一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，采用单环腔结构，燃烧室采用中心分级燃烧方式，燃烧室头部分为预燃级和主燃级，预燃级采用扩散燃烧与旋流预混燃烧相结合的方式，在保证燃烧稳定性的同时降低小工况的污染物排放；主燃级采用预混预蒸发燃烧方式，能有效的降低燃烧污染物。主燃级燃油路分为两级，每级燃油在预膜板上形成油膜，油膜在两股旋流作用下雾化、蒸发及掺混，形成均匀的油气混合物，有利于降低燃烧污染物；双油路的设计能够满足进场等中小工况下主燃级一级进行工作，起飞等大工况下主燃级两级均进行工作，有利于燃烧室不同工况下的油气匹配，进一步降低航空发动机燃烧室整个着陆起飞循环的污染排放水平。
【专利说明】一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空燃气轮机的【技术领域】，具体涉及一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，该燃烧室采用中心分级燃烧的模式，预燃级在中心，采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，用以保证燃烧室工作的稳定性和安全性，同时降低小工况下的污染排放；双油路主燃级在预燃级径向外围，采用预混预蒸发燃烧的方式，主燃级双油路的设计能够满足进场等中小工况下主燃级一级进行工作，起飞等大工况下主燃级两级均进行工作，有利于燃烧室不同工况下的油气匹配，有利于于降低整个燃烧室的污染排放，从而降低航空发动机整个着陆起飞循环(Landing and Take-off, LT0)循环的污染排放水平。
【背景技术】
[0002]现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于现代航空发动机燃烧室来说，仍然存在大量的难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念的发展应用才是保证其持续进步的源泉。现代民用航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。民用航空发动机燃烧室必须满足日益严格的航空发动机污染排放标准。目前采用的 CAEP6 (Committee on Aviation Environmental Protection)标准对污染排放物的规定已经非常严格，特别是对NOx污染排放要求；而最新的CAEP8标准提出了将NOx的排放在CAEP6的排放标准上降低15%，随着航空业的迅猛发展和人们环保意识的不断提高，未来对燃气轮机燃烧室污染排放会提出更高的要求。
[0003]美国航空发动机的两个著名公司GE和PW对低污染燃烧室早已着手研究，GE首先研发了双环腔低污染燃烧DAC (用于GE90和CFM56)，PW公司采用了 RQL (富油燃烧-淬熄-贫油燃烧，Rich burn-Quench-Lean burn,简称RQL)低污染燃烧室TALON II (用于PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃烧室方面，GE公司采用LDM(Lean Direct MixingCombustion,贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS (Twin AnnularPremixing Swirler)低污染燃烧室。该燃烧室在台架全环试验验证中，NOx污染排放比CAEP2排放标准降低了 50%。GE公司申请了多项美国专利:申请号6363726、6389815、6354072、6418726、0178732、6381964和6389815，所有这些专利都是预燃级采用扩散燃烧、主燃级采用预混燃烧的燃烧组织方式，目的是降低排放指数最大的大工况下的NOx排放。PW公司继续采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃烧室为TALON X，采用的头部形式是PW公司发展的空气雾化喷嘴，燃烧室为单环腔，在V2500发动机扇型试验段上的试验结果比CAEP2标准降低了 50%。Rolls-Royce公司采用LDM技术发展的低污染燃烧室是ANTLE，该燃烧室是一个单环腔分级燃烧室，其NOx污染排放比CAEP2标准降低了 50%，用于其新一代发动机湍达1000。
[0004]中国的北京航空航天大学对低污染燃烧室也申请了 200710178394.X、200810105062.3,200810105061.9,200810104686.3,200810104684.4,200910238793.X、201010101574.X,201010034141.7、201010277014.X等多项专利，采用的方案是预燃级采用扩散燃烧方式，主燃级采用预混燃烧方式，主燃级为环形结构，轴向或径向供油，采用多点喷射或是预膜雾化方式，目的是降低大工况下的NOx排放，从而使整个LTO循环的NOx的排放得到降低，但要进一步降低整个LTO循环的NOx的排放水平难度较大。
[0005]以上所述的专利，都是针对在大工况下降低污染排放，而根据国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)规定的一个标准循环下的排放物指数，用LTO Emission来表达这个参数，计算如下式:
【权利要求】
