富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室

技术领域

本发明涉及一种富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室，尤其是指一种应用于民用航空燃气涡轮发动机的富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室，属于燃气轮机低排放燃烧技术领域。

背景技术

随着对环境保护的日益重视，世界各国及相关国际组织制定了日益严格的环保法规，对各种动力装置的排放标准作了明确的规范和规定。比如针对航空动力，近30年来国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）陆续制定了CAEP1（1986年）、CAEP2（1996年）、CAEP4（2004年）、CAEP6（2008年）和CAEP8（2010年）等多个排放标准条例。从全球燃烧污染排放的总量来看，发动机的排放所占的份额虽然很小，但其具有局部性和高空性的污染特点，因此需要开发具有低排放性能的发动机燃烧室，以减少对环境和健康的影响。低排放燃烧室和燃烧技术正是此研究背景的推动下不断发展和提高的。为适应不断严格的环保标准规范，保证未来对市场的占有率，欧美各国均投入了大量人力财力开展低排放燃烧技术的研究，并已取得明显的效果。如美国上世纪七十年代的高效节能发动机（E3）计划，环境清洁燃烧室项目（ECCP）、90年代的高速研究机（HSR）计划、先进亚声速技术（AST）计划及1999年发起的超高效发动机技术（UEET）计划，欧洲2000年以来制订了EFFAE计划、VITAL计划及GEAE和SNECMA联合发起的TECH56（1998～2003）和随后的LEAP56计划等。

富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧(Rich/Quench/Lean，RQL)技术是先将全部燃油和部分空气进行富油燃烧，通过降低燃烧温度来减少富油燃烧区的NOx，然后富油燃气快速与二股空气混合进行贫油燃烧。由于贫油燃烧区中有大量已燃气体，燃烧温度低，从而降低NOx生成。RQL技术中有一个关键技术问题：富油燃气如何与新鲜空气进行快速充分的混合。富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧(RQL)技术是PW公司和NASA通过AST、UEET研究计划逐步发展完善而来，其应用代表TALON燃烧室已发展到第4代。第1代TALON 燃烧室在PW4098 上投入使用，满足了CAEP2 排放要求，但未达到CAEP4排放要求。第2代TALON 燃烧室采用气动雾化喷嘴、新设计的冷却空气孔、浮动壁火焰筒等措施，减少了冷却空气量，降低了NOx排放值（较CAPE2 降低40%～50%，且UHC、CO和烟排放值不增多），在PW 4156、PW4168、PW6000、PW8000上应用。第3代TALON燃烧室( MSQ燃烧室)采用了整体铸造扩压器、气动雾化喷嘴、带SiC/SiC 陶瓷基复合材料涂层和冲击气膜冷却技术的浮动壁火焰筒，其NOx、CO、UHC排放值满足了CAEP6要求，并有较大裕度。新一代TALON X 燃烧室在NASA的UEET计划下进行了研究，其主要改进包括低发烟燃油喷嘴、低冷却用气火焰筒、进气孔优化技术和驻留时间控制等，以达到低排放、长寿命目标。

贫油预混预蒸发（Lean Premixed Prevaporized，LPP）燃烧技术是把燃油预先蒸发，预先与空气混合，然后在主燃烧室内形成均匀贫油混气进行燃烧。NOx的形成在很大程度上取决于局部温度和油气比。对于当量比接近1的混气，NOx的形成呈现出一个极大峰值，而贫油燃烧可降低燃烧温度，在燃烧室上游实现预混预蒸发，可减小局部高温区，缩短驻留时间，从而抑制NOx的生成。LPP燃烧室的优点是不积炭、冷却火焰筒的空气量减少。其缺点是在燃烧室上游的预混合预蒸发可能导致在高进口温度下发生自燃或回火。

在燃烧室发展历程中，靠旋流稳定的传统燃烧室的得到了不断改进，这些改进减少了污染物排放，但仍面临瓶颈和挑战，越来越难满足日趋严格的排放标准的要求。与此同时，各种新概念燃烧系统和燃烧技术蓬勃发展，驻涡燃烧技术就属于其中之一。美国是最早提出驻涡燃烧室（Trapped-vortex Combustor，TVC）概念的国家，其对TVC技术的研究最早，成果也最多。上世纪九十年代，美国Hsu等人设计出了第一代TVC模型，之后又发展了第二代、第三代及带高压装置的第三代TVC。TVC技术经过十几年的发展，其原理也趋于明朗，性能也逐步被挖掘发现。国外研究发现驻涡燃烧室在真实条件下可以获得非常好的性能：与常规技术相比，在点火性能、贫油熄火性能、高空点火性能方面提高了50%；氮氧化物排放量比1996年ICAO标准CAEP2降低了40%～60%；燃烧效率达到或超过99%的工作范围加宽40%以上。

