CN205825111U - 一种多点贫油直喷分级燃烧室*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多点贫油直喷分级燃烧室***，其包括前端***、燃料多点分级喷射***、空气进气段、旋流器***以及控制***，五者相互连接；***采用贫油直喷燃烧技术，旨在降低发动机的NOx、CO等污染物的排放，***将多点阵列的旋流器***与喷杆的组合通过燃料的分级智能控制，通过实现了三级燃烧，保证了发动机在不同工况下的低排放稳定燃烧，增加了发动机的可操作性与小功率下的污染物排放控制问题，可满足未来对于航空发动机和燃气轮机的低排放要求。

Description

一种多点贫油直喷分级燃烧室***

技术领域

本实用新型属于燃气涡轮发动机低排放燃烧技术领域，具体指代一种多点贫油直喷分级燃烧室***。

背景技术

燃气轮机燃烧室的发展趋势是低污染燃烧以适应为发动机更经济、更环保、更安全的要求，国际民航组织对航空燃气轮机的污染物尤其是NOx（氮氧化物）的排放要求日益严格。近年来的研究表明，控制燃烧室燃烧区内的温度是控制NOx排放的关键，而实现该目标的主要技术途径之一就是采用贫油燃烧模式。目前，对于实现低NOx的贫油燃烧技术已经取得很多成果，并且其中很多已经运用于实际的航空发动机中，例如：GE公司的双环预混旋流燃烧室（TAPS），R-R公司的贫油预混预蒸发和贫油直接喷射燃烧室。其中，GE公司针对不同的TAPS燃烧室申请了7项以上的专利，如美国专利：US6354072等，均采用燃油分级方案，主燃级直接喷油到主旋流器的下游，形成预混预蒸发的油气混合物，但是这种方式燃油不能充分雾化和蒸发，未使得油气混合物掺混均匀，需要较长的掺混距离和时间，不利于减轻燃烧室长度和重量，且存在回火与自动点火的问题。

贫油燃烧可降低燃烧区温度，但是在地面慢车、启动点火等状态下，又需要燃烧区采用接近富油燃烧的匹配方式，以保证燃烧性能，同时降低小功率状态下的CO和UHC排放，为解决大功率状态下的NOx排放和小功率状态下CO、UHC排放的矛盾，可采用分级燃烧分级燃烧技术在航空发动机燃烧室上已得到成功应用，比如GE90发动机采用的双环腔燃烧室分级燃烧技术；GEnx发动机采用的中心分级燃烧技术等。而采用中心分级燃烧技术由于结构紧凑、分区贫油燃烧控制NOx效果较好等优点，已是低排放燃烧室发展的趋势。贫油分级燃烧通过将燃油分配到主燃级和预燃级喷嘴，小工况下只有预燃级供油，大工况下再打开主燃级，将大部分燃油通过主燃级进行燃烧，从而降低排放，如云南航天工业有限公司的发明专利申请，申请号为CN 201511017153.8，名称为“一种三次配风燃烧室”，其通过对空气流量的分级控制将燃油燃烧所需要的空气量分为一次风、二次风、三次风。且传统分级燃烧雾化特性在低工况下雾化质量差，燃烧区内油气分布不均匀造成燃烧室温度场分布不均匀，甚至在某些工况下无法正常工作；与传统轴向分区燃烧相比，中心分级的贫油直接喷射技术在燃烧之前完成燃油的雾化和预混，在保证了燃油雾化特性及均一的油气分布条件下缩短了燃烧室长度，结构简单，重量轻。但是在燃油分级点附近工况，主燃级刚开始供油，燃油流量比较小，喷嘴压降低，造成燃油雾化质量差，对燃烧室性能造成不利影响。

