阅读说明：本技术 一种分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置 (Air atomization device for main combustion stage of layered premixed combustion chamber ) 是由 刘存喜 杨金虎 刘富强 穆勇 阮昌龙 徐纲 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置,包括燃油喷射系统、一级旋流器、二级旋流器,一级旋流空气经一级旋流器进入二级旋流器的径向空气流道中,燃油经燃油喷射短管喷出的燃油在一级旋流空气的作用下进行初步空气雾化,形成初始空气雾化雾锥,二级旋流空气经二级旋流器叶片进入二级旋流器的径向空气流道中,对初始雾化雾锥进行横向射流空气雾化,形成液滴尺寸小且均匀的雾滴,雾滴在高速且强旋流的空气中与空气进行均匀、快速掺混,在二级旋流器的轴向出口形成均匀的油气混合物进入下游的燃烧室,本发明通过双级旋流分步逐级空气雾化加强油气掺混质量,可作为分级燃烧的主燃级用于地面工业燃气轮机和航空发动机低排放燃烧室。(The invention discloses a main combustion stage air atomization device of a stratified partial premix combustion chamber, which comprises a fuel oil injection system, a first-stage swirler and a second-stage swirler, wherein first-stage swirl air enters a radial air flow passage of the second-stage swirler through the first-stage swirler, fuel oil sprayed out of a fuel oil injection short pipe is subjected to primary air atomization under the action of the first-stage swirl air to form an initial air atomization fog cone, second-stage swirl air enters a radial air flow passage of the second-stage swirler through blades of the second-stage swirler to perform transverse jet air atomization on the initial atomization fog cone to form fog drops with small and uniform droplet sizes, the fog drops are uniformly and rapidly mixed with air in high-speed and strong swirl air, and a uniform oil-gas mixture is formed at an axial outlet of the second-stage swirler to enter a downstream combustion chamber, the invention enhances the oil-gas mixing quality through step-by step-, can be used as a main combustion stage of staged combustion for low-emission combustion chambers of ground industrial gas turbines and aeroengines.)

一种分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，涉及一种预混燃烧室主燃级空气雾化装置，尤其涉及一种利用双级旋流进行分步逐级空气雾化和加强油气掺混的分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置。

背景技术

对于使用液体燃料的燃气轮机发动机，燃油雾化和混合对发动机燃烧性能、燃烧效率和污染物排放具有决定性的影响，因此，燃油雾化研究得到重视，这也促进了燃油雾化喷嘴的发展。

国际民航组织对航空燃气轮机的污染物排放标准越来越严格，特别是对NOx污染排放要求，低污染燃烧成为现代航空发动机燃烧室的发展趋势。目前执行的CAEP6标准的要求已经非常严格，尤其是NOx污染排放要求。各大航空公司和研究机构均把控制污染物排放作为重要课题进行研究，目前提出的低污染燃烧技术包括富油燃烧-焠熄-贫油燃烧(RQL)、贫预混燃烧(LPP)和贫油直接喷射燃烧(LDI)。

国际上各大航空发动机公司GE、PW、R-R、Snecma都已经开始低污染燃烧技术的研究。最近，GE公司基于贫预混燃烧(LPP)技术为新一代商用航空涡扇发动机Genx研制了TAPS(Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃烧室，NOx排放比CAEP2(Committee onAviation Environmental Protection)排放标准降低了50％。为了使空气和燃油在燃烧室之前进行很好的预先混合，GE公司设计研发了多种预旋燃油喷嘴，并针对TAPS燃烧室燃油喷嘴的不同设计申请了多项美国专利，这些专利的主燃级是燃油喷射到主旋流器的后部形成预混预蒸发的油气混合物，为使预混管出口油气混合物掺混均匀，这种混合方式所需的混合和蒸发距离较长，从而增大燃烧室的长度和重量。R-R公司基于LDI燃烧概念为Engine3E核心机研发了多种分级燃烧用燃油喷嘴，值班级采用空气雾化喷嘴或离心雾化喷嘴，主燃级采用预膜式空气雾化喷嘴，在发动机全环试验件上NOx排放比CAEP2标准降低了70％。PW公司采用RQL技术发展TALON X燃烧室，并应用在PW1000G发动机上，预计NOx排放比CAEP6低40％。目前正在研发的采用贫预混燃烧技术的低污染燃烧室通过控制主燃区当量比在0.5～0.7范围内，有效控制燃烧室内的火焰温度，从而降低热力型污染物NOx的生成。而贫预混燃烧低排放燃烧室降低污染物排放的关键是主燃级燃油的有效快速掺混，从而避免燃烧室内局部高温区的出现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置，采用双级旋流分步逐级的空气雾化方式加强油气快速均匀掺混，实现燃烧室内的贫预混燃烧，避免局部高温区，改善燃烧室出口温度分布质量，降低污染物排放指数。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案：

一种分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置，包括燃油喷射系统、一级旋流器、二级旋流器，其特征在于，