由于航空燃气涡轮发动机从慢车状态到最大状态之间的油气比范围很大，仅仅利用RQL技术或仅仅利用LPP技术都很难实现全工况范围内降低排放的目标。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容

本发明提供一种富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室，其能够在航空燃气涡轮发动机全工况范围内实现降低排放的目标。

本发明采用如下技术方案：一种富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室，其包括：

扩压器，空气自所述扩压器进入所述燃烧室中；

机匣，所述机匣包括有外机匣和内机匣；

分流装置，所述空气自所述分流装置分为内外涵气流和主流气流；

凹腔，所述凹腔包括有内环凹腔和外环凹腔，所述凹腔上设置有凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口； 

火焰筒，所述火焰筒上设置有若干火焰筒壁冷却孔；

所述富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室还包括有用于预蒸发燃油并稳定火焰的主流预蒸发装置和用于传递火焰的联焰装置，所述富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室还包括有为所述内环凹腔和外环凹腔提供燃料的主燃级燃油总管和值班级燃油总管。

所述富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室在慢车和进场状态下采用富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧技术，在起飞、爬升、巡航状态下采用贫油预混预蒸发技术。

所述富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室中富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧工作模式下，所述主燃级燃油总管不供油，所述值班级燃油总管供油。

所述在主流气流流通截面中形成有凹腔主涡和凹腔副涡，所述凹腔主涡为富油燃烧级，所述凹腔副涡下游部分为淬熄级，所述凹腔副涡上游部分为贫油燃烧级，在所述主流联焰装置所在截面，凹腔主涡为富油燃烧级，凹腔与主流联焰装置之间的空间为淬熄级，所述联焰装置与所述主流预蒸发装置尾迹为贫油燃烧级。

所述富油燃烧级当量比在1.3-1.6之间，贫油燃烧级当量比在0.5-0.8之间。

所述富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室中贫油预混预蒸发工作模式下，所述设置于所述值班级燃油总管上的值班级供油喷嘴采用离心喷嘴，所述离心喷嘴安装于所述凹腔前壁进气口，与空气一起进入凹腔，参与燃烧。

所述主燃级燃油总管的供油方式为直射式喷嘴。

所述值班级当量比为0.8，所述主燃级当量比为0.5-0.6之间。

所述燃烧室为环形燃烧室。

所述火焰筒壁面采用多斜孔方式、冲击冷却或冲击气膜等方式冷却。 

本发明具有如下有益效果：

（1）在慢车状态和进场状态下采用富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）技术，在小功率状态下有效降低了排放，并提高了稳定性；

（2）在起飞、爬升、巡航状态下采用贫油预混预蒸发（LPP）技术，在大功率状态下降低了污染物排放。

附图说明

图1为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧(RQL)与贫油预混预蒸发(LPP)组合低排放驻涡燃烧室结构示意图。

图2为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室的局部剖视图。

图3为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室中的火焰筒局部剖视图。

图4为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室中的主流预蒸发装置结构示意图。

图5为图4所示的主流预蒸发装置工作原理示意图。

图6为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室中的燃油总管示意图。

图7为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）工作模式下主流流通截面燃烧过程示意图。

图8为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）工作模式下联焰装置所在截面燃烧过程示意图。

图9为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室贫油预混预蒸发（LPP）工作模式下主流流通截面燃烧过程示意图。

图10为本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室贫油预混预蒸发（LPP）工作模式下联焰装置所在截面燃烧过程示意图。

其中：

1-驻涡燃烧室、2-外机匣、3-内机匣、4-扩压器、5-高能电嘴、6-主燃级燃油总管进口、7-值班级燃油总管进口、8-主燃级燃油总管、9-值班级燃油总管、10-分流装置、11-火焰筒、12-火焰筒壁冷却孔、13-凹腔前壁冷却气进口、14-主流预蒸发装置、15-反射溅板、16-蒸发腔、17-蒸发腔出口、18-V形槽、19-凹腔前壁进气口、20-凹腔后壁进气口、21-外环凹腔、22-内环凹腔、23-联焰装置、24-主燃级出油孔、25-值班级供油喷嘴、26-凹腔主涡、27-凹腔副涡、28-淬熄区、29-贫油燃烧区、30-主燃区。