为解决这一问题，通常采用将主燃级燃油进一步分级的方法，其中一种方法是将燃烧室全部主燃级喷嘴分为两组，三级管路***与旋流器***组成三级燃烧***，通过计算机和单片机控制各路电动阀的开度可实现不同的工况；在低功率工况下时，预燃级单独工作，其采用扩散燃烧，通过智能控制预燃级的燃油和空气当量比接近化学恰当比，扩宽低工况下的稳定燃烧和提高低工况下的燃烧效率，可有效降低CO和UHC的排放；大工况时，预燃级和主燃级同时工作，其中主燃级又分为两级m1、m2，可分别控制其开闭，满足不同的高工况要求，通过控制主燃区内的燃油当量比处于贫油状态且保证均匀的油气掺混，可降低污染物尤其是NOx的排放。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种多点贫油直喷分级燃烧室***，以解决现有技术中燃油流量小、喷嘴压低、燃油雾化质量差等问题。

为达到上述目的，本实用新型的一种多点贫油直喷分级燃烧室***，包括：前端***、燃料多点分级喷射***、空气进气段、旋流器以及控制***，五者相互连接；其中，

前端***包含：第一燃料源、第二燃料源、第一压力表、第二压力表、第三压力表、第一稳压罐、第一闸阀、第二闸阀、第一流量计；其中第一燃料源、第二燃料源分别通过铜管连接至第一稳压罐上的开孔，通过螺母连接并密封；导入气态燃料至第一稳压罐内，再由其上底面所焊接的出口导管通过管道连接导管导入燃料至第二稳压罐中；其中管道的两端连接处均使用卡箍密封；第一压力表与第一闸阀连接在第一燃料源与第一稳压罐连接的管路中；第二压力表与第二闸阀连接在第二燃料源与第一稳压罐连接的管路中；

燃料多点分级喷射***包含：第二稳压罐、第四压力表、第一电磁流量计、第二电磁流量计、第三电磁流量计、第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀、连接段、九个过渡杆及喷杆阵列；第二稳压罐中的燃料通过罐体上的三根管路总管均匀的分配到下游三个管路中，第一管路总管、第二管路总管所在的管路在近端面的圆柱面上开四个对称小孔并焊接有四个等内径的分管均匀的将燃料分至四个分管路；

空气进气段为一矩形截面进气道，其进口端法兰连接上游空气进气管道；上下壁面均开孔，焊接有第一管路总管、第二管路总管，出口端法兰通过螺栓连接下游安装段，左端矩形空气通道设计有一进气段凸台，与下游安装段配合；安装段内部定位台阶面与连接段右端面接触；

旋流器***采用九点阵列安装于安装段上，通过内部圆孔及压紧件与旋流器的外壁面的台阶面配合以实现定位；

燃烧室左端法兰通过螺栓与安装段连接，其在四个外壁面开设方形孔，第一外壁面、第二外壁面安装石英玻璃作观察窗，方形孔上加工出台阶以定位玻璃，阶梯上附装紫铜垫片密封，用螺钉连接将观察窗压紧件与燃烧室连接以压紧石英玻璃；第二外壁面上开设方孔放置点火电嘴附板，第四外壁面上开设方孔放置温度传感器附板；第二外壁面、第四外壁面上方加工出台阶以固定点火电嘴附板和温度传感器附板；

控制***包含：远程计算机、单片机、数模转换接口，单片机将从现场得到的流量值通过传输总线发送给远程计算机，远程计算机将控制信号返回给单片机，单片机通过数模转换接口分别与上述的第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀驱动电路相连，实现对阀门的转向和转送控制，单片机通过数模转换接口与第一电磁流量计、第二电磁流量计、第三电磁流量计分别连接。

