一种预燃级直接喷射主燃级预混预蒸发的三旋流燃烧室
技术领域
本发明属于燃烧室技术领域，具体涉及一种预燃级直接喷射主燃级预混预蒸发的三旋流燃烧室。
背景技术
随着人们对生存环境及健康的关注日益增多，人们对危害自身身体健康及对环境产生破坏的各种污染源也给予了更多的关注并进行严格控制。虽然从燃烧污染物排放的总量来看，航空发动机和工业燃气轮机占的比例很小，但是，由于其局部特征，如在机场附近和使用工业燃气轮机的地点会聚集高浓度的污染排放物。在空中，各类飞机产生的污染排放物是高空大气污染物的唯一来源。因此，燃气轮机(包括航空发动机和各种工业燃气轮机)的排放物受到了越来越严格的限制。
对于民用航空燃气轮机的污染排放标准，使由国际民航组织颁布的。国际民航组织现行的环境保护方面的活动都由航空环境保护委员会来组织，现在执行的是CAEP6，特别是对NOx的排放要求越来越严格。
对于工业燃气轮机和船用燃气轮机，由于各国各地的法律法规不同，现在没有一个统一的标准，都是根据各国和各地对环境保护的要求而制定的。从世界范围来看，美国南加州和日本，由于公众的环保意识强烈，要求立法，将NOx的排放的限制在9ppmv，所谓的个位数排放。欧洲的排放标准大体上与美国环保局的规定类似。
为了满足ICAO CAEP标准，各大航空公司和研究机构均展开了低污染燃烧技术的研究。GE公司为其GEnx发动机研制了TAPS低污染燃烧室，普惠公司沿用RQL的方式降低污染物排放，研发了TALON X，罗罗公司采用了LPP的燃烧组织方式，将ICAO CAEP2标准中的NOx污染排放指数降低70％以上。罗罗公司还发展了另一种低污染燃烧室—ANTLE，应用了LDM低污染燃烧方式，实验结果表明NOx污染排放比当前的ICAO标准低50％。
在工业燃气轮机方面，各大燃气轮机公司各自发展了不同类型的低污染燃烧室。罗罗公司的RB211-DLE工业低污染燃烧室，采用两级预混燃烧方式，头部为两级旋流器，分级燃油喷嘴来控制火焰筒内的火焰温度。NOx污染排放小于25ppm,CO污染物排放小于50ppm,燃油为气相燃料。罗罗公司TRENT工业低污染燃烧室，采用三级预混方式，头部为两级旋流器，分级燃油喷嘴来控制火焰筒内的火焰温度。NOx污染排放小于25ppm,CO污染物排放小于5ppm,燃油为气相燃料。GE公司的LM2500/6000工业低污染燃烧室，环形燃烧室中安排了75个双旋流器，两级旋流器旋向相反，径向方向安排了三排。气态燃料试验结果NOx污染排放小于25ppm，CO污染物排放为10ppm。
上述的航空发动机或地面燃气轮机虽然不同程度上解决了低污染燃气轮机的排放要求，但是结构及供油系统复杂，造成重量过高，针对上述不足，提出了一种预燃级直接喷射主燃级预混预蒸发的三旋流燃烧室。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种预燃级直接喷射主燃级预混预蒸发的三旋流燃烧室，本发明采用分级燃烧，特别是第一级轴向斜切孔式旋流器与第二级径向斜切孔旋流器特殊的结构设计、布置方式以及主燃级的供油方式，不仅可以实现主燃级的预混燃烧，从而达到降低燃烧室污染排放的目的，而且还简化了分级供油时，主燃级供油系统的复杂程度，降低重量，同时能够降低主燃级燃油采用集油腔式供油时喷嘴结焦的风险。
技术方案：本发明一种预燃级直接喷射主燃级预混预蒸发的三旋流燃烧室，包括扩压器、外机匣、内机匣、火焰筒、高能点火电嘴、供油管和火焰筒头部，所述火焰筒头部由预燃级和主燃级组成，所述预燃级由第一级轴向斜切孔式旋流器、预燃级文氏管以及预燃级离心喷嘴组成，且所述预燃级离心喷嘴的出口与第一级轴向斜切孔式旋流器的出口平齐；
