CN102506446A - 一种用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，燃油分为主燃级和值班燃级，空气由三级旋流器供给。其特征在于中心值班级采用扩散燃烧，周围主燃级采用预混或半预混燃烧。中心值班级由离心式雾化喷嘴和第一级旋流空气组成，一级和二级旋流空气旋向相反。主燃级燃油通过多点直射式喷嘴供给，空气分别有二级和三级旋流空气供给，并且二级和三级旋流空气旋向相反。中心值班级在启动和慢车等低工况时使用，可以拓宽稳定燃烧范围，提高燃烧效率，降低 CO 和 UHC 的排放，大工况时，值班级和主燃级同时工作，值班级为主燃级提供稳定的点火源，主燃区处于贫油状态，温度远低于绝热火焰温度，能够显著降低大工况下 NOx 的排放。本发明的燃油和空气混合装置可以用于航空燃气轮机发动机或工业燃气轮机。

Description

一种用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置

技术领域

本发明涉及一种低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，尤其涉及一种利用燃油分级方案实现燃气轮机低污染排放的燃油和空气混合装置。

背景技术

对于使用液体燃料的燃气轮机发动机，燃油雾化和混合对发动机燃烧性能、燃烧效率和污染物排放具有决定性的影响，因此，燃油雾化研究得到重视，这也促进了燃油雾化喷嘴的发展。

国际民航组织对航空燃气轮机的污染物排放标准越来越严格，特别是对NOx污染排放要求，低污染燃烧成为现代航空发动机燃烧室的发展趋势。目前提出的低污染燃烧技术包括富油燃烧-焠熄-贫油燃烧（RQL）、贫预混燃烧（LPP）和贫油直接喷射燃烧（LDI）。

图4是燃气轮机常规燃烧室火焰筒结构剖视图，外火焰筒4、内火焰筒8和燃烧室头部构成了燃烧区域，火焰筒内可以分为主燃区、补燃区和掺混区，火焰筒上有主燃孔5、补燃孔6和掺混孔7。在主燃区处于富油状态，由补燃孔6进入的空气和高温燃气进一步反应，提高燃烧效率，由掺混孔7进入的空气进一步和高温燃气混合调节燃烧室出口温度分布。燃烧室头部有压力或空气雾化喷嘴1、一级旋流器2、二级旋流器3和文丘里管9组成。常规燃烧室所采用的燃油雾化装置使燃烧室在大工况时采用扩散燃烧，燃烧区域局部当量比接近1，火焰温度高，此时NOx的排放达到最大。低工况时，主燃区当量比低，存在燃烧效率低、CO和UHC排放高的问题。

国际上各大航空发动机公司GE、PW、R-R、Snecma都已经开始低污染燃烧技术的研究。最近，GE公司基于贫油直接喷射燃烧技术（LDI）为新一代商用航空涡扇发动机Genx研制了TAPS（Twin Annular Premixing Swirler）低污染燃烧室，NOx排放比CAEP2（Committee on Aviation Environmental Protection）排放标准降低了50%。为了使空气和燃油在燃烧室之前进行很好的预先混合，GE公司设计研发了多种预旋燃油喷嘴，并针对TAPS燃烧室燃油喷嘴的不同设计申请了多项美国专利：6354072、6453660、6389815、6381964、0178732、6418726和6363726等，这些专利的主燃级是燃油喷射到主旋流器的后部形成预混预蒸发的油气混合物，为使预混管出口油气混合物掺混均匀，这种混合方式所需的混合和蒸发距离较长，从而增大燃烧室的长度和重量，同时这种沿径向向外的燃油喷射方式在射流穿透深度高时易撞击到主旋流器的外壁，影响雾化效果，附着在壁面上的燃油易产生结焦或使预混管中发生回火，严重影响发动机燃烧稳定性。R-R公司基于LDI燃烧概念为Engine 3E核心机研发了多种分级燃烧用燃油喷嘴，预燃级采用空气雾化喷嘴或离心雾化喷嘴，主燃级采用预膜式空气雾化喷嘴，在发动机全环试验件上NOx排放比CAEP2标准降低了70%。中国的北京航空航天大学在低污染燃烧室方面也申请了多相专利，申请号： 200810104686.3、200810105061.9、200810105062.3、200810104684.4的预混预蒸发燃烧室主燃级采用的方案是在旋流器叶片内部或拐弯区喷入主燃级燃油，比GE公司的TAPS燃烧室头部轴向长度有一定缩短，但仍然存在射流深度大时，射流撞击易旋流器另一侧壁面的问题。申请号：201010034141.7和201010101574.X带预混预蒸发环管的低污染燃烧室主燃级燃油采用切向或轴向供油方式，增加了燃烧室头部燃油和空气混合装置的复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明采用燃油分级的方案实现航空发动机在不同工况时即能稳定燃烧又能有效降低污染物的排放，特别是降低大工况下的NOx排放；同时，可控制燃油射流穿透深度，加强空气对燃油射流的雾化和掺混，有效抑制燃油射流撞击旋流器通道壁面引起的结焦和回火问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