所述二级旋流器整体呈环形筒状部件，包括二级旋流器外环、二级旋流器内环以及设置在所述二级旋流器外环、二级旋流器内环之间的二级旋流器叶片，所述二级旋流器外环、二级旋流器内环均包括径向段和轴向段，所述二级旋流器外环、二级旋流器内环的径向段相互平行形成所述二级旋流器的径向流道，所述二级旋流器外环、二级旋流器内环的轴向段相互平行形成所述二级旋流器的轴向流道，所述二级旋流器叶片沿周向布置在所述二级旋流器的径向流道的进口处，所述二级旋流器内环的径向段上沿周向均布有多个油气混合物喷射孔，且各所述油气混合物喷射孔在径向上的位置位于所述二级旋流器叶片的下游，

所述燃油喷射系统包括一整体呈环形的燃油总管，所述燃油总管包括一外侧壁和一内侧壁，所述内侧壁上沿周向均布有多个燃油喷射短管，所述燃油喷射短管的管径小于所述油气混合物喷射孔的孔径，各所述燃油喷射短管一一对应地伸入各所述油气混合物喷射孔中，

所述燃油总管的内侧壁与所述二级旋流器内环的径向段之间的空间中设置有多个周向均匀布置的一级旋流器，各所述一级旋流器一一对应地环绕设置在各所述燃油喷射短管的***。

本发明的分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置中，各所述燃油喷射短管与各所述一级旋流器相互配合形成为初级空气雾化喷嘴，所述初级空气雾化喷嘴采用多点离心喷嘴或直射式喷嘴结合一级旋流器进行空气雾化，燃油总管中的高压燃油经燃油喷射短管喷出，一级旋流空气经一级旋流器进入二级旋流器的径向流道中，燃油经燃油喷射短管喷出的燃油在一级旋流空气的作用下进行初始空气雾化，形成初始空气雾化雾锥，一级旋流器用于改善初始雾化质量。二级高速旋流空气与初级空气雾化喷嘴形成的初始雾化雾锥相互配合形成为二级空气雾化喷嘴，所述二级空气雾化喷嘴采用二级高速旋流空气与初级空气雾化喷嘴形成的初始雾化雾锥进行燃油二次雾化和掺混，二级旋流空气经二级旋流器叶片进入二级旋流器的径向流道中，并与初始空气雾化雾锥作用进行二次空气雾化，形成液滴尺寸小且均匀的雾滴，雾滴在高速且强旋流的空气中与空气进行均匀、快速掺混，在二级旋流器的轴向出口形成均匀的油气混合物进入下游的燃烧室。

优选地，各所述燃油喷射短管的中心线与对应的所述一级旋流器的中心线重合，且各所述燃油喷射短管的中心线与对应的各所述油气混合物喷射孔的中心线重合，所述二级旋流器的轴向中心线与所述燃油总管的轴向中心线重合。

优选地，在轴向位置上，所述一级旋流器位于所述燃油总管和二级旋流器之间，利用所述燃油总管和二级旋流器形成的空气流道设置与各所述燃油喷射短管同心的一级旋流器，空气经一级旋流器形成绕所述燃油喷射短管的一级旋流空气，一级旋流空气在燃油喷射短管的出口处与燃油进行雾化、混合形成初始空气雾化雾锥，进行初级空气雾化。

优选地，所述初始空气雾化雾锥进入所述二级旋流器的径向空气流道，在二级高速旋流空气的作用下进行二次空气雾化和油气掺混。

优选的，所述燃油喷射短管采用离心喷嘴或直射式喷嘴，所述燃油喷射短管沿周向设置的个数为4-12个。

优选的，所述燃油喷射短管深入所述油气混合物喷射孔中，其末端与所述二级旋流器内环的内壁面平齐。

优选的，所述一级旋流器采用径向旋流器，旋流器空气流道采用等横截面或收缩横截面设计，旋流器旋流强度大于0.6，所述一级旋流器通道个数为6-18个。

优选的，所述一级旋流器叶片的倾斜角度为15～75°。

优选的，所述二级旋流器采用径向旋流器或轴向旋流器，所述二级旋流器通道个数为8-32个。

优选的，所述二级旋流器叶片的倾斜角度为15～75°。

本发明的分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置，其工作原理为：基于分步逐级空气雾化原理实现油气快速均匀掺混，初级空气雾化喷嘴利用少量的旋流空气结合直射式或离心喷嘴用于改善燃油的初级雾化质量，在此基础上，二级空气雾化喷嘴利用与初级雾锥射流方向有一定角度的旋流空气对初级雾锥进行二次空气雾化，实现燃油和空气的均匀掺混。

