[发明专利]一种采用径向旋流进气燃油分级方案的低排放回流燃烧室

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用燃油分级方案的低排放燃烧室，特别是与径向旋流进气方案相匹配的低排放回流燃烧室，结构简单紧凑。采用该方案的燃烧室稳定工作边界大幅拓宽，并能显著降低排放。

背景技术

随着全球经济的迅速发展和日益上升的环境保护意识，航空发动机和地面燃气轮机作为最高效的动力设备，其污染物排放水平越来越受到严格限制。国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)对航空发动机的排放物尤其是氮氧化物NO_X排放的要求愈发苛刻。国际民航组织根据其下属的航空环境保护委员会(CAEP)的建议对民航飞机污染物排放的有关规定，称之为CAEP1。航空发动机要取得认证，须按照上述规定执行。该标准实施之后，飞机排出的CO和UHC有显著降低，但是NO_X降低程度却不甚明显。这是因为近三十年来航空发动机燃烧室的进气温度和进气压力有了显著的提高，一方面有助于提高发动机的工作效率，促进燃料完全燃烧，从而降低CO和UHC的排放；但同时由于燃烧温度提高，NO_X生成量也大大增加。为了进一步降低NO_X排放，ICAO又陆续颁布了CAEP2、CAEP4、CAEP6和CAEP8标准，对NO_X排放的要求越来越严。CAEP6排放标准比CAEP4严格了18％～26％，最新的CAEP8标准要求NO_X排放将在CAEP6基础上再减少15％。

世界几大航空工业大国及几大燃气轮机公司如GE、PW和R-R针对环境危害最大的NO_X排放问题，在航空发动机研究中将NO_X的控制作为重点课题进行了深入细致的研究。在实现低NO_X排放的新燃烧技术方面取得了一系列的丰硕成果，目前已经应用的低排放燃烧技术，包括GE公司的双环预混旋流燃烧室、PW公司的富油/淬熄/贫油和R-R公司的贫油预混预蒸发燃烧室和贫油直接喷射燃烧室等。

GE公司提出的双环预混旋流燃烧室是一种燃油分级低排放燃烧室，其特点是采用值班级和主燃级产生两股共轴的环形旋转射流，每股旋转射流都由为满足特定目标而专门设计的旋流器产生，值班级与主燃级两级采用同轴布置方式。中心值班级可以满足点火和低功率工作(启动、慢车等)的雾化要求，也满足点火、起动、贫油燃烧稳定性和燃烧效率等设计要求所需的流场特性。外侧为主燃级，采用的是径向旋流器，燃油射入旋流器通道，使得油气预先在通道中混合均匀，然后进入燃烧室以确保在较低温度下均匀燃烧从而减少NO_X生成，满足发动机处于大功率状态要求(进场以上的状态，包括起飞、爬升等)。该燃烧室能够建立理想的预混环境，取得较高的燃烧效率、较低且均匀的火焰温度，进而不仅能够降低NO_X的排放，也能够明显延长下游热端部件的寿命。该型燃烧室的缺点在于，燃油喷射到主旋流器的下游，形成预混预蒸发的油气混合物，但是采用这种喷射方式燃油不能得到充分雾化和蒸发，为了使得油气混合物掺混的均匀，这种喷射方式所需的掺混距离较长，蒸发时间也较长，这非常不利于减轻燃烧室的长度和重量。

国内科研院所所提出的低污染燃烧室技术，均不同程度地存在以下缺点：主燃级燃油在旋流器叶片末端喷入，掺混长度较短；值班区燃油的雾化效果不好，不能和旋流空气充分掺混，不利于值班级的稳焰作用；在中心值班级和外侧主燃级之间增加中间级，在一定程度上阻断值班级和主燃级火焰的耦合，造成主燃级火焰熄火的可能性；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，也不利于燃烧室减重；其主燃级燃油的喷射源不是位于旋流器叶片通道内，燃油不能和旋流空气剧烈掺混，使得燃油和空气的预混效果欠佳。

无论采取何种方案的低排放燃烧室，都面临降低氮氧化物NO_X和降低一氧化碳CO、UHC未燃碳氢化合物之间的矛盾，这是由于燃烧室在低负荷和高负荷状态的主要排放物生成机理不同。抑制NO_X和控制CO、UHC的排放是一个相互矛盾的过程，要想抑制或者降低NO_X的排放，特别是热力型NO_X的排放，需要控制主燃烧区温度，因为一旦过了1700K，其生成量随温度呈指数上升关系。如果能够实现温和的低温燃烧，就能从根本上实现NO_X的减排；但另一方面如果燃烧温度过低，会造成燃烧不完全，使CO、UHC排放增加，会降低燃烧效率。