根据本发明的一方面，提供了一种用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，包括主燃级和值班级，其特征在于，值班级包括离心式雾化喷嘴、一级轴向空气旋流器和锥形火焰稳定器，其中，离心式雾化喷嘴位于所述装置的中心，一级轴向空气旋流器设置于离心式雾化喷嘴的外圈，锥形火焰稳定器位于离心式雾化喷嘴的后面，值班级燃油经离心式雾化喷嘴喷射进行初次雾化，然后和一级旋流空气作用进行二次雾化和掺混，值班级的火焰稳定通过一级旋流空气形成的回流区和喷嘴后面的锥形火焰稳定器实现；主燃级位于所述值班级的外圈并和所述值班级同轴，包括预混管、多点直射式喷嘴、二级轴向空气旋流器和三级径向空气旋流器，其中，多点直射式喷嘴沿周向均匀布置于三级径向空气旋流器的外壁上并处于二级轴向空气旋流器和三级径向空气旋流器的交叉入口处，二级轴向空气旋流器和三级径向空气旋流器形成二级轴向旋流空气和三级径向旋流空气、且二级和三级旋流空气的旋向相反，二级和三级旋流空气进入预混管，燃料通过多点直射式喷嘴喷射到预混管中，燃料和空气进入燃烧室之前在预混管中形成均一的混合物。

优选的，所述多点直射式喷嘴直径为0.3～0.5mm，个数为8～24个，沿径向向内和轴向成45°角向后喷射燃油，燃油射流和二、三级旋流空气相互作用，在气动力的作用下射流轨迹弯曲，射流表面发生扰动，射流破碎形成小的碎片，小碎片在表面张力的作用下变形成为小液滴。

优选的，所述二级轴向空气旋流器和三级径向空气旋流器分别是轴流叶片式和径向叶片式，叶片数为8～24个。

优选的，所述锥形火焰稳定器上设有三排冷却孔，避免火焰稳定器被高温燃气烧坏。

优选的，所述锥形火焰稳定器的底部设置有进气孔，可以抑制值班级的高温烟气进入主燃级预混段，避免回火的产生。

优选的，一级轴向空气旋流器采用轴向叶片，由18至24个叶片组成，安装角为30～60度。

优选的，所述装置还包括设置在三级径向空气旋流器的外壁上的燃油管连接孔和集油槽，直射式喷嘴和集油槽相通，燃油管连接孔在周向均匀布置2个。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于燃气轮机低污染燃烧室的火焰筒，所述火焰筒包括外火焰筒、内火焰筒、及本发明的燃油和空气混合装置，外火焰筒和内火焰筒的壁面上均设置有掺混孔，燃烧用空气全部从燃油和空气混合装置进入，燃烧用空气占全部空气量的80～90%，10～20%的冷却空气从掺混孔进入火焰筒以进一步调节燃烧室出口温度分布，使温度分布满足涡轮进口导流叶片受热强度的要求。

本发明的主燃级的特点是二级和三级旋流空气旋向相反，这时可以使从预混管中出来的主燃级油气混合物具有弱旋流，另外，这种结构设计可以加强旋流空气和燃油射流的相互作用，使剪切作用增强，有利于雾化和掺混，在比较短的空间中实现燃油和空气均匀掺混。