优选地，所述的安装段右侧壁面设计一凸台。

优选地，所述的压紧件设有九点阵列圆孔，与旋流器配合，在四角及中心四角设有螺纹孔，连接安装段并定位旋流器。

优选地，所述的旋流器为文氏管旋流器，由轴向旋流器和一个文氏管组成；其中，轴向旋流器由六片与主轴成一角度的叶片焊接于管道外壁面组成空气内流道。

优选地，所述的喷杆小孔与文氏管喉道处的轴向距离为-5～10mm。

优选地，所述的文氏管旋流器的叶片与中心管轴线所成夹角在10～85度之间；叶片数为4～16个。

优选地，所述的喷杆小孔的数目为6～20个，喷杆小孔与壁面所成角度为5～90度。

本实用新型的有益效果：

1.通过三路分级，实现燃料的分级燃烧，且可通过远程计算机独立控制各路流量，高度智能化；

2.各路燃料均可单独控制，可实现流量的平滑连续变化，满足各个工况的燃料条件，保证在各种工况下的燃油雾化特性与均匀的油气分布；

3.采用中心分级，与传统轴向分区燃烧相比，通过贫油直接喷射在燃烧之前完成了燃油的雾化和预混，在保证了燃油雾化特性及均一的油气分布条件下缩短了燃烧室长度，结构简单，重量轻；

4.并联对称布置各级管路的分管路，实现多点均匀分配燃料，使得各级内部各个喷杆流量基本一致，更加接近理论条件，减小了***误差；

5.连接段巧妙地设计既实现了整体喷杆***的轴向和周向定位，还实现了燃料在进油管与过渡杆的运输。

附图说明

图1为燃烧室总体结构示意图；

图2为燃烧室结构示意框图；

图3为安装段外部的结构示意图；

图4为安装段内部的结构示意图；

图5为燃料多点分级喷射***立体的结构示意图；

图6为燃料多点分级喷射***中连接段上下侧面空腔的结构示意图；

图7为燃料多点分级喷射***中连接段左侧面空腔的结构示意图；

图8为燃料多点分级喷射***中过渡杆的结构示意图；

图9为燃料多点分级喷射***各管路的燃料分配结构示意图；

图10为燃料多点分级喷射***前端喷杆阵列和空气进气段的结构示意图；

图11为燃烧室前部的结构示意图；

图12为燃烧室后部的结构示意图；

图13为旋流器与喷杆的装配关系示意图；

图14为旋流器的内部结构示意图；

图15为压紧板的结构示意图；

图16为电磁流量计的结构示意图；

图17为稳压罐的结构示意图；

图18为电动阀的结构示意图；

图19为点火电嘴附板的结构示意图；

图20为温度传感器附板的结构示意图；

图中：1为第一燃料，2为第一压力表，3为第一闸阀，4为第二闸阀，5为第二压力表，6为第二燃料源，7为第一稳压罐，8为第三压力表，9为第一流量计，10为第二稳压罐，11为第四压力表，12为第一电磁流量计，13为第三电磁流量计，14为第二电磁流量计，15为第一电动阀，16为第三电动阀，17为第二电动阀，18为单片机，19为远程计算机，20为第一管路，21为第三管路，22为第二管路，23为燃烧室，24为压紧板件，25为旋流器***，26为安装段，27为连接段，28为第三管路总管，29为空气进气段，30为安装段凸台，31为安装段出口端面，32为安装段圆孔，33为安装段内部台阶，34为连接用螺纹孔，35为连接段上表面凸台，36为连接段上面内凹槽，37为连接段左侧内部凸台，38为连接段左侧表面凹槽，39为连接段左侧内部凸台，40为第三管路在连接段左侧内部凹槽，41～49过渡杆，50为第一管路两路分管，51为第二管路两路分管，52为第二管路两路分管，53为连接段螺纹孔，54为第一管路两路分管，55为第二管路总管，56为喷杆阵列，57为进气段出口法兰，58为进气段出口凸台，60为燃烧室进口凹槽，61为观察窗压紧件，62为石英玻璃，63为紫铜垫片，64为燃烧室上表面内部台阶，65为喷杆小孔，66为旋流器叶片，67为空气流道，68为旋流器主轴，69为文氏管旋流器，70为旋流器外表面台阶，72为第一稳压罐出口导管，74为点火电嘴附板，75为温度传感器附板，77为第一管路总管。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。

