CN109654536B - 自主回流式燃烧室 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自主回流式燃烧室，属于航空发动机燃烧室设计技术领域，该燃烧室包括火焰筒(1)、燃料管路以及空气管路(4)，其中，所述火焰筒(1)的一端敞口，另一端封闭，所述燃料管路及空气管路(4)的出口部分设置在所述火焰筒(1)的敞口端，并朝向所述火焰筒(1)内部，所述火焰筒(1)的敞口端的包围所述燃料管路及空气管路(4)的出口部分作为燃气出口，所述火焰筒的燃烧区域设置在所述燃料管路及空气管路(4)的出口部分与所述火焰筒封闭端之间。本申请通过结构设计实现了烟气的自主回流，降低了参与燃烧气体的含氧量，提升了燃烧空气的温度，在降低NO_x排放的情况下，同时增强了燃烧的稳定性。

Description

自主回流式燃烧室

技术领域

本申请属于航空发动机燃烧室设计技术领域，特别涉及一种自主回流式燃烧室。

背景技术

国家标准和国际民航组织对NO_x排放的严格要求是燃气轮机进入市场的先决条件，目前对氮氧化物控制技术的研究主要集中在组织燃烧方式和燃烧室结构设计上。NO_x的生成主要有热力型NO_x、燃料型NO_x、快速型NO_x和NNH型NO_x，燃料型NO_x通过控制燃料中的含氮量来减少NO_x的排放，其余三种机理产生的NO_x对总NO_x的贡献量随着燃烧室工作条件的不同其组成会有很大的变化。从NO_x产生的机理分析影响NO_x排放的因素主要有：火焰温度、高温区停留时间、燃烧反应物的摩尔分数以及燃烧室的压力等因素，国内外研究出分级、变几何、催化、贫油预混预蒸发燃烧室、富油燃烧/淬息/贫油燃烧室、双环预混旋流燃烧室、贫油单级及轴向分级燃烧室等数十种燃烧室结构，但部分燃烧室也存在工作范围窄、易回火、燃烧不稳定等缺陷，主要包括

贫油预混预蒸发燃烧室的主要缺点是预混预蒸发方式很难控制，容易造成燃油的结焦，工作范围小、容易回火；

变几何燃烧室结构复杂，容易产生故障；

分级燃烧的燃烧室控制复杂，工作范围窄；

催化燃烧方式需要消耗催化剂，进气温度还容易引起催化剂的失效。

RQL燃烧室使燃烧分成两级，导致燃烧室边长，同时二次空气的注入的过程与理想状态偏差较大，不能有效降低NO_x的排放。

因此研制出一种无论燃料在预混和非预混情况下，都能稳定燃烧、同时具有较大燃烧强度且能达到NO_x的超低排放的燃烧室，是研发人员所迫切希望的。

发明内容

本申请的目的是提供自主回流式燃烧室，以解决上述至少一方面的问题。

本申请自主回流式燃烧室，包括火焰筒、燃料管路以及空气管路，其中，所述火焰筒的一端敞口，另一端封闭，所述燃料管路及空气管路的出口部分设置在所述火焰筒的敞口端，并朝向所述火焰筒内部，所述火焰筒的敞口端的包围所述燃料管路及空气管路的出口部分作为燃气出口，所述火焰筒的燃烧区域设置在所述燃料管路及空气管路的出口部分与所述火焰筒封闭端之间。

优选的是，所述燃料管路包括预混模式下的燃料管路及非预混模式下的燃料管路。

优选的是，所述火焰筒外部套设有燃烧室外机匣，所述燃烧室外机匣的内壁与所述火焰筒外臂通过支撑架支撑，并在其内设置有流体或冷却气。

优选的是，所述火焰筒的筒壁采用高温合金制成。

优选的是，所述火焰筒的封闭端采用高温陶瓷制成，或在火焰筒内部的封闭端处加装高温陶瓷。

本发明的关键点是通过结构设计实现了燃气的自主回流，降低了参与燃烧气体的含氧量，提升了燃烧空气的温度，在降低NOx排放的情况下，同时增强了燃烧的稳定性。

本发明的优点是：

1)高温回流燃气自主回流与进口燃料混合，增加了来流燃气温度，提高了燃烧的稳定性；

2)回流燃气与进口燃气的混合，降低了来流气的氧含量，可极大降低NO_x的排放；

3)布置于火焰筒底部的陶瓷板实现了燃气的自动回流；

4)可使燃烧室在较低来流温度、较低油气比情况下稳定燃烧，提高了燃烧室在低工况时工作的稳定性。

附图说明

图1是本申请自主回流式燃烧室的一优选实施例的结构示意图。

其中，1-火焰筒，2-预混模式下的燃料管路，3-非预混模式下的燃料管路，4-空气管路，5-燃烧室外机匣，6-燃烧混合物，7-回流燃气；8-燃烧区，9-回流区，10-陶瓷筒底，11-冷却气。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

