[发明专利]燃烧室燃油喷射与混合系统及其燃烧室

说明书

技术领域

本发明属于能源与动力燃烧装置领域，特别是涉及一种燃烧室燃油喷射与混合系统及其燃烧室。

背景技术

随着大气环境问题在世界范围内受到越来越多的关注，对于航空发动机污染物排放要求也是越来越严格。下一代航空发动机产品市场需求表明，氮氧化物(NOx)的排放量比现行国际民航组织(ICAO)规定标准CAEP6要进一步减少45％～60％左右，其它排放物包括一氧化碳(CO)、未燃碳氢(UHC)和烟雾(Smoke)排放值同样需要进一步降低。

研究表明，控制燃烧室内的热燃气温度是控制NOx污染排放的关键，控制燃烧区温度的主要技术途径之一就是采用贫油预混燃烧模式。但是在地面慢车、起动点火等工作状态下，又需要局部燃烧区采用接近富油燃烧的油气匹配方式，以维持燃烧稳定性，同时降低小功率状态下的CO和UHC排放。为了解决大功率状态下NOx排放和小功率状态下CO、UHC排放的矛盾，可以采用分级燃烧的模式以保证发动机在不同功率下，燃烧室各局部区域均以其各自的最佳燃油空气匹配模式进行燃烧。

分级燃烧技术在航空发动机燃烧室上已得到成功应用，比如：GE90发动机采用的双环腔燃烧室分级燃烧技术；GEnx发动机采用的中心分级燃烧技术等。而采用中心分级燃烧技术由于结构紧凑、分区贫油燃烧控制NOx效果较好等优点，已是低排放燃烧室发展的趋势。但是现有的贫油中心分级燃烧技术，仍未能很好地解决分区之间互相影响、分级点附近燃烧效率低下、主燃区油气混合依旧不充分、不均匀和燃油雾化质量差等问题。

雾化质量可通过油珠群的平均直径(如索太尔平均直径SMD)和油珠群的直径分布来表征。雾化过程可描述为：在压差作用下，喷嘴出口形成锥状油膜。由于其不稳定性，油膜表面产生不稳定波，皱纹的进一步发展，导致凸起部分局部脱离，形成液片以及液丝，在表面张力作用下收缩成直径较大的油珠。大油珠在气流中运动时，同时受气动力及表明张力引起的内压力作用，前者使油珠变形，后者则使油珠保持球状。当气动力占优势时，变形的结果使大油珠分裂成小油珠，直到气动力与内压力达到平衡时，油珠的分裂才终止。

一般用韦伯数(破裂准则)表示作用于油珠的气动力对内压力的比值，如下式所示：

We＝ρdΔu2/σ

We——韦伯数；

Δu——油珠与气流间相对速度；

ρ、d和σ——分别为气流密度、油珠直径及燃油的表面张力。

试验表明，当时气动力占优势，大油珠碎裂成小油珠。可见，提高油气之间的相对速度可以显著改善雾化质量。

现有技术已经采用三级供油，但该燃油喷射装置旋流器过多，结构过于复杂。本发明旨在通过改进喷油和油气混合结构，优化燃油喷射装置的油气匹配，降低燃烧室污染排放。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种贫油燃烧的低NOx排放燃烧室燃油喷射与混合系统及其燃烧室，采用预混、预蒸发的模式，能有效地改善燃油雾化质量，强化油气掺混，大幅降低NOx、CO、UHC和smoke等污染排放量。

根据本发明的第一个方面，提供一种燃烧室燃油喷射与混合系统，所述燃烧室燃油喷射与混合系统包括预燃级、中间级和主燃级，所述中间级环绕所述预燃级，所述主燃级环绕所述中间级，其中：

所述预燃级包括中心锥体、环绕所述中心锥体的一级轴向旋流器、环绕所述一级轴向旋流器并具有喷口的喷嘴以及环绕所述喷嘴的二级轴向旋流器；

所述中间级包括中间供油通路、衬套、环绕所述衬套的中间级轴向旋流器以及环绕所述中间级轴向旋流器的套筒，所述中间供油通路将燃油供给到所述中间级轴向旋流器的下游，所述套筒的末端设有挡溅盘；

所述主燃级包括主供油通路、主燃级内壁、主燃级外壁以及位于所述主燃级内壁和所述主燃级外壁之间的主燃级径向旋流器，所述主供油通路将燃油供给到所述主燃级径向旋流器的下游；以及

所述主燃级内壁的末端与所述套筒的挡溅盘相连接并形成一个空腔，所述主燃级内壁的末端设有至少一个冷却孔，上游空气进入所述空腔并通过所述冷却孔来冲击所述套筒的挡溅盘，由此冷却所述主燃级内壁的末端与所述套筒的挡溅盘。

其中，所述主燃级还包括位于所述主燃级内壁和所述主燃级外壁之间的主燃级轴向旋流器。

其中，所述喷嘴是预膜式空气雾化喷嘴。

其中，所述主供油通路和/或中间供油通路设有直射式喷嘴。

其中，所述直射式喷嘴的喷射方向与所述直射式喷嘴的端面之间的夹角为20°～80°。优选地，所述直射式喷嘴的喷射方向与所述直射式喷嘴的端面之间的夹角为30°。