[發(fā)明專利]一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級的周向分級低污染燃燒室

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010591264.0
• 申請日: 2010-12-08
• 公開（公告）號: CN102032598A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發(fā)明（設計）人: 李鋒;張珊珊;孫佰剛;楊暉;張莉涓
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F23R3/58
• 分類號: F23R3/58;F23R3/20;F23R3/30
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉

技術領域

本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動機低污染燃燒室，特別是一種帶多旋流中間穩(wěn)焰級的周向分級低污染燃燒室。采用該方案的燃燒室燃燒穩(wěn)定性大幅度提高，同時可以顯著降低污染物排放。

背景技術

民用航空發(fā)動機越來越受到更加嚴格的污染物排放標準的限制。當前采用的CAEP6標準規(guī)定民用航空發(fā)動機NO_X排放比目前在役發(fā)動機的平均排放水平低60％。針對工業(yè)燃氣輪機的排放標準則更為嚴格，要求達到百萬分之一的排放濃度。日益嚴格的污染物排放標準也在促使人們進一步探索更加有效的低污染燃燒組織形式。

GE發(fā)動機公司提出了一種低污染燃燒室方案-TAPS(Twin?Annular?PremixingSwirler)，被認為是目前技術成熟度最高的低污染燃燒技術。其燃燒室頭部主要包括值班級和主燃級，主燃級和預燃級分別供油，實現(xiàn)分區(qū)燃燒。該低污染燃燒室方案的主要發(fā)明人Hukam?Chand?Mongia在文獻(TAPS-A?4th?Generation?Propulsion?CombustorTechnology?for?Low?Emissions?AIAA?Paper?2003-2657)中指出，TAPS方案在慢車等低工況下僅值班級工作，在起飛、爬升和巡航等高工況下兩級同時工作，高工況下值班級燃油比例為5％～10％，同時該方案的燃燒室火焰筒壁面上無主燃孔及摻混孔，僅有火焰筒冷卻氣流經過。GE公司針對該技術申請了20多項美國專利，如US?6354072、US?6363726、US?6367262、US?6381964、US?6389815、US?6418726、US?6453660、US?6484489、US?6865889、US7762073等。這些專利在TAPS燃燒室基準型號上或針對值班級進行優(yōu)化，或針對主燃級旋流進氣裝置進行改進，但是空氣流量及燃油流量在值班級和主燃級之間的分配基本未變。所有上述專利均聲稱實現(xiàn)了發(fā)動機工作范圍內的低污染燃燒要求。但是美國密西根大學由James?F.Driscoll教授領導的TAPS研究團隊的試驗研究表明(Unsteady?Aspectsof?Lean?Premixed-Prevaporized(LPP)Gas?Turbine?Combustors：Flame-FlameInteractions，AIAA?2010-1148；Instantaneous?Flow?Structures?in?a?Reacting?GasTurbine?Combustor，AIAA?2008-4683；Vortex-shedding?and?mixing?layer?effects?onperiodic?flashback?in?a?lean?premixed?prevaporized?gas?turbine?combustor，Proceedings?of?the?Combustion?Institute)，在發(fā)動機進行工況轉換時，值班級和主燃級供油比例的改變，會導致值班級和主燃級旋流通道的空氣流量分配改變，進而導致火焰筒內各燃燒子區(qū)當量比偏離設計值和燃燒不穩(wěn)定的產生等不利影響，此外該團隊的試驗及數(shù)值結果顯示TAPS方案在主燃級和值班級之間存在著一定高度的臺階，臺階后產生的臺階渦能夠支持巡航工況下主燃級的貧油預混穩(wěn)定燃燒，但是該漩渦的強度和大小很大程度上受主燃級和值班級氣流速度差的影響，在外界氣流條件改變的情況下，該漩渦對強度和大小也會隨之改變，進而也會導致燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象的產生。GE公司的最新專利US7762073中，則大幅度更改了值班級和主燃級之間的空氣流量和燃油流量分配，該專利在值班級套筒擴張段增加了一圈值班級周向多點直射式空氣霧化噴嘴，值班級所增加的燃油使得燃燒室值班級空氣流量比例可以從燃燒室總氣量的10％到30％變化，值班級周向多點直射式空氣霧化噴嘴的供油量可以大于、等于或者小于值班級主噴嘴，并且該專利指出當值班級多點直射式空氣霧化噴嘴噴嘴供油比例增多時，燃燒室的污染物排放性能更好。這樣的改進方式實際上是在以犧牲部分TAPS技術的低污染排放能力為代價來獲得較高的燃燒穩(wěn)定性。目前國內低污染燃燒室方案主要集中在北京航空航天大學熱動力工程研究所，以林宇震、劉高恩等知名教授帶領的學術團隊在低污染燃燒室概念設計和工程應用上有了諸多創(chuàng)新，并申請了諸多專利，如ZL200810104686.3、ZL200810105061.9、20081010562.3、200810104684.4，上述4種低污染燃燒方案主燃級均采用了徑向旋流葉片為主燃級霧化提供進氣條件，專利200910238793.x、201010101574.x和201010034141.7則是為改進主燃級霧化混合的性能，將蒸發(fā)管的預混預蒸發(fā)概念引入到主燃級設計中。這些方案在特定的燃燒室設計點，如巡航狀態(tài)，可以做到很低的污染物排放，但是在進行工況轉換時，由于燃油比例的改變同樣會導致與TAPS方案一樣的燃燒室燃燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象的產生，故在實際應用中同樣需要通過犧牲低污染排放能力來獲得穩(wěn)定的燃燒性能。