一种阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室及工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种阵列可调的九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室及工作方法，包括进气道，装配座，观察窗，燃烧腔体，九点阵列喷注结构，轴向旋流器，文氏管等结构。空气由进气道进入燃烧室，经过轴向旋流器产生高速旋流，燃料由喷嘴直接喷射到燃烧腔体中，每个喷嘴都插入到对应的轴向旋流器中，燃油在文氏管和旋流器出口产生的高速旋流的作用下雾化、破碎，空气与燃油在燃烧腔体中边混合边进行点火燃烧，喷入的燃油当量比小于1，即为贫油燃烧。本发明的清洁燃烧室结构，无需额外加工任何旋流器或零部件，即可实现多种旋流器头部阵列方式的转换，并提出了两种新的头部阵列方式，进一步发挥九点LDI燃烧室的低排放潜能。
【专利说明】
一种阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室及工作方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种阵列可调的九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室及工作方法，属于燃气涡轮发动机燃烧室清洁燃烧领域。
【背景技术】
[0002]随着大气污染的日益加剧，世界各国及国际组织对各种动力装置的排放标准作了明确的规范，随着一部部环保法律法规的出台，燃气涡轮发动机的污染物排放标准日益严苟1，比如在民航领域，国际民航组织(Internat1nal Civil Aviat1n Organizat1n,ICAO)自1986年颁布第一个排放标准CAEPl，到2010年修订了第五个排放标准CAEP8，仅从这一个领域的发展，就能看到清洁燃烧技术在全球范围内的广泛前景和迫切需求，也正是这些排放标准的日益严苛促进了清洁燃烧技术的不断发展和提高。
[0003]随着研究人员对燃烧温度、驻留时间、混气成分和油气状态等因素对燃气涡轮发动机污染物排放影响认识的逐渐加深，发展出了分区分级燃烧、贫油预混预蒸发(LeanPremixed Prevaporized,简称LPP)燃烧、富油/快速淬媳/贫油(Rich-Quench-Lean,简称RQL)燃烧、贫油直接喷射(Lean Direct In ject1n，简称LDI)燃烧、贫油直接混合(LeanDirect Mix，简称LDM)和双环腔预混技术等大量清洁燃烧技术。
[0004]贫油直接喷射(LDI)燃烧技术就是将燃料以贫油的方式直接喷入燃烧区，和空气快速混合形成均匀的可燃混气点火燃烧，正因为贫油直接喷射(LDI)燃烧室是将燃料直接喷射到主燃区与空气混合进行燃烧，而没有经过预混和预蒸发过程，因而解决了 LPP燃烧技术的回火和自燃问题，偏贫的油气比降低了主燃区火焰温度，降低了NOx的排放，同时均匀的可燃混气消除了局部热点，也能够降低NOx的排放。
[0005]多点LDI的概念是由TacinaR首先提出来应用于航空发动机的清洁燃烧室，是在NASA于上个世纪90年代提出的the High Speed Reaserch program下逐渐发展建立起来的，它的实现方式简单说来，就是通过在头部均匀阵列多个燃油喷嘴，每个燃油喷嘴都带有一个轴向旋流器和缩扩文氏管，燃油喷嘴直接将燃油喷射到燃烧区，空气经过旋流器产生高速旋流并在燃烧区头部形成一个回流区保证燃烧，进入燃烧区的空气和燃料接触后快速混合，形成均匀混气，充分燃烧，利用贫油燃烧在低污染上的潜力和直接喷射在避免回火、自燃等问题上的优势，同时实现了清洁燃烧和可靠工作。九点贫油直接喷射(LDI)燃烧室的基础结构头部包含九个旋流器文氏管，采用3x3的阵列方式，根据相邻的旋流器的旋向不同可以分为两种阵列方式，即同向和反向结构，所有旋流器旋向相同时称为同向结构，相邻两个旋流器旋向相反的结构称为反向结构。
