一種多級低污染燃燒系統(tǒng)及燃燒室的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種多級低污染燃燒系統(tǒng)及燃燒室，其中，多級低污染燃燒系統(tǒng)包括采用環(huán)腔中心分級結構設置，且能夠獨立開啟或關閉的預燃級、中間級和主燃級，所述預燃級、中間級和主燃級沿徑向由內向外依次設置；所述預燃級包括預燃級套筒，所述預燃級套筒內設置有預燃級噴嘴和預燃級旋流器；所述中間級包括中間級套筒，所述中間級套筒內設置有中間級噴嘴和中間級旋流器；所述主燃級包括主燃級套筒，所述主燃級套筒內設置有主燃級噴嘴和主燃級旋流器。本實用新型采用中心分級燃燒概念，能夠使油氣混合更加充分均勻，進一步降低了燃燒室的摻混用氣量和污染物的排放，確保了燃燒室的穩(wěn)定性。
【專利說明】一種多級低污染燃燒系統(tǒng)及燃燒室

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及能源與動力燃燒裝置領域，特別涉及一種多級低污染燃燒系統(tǒng)及燃燒室。

【背景技術】
[0002]隨著大氣環(huán)境問題在世界范圍內受到越來越多的關注，對于航空發(fā)動機污染物排放要求也是越來越嚴苛。下一代航空發(fā)動機產品市場需求表明，氮氧化物(NOx)的排放量比現(xiàn)行國際民航組織(ICAO)規(guī)定標準CAEP6要進一步減少45%?60%左右，其它排放物包括一氧化碳(CO)、未燃碳氫(UHC)和煙霧(smoke)排放值同樣需要進一步降低。
[0003]研究表明，控制燃燒室內的燃燒反應溫度是控制NOx污染排放的關鍵，而控制燃燒反應溫度的主要技術途徑之一就是采用貧油預混燃燒模式。但是在地面慢車、起動點火等工作狀態(tài)下，又需要局部燃燒區(qū)采用富油燃燒的油氣匹配方式，以維持燃燒穩(wěn)定性，同時降低小功率狀態(tài)下CO和UHC的排放。為了緩解大功率狀態(tài)下NOx排放和小功率狀態(tài)下CO、UHC排放的矛盾，一般采用分級燃燒的模式，以保證發(fā)動機在各種工況下其燃燒室各局部區(qū)域均以接近各自最佳燃油空氣匹配模式進行高效穩(wěn)定的燃燒反應。
[0004]分級燃燒技術在航空發(fā)動機燃燒室上已得到成功應用，比如:GE90發(fā)動機采用的雙環(huán)腔燃燒室分級燃燒技術；GEnx發(fā)動機采用的中心分級燃燒技術等。而采用中心分級燃燒技術由于結構緊湊、分區(qū)貧油燃燒控制NOx效果較好等優(yōu)點，已是低排放燃燒室發(fā)展的趨勢。但是對于長壽命、低排放燃燒室，需要同時考慮到燃燒室低排放、燃燒效率高以及燃燒室出口溫度分布的要求，對于一般中心分級燃燒室，仍未能很好地解決分區(qū)后各反應區(qū)之間互相影響、分級點附近燃燒效率低下、主燃級油氣混合不充分、不均勻、燃油霧化質量差等問題，同時也存在出口溫度分布較差及小功率狀態(tài)燃燒效率低的問題。
實用新型內容
[0005]針對上述問題，本實用新型的目的是提出一種多級低污染燃燒系統(tǒng)及燃燒室，其能夠使主燃區(qū)油氣混合更加充分、均勻，進一步提高燃燒效率。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種多級低污染燃燒系統(tǒng)，其包括采用環(huán)腔中心分級結構設置，且能夠獨立開啟或關閉的預燃級、中間級和主燃級，所述預燃級、中間級和主燃級沿徑向由內向外依次設置；
[0007]所述預燃級包括預燃級套筒，所述預燃級套筒內設置有預燃級噴嘴和預燃級旋流器；所述中間級包括中間級套筒，所述中間級套筒內設置有中間級噴嘴和中間級旋流器；所述主燃級包括主燃級套筒，所述主燃級套筒內設置有主燃級噴嘴和主燃級旋流器。
[0008]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述預燃級套筒為文氏管，所述預燃級噴嘴為離心式噴嘴，所述預燃級旋流器為軸向旋流器；所述離心式噴嘴設置在所述文氏管內，所述軸向旋流器設置在所述離心式噴嘴與所述文氏管之間。
