一体化设计的富氢燃烧室头部的制作方法

本公开涉及先进燃机领域，尤其涉及一种一体化设计的富氢燃烧室头部。

背景技术：

富氢燃料根据其来源可以分为三类：焦炉煤气、炼厂气和合成气。焦炉煤气含有氢气与氮气。炼厂气的氢气体积分数含量可以高达90％。合成气氢气体积分数含量可高达50％。由于各地小工厂中的炼厂气与合成气来源很多，焦炉煤气需要进行处理后再利用，所以研究富氢燃机燃烧室具有战略意义，可以对资源进行再次利用降低运营成本。

但目前用于氢气的燃烧室还存在很多的问题，如没有一个径向和/或轴向旋流器可以在不掺天然气的情况下稳定运行。这基本意味着从现有贫预混燃烧室改造之路存在大量隐患，同时由于掺入气体的来源，也可能造成高成本。再比如，燃烧室结构复杂，设计与试验成本高，大量修改燃烧室将会引起整机布局改变，但重头设计燃烧室不现实。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种一体化设计的富氢燃烧室头部，从化学机理出发，通过设计火焰位置，在不修改整机布局的基础上修改燃烧室，调整氢气燃烧室的气动燃烧布局以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种一体化设计的富氢燃烧室头部，包括：

喷嘴，所述喷嘴第一端与所述燃烧室相连；

多个掺混器，分别嵌设于喷嘴的第一端，且多个所述掺混器均匀分布；相邻两个掺混器间为来流空气与氢气的掺混区域，所述掺混器包括：

尾缘，设有至少一个喷射孔；

至少两个第一侧面，两个所述第一侧面的第一端分别与所述尾缘相连呈翼型结构；

前缘，与所述侧面的第二端相连。

在本公开的一些实施例中，所述掺混器还包括：

第二侧面，同时与所述第一侧面、所述尾缘和所述前缘相连，且所述第二侧面与所述喷嘴外壁相贴合。两个第一侧面和第二侧面围成的腔体作为燃料集气室或布置液体燃料喷嘴管路进行多燃料掺混。

在本公开的一些实施例中，所述第一侧面为三角形结构，以减弱燃料卷吸进空气轴向涡的阻力，并增加了尾缘处横向涡。

在本公开的一些实施例中，所述尾缘为矩形，且所述尾缘与水平面呈一夹角，可减弱燃料卷吸进空气轴向涡的阻力，并增加了尾缘处横向涡。

在本公开的一些实施例中，所述尾缘为三角形，且所述尾缘与水平面相垂直。

在本公开的一些实施例中，所述第一侧面的夹角为θ，其中，θ≤30°。

在本公开的一些实施例中，所述掺混器的长为l，所述掺混器的宽为b，所述长宽比l/b为1～2，以使轴向涡强度较大而压降较小。

在本公开的一些实施例中，所述掺混器的高为h，所述掺混器的长为l，所述高长比h/l为0.2～1，以使轴向涡强度较大而压降较小。

在本公开的一些实施例中，所述第二侧面中锐角夹角为d，其中，d的范围为30～60°，以使轴向涡强度较大而压降较小，且宽度不会过大。

在本公开的一些实施例中，每个所述掺混器与所述喷嘴一体化相连。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一体化设计的富氢燃烧室头部至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开喷嘴与掺混器组成的一体化结构能够在掺混区域产生轴向涡用于掺混，与采用旋流器的燃烧室相比无回流区和低速区，确保燃料与空气完全混合前无自点火和回火发生。