具体实施方式

请参照图1至图6所示，本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室1主要由外机匣2、内机匣3、扩压器4、主燃级燃油总管8、值班级燃油总管9、分流装置10、火焰筒11、主流预蒸发装置14等组成。空气从扩压器4进口进入燃烧室，经过扩压器4减速增压，以利于燃烧的组织。火焰筒11壁面根据冷却需要分布了大量的火焰筒壁冷却孔12；主流预蒸发装置14与联焰装置23共同承担传递火焰和稳定火焰的作用；主燃级燃油总管8为外环凹腔21和内环凹腔22提供燃料；在分流装置10的作用下，空气分别进入内外涵道和主流；内外涵气流分别从凹腔前壁进气口19和凹腔后壁进气口20进入凹腔，其余空气分别从火焰筒壁冷却孔12进入火焰筒11；主流空气从联焰装置23之间的间隙进入火焰筒11。

本发明中的燃烧室为环形燃烧室，整个燃烧室设计为22个头部。

本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室1中火焰筒11壁面采用多斜孔方式冷却。在其他实施例中，可以使用其他更为先进的冷却方式，满足不同的需求，比如冲击冷却、冲击气膜。

在LPP工作模式下，主燃级燃油由主燃级燃油总管8上的主燃级出油孔24逆向喷入预蒸发装置14，然后在反射溅板15的反弹作用下进入蒸发腔16，或打在V形槽18壁面上。由于预蒸发装置14的尾迹中是来自凹腔的高温燃气，所以V形槽18壁面和蒸发腔16处于较高的温度下，有利于油滴的充分蒸发。少量空气从射溅板15与预蒸发装置壁面之间的间隙进入蒸发腔16，并带着油蒸气从蒸发腔出口17喷入主流空气中，在主燃区上游进行混合，形成贫油预混气，进入主燃区。

本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室1的供油系统分为主燃级燃油总管8和值班级燃油总管9。RQL工作模式下，主燃级不供油，仅值班级供油。LPP工作模式下，值班级供油喷嘴25采用离心喷嘴，安装在凹腔前壁进气口19，与空气一起进入凹腔，参与燃烧；主燃级燃油供入方式为直射式喷嘴。

请参照图1至图6并结合图7至图8所示，本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室在慢车和进场时的工作模式：RQL工作模式。燃油全部供入内外环凹腔21、22内，凹腔内为富油燃烧，当量比为1.3-1.6。在慢车状态下，虽然其燃油量和温升都不高，但是在国际民航组织所定义的LTO循环中，慢车状态的工作时间是最长的，其排放量也是相当可观的，所以在该状态下采取RQL工作模式；而在进场时，推力达到30%，此时的燃烧室进口温度比慢车状态下的燃烧室进口温度高200-250K，此时的供油量为慢车状态下供油量的3-4倍，排放较高，但不是大功率，无需设计为LPP工作模式（燃油量不够），故在此进场状态下设计为RQL工作模式。

本发明RQL模式的工作过程：在慢车和进场时，将所有燃油供入凹腔内。如图7和图8所示，所有燃油随凹腔前壁进气口19气流一起进入凹腔主涡26中，当量比在控制在1.3-1.6之间，形成富油燃烧区。在主流流通截面将形成如图7所示的凹腔主涡26和凹腔副涡27结构。在凹腔副涡27的下游部分，有两部分新鲜空气与已燃气体混合，将其稀释，一部分来自凹腔后壁进气口20，另一部分来自主流。因此，在凹腔副涡27的下游部分，当量比大幅下降，形成淬熄区28。在凹腔副涡27的上游部分，发生淬熄的混气由于新鲜空气的补充，重新开始燃烧，形成贫油燃烧区29。燃烧完全的混合气进入主流，并与主流一起由燃烧室出口进入涡轮。在联焰装置23所在的截面，将形成如图8所示的单涡结构。富油燃烧区的产物在凹腔后壁进气口20气流的掺混作用下形成淬熄区28，淬熄区28气流在压差作用下流向联焰装置23尾迹中，并继续燃烧，形成贫油燃烧区29。如上所述，整个燃烧过程将被控制在1600k-1900k，能够有效降低氮氧化物（NOx）排放。