[0006]本发明设计了一种阵列可调的九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室，无需额外加工任何旋流器或零部件即可实现四种旋流器头部阵列方式的切换；同时，以相邻旋流器出口旋流相互作用区域的流动剪切方向为依据，设计了两种新的九点头部阵列方式。本发明可以应用于燃气涡轮清洁燃烧领域，如工业发电、城市供暖、民用航空发动机等领域，推广先进的清洁燃烧技术，降低燃气涡轮发动机排放对环境的污染，特别的是用于九点LDI燃烧室的研究中，使用阵列可调的燃烧室结构，可以简化旋流器头部装拆流程，减少额外加工的成本，通过对新的头部旋流器阵列方式的研究，可以进一步发挥九点LDI燃烧室的低排放潜會K。
【发明内容】
[0007]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明拟解决的问题是以相邻旋流器出口旋流相互剪切的方向为依据，设计出两种新的旋流器阵列方式，同时为了实现头部旋流器阵列方式的转换，设计了一种阵列可调的九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室及工作方法，实现四种旋流器阵列方式之间的切换。
[0008]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0009]—种阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，包括通过装配座组合连接的进气道和燃烧腔体，其中，所述进气道的末端设置有九点阵列喷注结构；
[0010]所述装配座内末端设置有与所述九点阵列喷注结构的喷口一一对应的旋流器-文氏管;所述旋流器-文氏管为由轴向旋流器和文氏管依次连接所组成的组合结构，所述文氏管连通到所述燃烧腔体中；
[0011]所述九点阵列喷注结构的喷口连接有喷嘴，所述喷嘴的末端插入所述旋流器-文氏管的轴向旋流器中。
[0012]进一步的，所述装配座为前端开口的半封闭中空结构，末端设置旋流器安装孔，与所述九点阵列喷注结构的喷口一一对应;所述喷嘴以九点阵列的方式从所述装配座前段插入所述旋流器安装孔中，每一个旋流器安装孔从另一侧插入一个所述旋流器-文氏管，所述喷嘴深入所述旋流器-文氏管的喉道，燃油经由所述旋流器-文氏管进入所述燃烧腔体。
[0013]进一步的，所述九点阵列喷注结构的顶部有一凹槽，所述装配座的前端包含有凸台和台阶，所述台阶与所述九点阵列喷注结构的外廓尺寸配合，进行周向定位;所述凹槽和所述凸台配合，进行轴向定位。
[0014]进一步的，所述旋流器-文氏管带有两个凸台:前凸台和后凸台，所述装配座与所述旋流器-文氏管的接触位置设有两个阶梯槽:前槽及后槽;其中所述前槽和前凸台对应配合，所述后凸台和后槽对应配合，定位旋流器-文氏管。
[0015]进一步的，所述装配座通过法兰同进气道和燃烧腔体连接组成阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，所述法兰之间放垫片。垫片保证气密性。
[0016]进一步的，所述燃烧腔体的前端部位上设有观察窗。
[0017]进一步的，所述装配座的末端设置有旋流器头部挡板，所述旋流器-文氏管对应卡入其上开孔中固定。由旋流器头部挡板来固定旋流器-文氏管。
[0018]—种阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室的工作方法，包括以下步骤:
[0019]I)空气由进气道进入燃烧腔体，经过轴向旋流器时产生高速旋流；
[0020]2)燃料从九点阵列喷注结构进入，经由插入到对应的轴向旋流器中的喷嘴，通过文氏管(7)直接喷射到燃烧腔体中；通过所述轴向旋流器的叶片不同旋转方向的组合，形成不同形式的头部阵列方式；
[0021 ] 3)步骤2)中，燃油在文氏管和轴向旋流器出口产生的高速旋流的作用下雾化、破碎，空气与燃油在燃烧腔体中边混合边进行点火燃烧，喷入的燃油当量比小于I，即为贫油燃烧。
[0022]进一步的，所述步骤2)中，通过所述轴向旋流器的叶片不同旋转方向的组合，形成不同形式的头部阵列方式包括:
[0023]①相邻轴向旋流器之间相互作用区域流体的流动是同向；
[0024]②相邻轴向旋流器之间相互作用区域流体的流动是反向；
