[发明专利]一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室

说明书

本发明涉及一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室，包括扩压器(11)、外机匣(12)、内机匣(13)、喷油杆(14)、燃烧室头部(15)、火焰筒(16)和电嘴(17)，所述燃烧室头部(15)由预燃级(31)和主燃级(32)组成，这种燃烧室头部可以在保证燃烧室性能的同时，能够使污染物排放大幅度降低。

技术领域

本发明属于航空发动机领域，涉及一种强化油气混合的部分预混预蒸发超低排放燃烧室。

背景技术

国际民航组织在80年代就颁布了“环境保护标准”和“航空发动机排放”条例，并不断修订完善，目前已开始执行CAEP/8排放标准。各大航空发动机公司和研究机构均把控制污染物排放作为重要课题进行研究，其中低排放燃烧技术是民用航空发动机最重要的研究内容之一。由于污染排放是适航取证对民机发动机的强制性要求，欧美的几家国际知名航空发动机公司针对越来越严厉的排放要求，实施了先进民用发动机研制计划，掌握了低排放燃烧室的关键技术。GE公司研制的燃烧室采用最新的双环预混旋流(TAPS)组织燃烧技术，已用于GEnx发动机低排放燃烧室上，其NOx污染排放比CAEP/8低50％左右；PW公司采用RQL技术发展的TALON X燃烧室在PW1100G发动机上获得应用，NOx污染排放比CAEP/8低43％左右；RR公司采用ANTLE计划发展的LDIS低污染燃烧室，其NOx污染排放比CAEP/8标准降低了33％左右。

GE公司的TAPS燃烧技术已申请了多项美国专利，专利号为US006354072B1、US006381964B1、US006389815B1等的低排放燃烧室头部专利提出的技术方案是：预燃级由离心喷嘴、两级轴向涡流器、文氏管和套筒构成，主燃级由简单直射式喷嘴和一级或两级径向涡流器构成；径向涡流器的空气来流方向均是由外向内，主燃级喷嘴为简单直射式喷嘴。北京航空航天大学也申请了几种贫油预混预蒸发燃烧室的专利，绝大多数预燃级采用双级径向涡流器，主燃级采用轴向或径向涡流器，没有引导空气由内向外流动的径向涡流器；主燃级喷嘴亦为简单直射式喷嘴。中国燃气涡轮研究院已申请了多种贫油部分预混预蒸发燃烧室的专利，诸如ZL201020701303.3、ZL201020701305.2、ZL201020701308.6、ZL201220733515.9等，这几项专利提出的技术方案是：头部方案采用中心分级的两级油路DIPME混合燃烧模式，预燃级由离心喷嘴、一级轴向涡流器、缩扩段构成；主燃级由直射式喷嘴和一级轴向(径向)或一级轴向和一级径向涡流器构成，在大状态具有很好的燃烧性能和污染排放特性，但返场等工况燃烧效率稍差，在同样的头部进气条件下，具有有限的降低污染排放的潜力，这主要是由预燃级离心喷嘴的扩散燃烧模式造成的，主燃级油气混合也不是很好。为了实现超低排放，预燃级和主燃级均需采用贫油部分预混预蒸发燃烧模式，且主燃级和预燃级均要达到燃油良好雾化，且强化油气混合。

NOx是航空发动机燃烧室设计人员需要重点考虑的污染物之一，在航空发动机中，NOx主要由燃烧区火焰温度和燃气停留时间决定。目前已有低污染燃烧室开始采用贫油预混预蒸发技术来保证燃烧区的当量比在0.5～0.65范围内，有效控制火焰温度从而降低NOx的生成。采用该技术的燃烧室通常其预混段较长，容易出现自燃和回火，又由于这种燃烧室在贫油状态燃烧，混合蒸发的很好，使得出现不稳定燃烧的机率倍增。传统的燃烧室采用富油头部设计，燃烧区的当量比在1.0左右，这种燃烧方式无法降低污染物，特别是NOx的生成量，但这种燃烧室相对于采用贫油预混预蒸发技术的燃烧室工作更稳定，其某些燃烧室基本性能更高，比如慢车贫油熄火边界(LBO)和贫油点火边界(LLO)。