请参照图1至图6并结合图9至图10所示，本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室在起飞、爬升、巡航时的工作模式：LPP工作模式。少量燃油供入内外环凹腔21、22内，充当值班级，当量比在0.8左右，兼顾高效率与低排放；另一部分燃油从主燃级燃油总管8进入主流预蒸发装置14，充当主燃级。燃油在蒸发腔16内进行预蒸发后进入主流，形成当量比为0.5-0.6之间即接近贫油熄火极限的贫油预混气，然后进入主燃区28进行贫油燃烧，极大地降低了气态污染物排放。

本发明LPP模式的工作过程：在起飞、爬升、巡航时，驻涡燃烧室分为值班级和主燃级，主燃级实现LPP模式。部分空气和燃料进入凹腔，控制凹腔主涡26内当量比在0.8左右，燃料在凹腔主涡26内进行稳定高效的燃烧，作为整个燃烧室的值班级。主流燃油在预蒸发装置14中进行预蒸发后，从蒸发腔16出口喷入主流，与主流进行预混，从而形成当量比接近贫油熄火极限的预混预蒸发混气，然后进入主燃区30进行燃烧，作为整个燃烧室的主燃级。如图9所示，在主流流通截面，凹腔内还形成了除凹腔主涡26以外的凹腔副涡27。凹腔副涡27的形成有助于将高速主流与凹腔主涡26分隔开，有利于主涡的稳定性，并且依靠凹腔副涡27与主流和凹腔主涡26的物质交换将主流可靠地点燃。如图10所示，在联焰装置23所在截面，凹腔内只形成了单涡结构，但是，凹腔主涡26中的已燃混气在压差作用下流向联焰装置23和主流预混装置14的尾迹中，增加了已燃混气与主流贫油可燃混气的接触面积，有助于更可靠地点燃主流，并提高效率。在LPP工作模式中，值班级当量比处于较高当量比（0.8左右），但是值班级燃油所占比例很小，而大部分燃油处于当量比很低的主流中，故整个燃烧室NOx排放量很低。

本发明富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室的点火与火焰稳定：在凹腔尺寸和前后壁进气口19、20合理匹配的情况下，凹腔内将形成驻定涡系。燃油从值班级供油喷嘴25喷出，与凹腔前壁进气口19空气一起进入凹腔内，在涡漩的作用下随空气一起进入凹腔主涡26内，并伴随着燃油的蒸发，形成可燃混气。在某一特定时刻，点火系统接通，高能电嘴5两个电极电压高过空气击穿阀值，发出电火花，形成一个类似扩散火焰形状的高温等离子区，点燃电嘴附近的可燃混合气，形成具有足够尺寸和温度的核心火团。该核心火团在向四周传播火焰的同时，随气流一起运动，在这两重作用下，火焰传播到凹腔主涡26的回流区内，形成稳定点火源；新鲜混合气进入凹腔后，在该稳定点火源的作用下进行加热并被点燃；火焰的周向传播，将点燃相邻的头部，进一步将整个外环凹腔21将被点燃，这样就标志着点火成功。在联焰装置23所在截面，从前壁进入凹腔的混合气一部分进入凹腔主涡26回流区内，另一部分在压差作用的驱动下流向联焰装置23的尾迹流中。在联焰装置23的尾迹流中，内环凹腔22未燃混合气与外环凹腔21已燃高温混合气接触，并被点燃，然后火焰传播到内环凹腔22中，最终整个值班级被点燃并稳定燃烧。

本富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧与贫油预混预蒸发组合低排放驻涡燃烧室在慢车状态和进场状态下采用富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）技术，在小功率状态下有效降低了排放，并提高了稳定性；在起飞、爬升、巡航状态下采用贫油预混预蒸发（LPP）技术，在大功率状态下降低了污染物排放。

本发明的另一种实施方式为，慢车和进场状态下仅凹腔供油，采用富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）技术；而在起飞、爬升、巡航状态时凹腔与主流同时供油，凹腔内采用富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL），主流采用贫油预混预蒸发（LPP）燃烧，同时满足高效率和低排放的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。