CN103277812A

CN103277812A - 富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室

Info

Publication number: CN103277812A
Application number: CN2013101710376A
Authority: CN
Inventors: 何小民; 蒋波; 吴泽俊; 金义; 丁国玉; 葛佳伟; 朱志新; 赵自强; 方杰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-09-04

Abstract

一种富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其包括有：扩压器，空气自扩压器进入所述燃烧室中；机匣，机匣包括有外机匣和内机匣；分流装置，所述空气自分流装置分为内外涵气流和主流气流；凹腔，凹腔包括有内外环凹腔，凹腔上设置有凹腔前壁进气孔和凹腔后壁进气孔；火焰筒，火焰筒上设置有若干冷却孔和掺混孔；淬熄装置，富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室还包括有为凹腔提供燃料的燃油总管和离心喷嘴，内外涵气流的一部分自凹腔前壁进气孔和凹腔后壁进气孔进入凹腔中形成驻定的涡进行富油燃烧，内外涵气流的另一部分自火焰筒的冷却孔和掺混孔进入所述火焰筒，主流气流通过淬熄装置的流通面积进入火焰筒。

Description

富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室

技术领域

本发明涉及一种富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，尤其涉及一种应用于民用航空燃气涡轮发动机和地面工业燃气涡轮上的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，属于燃气轮机低排放燃烧技术领域。。

背景技术

随着对环境保护的日益重视，世界各国及相关国际组织制定了日益严格的环保法规，对各种动力装置的排放标准作了明确的规范和规定。比如针对航空动力，近30年来国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）陆续制定了CAEP1（1986年）、CAEP2（1996年）、CAEP4（2004年）、CAEP6（2008年）和CAEP8（2010年）等多个排放标准条例。从全球燃烧污染排放的总量来看，发动机的排放所占的份额虽然很小，但其具有局部性和高空性的污染特点，因此需要开发具有低排放性能的发动机燃烧室，以减少对环境和健康的影响。低排放燃烧室和燃烧技术正是此研究背景的推动下不断发展和提高的。为适应不断严格的环保标准规范，保证未来对市场的占有率，欧美各国均投入了大量人力财力开展低排放燃烧技术的研究，并已取得明显的效果。如美国上世纪七十年代的高效节能发动机（E3）计划，环境清洁燃烧室项目（ECCP）、90年代的高速研究机（HSR）计划、先进亚声速技术（AST）计划及1999年发起的超高效发动机技术（UEET）计划，欧洲2000年以来制订了EFFAE计划、VITAL计划及GEAE和SNECMA联合发起的TECH56（1998～2003）和随后的LEAP56计划等。

富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧(Rich-Burn/Quik-Quench/Lean-Burn，RQL)技术是先将全部燃油和部分空气进行富油燃烧，通过降低燃烧温度来减少富油燃烧区的NOx，然后富油燃气快速与二股空气混合进行贫油燃烧。由于贫油燃烧区中有大量已燃气体，燃烧温度低，从而降低NOx生成。RQL技术中有一个关键技术问题：富油燃气如何与新鲜空气进行快速充分的混合。富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧(RQL)技术是PW公司和美国国家航空航天局（NASA）通过先进亚声速技术（AST）、超高效发动机技术（UEET）研究计划逐步发展完善而来，其应用代表TALON燃烧室已发展到第4代。新一代TALON X 燃烧室在NASA的UEET计划下进行了研究，其主要改进包括低发烟燃油喷嘴、低冷却用气火焰筒、进气孔优化技术和驻留时间控制等，以达到低排放、长寿命目标。

在燃烧室发展历程中，靠旋流稳定的传统燃烧室的得到了不断改进，这些改进减少了污染物排放，但仍面临瓶颈和挑战，越来越难满足日趋严格的排放标准的要求。与此同时，各种新概念燃烧系统和燃烧技术蓬勃发展，驻涡燃烧技术就属于其中之一。美国是最早提出驻涡燃烧室（Trapped-vortex Combustor，TVC）概念的国家，其对TVC技术的研究最早，成果也最多。上世纪九十年代，美国Hsu等人设计出了第一代TVC模型，之后又发展了第二代、第三代及带高压装置的第三代TVC。TVC技术经过十几年的发展，其原理也趋于明朗，性能也逐步被挖掘发现。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。

