一種預(yù)燃級(jí)rql,主燃級(jí)lpp的中心分級(jí)低污染燃燒室的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種預(yù)燃級(jí)RQL，主燃級(jí)LPP的中心分級(jí)低污染燃燒室。該燃燒室采用分級(jí)燃燒的模式，預(yù)燃級(jí)在中心，采用富油燃燒-快速烊熄-貧油燃燒(RQL)方式，在保證燃燒室穩(wěn)定燃燒的同時(shí)，降低小工況下的污染排放；主燃級(jí)在預(yù)燃級(jí)外圍，采用預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒的方式，主要用于降低大工況下的污染排放，從而降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)著陸起飛循環(huán)(Landing and Take-off, LTO)循環(huán)的污染排放。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的基本性能和結(jié)構(gòu)分布已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，但是對(duì)于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)用才是保證其持續(xù)進(jìn)步的源泉。
[0003]現(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的主要發(fā)展趨勢(shì)是低污染燃燒。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室必須滿足日益嚴(yán)格的航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放標(biāo)準(zhǔn)。目前采用的CAEP6 (Committee onAviat1n Environmental Protect1n)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染排放物的規(guī)定已經(jīng)非常嚴(yán)格，特別是對(duì)NOx污染排放要求；而最新的CAEP8標(biāo)準(zhǔn)提出了將NOx的排放在CAEP6的排放標(biāo)準(zhǔn)上降低15%，隨著航空業(yè)的迅猛發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，未來對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室污染排放會(huì)提出更高的要求。
[0004]美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)著名公司GE和PW對(duì)低污染燃燒室早已著手研宄，GE首先研發(fā)了雙環(huán)腔低污染燃燒DAC(用于GE90和CFM56)，Pff公司采用了 RQL(富油燃燒-淬媳-貧油燃燒，Rich burn-Quench-Lean burn，簡(jiǎn)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 MixingCombust1n，貧油直接混合燃燒室)技術(shù)為其GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)研制的TAPS (Twin AnnularPremixing Swirler)低污染燃燒室。該燃燒室在臺(tái)架全環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證中，NOx污染排放比CAEP2排放標(biāo)準(zhǔn)降低了 50%。GE公司申請(qǐng)了多項(xiàng)美國(guó)專利:申請(qǐng)?zhí)?363726、6389815、6354072、6418726、0178732、6381964和6389815，所有這些專利都是預(yù)燃級(jí)采用擴(kuò)散燃燒、主燃級(jí)采用預(yù)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(dòng)機(jī)扇型試驗(yàn)段上的試驗(yàn)結(jié)果比CAEP2標(biāo)準(zhǔn)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(gè)單環(huán)腔分級(jí)燃燒室，其NOx污染排放比CAEP2標(biāo)準(zhǔn)降低了 50%，用于其新一代發(fā)動(dòng)機(jī)湍達(dá)1000。
