 60°之間；并在預混段48內壁上開有吹除附面層的小孔53。
權利要求1.一種部分預混預蒸發(fā)燃燒室，包括擴壓器(11)、外機匣(12)、內機匣(13)、噴油桿(14)、燃燒室頭部(15)、火焰筒(16)和電嘴(17)，根據(jù)需要火焰筒上有主燃孔(18)和摻混孔(19)，其特征在于，所述燃燒室頭部(15)由預燃級(30)和主燃級(31)組成，其中: 1)預燃級(30)由預燃級一級渦流器(32)、預燃級二級渦流器(35)、文氏管(33)和預燃級噴嘴(36)構成；預燃級噴嘴(36)出口端面與文氏管(33)出口端面距離(58)在合適的范圍內，以保證良好的霧化和燃燒性能。
2)主燃級(31)由主燃級渦流器(46)、預混段(48)和直接燃油噴射式噴嘴(44)構成，直接燃油噴射式噴嘴噴孔(45)位于主燃級渦流器葉片(47)中間。
2.根據(jù)權利要求1所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于，所述預燃級一級渦流器葉片(37)安裝角度在30° 45°之間，葉片(37)數(shù)量在10 16片之間，旋流強度在0.5 0.7之間；文氏管角度(39)在20° 80°之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于，所述預燃級二級渦流器葉片(38)安裝角度在30° 40°之間，葉片(38)數(shù)量在10 16片之間，旋流強度在0.4 0.6之間；套筒角度(40)在20° 80°之間，擴張段角度(41)在90° 120°之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于，所述主燃級渦流器葉片(47)安裝角在35°飛0°之間，使得主燃級旋流強度在0.6左右；且旋向與預燃級二級向渦流器(35)旋向相反。
5.根據(jù)權利要求1所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于，所述預燃級一級向渦流器(32)與預燃級噴嘴(36)旋向相反，與預燃級二級向渦流器(35)旋向相同或相反，以保證良好的霧化和合理的燃油濃度、尺寸分布。
6.根據(jù)權利要求1所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于，所述主燃級預混段(48)軸向長度(52)在20mm 30mm之間；預混段(48)內壁平直便于拆裝。
7.根據(jù)權利要求1 6所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于，所述頭部轉接段(49)有直徑0.8mm 1.2mm的沖擊冷卻小孔(50),對擋派盤(51)進行冷卻；所述直接燃油噴射式噴嘴(44)噴口(45)直徑0.5mnT0.7mm,噴孔數(shù)量6 10個，噴射角度(60)在45° 90°之間； 所述預混段(48)平直內壁開設的吹出附面層小孔(53)直徑0.5 0.8mm，小孔數(shù)目在40 80個之間。
8.根據(jù)權利要求7所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于，預燃級(30)和主燃級噴嘴(44)組成的大噴嘴(62)與主燃級渦流器(46)配合，其中主燃級渦流器(46)和頭部轉接段(49)固定于火焰筒(16)上。
9.根據(jù)權利要求8所述的部分預混預蒸發(fā)燃燒室，其特征在于，所述預燃級一級渦流器(32)、預燃級二級渦流器(35)、預燃級一級渦流器葉片(37)、預燃級二級渦流器葉片(38)為斜向渦流器或軸向渦流器，所述主燃級渦流器葉片(47)為軸向或徑向渦流器葉片，所述主燃級渦流器(46)為軸向渦流器或徑向渦流器。
專利摘要本實用新型屬于航空發(fā)動機領域，涉及一種預燃級直接噴射燃燒模式和主燃級部分預混預蒸發(fā)燃燒模式的低排放燃燒室。燃燒室的頭部由預燃級、主燃級構成，其中預燃級由兩級斜/軸向渦流器、文氏管和預燃級噴嘴構成；主燃級由一級軸徑/向渦流器、預混段和直接燃油噴射式噴嘴構成。本實用新型采用富油直接噴射燃燒模式，主燃級不工作；在大狀態(tài)(30%額定推力以上)時，兩級油路均工作，預燃級采用貧油直接噴射燃燒模式，主燃級采用貧油部分預混預蒸發(fā)燃燒模式。預燃級采用單油路離心噴嘴，通過壓力霧化達到所需燃油濃度分布和尺寸分布；主燃級采用直射式噴嘴進行初始壓力霧化，之后進行二次氣動霧化，即對燃油液滴進行剪切以達到良好的霧化。
文檔編號F23R3/28GK202993265SQ20122073351
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權日2012年12月27日
發(fā)明者馬存祥, 鄧遠灝, 陳衛(wèi), 鐘世林, 徐華勝 申請人:中國燃氣渦輪研究院