所述主燃级由主燃级直射式喷嘴、蒸发管、第二级径向斜切孔旋流器、第三级轴向旋流器和套筒组成，经过主燃级直射式喷嘴喷出的一次雾化燃油与进入蒸发管中的空气进行剪切二次雾化，并在蒸发管中蒸发掺混后通过第二级径向斜切孔旋流器进一步蒸发掺混，最后与经过第三级轴向旋流器的空气在二次掺混段中掺混达到所需的当量比进入火焰筒中；
所述第一级轴向斜切孔式旋流器与第二级径向斜切孔旋流器为一体化结构。
进一步的，所述第一级轴向斜切孔式旋流器与第二级径向斜切孔旋流器的旋向相同，且第一级轴向斜切孔式旋流器的轴向斜切孔与第二级径向斜切孔旋流器的径向斜切孔交叉排布。
进一步的，所述第一级轴向斜切孔式旋流器的轴向斜切孔与第二级径向斜切孔旋流器的径向斜切孔数量相同。
进一步的，所述第一级轴向斜切孔式旋流器的轴向斜切孔开孔形状为圆形，轴向斜切孔的角度在30～60°之间，轴向斜切孔的数目为6～9。
进一步的，所述第二级径向斜切孔旋流器的径向斜切孔开孔形状为平行四边形，径向斜切孔的角度在30～60°之间，径向斜切孔的数目为6～9。
进一步的，所述主燃级的蒸发管长度在20～50mm之间。
进一步的，所述第三级轴向旋流器的叶片安装角度为30～45°之间，叶片的数量为9～16，第三级轴向旋流器的旋向与第二级径向斜切孔旋流器的旋向相反。
进一步的，所述主燃级的二次掺混段长度在15～25mm之间。
有益效果：本发明与现有技术相比所具有的优点如下：
(1)本发明的三旋流燃烧室，是一种分级燃烧室，由于预燃级与主燃级的特殊的结构与位置设计，可以实现更宽工况下的高效低排放燃烧；
(2)本发明的三旋流燃烧室，燃油系统更加简单，燃烧室头部更加紧凑，燃烧室重量大幅减轻；
(3)本发明的三旋流燃烧室，由于供油系统及旋流器的特殊设计，不仅使主流燃油实现了预混预蒸发的效果，而且由于蒸发管的空气冷却作用可以防止供油杆、预燃级离心喷嘴和主燃级直射式喷嘴过早结焦。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为火焰筒头部结构示意图；
图3为第一级轴向斜切孔式旋流器与第二级径向斜切孔旋流器的一体化结构示意图；
图4为图3主视图；
图5为图3左视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明一种预燃级直接喷射主燃级预混预蒸发的三旋流燃烧室1，包括扩压器2、外机匣3、内机匣4、火焰筒7、高能点火电嘴8、供油管9和火焰筒头部5，火焰筒7上设有主燃孔10、掺混孔11和冷却孔16，火焰筒头部5由预燃级14和主燃级15组成，其中外机匣3和内机匣4是燃烧室1的主要承力部件，并与火焰筒7构成了燃烧室1的外环通道12和内环通道13，燃烧室1的进口处设有扩压器2，其主要功用是降低火焰筒7进口空气流速，提高进口压力，这有利于降低损失、组织燃烧；
经过扩压器2的空气分成三股，一股以最小的流动损失经过帽罩6以最小的流动损失流入外环通道12，一股以最小的流动损失流入内环通道13，最后一股经过火焰筒头部5进入火焰筒7中；
燃烧室1的外环通道12与内环通道13中的一部分空气经过主燃孔10与经过火焰筒头部5的空气共同形成主燃区，燃烧室1的外环通道12与内环通道13中的一部分空气经过掺混孔11进入火焰筒7，对主燃区的空气进行掺混达到所需要的温度，燃烧室1的外环通道12与内环通道13中的一部分空气经过冷却孔16进入火焰筒7，对火焰筒7进行冷却并将火焰筒壁与高温燃气进行隔绝；