本发明的低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，在发动机处于启动和慢车等低工况时，只有值班级工作；当负载增加时，在起飞、巡航或爬升状态，主燃级开始工作，这时值班级对主燃级起到稳定点火源的作用，从预混管出来的均一燃油和空气混合物当量比为0.3～0.8，主燃级油气混合物和值班级的部分高温烟气混合，主燃级油气混合物开始燃烧，由于主燃级处于贫油状态可以使燃烧室主燃区燃烧温度控制在1800K以下，NOx生成量少。NOx生成量主要取决于燃烧温度和停留时间，随温度的增加而成指数上升。NOx的生成速率和燃烧温度随空燃比的变化如图3所示，接近化学恰当比时，反应温度最高，在贫油和富油范围内，反应温度较低，NOx的生成速率随温度的升高成指数增加，因此，贫油和富油燃烧成为降低NOx排放的手段，其中贫油燃烧在最近研发的短环形燃烧室上得到广泛应用。在发动机大工况时，控制主燃区处于贫油状态，当量比在0.3～0.8范围内，这时控制主燃区温度在1800K以下，可以保证燃烧效率高和污染物（NOx、CO和UHC）排放低。

       本发明的原理：燃油和空气混合装置采用分级供油的方式，低工况时，值班级单独工作，值班区采用扩散燃烧，通过控制值班区的燃油和空气当量比接近化学恰当比，配合火焰稳定装置保证燃烧稳定性，可以扩宽低工况下的稳定燃烧范围和提高低工况时的燃烧效率，因此有效降低CO和UHC的排放；大工况时，值班级和主燃级同时工作，通过控制燃烧室中主燃区的当量比在0.3～0.8范围内，同时，保证主燃区燃油和空气混合均匀使主燃区是预混燃烧不存在化学恰当比的扩散燃烧，使主燃区燃烧温度低于1800K，达到降低污染物排放的目的，特别是NOx排放。这时，燃烧用空气全部从燃烧室头部进入，值班级采用扩散燃烧用于保证低工况时燃烧稳定性和燃烧效率，在大工况时，值班级作为主燃级的点火源，为掺混均匀的主燃级油气混合物提供高温燃气，使主燃级能够充分燃烧并且温度不会太高，主燃级用于降低大工况下NOx排放。主燃级燃油喷射到二级轴向旋流器和三级径向旋流器的交叉入口处，并且二级和三级旋流器旋向相反能够增强旋流空气和燃油射流的剪切作用，使雾化粒径变小，有利于在较短的距离内使液滴蒸发和燃油与空气混合均匀，为主燃区提供均匀的油气混合物，使主燃区实现贫预混预蒸发燃烧，保证主燃区燃烧温度远低于化学恰当比时的绝热火焰温度，因此可以降低NOx排放。主燃级采用多点直射式喷嘴喷射燃油到主燃级旋流空气中，燃油射流径向分速度方向和离心力方向相反，可以在燃油射流速度增加时抑制射流撞击到另一侧壁面引起的结焦和回火问题。

       本发明与现有技术相比所具有的优点：

（1）本发明主燃级通过二级轴向旋流器、三级径向旋流器和多点射流喷嘴实现燃油的良好雾化，二级和三级旋流器空气旋向相反加强了空气和液滴的相互作用，使雾化粒径变小，有利于在较短的几何结构中实现燃油快速蒸发和掺混，使主燃区真正实现贫预混燃烧，保证燃烧效率的同时实现低污染排放。

（2）主燃级沿径向向内和轴向成45°向后喷射，燃油射流和空气轴向相对速度增加，加强了空气和射流的相互作用，有利于射流破碎和形成粒径小的液滴，射流径向方向和旋流空气离心力相反，可以有效抑制燃油射流速度增加时撞击另一侧壁面时引起的结焦和回火问题。

（3）值班级喷嘴通过旋流空气通道在喷嘴出口收口实现空气的速度增加，加强空气和初级雾化液滴的相互作用，以改善雾化效果，旋流空气和火焰稳定器来保证小工况时燃烧稳定性。

（4）本发明采用燃油分级概念，值班级在低工况时单独工作，拓宽发动机稳定工作范围，大工况时，值班级和主燃级同时工作，值班燃烧区为主燃区提供稳定的点火源，主燃区是贫预混燃烧可以有效降低大工况下的污染物排放。