[0009]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述中間級還包括中間級前端壁，所述中間級噴嘴為中間級直射式噴嘴，所述中間級旋流器為中間級徑向旋流器；所述中間級前端壁和中間級套筒設置在所述文氏管的外周向，所述中間級徑向旋流器設置在所述中間級前端壁與所述中間級套筒之間，所述中間級直射式噴嘴設置在所述中間級前端壁上。
[0010]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述主燃級還包括主燃級前端壁，所述主燃級噴嘴為主燃級直射式噴嘴，所述主燃級旋流器為主燃級徑向旋流器；所述主燃級前端壁和主燃級套筒設置在所述中間級套筒的外周向，所述主燃級徑向旋流器設置在所述主燃級前端壁與所述主燃級套筒之間，所述主燃級直射式噴嘴設置在所述中間級套筒上。
[0011]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述文氏管的軸向截面沿所述離心式噴嘴的噴射方向呈先收縮后逐漸擴張的結構，形成預燃級氣流通道。
[0012]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述中間級套筒的軸向截面沿所述中間級直射式噴嘴的噴射方向呈先收縮后逐漸擴張的結構，所述中間級套筒與所述文氏管之間形成中間級氣流通道。
[0013]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述主燃級套筒的軸向截面沿所述主燃級直射式噴嘴的噴射方向呈逐漸擴張的結構，所述主燃級套筒與所述中間級套筒之間形成主燃級氣流通道。
[0014]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述預燃級的所述軸向旋流器的葉片的角度范圍為30°?60°，所述中間級徑向旋流器的葉片的角度范圍為30°?70°，所述主燃級徑向旋流器的葉片的角度范圍為30°?60°。
[0015]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述中間級前端壁上沿周向設置有6?16個所述中間級直射式噴嘴，所述中間級套筒上沿周向設置有6?20個所述主燃級直射式噴嘴。
[0016]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型還提供了一種燃燒室，其包括燃燒室頭部，所述燃燒室頭部設置有上述任一實施例中的多級低污染燃燒系統(tǒng)。
[0017]基于上述技術方案，本實用新型至少具有以下有益效果:
[0018]本實用新型采用中心分級燃燒概念，設置有預燃級、中間級和主燃級三個燃燒區(qū)，通過預燃級提供穩(wěn)火源，以保證整個燃燒室工作的穩(wěn)定性和安全性，通過中間級和主燃級預混預蒸發(fā)，實現(xiàn)低污染燃燒，進而能夠使油氣混合更加充分均勻，并能夠對燃燒室的出口溫度分布起到很好的調節(jié)作用，降低了燃燒室的摻混用氣量和污染物的排放，確保了燃燒室的穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中:
[0020]圖1為本實用新型提供的多級低污染燃燒系統(tǒng)的結構示意圖。
[0021]附圖中:
[0022]10-預燃級；11-文氏管；12-離心式噴嘴；13-軸向旋流器；
[0023]20-中間級；21_中間級套筒；22_中間級直射式噴嘴；23_中間級徑向旋流器；24-中間級前端壁；
[0024]30-主燃級；31_主燃級套筒；32_主燃級直射式噴嘴；33_主燃級徑向旋流器；34-主燃級前端壁。

【具體實施方式】
[0025]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0026]首先對本實用新型中用到的技術術語進行解釋。
