[发明专利]一种轴向分级贫油预混预蒸发低污染燃烧室

说明书

本发明涉及一种轴向分级贫油预混预蒸发低污染燃烧室，采用分级燃烧技术将燃烧室沿轴向分为值班级和主燃级，值班级安装在燃烧室头部端壁上，采用单点贫油直接喷射方式，主燃级安装在火焰筒外壁上，采用多点喷射贫油预混预蒸发燃烧的方式，在小工况下仅值班级工作，在大工况下值班级和主燃级同时工作。本发明在满足燃烧室稳定性和安全性的同时，大大降低了整个工况下的污染物排放。

技术领域

本发明燃气轮机和航空发动机燃烧室领域，涉及一种轴向分级贫油预混预蒸发低污染燃烧室，具体是一种值班级采用单点贫油直接喷射、主燃级采用多点喷射贫油预混预蒸发的轴向分级低污染燃烧室。

背景技术

近年来，环境问题越来越受到人们的关注，无论对于航空燃气轮机还是地面燃气轮机，其污染排放的要求日益严格。低污染燃烧技术成为先进燃气轮机未来的发展趋势，民用航空发动机必须满足国际民航组织ICAO下属环境保护委员会CAEP制定的一系列标准，2016年最新的CAEP 10标准对NOx和颗粒物排放提出了更严格的规定，因此必须发展新的燃烧技术才能满足日益严格的排放要求。

现代民用航空发动机流行的低污染燃烧技术主要包括：富油燃烧-快速淬熄-贫油燃烧技术Rich burn-Quick quench-Lean burn，RQL、贫油预混预蒸发燃烧技术LeanPremixed Prevaporised，LPP和贫油直接喷射燃烧技术Lean Direct Injection，LDI。普惠公司的TALON燃烧室和霍尼韦尔公司的SABER燃烧室均是采用RQL技术，其NOx 排放水平基本能满足CAEP 6的标准，但RQL技术不论在小工况还是大工况下都会出现接近化学恰当比的反应，所以RQL技术降低污染排放的潜力有限，很难满足未来 ICAO越来越严格的排放标准。GE公司发展的TAPS燃烧室采用中心分级燃烧组织方式，值班级采用直接喷射，主燃级采用LPP技术，GE公司针对TAPS燃烧室申请了 6363726、6389815、6354027、6418726、0178732、6381964和6389815等一系列专利， TAPSⅠ和TAPSⅡ的NOx排放比CAEP 6的规定再降低50％和60％，而用于GE 9X 的TAPSⅢ的NOx排放比CAEP 8的规定还低30％，但LPP燃烧方式存在自燃、回火、燃烧不稳定性等一系列问题。为了解决LPP技术存在的问题，近年来许多研究机构开展了关于LDI技术的研究，NASA格林中心设计了三种不同的LDI头部方案，并分别进行了研究，三种头部方案的污染排放水平均比CAEP 6低85％左右，在NASA ERA 项目支持下，Goodrich公司设计了阵列式LDI燃烧室，该方案的NOx排放比CAEP 6 的规定低75％，Parker公司在NASA UEET项目支持下，提出了多级分区LDI燃烧方案，其污染物排放水平可以满足降低CAEP 6规定NOx排放70％的要求，Dalavan公司申请的9644844专利，提出了一种新型的多点贫油直接喷射方案，能有效的降低污染排放水平。Rolls-Royce公司发展的低污染燃烧室ANTLE采用LDM技术，该燃烧室是一个单环腔分级燃烧室，其NOx排放水平比CAEP 2标准降低了50％。

国内近年来在低污染燃烧室方面也申请了许多相关专利。北京航空航天大学在低污染燃烧室方面申请了201010034141.7和201510674145.4等专利，南京航空航天大学申请了201210589590.7、201610929177.9等专利，中国科学院工程热物理研究所申请了201410643105.9专利，这些低污染燃烧室专利采用的方案基本上都是采用中心分级燃烧技术，值班级采用扩散燃烧方式，主燃级预混燃烧的方式来降低大工况下的污染物排放。中心分级燃烧技术在点、熄火及小工况下污染排放、大工况下燃烧稳定性等方面均存在许多问题，严重影响燃烧性能。

为了能够满足越来越严格的污染排放要求，必须改变燃烧组织方式，在保证燃烧室稳定燃烧的同时要最大程度的降低燃烧室的污染排放水平，其核心在于要保证值班级的火焰稳定，燃烧室不出现回火、自燃等问题，通过尽量避免燃烧区以化学恰当比燃烧，防止出现局部高温区，同时尽量缩短燃气在高温区的停留时间，以降低NOx 排放水平。为了解决现在存在的技术不足，本发明提出了一种轴向分级贫油预混预蒸发低污染燃烧室。