附图说明

图1 是本发明的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置结构剖视图； 

图2是本发明的燃气轮机低污染燃烧室火焰筒结构剖视图；

图3是燃气轮机燃烧室中温度和NOx生成速率与空燃比关系示意图；

图4 是燃气轮机常规燃烧室火焰筒结构剖视图。

其中1是压力或空气雾化喷嘴，2是一级旋流器，3是二级旋流器，4是常规燃烧室外火焰筒，5是主燃孔，6是补燃孔，7是掺混孔，8是内火焰筒，9是文丘里管，10是离心式雾化喷嘴，11是一级旋流器内壁，12是一级旋流器，13是一级旋流器外壁，14是二级旋流器，15是二级旋流器外壁或三级旋流器前壁，16是三级旋流器，17是主燃级直射式喷嘴，18是燃油管道连接孔，19是主燃级集油槽，20是外火焰筒，21掺混孔，22是燃烧室出口，23是内火焰筒，24是值班区，25是主燃区，26是分级燃油喷嘴和火焰筒连接部位，27是进气孔，28是火焰稳定器，29是冷却孔，30是预混管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对发明型进一步详细说明。

图1是本发明的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置结构剖视图，采用分级供油的方案，包括主燃级和值班级，值班级包括离心式雾化喷嘴10、一级轴向空气旋流器12和锥形火焰稳定器28，其中，离心式雾化喷嘴10位于所述装置的中心，一级轴向空气旋流器12设置于离心式雾化喷嘴10的外圈，锥形火焰稳定器28位于离心式雾化喷嘴10的后面，值班级燃油经离心式雾化喷嘴10喷射进行初次雾化，然后和一级旋流空气作用进行二次雾化和掺混，值班级的火焰稳定通过一级旋流空气形成的回流区和喷嘴后面的锥形火焰稳定器28实现；主燃级位于所述值班级的外圈并和所述值班级同轴，包括预混管30、多点直射式喷嘴17、二级轴向空气旋流器14和三级径向空气旋流器16，其中，多点直射式喷嘴17沿周向均匀布置于三级径向空气旋流器16的外壁上并处于二级轴向空气旋流器14和三级径向空气旋流器16的交叉入口处，二级轴向空气旋流器14和三级径向空气旋流器16形成二级轴向旋流空气和三级径向旋流空气、且二级和三级旋流空气的旋向相反，二级和三级旋流空气进入预混管30，燃料通过多点直射式喷嘴17喷射到预混管30中，燃料和空气进入燃烧室之前在预混管30中形成均一的混合物。

锥形火焰稳定器28上设有三排冷却孔29，避免火焰稳定器28被高温燃气烧坏。锥形火焰稳定器28的底部设置有进气孔27，可以抑制值班级的高温烟气进入主燃级预混段，避免回火的产生。

一级旋流器12采用轴向叶片，有18到24个叶片组成，安装角为30～60°。

值班级火焰24和主燃级火焰25在轴向和径向空间分布都不同，值班级火焰24更靠近燃烧室头部和中心，主燃级火焰在值班级火焰的外围并且沿流向靠近下流，实现燃烧室中值班级和主燃级分区燃烧。低工况时，值班级单独工作，大工况时，值班级和主燃级同时工作。主燃级喷射燃油量占总燃油量的50～90%。直射式喷嘴17直径为0.3～0.5mm，个数为8～24个，直射式喷嘴17的个数和三级径向旋流器16的叶片数相等，喷嘴射流方向是沿径向向内成45°角。二级旋流器14和三级旋流器16分别是轴流叶片式和径向叶片式，叶片数为8～24个。大工况时，主燃级多点直射喷嘴17开始工作，燃油通过燃油管连接孔18进入集油槽19，通过直射式喷嘴17喷射到由二级旋流器14和三级旋流器16组成的主旋流器中，燃油管连接孔18在周向均匀布置2个。

另外，直射式喷嘴17喷射的燃油方向和旋流空气的离心力相反，一方面，空气和燃油的相对速度可以增大，改善了雾化和掺混，另一方面，可以抑制燃油射流速度大时撞击到旋流器另一侧壁面，解决了现有技术中射流易碰壁引起预混管30中结焦或回火的问题。从主燃级旋流器出来的燃油和空气混合物实现了均匀掺混，和值班级的高温燃气混合，实现贫预混燃烧，主燃区燃烧温度低于1800K，能够充分燃烧并且污染物排放少，特别是NOx排放得到有效控制。进气孔27可以抑制值班级的高温烟气进入主燃级预混段，避免回火的产生。因此，本燃油和空气混合装置能够实现拓宽燃气轮机燃烧室低工况下的燃烧稳定性和提高燃烧效率，降低大工况时的污染物排放，特别是NOx排放。