参照图1所示，本实用新型的一种多点贫油直喷分级燃烧室***，包括：前端***、燃料多点分级喷射***、空气进气段、旋流器以及控制***，五者相互连接；其中，

前端***包含：第一燃料源1、第二燃料源6、第一压力表2、第二压力表5、第三压力表8、第一稳压罐7、第一闸阀3、第二闸阀4、第一流量计9；其中第一燃料源、第二燃料源分别通过铜管连接至第一稳压罐7上的开孔23，通过螺母连接并密封；导入气态燃料至第一稳压罐7内，再由其上底面所焊接的第一稳压罐出口导管72通过管道连接导管入燃料至第二稳压罐10中；其中管道的两端连接处均使用卡箍密封；第一压力表2与第一闸阀3连接在第一燃料源1与第一稳压罐7连接的管路中，分别测量该路压力和控制该管路的开闭；第二压力表5与第二闸阀4连接在第二燃料源6与第一稳压罐7连接的管路中，分别测量该路压力和控制该管路的开闭；第三压力表8与第一流量计9分别测量第一稳压罐7与第二稳压罐10之间管路的压力与流量；

燃料多点分级喷射***包含：第二稳压罐10、第四压力表11、第一电磁流量计12、第三电磁流量计13、第二电磁流量计14、第一电动阀15、第三电动阀16、第二电动阀17、连接段27、九个过渡杆41～49及喷杆阵列56；第二稳压罐10中的燃料通过罐体上的三根管路总管77、55、28均匀的分配到下游三个管路中，第一管路总管77、第二管路总管55所在的管路在近端面的圆柱面上开四个对称小孔并焊接有四个等内径的分管51、52、54均匀的将燃料分至四个分管路；燃料经过分管路到达连接段的两组空腔35、38内，并通过腔内小孔分别进入过渡杆，燃料再由过渡杆进入对应的喷杆内，由喷杆近端部圆柱壁面上所开喷杆小孔41喷出后与来流空气混合进入后端燃烧室23燃烧；第三管路通过第三管路总管28穿过安装段26左侧壁面上所开小孔进入连接段左侧表面内部凹槽38，通过空腔中的圆孔与过渡杆将燃料输送至对应喷杆喷出。其中为形成空腔并使其密封，各处空腔均使用大小合适的封闭块焊接于凸台35、37、39。

空气进气段29为一矩形截面进气道，其进口端法兰连接上游空气进气管道；上下壁面均开孔，焊接有第一管路总管77、第二管路总管55，出口端法兰57通过螺栓连接下游安装段26，左端矩形空气通道设计有一进气段凸台58，与下游安装段26配合，并起到密封作用；安装段26内部定位台阶面33与连接段26右端面接触，并通过使用螺钉连接，实现连接与定位；安装段26上的九点阵列的圆孔用以安装及定位旋流器69，其中内壁面处为一台阶面用以与旋流器外壁面的台阶面配合以定位旋流器69；安装段26右侧壁面设计一凸台58，放置压紧件24，并且凸台58在安装段26通过左端法兰与下游燃烧室的连接中起密封作用。

旋流器***25采用九点阵列安装于安装段26上，通过安装段内部圆孔32及压紧件24与旋流器69的外壁面的台阶面70配合以实现定位。

所述的旋流器69为文氏管旋流器，由轴向旋流器68和一个文氏管组成；其中，轴向旋流器由六片与主轴成一角度的叶片66焊接于流道67外壁面组成空气内流道，使得流过的空气旋转，进而产生回流区以保证燃烧稳定；文氏管喉道处由喷杆小孔65喷出燃料与空气快速掺混后进入燃烧室23燃烧。

所述的压紧件24设有九点阵列圆孔，与旋流器配合，在四角及中心四角设有螺纹孔，用以连接安装段并定位旋流器。

所述的喷杆小孔与文氏管喉道处的轴向距离为-5～10mm，此处的轴向距离负号表示喷油杆端面位置在喉道的下游。

所述的文氏管旋流器的叶片与中心管轴线所成夹角在10～85度之间；叶片数为4～16个。

所述的喷杆小孔65的数目为6～20个，喷杆小孔65与壁面所成角度为5～90度。

燃烧室左端法兰进口通过螺栓与安装段26连接，其在四个外壁面开设方形孔，第一外壁面、第三外壁面用以安装石英玻璃作观察窗，方形孔上加工出台阶以定位玻璃62，阶梯上附装紫铜垫片63密封，用螺钉连接将观察窗压紧件61与燃烧室连接以压紧石英玻璃62；第二外壁面上开设方孔放置点火电嘴附板74，第四外壁面上开设方孔放置温度传感器附板46；第二外壁面、第四外壁面上方加工出台阶64以固定点火电嘴附板74和温度传感器附板75，并放置石棉垫片密封，由螺钉连接；出口尾气排入尾气收集段中。