[0027]燃燒室:在燃氣輪機中，用于組織燃料發(fā)生燃燒反應的部件。
[0028]分級燃燒:一種降低排放所采用的燃燒策略，有軸向分級、徑向分級和中心分級等分級策略。
[0029]主燃級:燃燒室中心分級策略中主要燃燒的一級稱為主燃級，通常在小工況下關閉、在其它工況下開啟。
[0030]中間級:通常在進場狀態(tài)開始開啟，用于提高進場狀態(tài)的效率，降低排放。
[0031]預燃級:也稱為值班級，通常處于常開狀態(tài)，用于起動和增加火焰穩(wěn)定性能。
[0032]本實用新型提供的多級低污染燃燒系統(tǒng)集燃油噴射與混合一體設置，主要包括多路燃油噴射通道和多級旋流器，能夠進一步促進燃油的霧化，使主燃區(qū)的油氣混合更加充分、均勻，進一步提高燃燒效率。
[0033]如圖1所示，本實用新型提供的多級低污染燃燒系統(tǒng)具體包括采用環(huán)腔中心分級結構設置，且能夠獨立開啟或關閉的預燃級10、中間級20和主燃級30，預燃級10、中間級20和主燃級30沿徑向由內向外依次設置。
[0034]預燃級10包括預燃級套筒，預燃級套筒內設置有預燃級噴嘴和預燃級旋流器；預燃級套筒可以采用文氏管11，預燃級噴嘴可以采用離心式噴嘴12，預燃級旋流器可以采用軸向旋流器13。
[0035]中間級包括中間級套筒21，中間級套筒21內設置有中間級噴嘴和中間級旋流器；中間級噴嘴可以采用中間級直射式噴嘴22，中間級旋流器可以采用中間級徑向旋流器23。
[0036]主燃級包括主燃級套筒31，主燃級套筒31內設置有主燃級噴嘴和主燃級旋流器；主燃級噴嘴可以采用主燃級直射式噴嘴32，主燃級旋流器可以采用主燃級徑向旋流器33。
[0037]預燃級10、中間級20和主燃級30呈中心分級的方式設置，均能夠獨立開啟或關閉。
[0038]在低工況(該工況下的推力與發(fā)動機的額定推力的比值范圍為0%?30% )下，僅預燃級10工作，使得小工況時火焰穩(wěn)定性好，燃燒效率高，雖然停留時間長、火焰溫度高對控制NOx生成不利，但此時NOx排放有限。
[0039]在中等工況(該工況下的推力與發(fā)動機的額定推力的比值范圍為30%?60% )下，預燃級10與中間級20共同工作，中間級20的油氣混合較為均勻，由于中間級20的油氣比小于化學當量比，且中間級20的燃燒區(qū)緊鄰預燃級10的燃燒區(qū)，因而能在有效控制NOx生成的同時保持有較高的燃燒效率。
[0040]在大工況(該工況下的推力與發(fā)動機的額定推力的比值范圍為60 %?100 % )下，預燃級10、中間級20和主燃級30全部打開共同工作，保證油氣充分混合，此時燃燒室進口條件對燃燒十分有利，主燃級30的燃燒效率可保持很高水平。
[0041]本實用新型提供的上述預燃級10、中心級20和主燃級30的中心分級策略，可在大幅度降低NOx、CO、UHC和煙霧等污染排放的同時兼顧燃燒室的性能。
[0042]如圖1所示，為本實用新型提供的多級低污染燃燒系統(tǒng)的一具體的示意性但非限制性實施例，在該實施例中，多級低污染燃燒系統(tǒng)包括沿徑向由內向外依次設置的預燃級
10、中間級20和主燃級30。
[0043]預燃級10包括文氏管11、離心式噴嘴12和軸向旋流器13 ;離心式噴嘴12設置在文氏管11內，軸向旋流器13設置在離心式噴嘴12與文氏管11之間。
[0044]其中，文氏管11的內壁面為收縮-擴張的型面，即文氏管11的軸向截面14沿離心式噴嘴12的噴射方向呈先收縮后逐漸擴張的結構，形成預燃級氣流通道。燃油從離心式噴嘴12噴出，在接觸到文氏管11的內壁面時形成一層薄油膜，該薄油膜在文氏管11的唇口噴出，油膜兩側分別是預燃級10的軸向旋流器13和中間級20的中間級徑向旋流器23所形成的旋流氣流，在其剪切作用下霧化，并噴入燃燒室。
[0045]中間級20包括中間級套筒21、中間級直射式噴嘴22、中間級徑向旋流器23和中間級前端壁24 ;中間級前端壁24和中間級套筒21設置在文氏管11的外周向，中間級徑向旋流器23設置在中間級前端壁24與中間級套筒21之間，中間級直射式噴嘴22設置在中間級前端壁24上。
