一种主燃级采用单层预膜径向两级反向旋流的低污染燃烧室的利记博彩app
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空燃气轮机的技术领域，具体涉及一种主燃级采用单层预膜径向两 级反向旋流的航空燃气轮机低污染燃烧室，该燃烧室采用分级燃烧的模式，预燃级在中心， 采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，在保证燃烧室稳定燃烧的同时，降低小工况下的 污染排放；主燃级在预燃级外围，采用预混预蒸发燃烧的方式，主要用于降低大工况下的污 染排放，从而降低航空发动机整个着陆起飞循环（Landing and Take-〇fT，LT0)循环的污染 排放。
【背景技术】
[0002] 现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于 现代航空发动机燃烧室来说，仍然存在大量的难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念 的发展应用才是保证其持续进步的源泉。
[0003] 现代民用航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。民用航空发动机燃 烧室必须满足日益严格的航空发动机污染排放标准。目前采用的CAEP6 (Committee on Aviation Environmental Protection)标准对污染排放物的规定已经非常严格，特别是对 NOx污染排放要求；而最新的CAEP8标准提出了将NOx的排放在CAEP6的排放标准上降低 15%，随着航空业的迅猛发展和人们环保意识的不断提高，未来对燃气轮机燃烧室污染排 放会提出更高的要求。
[0004] 美国航空发动机的两个著名公司GE和PW对低污染燃烧室早已着手研究，GE首 先研发了双环腔低污染燃烧DAC (用于GE90和CFM56)，PW公司采用了 RQL (富油燃烧-淬 媳-贫油燃烧，Rich burn-Quench-Lean burn，简称RQL)低污染燃烧室TALON II (用于 PW4000和6000系列）。在下一代低污染燃烧室方面，GE公司采用LDM(Lean Direct Mixing Combustion，贫油直接混合燃烧室）技术为其GEnx发动机研制的TAPS (Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃烧室。该燃烧室在台架全环试验验证中，NOx污染排放比 CAEP2排放标准降低了 50%。GE公司申请了多项美国专利：申请号6363726、6389815、 6354072、6418726、0178732、6381964和6389815,所有这些专利都是预燃级采用扩散燃烧、 主燃级采用预混燃烧的燃烧组织方式，目的是降低污染指数最大的大工况下的NOx排放。 PW公司继续采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃烧室为TALON X，采用的头 部形式是PW公司发展的空气雾化喷嘴，燃烧室为单环腔，在V2500发动机扇型试验段上的 试验结果比CAEP2标准降低了 50%。Rolls-Royce公司采用LDM技术发展的低污染燃烧室 是ANTLE，该燃烧室是一个单环腔分级燃烧室，其NOx污染排放比CAEP2标准降低了 50 %， 用于其新一代发动机湍达1000。
[0005] 中国北京航空航天大学对低污染燃烧室也申请了 200910238793. X、 201010101574. X、201010034141. 7、201010277014. X等多项专利，采用的方案是预燃级采用 扩散燃烧方式，主燃级采用预混燃烧方式，主燃级为环形结构，轴向或径向供油，采用多点 喷射或是预膜雾化方式，目的是降低大工况下的NOx排放，从而使整个LTO循环的NOx的排 放得到降低，但要进一步降低整个LTO循环的NOx的排放水平难度较大。
[0006] 以上所述的专利，都是针对在大工况下降低污染排放，而根据国际民航组织 (International Civil Aviation Organization，ICA0)规定的一个标准循环下的排放物 指数，用LTO Emission来表达这个参数，计算如下式：
[0008] 由上式可知，LTO Emission跟四个工况下的NOx排放量有关，即既与大工况下的 NOx排放有关，还与小工况下的NOx排放有关。
[0009] 标准LTO循环中的运行模式、每个运行模式下的推力和运行时间，如下表所示。
[0010] 表1 ICAO规定的LTO循环中的运行模式和时间
[0012] 常规或者现役的推力在140KN的CFM56-5B/3发动机的NOx排放如下表，数据来源 于 ICAO Emission data bank。
[0013] 表 2 CFM56-5B/3 的 NOx 排放水平
[0016] 燃烧室采用分级燃烧，预燃级为扩散燃烧方式，主燃级为预混燃烧方式，降低了大 工况下的NOx排放，可以达到的NOx排放如下表所示：
[0017] 表3主燃级采用预混燃烧可以达到的NOx排放水平
[0018] CN 105180215 A 说明书 3/6 页
[0019] 在小工况（地面慢车、进场）下，虽然NOx排放指数较低，根据表1可知小工况下 的运行时间远远高于其他大工况，根据表3可知，当主燃级采用预混燃烧方式时，可以使大 工况下的NOx排放指数得到大幅度降低，此时预燃级的NOx排放总量在整个LTO循环的污 染排放排放中占的比重最大，因此要想进一步降低整个LTO循环的NOx排放，就需要考虑降 低预燃级的NOx排放。