如图2所示，预燃级14与主燃级15以中心分级的方式装配在一起，预燃级14在中心，主燃级15在预燃级14的外侧；火焰筒室头部5在整个发动机的周向均匀布置，数量在16～30，其中火焰筒头部5的进气量占燃烧室1总进气量的45～75％，其中，预燃级14占火焰筒头部5空气量的15～30％，主燃级15占火焰筒头部5空气量的70～85％；
结合图1和图2所示，预燃级14由第一级轴向斜切孔式旋流器231、预燃级文氏管29以及预燃级离心喷嘴28组成，且预燃级14的预燃级离心喷嘴28为压力雾化喷嘴，雾化锥角为45～120°之间，预燃级离心喷嘴28的出口与第一级轴向斜切孔式旋流器231的出口平齐；预燃级14采用单油路离心喷嘴，通过压力雾化使燃油达到所需要的浓度及尺寸分布，具体为：燃油经过预燃级燃油管18进入预燃级供油杆21，再供入预燃级离心喷嘴28，经过压力雾化并蒸发与经过第一级轴向斜切孔式旋流器231的空气掺混达到所需的当量比进入火焰筒7；
主燃级15由主燃级直射式喷嘴32、蒸发管22、第二级径向斜切孔旋流器232、第三级轴向旋流器24和套筒30组成，主燃级燃油管17的燃油通过主燃级直射式喷嘴32的喷油孔20喷出，将燃油垂直于来流空气喷射，打到主燃级文氏管19上进行一次雾化，一次雾化后的燃油于蒸发管22中在空气的剪切力作用下进行二次雾化，二次雾化的主燃级燃油与蒸发管22中的空气进一步掺混后通过第二级径向斜切孔旋流器232进一步蒸发掺混，最后与经过第三级轴向旋流器24的空气在主燃级二次掺混段31中掺混达到所需的当量比进入火焰筒7中，其中主燃级15的二次掺混段31长度在15～25mm之间，主燃级15的蒸发管22长度在20～50mm之间；
第一级轴向斜切孔式旋流器231与第二级径向斜切孔旋流器232为一体化结构形成旋流器23；
由于进入火焰筒7的空气温度较高，且燃烧室1工作时，通过热传导，对流换热，热辐射等方式使得火焰筒头部5的温度过高，燃油在各油管和喷嘴中极易结焦，本发明燃烧室1的头部经过特殊的结构设计，能够很好解决燃油在这些关键部位结焦的问题，当预燃级14供油，主燃级15不供油时，经过蒸发管22的空气可以对预燃级供油杆21及预燃级离心喷嘴28进行冷却，防止其结焦；当预燃级14供油且主燃级15也供油时，进入蒸发管22中的空气与主燃级燃油混合对主燃级直射式喷嘴32、预燃级供油杆21和预燃级离心喷嘴28进行冷却；
如图3至图5所示，第一级轴向斜切孔式旋流器231与第二级径向斜切孔旋流器232经过一体化设计后为一体化结构的旋流器23，这不仅为主燃级15更为简洁的预混预蒸发的供油方式提供了可能，而且减轻了火焰筒头部5的重量，便于拆卸与安装，提高燃烧室的可维护性；
第一级轴向斜切孔式旋流器231与第二级径向斜切孔旋流器232的旋向相同，且第一级轴向斜切孔式旋流器231的轴向斜切孔25与第二级径向斜切孔旋流器232的径向斜切孔26交叉排布，且第一级轴向斜切孔式旋流器的轴向斜切孔25与第二级径向斜切孔旋流器的径向斜切孔26数量相同，第一级轴向斜切孔式旋流器的轴向斜切孔25的角度与第二级径向斜切孔旋流器的径向斜切孔26的角度相同；
第一级轴向斜切孔式旋流器的轴向斜切孔25开孔形状为圆形，轴向斜切孔25的角度在30～60°之间，轴向斜切孔25的数目为6～9；第二级径向斜切孔旋流器的径向斜切孔26开孔形状为平行四边形，径向斜切孔26的角度在30～60°之间，径向斜切孔26的数目为6～9；
第三级轴向旋流器24的叶片27安装角度为30～45°之间，叶片27的数量为9～16，第三级轴向旋流器24的旋向与第二级径向斜切孔旋流器232的旋向相反。
