本發(fā)明涉及燃氣輪機燃燒室技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種帶有預燃室的多點噴射貧油直噴燃燒室。

背景技術(shù)：

代航空發(fā)動機燃燒室的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作性能已經(jīng)達到了相當高的水平，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)，新的概念、新的結(jié)構(gòu)的發(fā)展是保證其持續(xù)進步的源泉。在現(xiàn)代航空發(fā)動機中主要的發(fā)展趨勢是低污染燃燒。隨著人們對生存環(huán)境、自身健康的關(guān)注日益增加，對于航空發(fā)動機污染排放的要求日益嚴格，尤其是針對航空發(fā)動機的nox排放。自2014年開始國際民航組織開始執(zhí)行caep/8標準，其中nox排放標準在原來caep/6的基礎(chǔ)上進一步降低15％。許多國家為了降低污染帶來的危害，同時提高本國在燃氣輪機技術(shù)領(lǐng)域的競爭力，紛紛制定了各自低污染燃燒的研究計劃。

在航空發(fā)動機燃燒室中，溫度是決定nox排放的首要因素，在目前所有低污染燃燒室中，貧油預混預蒸發(fā)燃燒室由于燃料與空氣進行了混合十分充分，燃燒中不存在局部高溫區(qū)，所以其nox排放水平是理論上最低的。然而，為了增加航空發(fā)動機的工作效率，其增壓比正在不斷地提高，這也意味著燃燒室進口溫度和壓力也在升高，這極大地縮短了燃油著火延遲時間，lpp燃燒室技術(shù)中的自燃和回火使其不能夠在下一代高壓比航空發(fā)動機上的繼續(xù)應(yīng)用。而貧油直接噴射技術(shù)(ldi)通過直接向燃燒室中噴射燃油的方法，避免了這些問題的出現(xiàn)。

貧油直接噴射(leandirectinjection,ldi)燃燒技術(shù)是直接將燃油與空氣直接噴射到燃燒室中進行燃燒。由于其不存在預混預蒸發(fā)的過程，所以避免了自燃和回火問題。但是如何能夠快速地使空氣與燃料均勻混合，是這類技術(shù)減排的關(guān)鍵。ldi低排放燃燒室必須能夠使燃油在進入燃燒室、未燃燒前實現(xiàn)快速霧化、蒸發(fā)并與空氣混合，這樣才可以避免在燃燒室內(nèi)出現(xiàn)局部高溫區(qū)，達到與lpp相同的排放水平。為了實現(xiàn)快速霧化，ldi燃燒室目前主要采用多點噴射的頭部結(jié)構(gòu)組織方式

多點噴射ldi燃燒室用多個噴嘴陣列式排布的形式取代了傳統(tǒng)的大旋流器結(jié)構(gòu)，將燃油分布到每個小噴嘴中再直接噴射到燃燒室中。這樣大大增加了燃油與空氣的接觸面積，促使燃油與空氣快速的混合成均勻的貧油狀態(tài)，從而降低燃燒溫度，抑制nox的生成。而每一個小噴嘴采用旋流穩(wěn)火的方式，其形成的回流區(qū)則較傳統(tǒng)的旋流器形成的回流區(qū)更小，減小了火焰長度燃燒停留時間，也可以有效的減少nox的生成。

貧油熄火特性對航空發(fā)動機來說是非常重要的一個問題，也是研發(fā)新的燃燒室時的一個必須達到的重要指標。但是在小工況下，如果沒有有效地措施來保證始終有穩(wěn)定的點火源，那么其貧油熄火問題將會限制其在實際工程中的使用。目前的ldi燃燒室的排放水平已經(jīng)很低了。在高工況下所有噴嘴同時供油實現(xiàn)快速均勻的油霧分布，使得此時的nox排放很低；但是在低工況下為了兼顧燃燒室的貧油熄火邊界，其燃燒室的nox排放還比較高，這成為ldi燃燒室進一步降低nox排放的瓶頸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種帶有預燃室結(jié)構(gòu)的多點貧油直噴燃燒室，在保證燃燒室小工況下工作性能的同時，降低nox排放水平。將預燃級的油氣比設(shè)計成為較富的情況，同時采用預燃室的結(jié)構(gòu)，可以有效地保證其在低工況下的點火與貧熄性能。在低工況下采用預燃級與相鄰噴嘴共同工作，利用多個貧油直噴噴嘴充分地提高燃燒區(qū)油氣混合的均勻性，同時減少預燃級富油狀態(tài)對排放帶來的影響。所以在低工況下引入分級燃燒的概念，可以從原理上提高排放性能，使發(fā)動機lto循環(huán)的污染排放達到更低的程度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種帶有預燃室的多點貧油直噴低污染燃燒室，該低污染燃燒室采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括火焰筒、燃燒室頭部以及燃料供給系統(tǒng)；從燃燒室通過的氣流中，15％-25％的空氣用來對火焰筒進行冷卻，其余全部從燃燒室頭部進入火焰筒參與燃燒；燃燒室頭部由頭部端壁、預燃室、多個貧油直噴噴嘴以及旋流杯空氣霧化噴嘴組成。預燃室位于頭部端壁的中心位置，為方形的敞口空腔，旋流杯空氣霧化噴嘴通過螺紋安裝在預燃室上，旋流杯出口與頭部端壁之間的距離為20-40mm，旋流杯空氣霧化噴嘴由燃料供給系統(tǒng)中的預燃級油路供給；多個貧油直噴噴嘴分布在預燃室周圍，通過蓋板安裝在頭部端壁上，工作時由燃料供給系統(tǒng)中的環(huán)形主燃級油路供給；預燃室壁面、頭部端壁以及火焰筒壁面均開有氣膜冷卻孔，以對壁面溫度進行控制延長火焰筒的壽命；燃燒室工作時采用預燃室與周圍貧油直噴單元噴嘴共同供油工作的方式，在每個的工況下，預燃室中的旋流空氣霧化噴嘴都充當值班級的作用；在不同工況下，搭配不同數(shù)量的單元噴嘴進行工作，保證在每個工況下燃燒區(qū)的當量比始終保持在使污染排放水平較低的區(qū)間；高能直流點火器插入預燃室中，用于預燃室的點火啟動，之后由預燃室的火焰來實現(xiàn)其周圍單元噴嘴的點火啟動。