[0020] 而不管是何种先进的低污染燃烧室，其关键技术就是降低NOx (氮氧化物）、C0 ( - 氧化碳）、UHC(未燃碳氢化合物）和冒烟的燃烧技术，核心问题是降低燃烧区的温度，同时 使燃烧区温度场均匀，即整体和局部的当量比控制，而主燃区当量比的均匀性又主要取决 于燃油雾化和油气掺混的均勾性。
[0021] 本发明是针对航空发动机低污染燃烧的新方法。根据NOx与CO产生的机理及试 验结果可知：燃烧室的主燃区当量比在0. 6~0. 8范围内产生的NOx与C0(UHC和CO的排 放规律类似）很少。基于此原理，要兼顾NOx与C0、UHC的排放量都处于低值范围，应考虑 两个因素：其一是主燃区的平均当量比，其二是主燃区平均当量比的均匀性，并且在所有航 空发动机的工作情况下都应如此。而主燃区当量比的均匀性又主要取决于燃油雾化和油气 掺混的均匀性。这主要取决于两方面：一是燃油颗粒直径分布的均匀性，即SMD的分布均匀 性；二则是燃油油雾浓度分布的均匀性。从燃烧方式讲，应采用均匀的预混燃烧，达到主燃 区当量比均匀性要求以降低污染排放。
[0022] 目前的常规燃烧方式无法降低NOx、CO和UHC。原因是目前燃烧室的设计方法所 决定的。对于常规燃烧室来说，在大状态时，由于采用液雾扩散燃烧方式，燃烧区局部当量 比总是在1附近，远超过上述低污染燃烧所需当量比范围要求，此时虽然CO和UHC的排放 低，但NOx的排放达到最大。在小状态时，燃烧区当量比又很低，远低于上述低污染燃烧所 需当量比区间，此时虽然NOx排放低，但CO和UHC排放又很高。另外，由于常规燃烧室普遍 采用扩散燃烧方式，局部当量比不均匀，因此对于常规燃烧室来说，无法满足在整个发动机 工作范围内的低污染要求。
【发明内容】
[0023] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，运用预混预蒸发燃烧技术，提 供了一种主燃级采用单层预膜径向两级反向旋流的低污染燃烧室，燃烧室采用分级燃烧的 模式，预燃级在中心，采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，在保证燃烧室稳定燃烧的同 时，降低小工况下的污染排放；主燃级在预燃级外围，采用预混预蒸发燃烧的方式，主要用 于降低大工况下的污染排放，从而降低航空发动机整个LTO循环的污染排放。
[0024] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种主燃级采用单层预膜径向两级 反向旋流的低污染燃烧室，该低污染燃烧室采用单环腔结构，由扩压器、燃烧室外机匣、燃 烧室内机匣、火焰筒外壁、火焰筒内壁和燃烧室头部组成；燃烧用空气全部由燃烧室头部进 入火焰筒，掺混空气由掺混孔射入；采用分级燃烧方案，分为预燃级和主燃级，燃油喷嘴供 给燃烧室所有燃油，主燃级通过头部整体端壁与火焰筒外壁和火焰筒内壁固定，预燃级则 通过级间段与主燃级联接，并与主燃级同心；所述主燃级由主燃级内旋流器、主燃级外旋流 器、主燃级预膜板、头部整体端壁及头部整体导流片组成；主燃级燃油通过主燃级燃油管路 进入主燃级燃油集油腔，随后进入主燃级燃油输油孔，通过主燃级燃油喷孔喷入主燃级预 膜板内通道，部分燃油形成主燃级直喷油雾，部分燃油打到预膜板上形成均匀油膜，在主燃 级预膜板内通道和预膜板内通道的两股反向旋流剪切作用下破碎雾化形成主燃级气动雾 化油雾，两股油雾与空气进行掺混形成较均匀的油气混合物，均匀的油气混合物进入火焰 筒进行预混燃烧。
[0025] 进一步的，所述预燃级采用的旋流器的级数为1彡η彡5 ;每级旋流器采用旋流器 的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；当预燃级的级数η= 1时，旋流器 直接与级间段连接；当预燃级的级数1〈η < 5时，各级旋流器先连接成一个整体，再与燃级 头部端壁连接。
[0026] 进一步的，所述的主燃级采用两级反向旋流器结构，每级旋流器采用旋流器的结 构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器，两级旋流器径向布置，大大增强了油 气掺混均匀性。
[0027] 进一步的，所述的主燃级燃油采用周向离散横喷，部分燃油形成直喷油雾，部分燃 油打在主燃级预膜板上形成油膜，增加了周向均匀性，在主燃级预膜板内通道和预膜板内 通道反向旋流剪切作用下破碎雾化形成主燃级气动雾化油雾。
[0028] 进一步的，所述的燃油喷嘴供应燃烧室所需的全部燃油，主燃级燃油占总燃油量 的比例为50%~90%。
[0029] 进一步的，所述的燃烧室头部沿周向均匀布置，个数为10~60个，燃烧室头部的 空气量占燃烧室总空气量的20%~80%，其中主燃级占头部空气量的60%~90%，预燃级 占头部空气量的10%~40%。
[0030] 进一步的，所述燃烧室的火焰筒外壁和火焰筒内壁的冷却方式采用气膜冷却、发 散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。
[0031] 进一步的，在所述的火焰筒外壁后部设置有火焰筒外壁掺混孔，在所述的火焰筒 内壁后部设置有火焰筒内壁掺混孔，掺混用气分别从火焰筒外壁掺混孔和火焰筒内壁掺混 孔进入火焰筒，以控制燃烧室出口温度分布。
[0032] 本发明的原理如下：通过控制航空发动机燃烧室内燃烧区的当量比和均匀度来达 到降低污染排放的目的。燃烧用空气全部从燃烧室头部进入火焰筒，使大部分的燃油和空 气掺混均匀后再进入火焰筒燃烧，对控制燃烧区当