[0025]③任意两个相互作用的轴向旋流器之间的区域流动的方向全部相同；
[0026]④任意两个相互作用的轴向旋流器之间的区域流动的方向全部相反。
[0027]本发明的一种阵列可调的九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室及其方法，属于燃气涡轮发动机燃烧室清洁燃烧领域。阵列可调的九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室主要包括进气道，装配座，观察窗，燃烧腔体，九点阵列喷注结构，轴向旋流器，文氏管等结构。空气由进气道进入燃烧室，经过轴向旋流器产生高速旋流，燃料由喷嘴直接喷射到燃烧腔体中，每个喷嘴都插入到对应的轴向旋流器中，燃油在文氏管和旋流器出口产生的高速旋流的作用下雾化、破碎，空气与燃油在燃烧腔体中边混合边进行点火燃烧，喷入的燃油当量比小于I，即为贫油燃烧。本发明设计了一种阵列可调的九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室结构，无需额外加工任何旋流器或零部件，即可实现多种旋流器头部阵列方式的转换，并提出了两种新的头部阵列方式。本发明可以应用于燃气涡轮清洁燃烧领域，如工业发电、城市供暖、民用航空发动机等领域，推广先进的清洁燃烧技术，降低燃气涡轮发动机排放对环境的污染，特别的是用于九点LDI燃烧室的研究中，使用阵列可调的燃烧室结构，可以简化旋流器头部装拆流程，减少额外加工的成本，通过对新的头部旋流器阵列方式的研究，可以进一步发挥九点LDI燃烧室的低排放潜能。
[0028]有益效果:本发明提供的阵列可调的九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室及其方法，与现有技术相比的优点如下:
[0029]1.阵列可调的九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室结构简单，加工工艺与装配简单，主要包括了进气道，装配座，观察窗，燃烧腔体，九点阵列喷注结构，轴向旋流器，文氏管，其关键结构安装座可实现头部旋流器的装拆，在四种头部旋流器阵列方式之间灵活转换，无需额外加工旋流器或其他零部件，为工程应用装配提供了很大的便利。
[0030]2.新的两种头部旋流器阵列方式，丰富了相邻旋流器作用方向的组合，新的头部阵列方式，其头部流场结构与现有两种阵列方式不同，值得深入研究，以求更加透彻的研究与认识头部流场结构形成的复杂原因。
【附图说明】
[0031 ]图1为阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室结构半剖图；
[0032]图2为阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室装配座结构的装配示意图；
[0033]图3为阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室装配座结构半剖图；
[0034]图4为阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室头部阵列方式示意图。
[0035]图中:1进气道，2装配座，3燃烧腔体，4观察窗，5九点阵列喷注结构，6轴向旋流器，7文氏管，8旋流器安装孔，9旋流器-文氏管，10旋流器头部挡板，11喷嘴，12凹槽，13凸台，14台阶，15前凸台，16后凸台，17前槽，18后槽，19法兰，20旋流方向相同，21旋流方向相反。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0037]本发明所采用的阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室及其方法的方案是:根据相邻旋流器出口旋流相互交界处旋流方向的相同或相反分为同向流动或反向流动，考虑到九点旋流器中心对称的特性，对称位置的旋流器旋向和出口流向一致，设计出两种新的旋流器阵列方式，见图4所示CASE3和CASE4。
