[发明专利]一种用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，尤其涉及一种利用燃油分级方案实现燃气轮机低污染排放的燃油和空气混合装置。

背景技术

对于使用液体燃料的燃气轮机发动机，燃油雾化和混合对发动机燃烧性能、燃烧效率和污染物排放具有决定性的影响，因此，燃油雾化研究得到重视，这也促进了燃油雾化喷嘴的发展。

国际民航组织对航空燃气轮机的污染物排放标准越来越严格，特别是对NOx污染排放要求，低污染燃烧成为现代航空发动机燃烧室的发展趋势。目前提出的低污染燃烧技术包括富油燃烧-焠熄-贫油燃烧（RQL）、贫预混燃烧（LPP）和贫油直接喷射燃烧（LDI）。

图4是燃气轮机常规燃烧室火焰筒结构剖视图，外火焰筒4、内火焰筒8和燃烧室头部构成了燃烧区域，火焰筒内可以分为主燃区、补燃区和掺混区，火焰筒上有主燃孔5、补燃孔6和掺混孔7。在主燃区处于富油状态，由补燃孔6进入的空气和高温燃气进一步反应，提高燃烧效率，由掺混孔7进入的空气进一步和高温燃气混合调节燃烧室出口温度分布。燃烧室头部有压力或空气雾化喷嘴1、一级旋流器2、二级旋流器3和文丘里管9组成。常规燃烧室所采用的燃油雾化装置使燃烧室在大工况时采用扩散燃烧，燃烧区域局部当量比接近1，火焰温度高，此时NOx的排放达到最大。低工况时，主燃区当量比低，存在燃烧效率低、CO和UHC排放高的问题。

国际上各大航空发动机公司GE、PW、R-R、Snecma都已经开始低污染燃烧技术的研究。最近，GE公司基于贫油直接喷射燃烧技术（LDI）为新一代商用航空涡扇发动机Genx研制了TAPS（Twin Annular Premixing Swirler）低污染燃烧室，NOx排放比CAEP2（Committee on Aviation Environmental Protection）排放标准降低了50%。为了使空气和燃油在燃烧室之前进行很好的预先混合，GE公司设计研发了多种预旋燃油喷嘴，并针对TAPS燃烧室燃油喷嘴的不同设计申请了多项美国专利：6354072、6453660、6389815、6381964、0178732、6418726和6363726等，这些专利的主燃级是燃油喷射到主旋流器的后部形成预混预蒸发的油气混合物，为使预混管出口油气混合物掺混均匀，这种混合方式所需的混合和蒸发距离较长，从而增大燃烧室的长度和重量，同时这种沿径向向外的燃油喷射方式在射流穿透深度高时易撞击到主旋流器的外壁，影响雾化效果，附着在壁面上的燃油易产生结焦或使预混管中发生回火，严重影响发动机燃烧稳定性。R-R公司基于LDI燃烧概念为Engine 3E核心机研发了多种分级燃烧用燃油喷嘴，预燃级采用空气雾化喷嘴或离心雾化喷嘴，主燃级采用预膜式空气雾化喷嘴，在发动机全环试验件上NOx排放比CAEP2标准降低了70%。中国的北京航空航天大学在低污染燃烧室方面也申请了多相专利，申请号： 200810104686.3、200810105061.9、200810105062.3、200810104684.4的预混预蒸发燃烧室主燃级采用的方案是在旋流器叶片内部或拐弯区喷入主燃级燃油，比GE公司的TAPS燃烧室头部轴向长度有一定缩短，但仍然存在射流深度大时，射流撞击易旋流器另一侧壁面的问题。申请号：201010034141.7和201010101574.X带预混预蒸发环管的低污染燃烧室主燃级燃油采用切向或轴向供油方式，增加了燃烧室头部燃油和空气混合装置的复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明采用燃油分级的方案实现航空发动机在不同工况时即能稳定燃烧又能有效降低污染物的排放，特别是降低大工况下的NOx排放；同时，可控制燃油射流穿透深度，加强空气对燃油射流的雾化和掺混，有效抑制燃油射流撞击旋流器通道壁面引起的结焦和回火问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：