图2是本发明的燃气轮机低污染燃烧室火焰筒结构剖视图，所述火焰筒包括外火焰筒20、内火焰筒23、及燃油和空气混合装置，这里的燃油和空气混合装置采用如图1所示的结构，外火焰筒20和内火焰筒23的壁面上均设置有掺混孔21，燃烧用空气全部从燃油和空气混合装置进入，燃烧用空气占全部空气量的80～90%，10～20%的冷却空气从掺混孔21进入火焰筒以进一步调节燃烧室出口温度分布，使温度分布满足涡轮进口导流叶片受热强度的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，包括主燃级和值班级，其特征在于，值班级包括离心式雾化喷嘴（10）、一级轴向空气旋流器（12）和锥形火焰稳定器（28），其中，离心式雾化喷嘴（10）位于所述装置的中心，一级轴向空气旋流器（12）设置于离心式雾化喷嘴（10）的外圈，锥形火焰稳定器（28）位于离心式雾化喷嘴（10）的后面，值班级燃油经离心式雾化喷嘴（10）喷射进行初次雾化，然后和一级旋流空气作用进行二次雾化和掺混，值班级的火焰稳定通过一级旋流空气形成的回流区和喷嘴后面的锥形火焰稳定器（28）实现；主燃级位于所述值班级的外圈并和所述值班级同轴，包括预混管（30）、多点直射式喷嘴（17）、二级轴向空气旋流器（14）和三级径向空气旋流器（16），其中，多点直射式喷嘴（17）沿周向均匀布置于三级径向空气旋流器（16）的外壁上并处于二级轴向空气旋流器（14）和三级径向空气旋流器（16）的交叉入口处，二级轴向空气旋流器（14）和三级径向空气旋流器（16）形成二级轴向旋流空气和三级径向旋流空气、且二级和三级旋流空气的旋向相反，二级和三级旋流空气进入预混管（30），燃料通过多点直射式喷嘴（17）喷射到预混管（30）中，燃料和空气进入燃烧室之前在预混管（30）中形成均一的混合物。

2.根据权利要求1所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，其特征在于，所述装置还包括设置在三级径向空气旋流器（16）的外壁上的燃油管连接孔（18）和集油槽（19），所述直射式喷嘴（17）和集油槽（19）相通，燃油管连接孔（18）在三级径向空气旋流器（16）周向均匀布置2个。

3.根据权利要求1所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，其特征在于，所述锥形火焰稳定器（28）上设有三排冷却孔（29），用以冷却火焰稳定器（28）。

4.根据权利要求1所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，其特征在于，所述锥形火焰稳定器（28）的底部设置有进气孔（27），用以抑制值班级的高温烟气进入主燃级预混段，避免回火的产生。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，其特征在于，所述多点直射式喷嘴（17）直径为0.3～0.5mm，个数为8～24个，沿径向向内和轴向成45°角向后喷射燃油。

6.根据权利要求1至4任一项所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，其特征在于，所述二级轴向空气旋流器（14）和三级径向空气旋流器（16）分别是轴流式叶片和径向式叶片，叶片数为8～24个。

7.根据权利要求1至4任一项所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，其特征在于，所述一级轴向空气旋流器（12）采用轴向叶片，由18至24个叶片组成，安装角为30～60°。

8.根据权利要求1至4任一项所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，其特征在于，所述燃气轮机为航空燃气轮机发动机或工业燃气轮机。

9.根据权利要求1至4任一项所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，其特征在于，从所述预混管（30）出来的均一燃油和空气混合物当量比为0.3～0.8。

10.一种用于燃气轮机低污染燃烧室的火焰筒，包括外火焰筒（20）、内火焰筒（23）、及权利要求1至9任一项所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的燃油和空气混合装置，外火焰筒（20）和内火焰筒（23）的壁面上均设置有掺混孔（21），燃烧用空气全部从燃油和空气混合装置进入，燃烧用空气占全部空气量的80～90%，10～20%的冷却空气从掺混孔（21）进入火焰筒以进一步调节燃烧室出口（22）温度分布，使温度分布满足涡轮进口导流叶片受热强度的要求。

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