控制***包含：远程计算机19、单片机18、数模转换接口，单片机18将从现场得到的流量值通过传输总线发送给远程计算机19，远程计算机19将控制信号返回给单片机18，由于远程计算机与单片机的电器规范不一致，故加一电平转换芯片MAX232；单片机18通过数模转换接口分别与上述的第一电动阀15、第三电动阀16、第二电动阀17驱动电路相连，实现对阀门的转向和转送控制，单片机18通过数模转换接口与第一电磁流量计12、第三电磁流量计13、第二电磁流量计14分别连接接收流量信号并回传远程计算机19记录。

其中，空气进气段33进口法兰与上游空气进气管道连接，螺栓固定；空气流过空气进气段后，进入安装段26，安装段26进口法兰与空气进气段出口法兰连接，螺栓固定；空气流过安装段26，进入旋流器***25，从单个旋流器69来看，空气进入旋流器叶片间的流道中，由于叶片的旋流作用，使得空气流成为旋流，在流过文氏管旋流器喉道时与喷杆喷出的燃料掺混形成均一的油气混合物，进入下游燃烧室进行燃烧，其中安装段26内部装有燃料多点分级喷射***的连接段，其通过台阶面定位，螺纹连接固定，安装段出口九点阵列圆孔装有旋流器***，其中旋流器69通过左端台阶面定位，压紧件24通过压紧旋流器69的右端台阶面轴向定位旋流器，其自身通过螺纹连接于安装段出口槽内。

燃料源各自通过铜管连接至第一稳压罐7上的开孔，通过螺母连接并密封；导入气态燃料至第一稳压罐内；再由上底面所焊接的出口管道通过导管导入燃料至第二稳压罐10中；其中管道的两端连接处均使用卡箍密封；压力表与闸阀连接在燃料源与稳压罐连接的管路中，分别测量该路压力和控制某一管路的开闭；压力表与流量计分别测量第一稳压罐7与第二稳压罐10之间管路的压力与流量。

工作中，首先打开空气控制阀，调节所需空气流量，之后打开远程计算机，单片机接通电源，检查示数是否正常；打开燃料源处的第一闸阀3、第二闸阀4，远程计算机开始控制各个管路中的电动阀运动，调节流量，观察远程计算机是否能正常接收和记录流量信号；以上均正常后，即可开始；在小功率如启动点火、慢车状态时仅打开预燃级m1所在管路第一电动阀15，开始在需要增加功率如爬升，加速等状态下，再次打开主燃级m2所在管路第二电动阀17，调节增大流量以增大功率；如需继续增大功率时，继续打开主燃级m3所在管路第三电动阀16，调节增大流量；同理，需要减小功率时，依次减小m3、m2、m1的流量，减小功率。

本实用新型的最大的特点在于，这三级管路***与旋流器***组成三级燃烧***，其中对角的四个旋流器形成m1，正方形各边中点所在旋流器形成m2，中心旋流器形成m3，通过远程计算机和单片机控制各路电动阀的开度可实现不同的工况；如在慢车和点火状态下可输入指令，仅打开m3工作；在需要增加推力时，可相继打开m2、m3，并在保证贫油燃烧的范围内平滑控制各管道燃油流量增大，提高燃烧室做工能力；在需要减速时，可平滑控制各管道流量减小，减小燃烧室做工能力；

上述三级燃烧***m1、m2、m3，三路燃料流量均由单片机控制信号控制，单片机接口分别发出控制信号至三路管路的电动阀，控制电动阀的转向和转速控制燃料流量大小，同时另外的接受端口接收流量计的流量信号并传回远程计算机以供其记录，同时实时接收计算机的控制指令，转换后再次控制管路电动阀，改变管路流量。

