[发明专利]航空发动机催化-预混分级燃烧室及运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃气涡轮机燃烧室技术领域，特别是涉及一种催化-预混分级燃烧室的机构及其运行方法。

背景技术

随着人类社会和经济的发展，全球航空业发展势头越发迅猛。目前，全球已有大约3750个机场，2000多家航空公司，每天有近23000架航空器在空中进行飞行活动。据气候变化政府间论坛（IPCC）1999年的报告，在影响全球气候变化的温室气体排放量方面，航空活动对大气的排放占全部人类活动总排放的3.5％。随着环保意识的不断增强，人类对大飞机发动机的排放提出了要求，特别是对NOX的排放要求越来越严格。NOX对环境具有巨大的破坏作用，主要表现在两个方面，一方面破坏平流层(同温层)中的臭氧层,使之失去了对紫外光辐射的屏蔽作用。另外一方面NO_X与SO₂和粉尘共存,可生成毒性更大的硝酸或硝酸盐气溶胶,形成酸雨。因此，如何改善发动机的排放性能，降低污染物排放已成为关系到影响人类生存环境的关键性问题。

分级燃烧技术是降低燃烧室污染物排放的主要手段，采用分级燃烧室可以通过控制参加工作的分区的多少来适应工况的变化，当负荷变化时，每个区仍保证适当的高效低污染条件，这样可以避免采用贫燃预混燃烧时由于负荷降低时燃烧区过量空气系数增大而导致的燃烧效率恶化和稳定工作范围变窄等问题。目前分级燃烧室已作为一项成熟的技术在燃烧室上得到了应用，其缺点是在燃烧室上游的预混预蒸发可能导致在高进口温度下发生自动点火或回火，同时燃烧室要冒险运行在接近贫油熄火极限。单纯的采用分级燃烧室还不能同时满足负荷变化时对NOx的排放和CO排放的要求，同时采用分级燃烧室时还需要准确知道燃料成分和空气湿度以便于对燃料流量的控制。

催化燃烧是一个无火焰过程,它使燃料在通常的燃料-空气混合物可燃极限以下的温度氧化，减少了NOx的排放。在燃烧室中采用催化燃烧技术最早是由William Pfefferle在1975年提出的，随后美国和日本等国都积极开展了可应用于不同尺度燃烧室的催化技术的研究。当时催化剂温度高于燃烧室出口燃气温度,因而引起了催化剂的失活和烧毁问题限制了催化燃烧室的发展。90年代利用分级燃烧室的概念提出了催化燃烧和预混燃烧相结合的设计,降低了催化剂温度。针对催化-预混分级燃烧室在燃气轮机上的应用，日本的Toshiba公司和Tokyo电力公司在上个世纪90年代开展了1300℃级燃烧室的全尺度常压实验及催化剂的小尺度高压实验。日本中央电力研究院与Kansai电力公司从1988年开始联合开展了应用于高温燃气轮机上的催化燃烧技术。美国能源部先进涡轮系统计划提出了采用催化燃烧降低排放的计划，并在Solar和西门子-西屋公司分别实施了实验与理论研究。2003-2006年欧盟开展了由10个成员国参与的CATHLEAN项目，通过成员之间的协作开发一种具有低NOx排放、高部分负荷稳定性及低热声脉动的发动机燃烧室。而针对在航空发动机上应用催化-预混分级燃烧室，Volvo航空公司的Richard Avellan(U.S.Patent Application No.US2011/0023446A1)提出了将催化燃烧室与预混燃烧室并联的分级燃烧方案，并采用发动机在持续工作状态下采用催化燃烧，起飞和降落过程采用预混燃烧室运行的分级燃烧方法。U.S.Pat.No.6105360提出了一种包括基本燃烧区、次级燃烧区、催化反应区和均相反应区相串联的分级燃烧室并提出了发动机在不同运行工况下燃烧室的运行方法。U.S.Patent Application.No.US2009/0133380提出了在发动机应用尾气换热器，在换热器中应用尾气将压气机出口气体加热，同时在换热器热端采用催化技术对发动机的尾气进行处理，在提高了热利用率的同时也降低了尾气排放。

在以上所提到的催化-预混分级燃烧室方案中，没有充分的考虑到航空发动机对燃烧室尺度参数、结构布局等方面的要求，同时需要布置多个燃料及空气喷嘴增加了燃烧室内部结构的复杂性。

发明内容