[0038]九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室头部的流动非常复杂，不同的旋流器旋向的组合会因为强相互作用产生不同的头部流场结构，在现有的公开研究成果中，九点贫油直接喷射(LDI)清洁燃烧室头部每个旋流器出口流体都会产生强湍流，形成一个弱回流区，但是由于相邻旋流器头部之间的相互作用，这个回流区无法在头部附近进一步扩张。如果将九点头部阵列方式分为A、B、C三级，A与B之间存在相互作用，B与C之间存在相互作用，而在公开成果中可见的CASEl和CASE2两种阵列方式中，任意两个相互作用的旋流器之间的区域流动的方向全部相同或全部相反，这两种阵列的头部流场有相同的特征又有着各自的特点:同向的阵列方式，各个出口旋流会逐渐融合成一个大的旋流并沿着原有方向旋转，但是却无法形成大的逆压力梯度产生回流区，反向的阵列方式会因相邻旋流方向相反无法融合，各自保持自己的旋流方向继续扩张，但它的旋流度衰减会大于同向旋流，但是这两种阵列方式都无法产生中心回流区。而本发明提出的两种新的阵列方式CASE3和CASE4，A与B之间的交界区域流体的相对流动方向与B、C级之间流体的相对流动方向是相反的，因此所产生的头部流场也会有新的特征。
[0039]图1给出了多点LDI燃烧室结构半剖图，该燃烧室主要包括进气道I，装配座2，观察窗3，燃烧腔体4，九点阵列喷注结构5，轴向旋流器6，文氏管7。空气由进气道I进入燃烧室，经过轴向旋流器6产生高速旋流，燃料由喷嘴11直接喷射到燃烧腔体3中，喷嘴为离心式喷嘴，采用九点阵列的方式，每个喷嘴11都插入到对应的轴向旋流器6中，燃油在文氏管7和旋流器出口产生的高速旋流的作用下雾化、破碎，空气与燃油在燃烧腔体4中混合后进行点火燃烧，喷入的燃油当量比小于I，即为贫油燃烧。
[0040]图2是多点LDI燃烧室装配座2结构的装配示意图，装配座2包括旋流器安装孔8、旋流器-文氏管9、旋流器头部挡板10、喷嘴11。图3喷嘴11以九点阵列的方式从装配座2前段进气段I方向插入装配座2上的旋流器安装孔8，每一个安装孔8从另一侧插入一个旋流器-文氏管9，喷嘴11深入文氏管的位置为文氏管的喉道，燃油恰好从文氏管进入燃烧腔体4 ο由旋流器头部挡板10来固定旋流器-文氏管9，挡板10压紧文氏管-旋流器9。当试验件需要改变燃烧室头部阵列的时候，只需取下旋流器头部挡板10，更换对应的旋流器即可实现。
[0041]图3是多点LDI燃烧室装配座结构半剖图，九点阵列喷注结构5顶部有一凹槽12，装配座前端包含有凸台13和台阶14，台阶14与九点喷注结构5的外廓尺寸配合，实现周向定位，凹槽12和凸台13配合，实现轴向定位。喷嘴11深入文氏管的位置为文氏管的喉道，燃油能恰好从文氏管进入燃烧腔体4。旋流器-文氏管9有两个凸台:前凸台15和后凸台16，装配座2有两个阶梯槽:前槽17及后槽18。其中前槽17和前凸台15对应定位旋流器-文氏管9，后凸台16和后槽18配合定位旋流器-文氏管9，挡板10压紧文氏管一旋流器9，由后槽18轴向定位。轴向定位的实现即后凸台16上有一个台阶，后槽18上有一个槽，台阶和槽对应的平面可以实现一个方向上的定位，另一个方向上由挡板10放入装配座2对应的槽，用螺栓固定即可实现定位。装配座2通过法兰19同进气道I和燃烧腔体4连接，法兰19之间放垫片保证气密性。
[0042]图4是多点LDI燃烧室头部阵列方式示意图，其中CASEl与CASE2是公开发表的文献中已有的两种阵列方式，CASE3和CASE4是本发明首次公开提出的两种阵列方式。图中20和21分别表示了相邻旋流器之间相互作用区域流体的流动是同向与反向，注意此处的同向和反向与并不表示旋流的旋向，仅仅表示在这一相互作用位置流体均从下往上(或从上往下)流动还是各自反向流动。