[0046]其中，中間級套筒21的內壁面為收縮-擴張的型面，即中間級套筒21的軸向截面25沿中間級直射式噴嘴22的噴射方向呈先收縮后逐漸擴張的結構，中間級套筒21與文氏管11之間形成中間級氣流通道。中間級直射式噴嘴22的噴口穿過中間級前端壁24，燃油從中間級直射式噴嘴22進入中間級20的氣流通道中，燃油在該通道內霧化蒸發(fā)并形成均勻混氣進入燃燒室。
[0047]主燃級30包括主燃級套筒31、主燃級直射式噴嘴32、主燃級徑向旋流器33和主燃級前端壁34 ;主燃級前端壁34和主燃級套筒31設置在中間級套筒21的外周向，主燃級徑向旋流器33設置在主燃級前端壁34與主燃級套筒31之間，主燃級直射式噴嘴32設置在中間級套筒21上。
[0048]主燃級套筒31的軸向截面35沿主燃級直射式噴嘴32的噴射方向也可以呈逐漸擴張的結構，主燃級套筒31與中間級套筒21之間形成主燃級氣流通道。主燃級直射式噴嘴32的噴口穿過中間級套筒21的外壁面，燃油從主燃級直射式噴嘴32噴入主燃級30的氣流通道中，燃油在該通道內霧化蒸發(fā)并形成均勻混氣進入燃燒室。
[0049]在上述示意性但非限制性實施例中，預燃級10的軸向旋流器13的葉片的角度范圍可以為30°?60°，中間級徑向旋流器23的葉片的角度范圍可以為30°?70°，主燃級徑向旋流器33的葉片的角度范圍可以為30°?60°。
[0050]在上述示意性但非限制性實施例中，預燃級10的軸向旋流器13的旋向與中間級徑向旋流器23的旋向同向或異向，中間級徑向旋流器23的旋向與主燃級徑向旋流器33的旋向同向或異向。
[0051]在上述示意性但非限制性實施例中，中間級直射式噴嘴22在中間級前端壁24的內壁面沿周向可以均勻布置6?16個，主燃級直射式噴嘴32在中間級套筒21的外壁面沿周向可以均勻布置6?20個。
[0052]本實用新型提供的多級低污染燃燒系統(tǒng)可以用在燃燒室上。
[0053]在本實用新型提供的燃燒室的示意性但非限制性實施例中，燃燒室包括燃燒室頭部，燃燒室頭部設置有上述任一實施例中的多級低污染燃燒系統(tǒng)，因此，該燃燒室相應的具備多級低污染燃燒系統(tǒng)的有益效果。
[0054]在上述示意性但非限制性實施例中，多級低污染燃燒系統(tǒng)采用單環(huán)腔中心分級的燃燒組織策略，燃燒室頭部沿徑向由內到外依次包含預燃級10、中間級20和主燃級30?；鹧嫱惭貜较蛴腥齻€同心的環(huán)狀燃燒區(qū)，可以不改變空氣分配比例，通過發(fā)動機工況條件的變化改變燃油分配以改變油氣比，從而控制燃燒溫度。
[0055]基于上述描述，可以推導出本實用新型至少具有以下有益效果:
[0056]I)本實用新型采用中心分級燃燒概念，預燃級10提供穩(wěn)火源，保證整個燃燒室工作的穩(wěn)定性和安全性，預混預蒸發(fā)的中間級20與主燃級30實現(xiàn)低污染燃燒；這種燃燒組織方式在能夠有效降低整個LTO (著路-起飛循環(huán))循環(huán)的污染排放水平的同時可確保航空發(fā)動機燃燒室的穩(wěn)定性；
[0057]2)本實用新型采用的預燃級10、中間級20與主燃級30的分級燃燒策略，在中等工況下能有效控制NOx生成的同時保持有較高的燃燒效率；
[0058]3)本實用新型采用的預燃級10、中間級20與主燃級30的分級燃燒策略，使燃油的分配進一步精細化，有利于控制NOx的產生；
[0059]4)燃燒室頭部的油氣混合更加充分均勻，可以對燃燒室出口溫度分布起到很好的調節(jié)作用，降低燃燒室的摻混用氣量；
[0060]5)本實用新型燃燒室采用單環(huán)腔燃燒室結構，頭部包含預燃級10、中間級20與主燃級30三級油路，在控制燃燒室NOx排放的同時降低燃燒室頭部結構的復雜性及重量。
[0061]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本實用新型的【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；而不脫離本實用新型技術方案的精神，其均應涵蓋在本實用新型請求保護的技術方案范圍當中。