因此，本发明的目的在于提供一种富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室以改进现有技术之不足。

发明内容

本发明提供一种富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其通过在驻涡燃烧室中实现富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放燃烧技术，组织高效稳定的燃烧，并且有效降低气态污染物排放。

本发明采用如下技术方案：一种富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其包括有：

扩压器，空气自所述扩压器进入所述燃烧室中；

机匣，所述机匣包括有外机匣和内机匣；

分流装置，所述空气自所述分流装置分为内外涵气流和主流气流；

凹腔，所述凹腔包括有内外环凹腔，所述凹腔上设置有凹腔前壁进气孔和凹腔后壁进气孔；

火焰筒，所述火焰筒上设置有若干冷却孔和掺混孔；

淬熄装置；

所述富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室还包括有为所述凹腔提供燃料的燃油总管和离心喷嘴，所述内外涵气流的一部分自所述凹腔前壁进气孔和凹腔后壁进气孔进入所述凹腔中形成驻定的涡进行富油燃烧，所述内外涵气流的另一部分自所述火焰筒的冷却孔和掺混孔进入所述火焰筒，所述主流气流通过所述淬熄装置的流通面积进入火焰筒。

所述空气进入燃烧室经过所述扩压器减速增压后到达所述火焰筒头部。

所述淬熄装置包含了将所述主流气流分为两股气流进而增加气流速度的钝体、使主流气流多孔高速射入主燃区的倒三角及圆孔结构。

所述淬熄装置中还包括有集成于所述淬熄装置中的联焰板。

所述凹腔包括有前后外三面壁，所述前壁偏离主流气流一侧开孔进气，所述后壁靠近主流气流一侧开孔进气，前后壁面的开孔面积比例为3/2，进气流量比例为5/3。

所述空气自凹腔前壁进气孔进入凹腔后形成射流，在凹腔后壁的限制下，所述射流流向发生弯曲，在凹腔后壁进气孔射流作用下发生回流，形成驻定的凹腔主涡。

在所述凹腔后壁进气孔射流和主流射流的共同作用下，形成与所述凹腔主涡方向相反的凹腔副涡。

所述与主流堵塞截面所对应的位置，凹腔内只形成了单涡结构。

所述离心喷嘴分别形成于所述内外环凹腔上。

所述内外环凹腔上分别形成有与所述离心喷嘴相连通的内外环总管。

本发明具有如下有益效果:

（1）.本发明在驻涡燃烧室上实现了富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）低排放燃烧技术，有效地降低了污染物的排放量；

（2）.本发明能拓宽燃烧室稳定工况范围，提高点火性能；

（3）.本发明燃烧室结构简单紧凑，可减轻燃烧室重量。

附图说明

图1为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室的立体结构示意图。

图2为图1所示富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室的局部剖视图。

图3为图1所示富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室中的火焰筒结构局部剖视图。

图4为图1所示富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室中的燃油总管结构示意图。

图5为图1所示富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室中的淬熄装置结构示意图。

图6为图1所示富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室主流流通截面燃烧过程示意图。

图7为图1所示富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室主流堵塞截面燃烧过程示意图。

其中：

1-富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室、2-外机匣、3-内机匣、4-扩压器、5-燃油总管进口、6-电嘴、7-燃油总管、8-离心喷嘴、9-火焰筒、10-分流装置、11-凹腔前壁冷却进气孔、12-冷却孔、13-掺混孔、14-淬熄装置、15-钝体、16-倒三角、17-小孔、18-联焰板、19-凹腔、20-凹腔前壁进气孔、21-凹腔后壁进气孔、22-凹腔主涡、23-凹腔副涡、24-淬熄区、25-贫油燃烧区、26-掺混区。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

请参照图1至图5所示，本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室1包括有机匣（所述机匣包括外机匣2及内机匣3）、扩压器4、燃油总管7、火焰筒9、分流装置10、淬熄装置14、凹腔19等结构。