[0005]中國(guó)的北京航空航天大學(xué)對(duì)低污染燃燒室也申請(qǐng)了 200910238793.X、201010101574.X,201010034141.7,201010277014.X、201210335832X、2013102448658、等多項(xiàng)專利，大部分專利集中于主燃級(jí)進(jìn)氣排布及供油方式的創(chuàng)新，使得主級(jí)油氣混合更加均勻，從而降低NOx的排放。但是考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定燃燒室性能，預(yù)燃級(jí)都采用了擴(kuò)散燃燒方式。
[0006]由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化范圍廣，慢車油氣比與大狀態(tài)油氣比的比例大致為1:2，所以考慮到慢車狀態(tài)下的貧熄性能，預(yù)燃級(jí)頭部一般為富油設(shè)計(jì)，這就使得燃燒室內(nèi)各工況下的預(yù)燃區(qū)域的局部當(dāng)量比都大于1，產(chǎn)生局部高溫區(qū)域，成為NOx排放進(jìn)一步降低的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種預(yù)燃級(jí)為富油烊熄貧燃(Rich burn-Quench-Lean burn，RQL)預(yù)燃室，主燃級(jí)為貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(Lean PremixedPrevaporized, LPP)環(huán)形通道的中心分級(jí)低污染燃燒室，將已經(jīng)在低污染燃燒室中應(yīng)用成熟的RQL燃燒概念應(yīng)用于中心分級(jí)低污染燃燒室的預(yù)燃級(jí)。采用RQL概念的預(yù)燃級(jí)擴(kuò)展為預(yù)燃室，從而使得小工況慢車狀態(tài)下的貧熄性能與燃燒性能分開。既能保證預(yù)燃室整體處于貧油燃燒狀態(tài)，降低了燃燒溫度，從而降低了 NOx排放，而且又保證存在有富油擴(kuò)散燃燒的值班級(jí)，保證了小工況的穩(wěn)定燃燒。大工況下，相應(yīng)的調(diào)節(jié)預(yù)燃室與主燃級(jí)的燃油供給分配，可以使得主燃級(jí)與預(yù)燃室的局部當(dāng)量比都處于貧油燃燒狀態(tài)，有效控制了發(fā)動(dòng)機(jī)的污染排放，尤其是NOx的排放。所以，預(yù)燃室的引入可以從原理上提升低污染燃燒室降低排放能力，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)LTO循環(huán)的污染排放達(dá)到一個(gè)更低的程度。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種預(yù)燃級(jí)RQL，主燃級(jí)LPP的中心分級(jí)低污染燃燒室，該低污染燃燒室采用單環(huán)腔結(jié)構(gòu)，由擴(kuò)壓器、燃燒室外機(jī)匣、燃燒室內(nèi)機(jī)匣、火焰筒外壁、火焰筒內(nèi)壁和燃燒室頭部組成；燃燒用空氣全部由燃燒室頭部進(jìn)入火焰筒；采用分級(jí)燃燒方案，分為預(yù)燃室和主燃級(jí)，預(yù)燃室燃油通過預(yù)燃室供油路供給，主燃級(jí)燃油通過主燃級(jí)供油路供給，預(yù)燃室與主燃級(jí)同心；所述預(yù)燃室由旋流空氣霧化噴嘴、預(yù)燃室筒壁、預(yù)燃室頭部擋濺板、烊熄段組成；烊熄段氣流的加入使得預(yù)燃室由富油燃燒快速變?yōu)樨氂腿紵档土宋廴九欧拧?br>[0009]進(jìn)一步的，所述的燃燒室頭部沿周向均勻布置，個(gè)數(shù)為15?30個(gè)，燃燒室頭部的空氣量占燃燒室總空氣量的50%?80%，其中預(yù)燃室占頭部空氣量的20% -50%，主燃級(jí)占頭部空氣量的50%?80%。
[0010]進(jìn)一步的，所述旋流空氣霧化噴嘴在各個(gè)燃燒工況中充當(dāng)值班級(jí)，旋流空氣霧化噴嘴由壓力霧化噴嘴、一級(jí)旋流器、一級(jí)收口段、二級(jí)旋流器和外環(huán)套筒構(gòu)成，壓力霧化噴嘴為雙油路離心噴嘴，一級(jí)旋流器的形式可以是斜切孔、軸向葉片或者槽道，旋流數(shù)在