本发明的分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置，其与现有技术相比所具有的优点为：

(1)本发明采用分步逐级旋流空气雾化原理实现油气快速均匀掺混。

(2)初级空气雾化喷嘴利用少量的旋流空气结合直射式或离心喷嘴用于改善燃油的初级雾化质量。

(3)二级空气雾化喷嘴对初步雾化和掺混的初级雾锥进行二次雾化和掺混，有效加强了燃油空气的快速均匀掺混。

(4)本发明中油气快速均匀掺混可以避免主燃区局部高温区的产生，一方面有利于降低污染物排放，另一方面有利于燃烧室出口温度品质调控。

附图说明

图1是本发明的分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置结构剖视图；

图2是图1的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1、2所示，本发明的加强油气掺混的分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置，采用双级旋流分步逐级的空气雾化方式加强油气快速均匀掺混，包括燃油喷射系统、一级旋流器、二级旋流器。二级旋流器整体呈环形筒状部件，包括二级旋流器外环30、二级旋流器内环31以及设置在二级旋流器外环30、二级旋流器内环31之间的二级旋流器叶片32，二级旋流器外环30、二级旋流器内环31均包括径向段和轴向段，二级旋流器外环30、二级旋流器内环31的径向段相互平行形成二级旋流器的径向流道，二级旋流器外环30、二级旋流器内环31的轴向段相互平行形成二级旋流器的轴向流道，二级旋流器叶片32沿周向布置在二级旋流器的径向流道的进口处，二级旋流器内环31的径向段上沿周向均布有多个油气混合物喷射孔33，且各油气混合物喷射孔33在径向上的位置位于二级旋流器叶片32的下游；燃油喷射系统包括一整体呈环形的燃油总管，燃油总管包括一外侧壁10和一内侧壁11，内侧壁11上沿周向均布有多个燃油喷射短管12，燃油喷射短管12的管径小于油气混合物喷射孔33的孔径，各燃油喷射短管12一一对应地伸入各油气混合物喷射孔33中；燃油总管的内侧壁11与二级旋流器内环31的径向段之间的空间中设置有多个周向均匀布置的一级旋流器20，各一级旋流器20一一对应地环绕设置在各燃油喷射短管12的***。

进一步地，各燃油喷射短管12的中心线与对应的一级旋流器20的中心线重合，且各燃油喷射短管12的中心线与对应的各油气混合物喷射孔33的中心线重合，二级旋流器的轴向中心线与燃油总管的轴向中心线重合。在轴向位置上，一级旋流器位于燃油总管和二级旋流器之间，利用燃油总管和二级旋流器形成的空气流道设置与各燃油喷射短管12同心的一级旋流器，空气经一级旋流器形成绕燃油喷射短管12的一级旋流空气，一级旋流空气在燃油喷射短管12的出口处与燃油进行雾化、混合形成初始空气雾化雾锥22，进行初级空气雾化。初始空气雾化雾锥22进入二级旋流器的径向空气流道，在二级高速旋流空气34的作用下进行二次空气雾化和油气掺混。燃油喷射短管12优选采用离心喷嘴或直射式喷嘴，燃油喷射短管12沿周向设置的个数为4-12个。一级旋流器采用径向旋流器，一级旋流器通道个数为6-18个。一级旋流器的叶片的倾斜角度为15～75°。二级旋流器采用径向旋流器或轴向旋流器，二级旋流器通道个数为8-32个。二级旋流器叶片的倾斜角度为15～75°。

本发明的分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置中，各燃油喷射短管12与各一级旋流器20相互配合形成为初级空气雾化喷嘴，初级空气雾化喷嘴采用多点离心喷嘴或直射式喷嘴结合一级旋流器进行空气雾化，燃油总管中的高压燃油经燃油喷射短管12喷出，一级旋流空气21经一级旋流器20进入二级旋流器的径向流道中，燃油经燃油喷射短管12喷出的燃油在一级旋流空气21的作用下进行初始空气雾化，形成初始空气雾化雾锥22，一级旋流器用于改善初始雾化质量。二级高速旋流空气34与初级空气雾化喷嘴形成的初始雾化雾锥22相互配合形成为二级空气雾化喷嘴，二级空气雾化喷嘴采用二级高速旋流空气34与初级空气雾化喷嘴形成的初始雾化雾锥22进行燃油二次雾化和掺混，二级旋流空气34经二级旋流器叶片32进入二级旋流器的径向流道中，并与初始空气雾化雾锥22作用进行二次空气雾化，形成液滴尺寸小且均匀的雾滴35，雾滴35在高速且强旋流的空气中与空气进行均匀、快速掺混，在二级旋流器的轴向出口形成均匀的油气混合物进入下游的燃烧室。

本发明的分层部分预混燃烧室主燃级空气雾化装置在工作时，燃油总管中的高压燃油经燃油喷射短管12喷出，一级旋流空气21经一级旋流器叶片20进入二级旋流器的径向空气流道中，经燃油喷射短管12喷出的燃油在一级旋流空气作用下进行初始空气雾化，形成初始空气雾化雾锥22；二级旋流空气34经二级旋流器叶片32进入二级旋流器的径向空气流道中，并与初始空气雾化雾锥22作用进行二次空气雾化，形成液滴尺寸小且均匀的雾滴35，雾滴35在高速且强旋流的空气中与空气进行均匀、快速掺混。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。