空气从扩压器4进口进入燃烧室1，经过扩压器4减速增压后到达火焰筒9的头部，以利于燃烧的组织。火焰筒9壁面根据冷却需要分布了大量的冷却孔12；而由于燃烧室1出口温度场控制的需要，在火焰筒9壁面下游位置布置了掺混孔13。燃油总管7和离心喷嘴8分别为内外环凹腔19提供燃料。在分流装置10的作用下，空气分为内外涵气流和主流气流。内外涵气流分别从凹腔前壁进气孔20和凹腔后壁进气孔21进入凹腔19，其余空气分别从火焰筒冷却孔12和掺混孔13进入火焰筒9。主流空气通过淬熄装置14的流通面积进入火焰筒9。所述凹腔19包括有前后外三个壁面，所述前壁偏离主流气流一侧开孔进气，所述后壁靠近主流气流一侧开孔进气。前后壁面的开孔面积比例为3/2，进气流量比例为5/3。

请参照图3所示，本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室1中，火焰筒9采用多斜孔冷却方式进行冷却，壁面布满了直径小于1mm的斜孔。在其他实施例中，根据冷却需要可采用其他更先进的冷却方式。另外，为了控制燃烧室出口温度场分布，在火焰筒9中下游位置布置了两排错排的掺混孔13。掺混孔13的排布方式和孔径大小等参数由每个燃烧室独特的结构和温度场决定。

请参照图4所示，本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室1中燃油总管7分为内外环总管，分别对内外环凹腔的离心喷嘴8供油，但两者之间是连通的，以便于供油压力平衡和燃油供入量的控制。离心喷嘴8布置在凹腔前壁进气孔20处，燃油与空气一起进入凹腔，混合和加热距离长，有利于燃烧效率的提高。

请参照图5所示，本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室1中淬熄装置14包含了钝体15、倒三角16及圆孔17等结构，利用钝体将主流分为两股气流，并能增加气流速度；利用倒三角及圆孔结构，使主流气流多孔高速射入主燃区，可使气流加速，增加湍流度；还可以增加主流新鲜空气与已燃混合的接触面积。因此，这样的结构有利于快速掺混，达到淬熄的目的。所述淬熄装置14中还包括有集成于所述淬熄装置14中的联焰板18。

请参照图1至图5并结合图6至图7所示，本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室1的火焰稳定与传播过程为：通过对凹腔19的尺寸以及对凹腔前壁进气孔20和凹腔后壁进气孔21的位置和大小进行合理设计，可使凹腔的空气流动形成驻定的涡，此时配合适当的燃油供给将形成稳定的火焰。如图6所示，其为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室主流流通截面燃烧过程示意图。空气从凹腔前壁进气孔20进入凹腔19形成射流，在凹腔19后壁的限制下，该射流流向发生弯曲，然后在凹腔后壁进气孔21射流作用下发生回流，形成驻定的凹腔主涡22。燃油从离心喷嘴8喷出，与凹腔前壁射流一起进入凹腔，形成可燃混合气。电嘴6释放出高能电火花将电嘴6附近的混合气点燃，混合气在凹腔主涡22内运动的同时，火焰开始向四周传播，在凹腔主涡22涡心形成一个稳定的点火源，该点火源反过来不断加热并点燃新鲜混气。另外，在所述凹腔后壁进气孔21射流和主流射流的共同作用下，形成与所述凹腔主涡22方向相反的凹腔副涡23，这将有利于保护凹腔主涡免受主流影响，增加火焰稳定性。火焰的周向传播将点燃相邻的喷嘴，尔后，整个外环燃烧室被点燃。

请参照图7所示，其为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室主流堵塞截面燃烧过程示意图，在与主流堵塞截面所对应的位置，凹腔19内只形成了单涡结构，然后混气将流向淬熄装置14尾迹中。因此，内外环凹腔内的混气将在淬熄装置14尾迹中相遇，外环凹腔的已燃高温燃气将点燃内环凹腔的混气，因此，淬熄装置14同时起到联焰的作用。随着火焰进一步传播，整个驻涡燃烧室的混气将被点燃。