本实用新型具体应用途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种多点贫油直喷分级燃烧室***，其特征在于，包括：前端***、燃料多点分级喷射***、空气进气段、旋流器***以及控制***，五者相互连接；其中，

前端***包含：第一燃料源、第二燃料源、第一压力表、第二压力表、第三压力表、第一稳压罐、第一闸阀、第二闸阀、第一流量计；其中第一燃料源、第二燃料源分别通过铜管连接至第一稳压罐上的开孔，通过螺母连接并密封；导入气态燃料至第一稳压罐内，再由其上底面所焊接的出口导管通过管道连接导管导入燃料至第二稳压罐中；其中管道的两端连接处均使用卡箍密封；第一压力表与第一闸阀连接在第一燃料源与第一稳压罐连接的管路中；第二压力表与第二闸阀连接在第二燃料源与第一稳压罐连接的管路中；

燃料多点分级喷射***包含：第二稳压罐、第四压力表、第一电磁流量计、第二电磁流量计、第三电磁流量计、第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀、连接段、九个过渡杆及喷杆阵列；第二稳压罐中的燃料通过罐体上的三根管路总管均匀的分配到下游三个管路中，第一管路总管、第二管路总管所在的管路在近端面的圆柱面上开四个对称小孔并焊接有四个等内径的分管均匀的将燃料分至四个分管路；

空气进气段为一矩形截面进气道，其进口端法兰连接上游空气进气管道；上下壁面均开孔，焊接有第一管路总管、第二管路总管，出口端法兰通过螺栓连接下游安装段，左端矩形空气通道设计有一进气段凸台，与下游安装段配合；安装段内部定位台阶面与连接段右端面接触；

旋流器***采用九点阵列安装于安装段上，通过内部圆孔及压紧件与旋流器的外壁面的台阶面配合以实现定位；

燃烧室左端法兰通过螺栓与安装段连接，其在四个外壁面开设方形孔，第一外壁面、第二外壁面安装石英玻璃作观察窗，方形孔上加工出台阶以定位玻璃，阶梯上附装紫铜垫片密封，用螺钉连接将观察窗压紧件与燃烧室连接以压紧石英玻璃；第二外壁面上开设方孔放置点火电嘴附板，第四外壁面上开设方孔放置温度传感器附板；第二外壁面、第四外壁面上方加工出台阶以固定点火电嘴附板和温度传感器附板；

控制***包含：远程计算机、单片机、数模转换接口，单片机将从现场得到的流量值通过传输总线发送给远程计算机，远程计算机将控制信号返回给单片机，单片机通过数模转换接口分别与上述的第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀驱动电路相连，单片机通过数模转换接口与第一电磁流量计、第二电磁流量计、第三电磁流量计分别连接。

2.根据权利要求1所述的多点贫油直喷分级燃烧室***，其特征在于，所述的安装段右侧壁面设计一凸台。

3.根据权利要求1所述的多点贫油直喷分级燃烧室***，其特征在于，所述的压紧件设有九点阵列圆孔，与旋流器配合，在四角及中心四角设有螺纹孔，连接安装段并定位旋流器。

4.根据权利要求1所述的多点贫油直喷分级燃烧室***，其特征在于，所述的旋流器为文氏管旋流器，由轴向旋流器和一个文氏管组成；其中，轴向旋流器由六片与主轴成一角度的叶片焊接于管道外壁面组成空气内流道。

5.根据权利要求4所述的多点贫油直喷分级燃烧室***，其特征在于，所述的喷杆小孔与文氏管喉道处的轴向距离为-5～10mm。

6.根据权利要求4所述的多点贫油直喷分级燃烧室***，其特征在于，所述的文氏管旋流器的叶片与中心管轴线所成夹角在10～85度之间；叶片数为4～16个。

7.根据权利要求4所述的多点贫油直喷分级燃烧室***，其特征在于，所述的喷杆小孔的数目为6～20个，喷杆小孔与壁面所成角度为5～90度。