[发明专利]一种旋流驻涡分区燃烧室

说明书

本发明公开了一种旋流驻涡分区燃烧室，包括包括扩压器、内机匣、外机匣、供油模块、高能点火电嘴和火焰筒。扩压器流经燃烧室所需全部气流，使得来流气流减速增压。内、外机匣与火焰筒壁面一起将燃烧室分为内、外涵道和火焰筒内区域。火焰筒由值班级驻涡区域和主燃级旋流区域组成：驻涡区为由火焰筒几何形状构成的单凹腔结构；主燃级由单级轴向旋流器和通道‑支板结构构成。供油系统分为三路，值班级供油、主燃级通道供油、主燃级旋流器供油。高能点火电嘴伸入单凹腔结构内。本发明通过分级燃烧分区设置，实现高油气比燃烧，拓宽高温升燃烧室的稳定工作范围。

技术领域

本发明涉及新概念燃气轮机燃烧技术领域，尤其涉及一种旋流驻涡分区燃烧室，主要作为航空发动机的主燃烧室，也可做与地面及船用燃气轮机的燃烧室。

背景技术

随着航空发动机技术进一步发展，推重比不断增加，燃烧室进口温度升高，燃烧室油气比、温升升高，对燃烧室性能的要求也逐步提高，但同时对燃烧室重量的限制却在进一步增加，因此，高油比燃烧室的研制面临着诸多技术挑战：1、在更宽广的范围内稳定工作，主要解决在低功率状态下的燃烧稳定性以及高功率状态下不可见排气冒烟燃烧；2、在冷却气量分配减少和冷却气品质下降的条件下，进一步保持甚至提高火焰筒的耐久性；3、大状态下降低排气污染；4、涡轮在极高温度的恶劣环境下正常工作，必须大幅度降低出口温度分布系数。解决上述问题的途径可以分为两类，一类是采取合理措施优化常规的旋流稳定燃烧室，可行的措施包括燃油分级、空气分级、贫油预混和预蒸发以及多级旋流等；另一类则是在掌握基本原理的基础上探索全新的燃烧组织方式、发展新概念燃烧室，比如驻涡燃烧室(trapped vortex combustor, TVC)、超紧凑燃烧室(ultra compact combustor,UCC)等。

另一方面，随着航空发动机技术的飞速发展、市场竞争的日益激烈和环保要求的不断严格，大飞机发动机向着费用更低、性能更高和环保特性更好的方向发展。为此，在改进发展GE90、PW4084、TRENT800等发动机和全新研制GP7200、TRENT900、GEnx和TRENT1000等发动机的同时，美国和欧盟国家独立或联合实施了一系列的预研计划，开发和验证了性能高、质量轻、可靠性高以及排放与噪声低的未来常规循环大飞机发动机技术，探索研究了更经济和环保的先进循环大飞机发动机技术，为未来大飞机发动机的研制打下了很好的技术基础。

常规燃烧室是一种通过旋流器后产生回流区，使得高温燃气在旋流器后方形成的回流区作用下向上游传递点燃油气混气，因此回流区也起到了稳定火焰的作用。驻涡燃烧室（TVC）是从20世纪90年代开始发展起来的一种新型燃烧组织方式，采用分级分区燃烧的概念，其中驻涡区为值班级，通过几何结构使得内部形成旋涡的气动结构，这种稳定的旋涡驻定结构在燃油供入并点燃后，可以在宽范围内实现稳定燃烧；主燃级空气通过不同主流头部结构进入燃烧室中，同时由联焰结构传递高温燃气从值班级进入主燃级，引燃主燃级的油气混气。在小状态下，仅值班级供油，主燃级不供油；在大状态下，值班级、主燃级（主流）同时供油工作。国外研究发现驻涡燃烧室在真实条件下可以获得非常好的性能：与常规技术相比，在点火性能、贫油熄火性能、高空点火性能方面提高了50%；氮氧化物排放量比1996年ICAO标准CAEP2降低了40%～60%；燃烧效率达到或超过99%的工作范围加宽40%以上。美国空军、海军、能源部、NASA等都在探索将该技术移植到可能的军用小涵道比涡扇发动机、商用大涵道比涡扇发动机、工业和舰船燃气轮机中。但常规燃烧室设置的旋流器结构相比驻涡燃烧室头部结构具有更好的油气混合能力，同时还能将气流的流向速度降低，将流向的气流束变成旋转气流，增加气流在火焰筒内的驻留时间。因此相比常规燃烧室，驻涡燃烧室的油气匹配更加困难，出口温度分布更加难以调整。

因此，确有必要针对驻涡燃烧室进行优化，整和常规燃烧室的优势。

发明内容