本发明驻涡燃烧室实现富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧的整个过程如下：用离心喷嘴8将过量的燃油喷出，与凹腔前壁射流一起进入凹腔，形成可燃混合气。适当控制燃油的喷射量，将当量比控制在1.2-1.6之间，凹腔主涡22和凹腔副涡23将进行富油燃烧，形成富油燃烧区。凹腔后壁进气孔21射流的一部分与凹腔前壁进气孔20射流一起流向凹腔前壁并进入凹腔主涡22；另一部分直接沿径向向主流流动；还有一部分与部分前壁射流一起流向凹腔前壁，然后沿凹腔前壁向主流流动，由于主流的速度与流量较大，该部分气流方向发生改变，并在与主流接触的位置形成剪切层和一系列的复杂的涡，这些涡对于凹腔气流与主流空气的快速掺混淬熄是有利的。另外，在与主流堵塞截面所对应的位置，富油燃烧发生在凹腔内形成的单涡结构中。未燃烧完全的混合气向淬熄装置14的尾迹区中流动。淬熄装置14引入了大量新鲜空气，由于淬熄装置14具有钝体、多孔型、倒三角结构形状的等特点，能使气流加速并增加新鲜空气与燃气的接触面积，达到快速掺混淬熄的目的，形成淬熄区24。由于大量新鲜空气的加入，当量比降低到0.5-0.8。这样，在淬熄区24下游，未燃烧完全的燃油将在贫油条件下进行燃烧，从而形成了贫油燃烧区25。如上所述，整个燃烧过程将被控制在1600k-1900k，能够有效降低氮氧化物（NOx）排放。

本发明通过在驻涡燃烧室上实现了富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放燃烧技术，进而有效地降低了污染物的排放量。

在本发明所列举的实施例中，富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室为环形燃烧室，采用22头部设计。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其包括有：

扩压器，空气自所述扩压器进入所述燃烧室中；

机匣，所述机匣包括有外机匣和内机匣；

火焰筒，所述火焰筒上设置有若干冷却孔和掺混孔；

淬熄装置；

其特征在于：所述富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室还包括有为所述凹腔提供燃料的燃油总管和离心喷嘴，所述内外涵气流的一部分自所述凹腔前壁进气孔和凹腔后壁进气孔进入所述凹腔中形成驻定的涡进行富油燃烧，所述内外涵气流的另一部分自所述火焰筒的冷却孔和掺混孔进入所述火焰筒，所述主流气流通过所述淬熄装置的流通面积进入火焰筒。

2.如权利要求1所述的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其特征在于：所述空气进入燃烧室经过所述扩压器减速增压后到达所述火焰筒头部。

3.如权利要求2所述的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其特征在于：所述淬熄装置包含了将所述主流气流分为两股气流进而增加气流速度的钝体、使主流气流多孔高速射入主燃区的倒三角及圆孔结构。

4.如权利要求3所述的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其特征在于：所述淬熄装置中还包括有集成于所述淬熄装置中的联焰板。

5.如权利要求4所述的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其特征在于：所述凹腔包括有前后外三个壁面，所述前壁偏离主流气流一侧开孔进气，所述后壁靠近主流气流一侧开孔进气，前后壁面的开孔面积比例为3/2，进气流量比例为5/3。

6.如权利要求5所述的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其特征在于：所述空气自凹腔前壁进气孔进入凹腔后形成射流，在凹腔后壁的限制下，所述射流流向发生弯曲，在凹腔后壁进气孔射流作用下发生回流，形成驻定的凹腔主涡。

7.如权利要求6所述的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其特征在于：在所述凹腔后壁进气孔射流和主流射流的共同作用下，形成与所述凹腔主涡方向相反的凹腔副涡。

8.如权利要求7所述的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其特征在于：与主流堵塞截面所对应的位置，凹腔内只形成了单涡结构。

9.如权利要求8所述的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其特征在于：所述离心喷嘴分别形成于所述内外环凹腔上。

10.如权利要求9所述的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧低排放驻涡燃烧室，其特征在于：内外环凹腔上分别形成有与所述离心喷嘴相连通的内外环总管。