1.一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:燃烧室采用中心分级燃烧方案，分为预燃级(15)和双油路主燃级(14)，燃油杆(16)供给燃烧室所有燃油，燃油分为三路，包括预燃级油路(20)，主燃级一级油路(21)及主燃级二级油路(22 );所述双油路主燃级(14)通过头部整体端壁(19 )与火焰筒外壁(8 )和火焰筒内壁(9 )固定，预燃级(15)通过隔离段(17)与双油路主燃级(14)连接，并与双油路主燃级(14)同心；所述的双油路主燃级(14)采用四级旋流结构，由主燃级一级雾化轴向旋流器(31)、主燃级二级雾化轴向旋流器(32)、主燃级外旋流器(33)、主燃级内旋流器(34)、主燃级一级燃油预膜板(35)、主燃级二级燃油膜板(36)和主燃级外壁(37)组成；主燃级二级雾化轴向旋流器(32 )、主燃级外旋流器(33 )及主燃级外壁(37 )通过焊接形成主燃级外环整体，再通过主燃级外壁(37)和燃烧室头部端壁(19)连接到燃烧室头部；主燃级一级雾化轴向旋流器(31)和主燃级内旋流器(34)焊接成整体，然后通过主燃级一级雾化轴向旋流器(31)叶片外缘和主燃级集油环(42)内壁焊接成一个整体，构成双油路主燃级内环部分,主燃级集油环(42)外圆柱面和主燃级二级雾化轴向旋流器(32)内环面是安装配合面；集油环内端壁(52)、集油环外端壁(51)和主燃级集油环(42)内、外壁面焊接，构成内、外两个集油槽，分别是:一级燃油集油槽(45)和二级燃油集油槽(46);在主燃级集油环(42)外壁面上有主燃级二级燃油喷射孔(39)，喷射孔通过主燃级二级燃油分配孔(47)和二级燃油集油槽 (46)连通；主燃级集油环(42)内壁面上有主燃级一级燃油喷射孔(38)，喷射孔通过主燃级一级燃油分配孔(48)和一级燃油集油槽(45)连通；主燃级集油环(42)和燃油杆(16)在主燃级一级集油槽进油孔(43)、主燃级二级集油槽进油孔(44)位置处通过焊接成一个整体；预燃级燃油通过燃油杆(16)的预燃级油路(20)流进预燃级燃油喷嘴(23)中；双油路主燃级(14)燃油分别经过燃油杆(16)的主燃级一级油路(21)和主燃级二级油路(22)分别进入主燃级集油环(42)的一级燃油集油槽(45)和二级燃油集油槽(46)，再经由一级燃油喷射孔(38)及二级燃油喷射孔(39)分别喷入主燃级一级燃油雾化通道(40)和主燃级二级燃油雾化通道(41)中，一部分燃油在旋转气流作用下雾化蒸发，一部分燃油在主燃级一级燃油预膜板(35)和主燃级二级燃油膜板(36)上形成一级油膜(28)和二级油膜(29);主燃级一级燃油预膜板(35)的油膜在主燃级一级雾化轴向旋流器(31)的旋转气流与主燃级内旋流器(34)旋流气流共同作用下雾化破碎，主燃级二级燃油预膜板(36)的油膜在主燃级二级雾化轴向旋流器的旋转气流(32)与主燃级外旋流器(33)旋流气流共同作用下雾化破碎；在航空发动机慢车、进场等工况只有主燃级一级燃油喷射孔(38)处于喷油工作状况，而在航空发动机爬升、起飞大工况主燃级两级油路均处于工作状态；主燃级内的油雾在预混预蒸发段与空气掺混蒸发形成均匀混合可燃气，以一定的旋流形式进入火焰筒进行预混燃烧。
2.根据权利要求1所述的一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:所述预燃级(15)采用的旋流器的级数为I < η < 3 ;每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；当预燃级(15)的级数η=1时，旋流器直接与隔离段(17)连接；当预燃级(15)的级数l〈n ( 3时，各级旋流器先连接成一个整体，再与隔离段(17)连接；当预燃级(15)的级数l〈n< 3时，各级旋流器的旋流方向或是同旋，或是反旋。
3.根据权利要求1所述的一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:所述预燃级燃油喷嘴(23)结构是压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴，喷嘴流量数在8~22kg/(hr.MPa0-5)之间。
4.根据权利要求1所述的一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:所述双油路主燃级(14)中的主燃级一级雾化轴向旋流器(31)与主燃级二级雾化轴向旋流器(32)结构是轴向旋流器；主燃级外旋流器(33)结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；主燃级内旋流器(34)结构是径向旋流器，或是切向旋流器。
5.根据权利要求1所述的一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:所述双油路主燃级(14)的四级旋流中气流的旋向或为同旋，或为反旋，四股旋流最终汇为一股，以旋流形式进入燃烧室中。
6.根据权利要求1所述的一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:所述主燃级一级油路(21)及主燃级二级油路(22)中的主燃级燃油占总燃油量的比例为40%~90%。
7.根据权利要求1所述的一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:所述燃烧室头部(13)沿周向均匀布置，个数为12~30个，燃烧室头部(13)的空气量占燃烧室总空气量的40%~75%。
8.根据权利要求1所述的一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:所述 主燃级(14)占燃烧室头部(13)空气量的70%~90%，预燃级(15)燃烧室头部(13)空气量的10%~30%。
9.根据权利要求1所述的一种双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:所述燃烧室的火焰筒外壁(8)和火焰筒内壁(9)的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式。
10.根据权利要求1所述的双油路四旋流预膜式主燃级的预混预蒸发低污染燃烧室，其特征在于:由扩压器(10)、燃烧室外机匣(6)、燃烧室内机匣(7)、火焰筒外壁(8)、火焰筒内壁(9)和燃烧室头部(13)组成，扩压器(10)通过内、外壁和燃烧室外机匣(6)和燃烧室内机匣(7)焊接在一起，火焰筒外壁(8)通过后缘的支板和燃烧室外机匣(6)连接在一起，火焰筒内壁(9)通过后部的支板和燃烧室内机匣(7)连接固定；在火焰筒外壁(8)后部设置有火焰筒外环掺混孔(11)，在火焰筒内壁(9)后部设置有火焰筒内环掺混孔(12)，燃烧用空气全部由燃烧室头部(13)进入火焰筒，掺混空气由内环掺混孔(12)和外环掺混孔(11)进入火焰筒。
【文档编号】F23R3/32GK103697500SQ201310722586
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】林宇震, 李林, 张弛, 康尧 申请人:北京航空航天大学, 中航商用航空发动机有限责任公司