本發(fā)明涉及一種低排放燃燒室，特別涉及一種主燃級采用噴油管供油的低排放燃燒室。

背景技術：

燃氣輪機的主要污染排放物包括：氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)，未燃碳氫(UHC)和冒煙(Smoke)等。四種主要的排放物中，一氧化碳(CO)，未燃碳氫(UHC)和冒煙(Smoke)主要受燃燒反應的完全程度影響，燃燒越充分，燃燒區(qū)溫度越高，其排放量越低；而氮氧化物(NOx)又主要由熱力型機理控制，燃燒區(qū)溫度過高會使NOx排放急劇增加。因此這兩類排放物存在相互矛盾、難以平衡的問題。研究發(fā)現，當燃燒室頭部當量比在0.6～0.8時，能夠較好地兼顧兩種排放物；在降低頭部整體當量比的同時，燃油摻混的均勻程度至關重要，否則燃燒區(qū)容易出現接近恰當比的熱點區(qū)域，從而使氮氧化物排放難以控制。綜上所述，現代低排放燃燒室的核心技術就是，在保持頭部貧油燃燒的同時，加強燃油與空氣的摻混，從而為火焰筒提供更加均勻的油氣混合物。

其中，主燃級燃油的摻混是決定燃燒室排放的關鍵。目前已有的幾款著名的航空燃氣輪機燃燒室，分別采用壁面徑向噴射(GE公司的TAPS燃燒室)、壁面徑向噴射+預膜板(北航的TELESS燃燒室)以及預膜噴射(RRD公司的Lean Burn燃燒室)。預膜噴射存在結構復雜、在大噴嘴上難以實施的問題。而前兩種壁面徑向噴射方案，燃油的穿透深度受動量比控制，如圖8所示，在大工況下，穿透深度大，燃油與主燃級旋流的摻混更強烈，但徑向分布均勻度依然不夠好；但在小工況下，燃油流量小，動量比低，往往容易出現穿透深度不足，影響燃油混合；另外，部分燃油容易貼附在通道內壁面，造成結焦或自燃回火。因而壁面徑向噴射方案的摻混效果受工況影響較大，且在不同工況間難以平衡，限制了排放性能的進一步提升。

技術實現要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：現有低排放燃燒室的主燃級一般采用壁面徑向噴射方案，燃油摻混效果隨著工況變化，難以在各個工況間取得平衡，且存在徑向均勻度較差、部分燃油貼壁的問題，影響了燃燒室排放性能。如圖9所示，本方案采用主燃級燃油提升噴射方案，通過主燃級通油管提升了燃油噴射位置，將燃油直接噴射到主燃級氣流的主流中，首先解決了部分燃油貼壁的問題，同時提高了燃油分布的徑向均勻度；其次通過優(yōu)化噴油管噴射角度和方向，減小與主燃級氣流軸向方向的角度差，弱化了發(fā)動機工況變化對燃油霧化的影響，保證在各個工況下，主燃級燃油都能實現較好的摻混效果。最終形成均勻的油氣混合物進入火焰筒燃燒，在大工況下能夠降低燃燒室的污染排放。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案為：一種主燃級采用噴油管供油的低排放燃燒室，其特征在于：采用單環(huán)腔結構，主要結構包括擴壓器、燃燒室機匣、燃燒室頭部和火焰筒；燃燒用空氣全部由燃燒室頭部進入火焰筒，冷卻用空氣從火焰筒上的冷卻孔進入；燃燒室頭部與火焰筒連接，并固定在燃燒室機匣上；燃燒室采用中心分級燃燒方案，主燃級安裝于預燃級外圍，通過級間段與預燃級連接；預燃級為非預混燃燒，預燃級旋流器采用軸向或徑向方案；主燃級采用預混燃燒；在主燃級旋流器下游設置有伸入主燃級通道的主燃級噴油管；燃油通過主燃級燃油供應路進入主燃級集油腔，從主燃級噴油管噴出并形成主燃級油霧；最終形成均勻的油氣混合物進入火焰筒參與燃燒。