其中，所述的燃燒室頭部沿周向均勻布置，個數(shù)為15-30個，燃燒室頭部的空氣量占燃燒室總空氣量的60％-80％，其中預燃室占總空氣量的5％-10％，每個單元噴嘴進氣量占總空氣量的5％-15％。

所述的旋流器空氣霧化噴嘴由壓力霧化噴嘴、一級旋流器、文氏管、二級旋流器和外環(huán)套筒構(gòu)成，一級旋流器的形式可以是斜切孔、軸向旋流器或者槽道，旋流數(shù)在0.6-1.2之間，二級旋流器的形式可以使軸向葉片或是槽道，旋流數(shù)在0.6-1.2之間，一級旋流器、文氏管、二級旋流器和外環(huán)套筒通過焊接成整體，壓力霧化噴嘴直接插入一級旋流器中。一級旋流器和二級旋流器進氣量之比為0.2-1之間。

所述的燃油供給系統(tǒng)包括預燃級油路和主燃級環(huán)形油路，其中主燃級油路設(shè)計為環(huán)形，上邊開有數(shù)個支路，為各自對應(yīng)的單元噴嘴供油；主燃級油路包含有多個可獨立操控油路，每條獨立油路負責為一個或是多個單元噴嘴供油；在不同的工況下，對不同油路進行組合，可將燃燒區(qū)當量比控制在排放較低的區(qū)間；預燃級油路負責為旋流空氣霧化噴嘴匯中的壓力霧化噴嘴供油。

所述的單元噴嘴為一種貧油直噴噴嘴，即燃油在不經(jīng)過預混預蒸發(fā)過程，被直接噴射到燃燒室中進行燃燒；不同于常見的貧油直噴噴嘴，本發(fā)明中貧油直噴單元噴嘴采用了燃油預先成膜和空氣輔助霧化的方法，能夠使燃油在噴嘴下游較短距離內(nèi)進行快速均勻霧化，降低燃燒室工作時的污染排放。

本發(fā)明的工作原理：利用多噴嘴分級工作的方法，控制燃燒區(qū)的當量比，使每個工況下的排放都能夠保持在較低的水平。燃燒室在工作時采用預燃室加單元噴嘴的工作形式，在不同工況下參與工作的單元噴嘴數(shù)量也不同，確保燃燒區(qū)的當量比始終保持在使排放較低的區(qū)間內(nèi)。在傳統(tǒng)低污染燃燒室中，為了解決小工況下火焰穩(wěn)定的問題，通常預燃級擴散燃燒的方法，而富有燃燒帶來的局部高溫區(qū)會使得這一工況下的燃燒室排放大大增加。與常見的燃燒室不同的是，該燃燒室在小工況時也采用了預燃室加多個單元噴嘴共同工作的方式，使燃燒區(qū)整體處于貧油燃燒的狀態(tài)，有效地降低在小工況時的排放，同時利用預燃室中占總空氣量比例較少空氣進行略富的燃燒，保證燃燒室的穩(wěn)定工作。其中的單元噴嘴為貧油直噴噴嘴，采用預先成膜和空氣輔助霧化的方式，使燃油在進入燃燒室后的較短距離內(nèi)快速均勻霧化，避免在燃燒時出現(xiàn)局部高溫區(qū)，降低nox排放；氣流通過單元噴嘴中的旋流器結(jié)構(gòu)，在下游形成一個小的回流區(qū)，穩(wěn)定貧油火焰燃燒。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點如下：