本申请设计了一种在预混和扩散模式下都能稳定工作的新型燃气轮机低排放燃烧室，该燃烧室能自主产生燃气回流，高温回流燃气与进口燃料混合，增加燃料进口温度的同时降低反应混合物的含氧量，提高燃烧稳定性，降低了点火难度，在燃料预混和非预混的情况下，均能实现氮氧化物的超低排放。

如图1所示，本申请自主回流式燃烧室，主要包括火焰筒1、燃料管路以及空气管路4，其中，所述火焰筒1的一端敞口，另一端封闭，所述燃料管路及空气管路4的出口部分设置在所述火焰筒1的敞口端，并朝向所述火焰筒1内部，所述火焰筒1的敞口端的包围所述燃料管路及空气管路4的出口部分作为燃气出口，所述火焰筒的燃烧区域设置在所述燃料管路及空气管路4的出口部分与所述火焰筒封闭端之间。

本实施例中，火焰筒1仅在一端开口，燃料进口与燃气出口(回流燃气7)位于同一侧，燃气在火焰筒底受到阻碍形成自动回流，在流经燃烧区时与燃料和空气发生传质和传热，提高了进口空气的温度，有利于火焰的稳定性燃烧，同时由于燃气的回流减低了参与燃烧空气的氧气含量，能有效降低NO_x的排放。

本申请燃料进口与燃气出口位于同侧，燃料与气体在火焰筒的敞口端中心区域混合，形成燃烧混合物6，并受管路排气的推动，进入燃烧区8，混合物在燃烧区燃烧后，继续向筒底流动，并在筒底形成回流，如图所示，由于燃烧混合物6及燃烧区8基本位于火焰筒中心轴线附近，燃烧后的气体在碰触到筒底中心后，向周侧扩散，形成回流区9，并沿火焰筒的筒壁向敞口端流动，最终在火焰筒的敞口端排出，形成回流燃气7，图中，回流燃气7包覆在燃烧混合物6的外侧，提高了进口空气的温度。

在一些可选实施方式中，所述燃料管路包括预混模式下的燃料管路2及非预混模式下的燃料管路3。两条燃料管路之间的切换，可实现燃料与空气的预混和非预混模式的切换。

在一些可选实施方式中，所述火焰筒1外部套设有燃烧室外机匣5，所述燃烧室外机匣5的内壁与所述火焰筒1外臂通过支撑架支撑，并在其内设置有流体或冷却气11。

在一些可选实施方式中，所述火焰筒1的筒壁采用高温合金制成。

在一些可选实施方式中，所述火焰筒1的封闭端采用高温陶瓷制成，或在火焰筒1内部的封闭端处加装高温陶瓷。

高温合金的火焰筒壁与高温陶瓷火焰筒底(陶瓷筒底10)焊接组成一个封闭结构，或一体设计，燃烧室外机匣5与火焰筒壁之间通入冷却气冷却火焰筒。

本发明的优点是：

1)高温回流燃气自主回流与进口燃料混合，增加了来流燃气温度，提高了燃烧的稳定性；

2)回流燃气与进口燃气的混合，降低了来流气的氧含量，可极大降低NO_x的排放；

3)布置于火焰筒底部的陶瓷板实现了燃气的自动回流；

4)可使燃烧室在较低来流温度、较低油气比情况下稳定燃烧，提高了燃烧室在低工况时工作的稳定性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.自主回流式燃烧室，其特征在于，包括：火焰筒(1)、燃料管路以及空气管路(4)，其中，所述火焰筒(1)的一端敞口，另一端封闭，所述燃料管路及空气管路(4)的出口部分设置在所述火焰筒(1)的敞口端，并朝向所述火焰筒(1)内部，所述火焰筒(1)的敞口端的包围所述燃料管路及空气管路(4)的出口部分作为燃气出口，所述火焰筒的燃烧区域设置在所述燃料管路及空气管路(4)的出口部分与所述火焰筒封闭端之间。

2.根据权利要求1所述的自主回流式燃烧室，其特征在于，所述燃料管路包括预混模式下的燃料管路(2)及非预混模式下的燃料管路(3)。

3.根据权利要求1所述的自主回流式燃烧室，其特征在于，所述火焰筒(1)外部套设有燃烧室外机匣(5)，所述燃烧室外机匣(5)的内壁与所述火焰筒(1)外臂通过支撑架支撑，并在其内设置有冷却气。

4.根据权利要求1所述的自主回流式燃烧室，其特征在于，所述火焰筒(1)的筒壁采用高温合金制成。

5.根据权利要求4所述的自主回流式燃烧室，其特征在于，所述火焰筒(1)的封闭端采用高温陶瓷制成，或在火焰筒(1)内部的封闭端处加装高温陶瓷。

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