[0043]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，其特征在于:包括通过装配座(2)组合连接的进气道(I)和燃烧腔体(4)，其中，所述进气道(I)的末端设置有九点阵列喷注结构(5)； 所述装配座(2)内末端设置有与所述九点阵列喷注结构(5)的喷口一一对应的旋流器-文氏管(9);所述旋流器-文氏管(9)为由轴向旋流器(6)和文氏管(7)依次连接所组成的组合结构，所述文氏管(7)连通到所述燃烧腔体(4)中； 所述九点阵列喷注结构(5)的喷口连接有喷嘴(11)，所述喷嘴(11)的末端插入所述旋流器-文氏管(9)的轴向旋流器(6)中。2.根据权利要求1所述的阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，其特征在于:所述装配座(2)为前端开口的半封闭中空结构，末端设置旋流器安装孔(8)，与所述九点阵列喷注结构(5)的喷口一一对应;所述喷嘴(11)以九点阵列的方式从所述装配座(2)前段插入所述旋流器安装孔(8)中，每一个旋流器安装孔(8)从另一侧插入一个所述旋流器-文氏管(9)，所述喷嘴(11)深入所述旋流器-文氏管(9)的喉道，燃油经由所述旋流器-文氏管(9)进入所述燃烧腔体(4)。3.根据权利要求1所述的阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，其特征在于:所述九点阵列喷注结构(5)的顶部有一凹槽(12)，所述装配座(2)的前端包含有凸台(13)和台阶(14)，所述台阶(14)与所述九点阵列喷注结构(5)的外廓尺寸配合，进行周向定位;所述凹槽(12)和所述凸台(13)配合，进行轴向定位。4.根据权利要求1所述的阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，其特征在于:所述旋流器-文氏管(9)带有两个凸台:前凸台(15)和后凸台(16)，所述装配座(2)与所述旋流器-文氏管(9)的接触位置设有两个阶梯槽:前槽(17)及后槽(18);其中所述前槽(17)和前凸台(15)对应配合，所述后凸台(16)和后槽(18)对应配合，定位旋流器-文氏管(9)。5.根据权利要求1所述的阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，其特征在于:所述装配座(2)通过法兰(19)同进气道(I)和燃烧腔体(4)连接组成阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，所述法兰(19)之间放垫片。6.根据权利要求1所述的阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，其特征在于:所述燃烧腔体(4)的前端部位上设有观察窗(3)。7.根据权利要求1所述的阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室，其特征在于:所述装配座(2)的末端设置有旋流器头部挡板(10)，所述旋流器-文氏管(9)对应卡入其上开孔中固定。8.—种阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室的工作方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)空气由进气道(I)进入燃烧腔体(4)，经过轴向旋流器时产生高速旋流； 2)燃料从九点阵列喷注结构(5)进入，经由插入到对应的轴向旋流器(6)中的喷嘴(11)，通过文氏管(7)直接喷射到燃烧腔体(4)中；通过所述轴向旋流器(6)的叶片不同旋转方向的组合，形成不同形式的头部阵列方式； 3)步骤2)中，燃油在文氏管(7)和轴向旋流器(6)出口产生的高速旋流的作用下雾化、破碎，空气与燃油在燃烧腔体(4)中边混合边进行点火燃烧，喷入的燃油当量比小于I，即为贫油燃烧。9.根据权利要求8所述的阵列可调的九点贫油直接喷射清洁燃烧室的工作方法，其特征在于:所述步骤2)中，通过所述轴向旋流器(6)的叶片不同旋转方向的组合，形成不同形式的头部阵列方式包括: ①相邻轴向旋流器之间相互作用区域流体的流动是同向； ②相邻轴向旋流器之间相互作用区域流体的流动是反向； ③任意两个相互作用的轴向旋流器之间的区域流动的方向全部相同； ④任意两个相互作用的轴向旋流器之间的区域流动的方向全部相反。
【文档编号】F23R3/38GK106051827SQ201610532206
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】李建中, 李文杰
【申请人】南京航空航天大学