0.6?1.2之間，二級(jí)旋流器的形式可以是軸向葉片或者槽道，旋流數(shù)在0.6?1.2之間，一級(jí)旋流器、一級(jí)收口段、二級(jí)旋流器和外環(huán)套筒通過焊接成一整體，壓力霧化噴嘴直接插入一級(jí)旋流器中；旋流空氣霧化噴嘴空氣量占預(yù)燃室空氣量的10%?40%，其中一級(jí)旋流器進(jìn)氣量占空氣旋流杯霧化噴嘴空氣量的20%?50%，二級(jí)旋流器進(jìn)氣量占空氣旋流杯霧化噴嘴空氣量的50%?80%。
[0011 ] 進(jìn)一步的，所述烊熄段由烊熄小孔、烊熄大孔組成，烊熄孔中心線與預(yù)燃室筒壁垂直或者成一角度，這個(gè)角度變化范圍在60°?120°之間，烊熄小孔與烊熄大孔交錯(cuò)排列且個(gè)數(shù)相同，烊熄孔個(gè)數(shù)變化范圍在4-10之間，烊熄小孔的孔徑變化范圍為I?8mm，烊熄大孔的孔徑變化范圍為4?15_，通過烊熄孔的空氣量占預(yù)燃室空氣量的40%?70%，從而形成強(qiáng)力的烊熄作用，將旋流空氣霧化噴嘴富油擴(kuò)散燃燒降低為貧油燃燒，降低污染排放。
[0012]進(jìn)一步的，所述烊熄段的烊熄孔形式可以是圓孔、方孔、漏斗孔、縫槽，而且可以存在周向入射角度，使得烊熄孔射流存在旋向，達(dá)到與上游空氣旋流杯霧化噴嘴擴(kuò)散火焰快速烊熄、充分混合的目的。
[0013]進(jìn)一步的，發(fā)動(dòng)機(jī)慢車工況下，預(yù)燃室供油路供給燃油，通過壓力霧化噴嘴的副油路進(jìn)入預(yù)燃室，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)場(chǎng)工況下，預(yù)燃室供油路供給燃油，通過壓力霧化噴嘴的副油路和主油路共同進(jìn)入預(yù)燃室，發(fā)動(dòng)機(jī)爬升、巡航、起飛工況，預(yù)燃室供油路與主燃級(jí)供油路一起供給燃油，主燃級(jí)燃油占總?cè)加土康谋壤秊?0% -90%。
[0014]進(jìn)一步的，所述燃燒室的火焰筒外壁和火焰筒內(nèi)壁的冷卻方式采用氣膜冷卻、發(fā)散冷卻或復(fù)合冷卻方式，以對(duì)壁面溫度進(jìn)行控制延長(zhǎng)火焰筒的壽命。
[0015]本發(fā)明的原理如下:通過控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒區(qū)內(nèi)的局部當(dāng)量比來達(dá)到降低污染排放的目的。中心分級(jí)燃燒室主燃級(jí)采用常用的LPP燃燒方式，貧油預(yù)混燃燒降低了大工況下污染排放，預(yù)燃級(jí)采用預(yù)燃室RQL燃燒方式，這種設(shè)計(jì)從原理上解決了以往中心分級(jí)燃燒室預(yù)燃級(jí)設(shè)計(jì)的困境:預(yù)燃級(jí)擴(kuò)散燃燒既要保證各工況下火焰穩(wěn)定，又要考量富油燃燒帶來的局部高溫區(qū)域所產(chǎn)生的NOx排放。預(yù)燃室的引入主要功能是RQL特殊的燃燒方式解決了小工況下火焰穩(wěn)定的問題，可以使得小工況下在狀態(tài)點(diǎn)時(shí)預(yù)燃室整體處于貧油燃燒模式，而且預(yù)燃室的頭部又存在富油值班級(jí)使得燃燒室可以穩(wěn)定的燃燒。預(yù)燃室RQL燃燒方式既保證了燃燒室各個(gè)工況下能夠穩(wěn)定燃燒，而且又能保證各個(gè)工況下的預(yù)燃室整體當(dāng)量比都處于貧油燃燒，降低了污染排放。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)如下:
[0017](I)、本發(fā)明在中心分級(jí)低污染燃燒室中預(yù)燃級(jí)采用RQL燃燒方式的預(yù)燃室，將慢車狀態(tài)點(diǎn)的局部模式由以往的富油燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)樨氂腿紵砩辖档土?NOx的排放。
[0018](2)、本發(fā)明在中心分級(jí)低污染燃燒室中預(yù)燃級(jí)采用RQL燃燒方式的預(yù)燃室，在發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)工況下，預(yù)燃室的頭部時(shí)刻存在富油值班級(jí)保證火焰穩(wěn)定，可以通過調(diào)節(jié)燃油分配使得預(yù)燃室、主燃級(jí)的局部當(dāng)量比都處于貧油燃燒狀態(tài)，而以往的燃燒室各工況下預(yù)燃級(jí)為富油燃燒狀態(tài)，相比之有效降低了各個(gè)工況下的NOx排放。
[0019](3)、本發(fā)明所采用的RQL預(yù)燃室概念成熟，應(yīng)用廣泛，其燃燒組織模式認(rèn)識(shí)較為清晰，可以直接應(yīng)用于中心分級(jí)燃燒室的預(yù)燃級(jí)，易于對(duì)現(xiàn)有燃燒室進(jìn)行改進(jìn)，通過簡(jiǎn)單