(1)本發(fā)明在多點噴射燃燒室中加入了預燃室的結(jié)構(gòu)，在每個工況下均采用預燃室和不同數(shù)量的單元噴嘴共同工作的方式，保證燃燒區(qū)的當量比始終保持在使排放較低的區(qū)間內(nèi)；這樣不僅能夠保證在大工況時的排放性能達到較高水平，同時也能夠在保證燃燒室小工況穩(wěn)定工作的同時，有效地降低污染排放。

(2)本人發(fā)明的一種帶有預燃室的多點噴射燃燒室，采用了預燃室結(jié)構(gòu)，可以十分有效地保證在小工況下火焰的穩(wěn)定燃燒；同時，在大工況下可通過調(diào)節(jié)預燃室和單元噴嘴之間的燃油分配，使之全部處于貧油狀態(tài)，提高排放性能。

(3)本人發(fā)明的一種帶有預燃室的多點噴射燃燒室，可以通過噴嘴在燃燒室頭部的排列方式，影響出口溫度分布，滿足需求；同時在不同的工況下可以選擇不同數(shù)量的噴嘴工作，提高了燃油分配的靈活性；每一個單元噴嘴均可單獨拆卸，提高了其實用性，便于維護。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種帶有預燃室的多點噴射燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的火焰筒頭部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的火焰筒頭部局部結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖4為本發(fā)明的貧油直噴單元噴嘴；

圖中：1主燃級油路，2預燃級油路，3旋流杯空氣霧化噴嘴，4預燃室，5貧油直噴單元噴嘴，6頭部端壁，7火焰筒，8點火電嘴，9壓力霧化噴嘴，10一級旋流器，11二級旋流器，12文氏管，13出口套筒。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施方式詳細介紹本發(fā)明。

如圖1所示，本實例所述的一種帶有預燃室的多點噴射燃燒室，采用分級工作的方式，在不同工況下中心的預燃室搭配不同數(shù)量的單元噴嘴工作，預燃室4位于中心，貧油直噴單元噴嘴5在其外圍。燃燒室的類型為單環(huán)腔燃燒室，來流空氣通過火焰筒頭部進入火焰筒7中與燃油接觸完成燃燒過程。預燃室4和貧油直噴單元噴嘴5均安裝在燃燒室頭部端壁6上，頭部端壁6通過螺栓與火焰筒7進行連接，旋流杯空氣霧化噴嘴3通過螺紋安裝在預燃室4上。預燃室4中燃燒所需要的燃油由預燃級油路2供給，同時3％-10％的空氣通過旋流杯空氣霧化噴嘴3進入到預燃室4中與燃油進行燃燒反應(yīng)。其中，燃燒過程起始所需要的能量由安裝在預燃室4壁面上的點火電嘴8提供，點火電嘴8表面放電產(chǎn)生高溫區(qū)直接點燃預燃室中的油氣混合物，使燃燒室成功啟動。主燃級油路1負責向預燃室4外圍的貧油直噴單元噴嘴5供油，55％-75％空氣則通過貧油直噴單元噴嘴5進入到燃燒室中參與燃燒。預燃室4壁面、頭部端壁6以及火焰筒壁7上開有氣膜冷卻、發(fā)散冷卻的小孔，利用剩余15％-40％的空氣來對壁面進行冷卻。

如圖2所示，單個燃燒室頭部的布局采用預燃室4在中心，多個貧油直噴單元噴嘴5環(huán)繞的排布方式。一個環(huán)形的主燃級油路1負責為單個燃燒室頭部上所有的貧油直噴單元噴嘴5供油，主燃級油路1上對應(yīng)每個貧油直噴單元噴嘴5的位置均設(shè)計有獨立的燃油出口。貧油直噴單元噴嘴5通過蓋板安裝在頭部端壁6。

如圖3所示為燃燒室頭部的局部結(jié)構(gòu)剖視圖，旋流杯空氣霧化噴嘴3由壓力霧化噴嘴9、一級旋流器10、二級旋流器11、文氏管12、出口套筒13構(gòu)成。其中一級旋流器10的形式可以為軸向葉片、斜切孔等，旋流數(shù)在0.7-1.2之間，進氣量占到整個旋流杯空氣霧化噴嘴3進氣量的20％-40％，二級旋流器11的形式可以是軸向葉片，旋流數(shù)在0.7-1.2之間，進氣量占到整個旋流杯空氣霧化噴嘴3進氣量的60％-80％。除壓力霧化噴嘴9外，其余部分焊接成為一個整體，壓力霧化噴嘴9可從其中心直接插入。

如圖4所示本實例所述的貧油直噴單元噴嘴5，采用將燃油預先展開成膜和空氣輔助霧化的方法，實現(xiàn)對燃料的快速均勻的霧化，降低燃燒時局部高溫區(qū)的出現(xiàn)，降低nox的生成。