【權利要求】
1.一種多級低污染燃燒系統(tǒng)，其特征在于:包括采用環(huán)腔中心分級結構設置，且能夠獨立開啟或關閉的預燃級、中間級和主燃級，所述預燃級、中間級和主燃級沿徑向由內向外依次設置； 所述預燃級包括預燃級套筒，所述預燃級套筒內設置有預燃級噴嘴和預燃級旋流器；所述中間級包括中間級套筒，所述中間級套筒內設置有中間級噴嘴和中間級旋流器；所述主燃級包括主燃級套筒，所述主燃級套筒內設置有主燃級噴嘴和主燃級旋流器。
2.根據(jù)權利要求1所述的多級低污染燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述預燃級套筒為文氏管，所述預燃級噴嘴為離心式噴嘴，所述預燃級旋流器為軸向旋流器；所述離心式噴嘴設置在所述文氏管內，所述軸向旋流器設置在所述離心式噴嘴與所述文氏管之間。
3.根據(jù)權利要求2所述的多級低污染燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述中間級還包括中間級前端壁，所述中間級噴嘴為中間級直射式噴嘴，所述中間級旋流器為中間級徑向旋流器；所述中間級前端壁和中間級套筒設置在所述文氏管的外周向，所述中間級徑向旋流器設置在所述中間級前端壁與所述中間級套筒之間，所述中間級直射式噴嘴設置在所述中間級前端壁上。
4.根據(jù)權利要求3所述的多級低污染燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述主燃級還包括主燃級前端壁，所述主燃級噴嘴為主燃級直射式噴嘴，所述主燃級旋流器為主燃級徑向旋流器；所述主燃級前端壁和主燃級套筒設置在所述中間級套筒的外周向，所述主燃級徑向旋流器設置在所述主燃級前端壁與所述主燃級套筒之間，所述主燃級直射式噴嘴設置在所述中間級套筒上。
5.根據(jù)權利要求2所述的多級低污染燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述文氏管的軸向截面沿所述離心式噴嘴的噴射方向呈先收縮后逐漸擴張的結構，形成預燃級氣流通道。
6.根據(jù)權利要求3所述的多級低污染燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述中間級套筒的軸向截面沿所述中間級直射式噴嘴的噴射方向呈先收縮后逐漸擴張的結構，所述中間級套筒與所述文氏管之間形成中間級氣流通道。
7.根據(jù)權利要求4所述的多級低污染燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述主燃級套筒的軸向截面沿所述主燃級直射式噴嘴的噴射方向呈逐漸擴張的結構，所述主燃級套筒與所述中間級套筒之間形成主燃級氣流通道。
8.根據(jù)權利要求4所述的多級低污染燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述預燃級的所述軸向旋流器的葉片的角度范圍為30°?60°，所述中間級徑向旋流器的葉片的角度范圍為30°?70°，所述主燃級徑向旋流器的葉片的角度范圍為30°?60°。
9.根據(jù)權利要求4所述的多級低污染燃燒系統(tǒng)，其特征在于:所述中間級前端壁上沿周向設置有6?16個所述中間級直射式噴嘴，所述中間級套筒上沿周向設置有6?20個所述主燃級直射式噴嘴。
10.一種燃燒室，包括燃燒室頭部，其特征在于:所述燃燒室頭部設置有根據(jù)權利要求1-9任一項所述的多級低污染燃燒系統(tǒng)。
【文檔編號】F23R3/58GK204006123SQ201420346358
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權日:2014年6月26日
【發(fā)明者】吳昊, 鄂亞佳 申請人:中航商用航空發(fā)動機有限責任公司