其中，所述主燃級可以采用軸向或徑向旋流器方案，可以使用單級旋流器或者多級旋流器。主燃級噴油管伸入到主燃級通道中，每個主燃級有若干個主燃級噴油管。

其中，所述噴油管高度與主燃級通道最小高度為0～0.7，噴油管距主燃級出口距離與主燃級通道長度之比為0.2～1.0，主燃級噴油管可以帶有一定的空間復合角，噴油管軸向傾角為0～90°，斜向噴油管的噴油管切向傾角為0～90°，傾角方向與主燃級旋向相同。

本發(fā)明的工作原理：用于燃燒的空氣占燃燒室總空氣量的大部分，并且全部從頭部進入火焰筒，從而降低了頭部當量比，有利于控制燃燒區(qū)溫度減少NOx的生成。燃燒組織采用中心分級方式，預燃級在中心，采用非預混燃燒的方式，提供穩(wěn)定的中心回流區(qū)以引燃主燃級；主燃級在外圍，采用預混燃燒的方式，可以采用軸向或徑向旋流器，可使用單級或多級旋流方案；本方案采用主燃級燃油提升噴射方案，通過主燃級通油管提升了燃油噴射位置，將燃油直接噴射到主燃級氣流的主流中，在主燃級旋流的剪切作用下，燃油在主燃級通道中間霧化破碎，從而改善了油霧在主燃級通道的徑向分布均勻度，弱化了發(fā)動機工況變化對燃油摻混效果的影響，并避免了部分燃油貼附壁面的現象。

本發(fā)明與現有技術相比具有的優(yōu)點如下：

(1)本發(fā)明的主燃級采用提升噴射的供油方式，通過設置一定長度的噴油管，提升了燃油噴射的高度，將燃油引入主燃級通道的主流，解決了部分燃油貼壁的問題；

(2)本發(fā)明的主燃級采用提升噴射的供油方式，減小與主燃級氣流軸向方向的角度差，弱化了發(fā)動機工況對燃油霧化的影響，保證在各個工況下，主燃級燃油都能實現較好的摻混效果；

(3)本發(fā)明的主燃級采用提升噴射的供油方式，可以根據設計需要，優(yōu)化噴油管高度、軸向位置、噴射角度和方向，從而實現良好的燃油混合效果，具有很寬的適用范圍。

附圖說明

圖1為發(fā)動機結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的燃燒室結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的燃燒室頭部結構剖視圖圖；

圖4為本發(fā)明的主燃級裝配噴油管的橫截面圖；

圖5為本發(fā)明的主燃級裝配噴油管的橫截面圖；

圖6為本發(fā)明的主燃級裝配噴油管的縱截面圖；

圖7為本發(fā)明的主燃級裝配噴油管的三維示意圖；

圖8為壁面徑向噴射主燃級油霧分布示意圖，其中圖8(a)為大工況壁面徑向噴射主燃級油霧分布示意圖，圖8(b)為小工況壁面徑向噴射主燃級油霧分布示意圖；

圖9為提升噴射主燃級油霧分布示意圖；

圖中：1為低壓壓氣機，2為高壓壓氣機，3為傳動軸，4為燃燒室，5為高壓渦輪，6為低壓渦輪，7為擴壓器，8為預燃級燃油供應路，9為主燃級燃油供應路，10為燃燒室機匣，11為燃燒室頭部，12為火焰筒，13為預燃級噴嘴，14為預燃級，15為級間段，16為主燃級，17為主燃級外環(huán)，18為主燃級安裝邊，19為預燃級旋流器，20為主燃級集油環(huán)，21為主燃級內環(huán)，22為主燃級旋流器，23為級間段冷卻孔，24為級間段擋板，25為預燃級套筒冷卻孔，26為主燃級通道外壁面，27為主燃級通道內壁面，28為主燃級噴油管，29為主燃級集油腔，30為主燃級通油孔，31為噴油管切向傾角，32為主燃級通道，33為主燃級冷卻孔，34為主燃級擋板，35為主燃級吹掃氣，36為主燃級油霧，37為主燃級進口通道高度，38為主燃級旋向，39為噴油管高度，40為主燃級通道最小高度，41為噴油管距主燃級出口距離，42為主燃級通道長度，43為噴油管軸向傾角。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式進一步說明本發(fā)明。

圖1是發(fā)動機結構示意圖，包括低壓壓氣機1，高壓壓氣機2，燃燒室4，高壓渦輪5和低壓渦輪6，壓氣機和渦輪通過傳動軸3相互連接。發(fā)動機工作時，空氣經過低壓壓氣機1和高壓壓氣機2壓縮后進入燃燒室4，通過噴入燃油并組織燃燒，形成高溫高壓的燃氣，沖擊高壓渦輪5和低壓渦輪6，從而驅動低壓壓氣機1和高壓壓氣機2做功，并輸出動力。

如圖2所示，采用單環(huán)腔結構，主要結構包括擴壓器7、燃燒室機匣10、燃燒室頭部11和火焰筒12；燃燒用空氣全部由燃燒室頭部11進入火焰筒12，冷卻用空氣從火焰筒12上的冷卻孔進入；燃燒室頭部11與火焰筒12連接，并固定在燃燒室機匣10上。燃油分別通過預燃級燃油供應路8和主燃級燃油供應路9進入燃燒室頭部11，與旋流空氣摻混形成均勻的混合物進入火焰筒并參與燃燒。燃燒后的高溫燃氣從燃燒室出口排出。

如圖3所示，燃燒室頭部11通過主燃級安裝邊18與火焰筒12連接。燃燒室采用分級燃燒方案，分為預燃級14和主燃級16，兩者與預燃級噴嘴13共軸。主燃級16布置在預燃級14外圍，通過級間段15與之連接。預燃級旋流器19可以采用徑向或軸向旋流器方案?？諝馔ㄟ^級間段冷卻孔23，一部分沖擊級間段擋板24進行冷卻，另一部分通過預燃級套筒冷卻孔25對預燃級套筒22進行冷卻。主燃級16采用預混燃燒，主燃級旋流器22可以采用軸向或徑向方案，使用單級或多級旋流，此處已單級軸向葉片式旋流器為例。主燃級噴嘴由主燃級集油環(huán)20、主燃級通道內壁面27、主燃級噴油管28組合而成。每個主燃級16包含若干個主燃級噴油管28。燃油從主燃級燃油供應路9進入主燃級集油腔29，接著沿著主燃級通油孔30，從主燃級噴油管28直接噴射到主燃級通道32中間，在主燃級旋流的剪切作用下霧化破碎，形成主燃級油霧36，最終形成均勻的油氣混合物進入火焰筒12燃燒。主燃級外環(huán)17上開有主燃級冷卻孔33，并與主燃級擋板34連接，從而冷卻主燃級擋板34避免結構損壞，同時形成一股主燃級吹掃氣35，可以防止主燃級回火。

如圖4、圖5和圖6所示，噴油管高度39與主燃級最小高度40為0～0.7，噴油管距主燃級出口距離41與主燃級通道長度42之比為0.2～1.0，噴油管軸向傾角43為0～90°；斜向噴油管38的噴油管切向傾角31為0～90°，傾角方向與主燃級旋向38相同；主燃級通道32為環(huán)形通道，主燃級通道最小高度40與主燃級進口通道高度37之比為0.2～1.0；噴油管高度39、噴油管距主燃級出口距離41、噴油管軸向傾角43和噴油管切向傾角31等參數的選取應避免使主燃級油霧36直接噴濺到主燃級通道外壁面26。

如圖7所示，主燃級16和徑向噴油管31的裝配關系。

如圖8所示，主燃級16和斜向噴油管38的裝配關系。

上述本發(fā)明所公開的任一技術方案除另有聲明外，如果其公開了數值范圍，那么公開的數值范圍均為優(yōu)選的數值范圍，任何本領域的技術人員應該理解：優(yōu)選的數值范圍僅僅是諸多可實施的數值中技術效果比較明顯或具有代表性的數值。由于數值較多，無法窮舉，所以本發(fā)明才公開部分數值以舉例說明本發(fā)明的技術方案，并且，上述列舉的數值不應構成對本發(fā)明創(chuàng)造保護范圍的限制。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解；依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者對部分技術特征進行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發(fā)明請求保護的技術方案范圍當中。