(2)本公开在结构尾缘处设置喷射孔进行燃料喷射，与传统的侧面开孔燃料切向喷射相比，利于减少开孔数量，且掺混效果不受燃烧室负荷影响。

(3)本公开的尾缘喷射处采用平面结构，减弱了燃料卷吸进空气轴向涡的阻力，并增加了尾缘处横向涡。

(4)通过优化长宽比和高长比的配置，以获得最优的轴向涡强度和较小的压降。

附图说明

图1为本公开一体化设计的富氢燃烧室头部的装配结构示意图。

图2a为图1的局部放大示意图。

图2b为图1的自喷嘴向燃烧室向的轴向视图。

图2c为图1的自燃烧室向喷嘴向的轴向视图。

图3为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的掺混器切面结构示意图。

图4a为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的主视结构示意图。

图4b为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的俯视结构示意图。

图4c为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的侧视结构示意图。

图4d为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的俯视图中a-a剖视结构示意图。

图5为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部中来流空气的流向示意图。

图6为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部中轴向涡产生示意图。

图7为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的切面结构示意图。

图8a为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的主视结构示意图。

图8b为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的俯视结构示意图。

图8c为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的侧视结构示意图。

图8d为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的的俯视图中b-b剖视结构示意图。

图9为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部中来流空气的流向示意图。

图10为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部中轴向涡产生示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-掺混器；

11-前缘；

12-尾缘；

121-喷射孔；

13-第一侧面；

14-第二侧面；

20-喷嘴；

30-燃烧室；

s-掺混区域。

具体实施方式

本公开提供了一种一体化设计的富氢燃烧室头部，包括：喷嘴和多个掺混器，喷嘴第一端与所述燃烧室相连，多个掺混器分别嵌设于喷嘴的第一端，且多个所述掺混器均匀分布；掺混器包括：尾缘、两个第一侧面、第二侧面和前缘，尾缘设有至少一个喷射孔；两个第一侧面的第一端分别与所述尾缘相连呈翼型结构；前缘与侧面的第二端相连；两个第一侧面和第二侧面围成的腔体可作为燃料集气室或布置液体燃料喷嘴管路进行多燃料掺混。本公开喷嘴与掺混器组成的一体化结构能够在掺混区域产生轴向涡用于掺混，与采用旋流器的燃烧室相比无回流区和低速区，确保燃料与空气完全混合前无自点火和回火发生。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种一体化设计的富氢燃烧室头部。图1为本公开一体化设计的富氢燃烧室头部的装配结构示意图。图2a为图1的局部放大示意图。图2b为图1的自喷嘴向燃烧室向的轴向视图。图2c为图1的自燃烧室向喷嘴向的轴向视图。图3为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的掺混器切面结构示意图。图4a为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的主视结构示意图。图4b为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的俯视结构示意图。图4c为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的侧视结构示意图。图4d为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的俯视图中a-a剖视结构示意图。图5为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部中来流空气的流向示意图。图6为本公开第一实施例一体化设计的富氢燃烧室头部中轴向涡产生示意图。如图1至图6所示，本公开一体化设计的富氢燃烧室头部包括：喷嘴20和多个掺混器10。喷嘴20第一端与所述燃烧室30相连。多个掺混器10分别嵌设于喷嘴20的第一端，且多个所述掺混器10均匀分布，每个掺混器10均与喷嘴20一体化相连。掺混器10包括：尾缘12、两个第一侧面13、第二侧面14和前缘11。尾缘12设有至少一个喷射孔121。两个第一侧面13的第一端分别与所述尾缘12相连呈翼型结构，如图1，图2a和图4b所示。前缘11与第一侧面13的第二端相连。第二侧面14同时与所述第一侧面13、所述尾缘12和所述前缘11相连，且所述第二侧面14与所述喷嘴20外壁相贴合。两个第一侧面13和第二侧面14围成的腔体为掺混区域s，可作为燃料集气室或布置液体燃料喷嘴管路进行多燃料掺混。

如图5所示，来流空气在任一第一侧面13产生轴向涡。如图6所示，富氢燃料通过喷射孔121在掺混区域s与在第一侧面13产生轴向涡的来流空气进行掺混。本公开喷嘴与掺混器组成的一体化结构能够在掺混区域产生轴向涡用于掺混，与采用旋流器的燃烧室相比无回流区和低速区，确保燃料与空气完全混合前无自点火和回火发生。

在本实施例中，第一侧面13为三角形结构，利于减弱燃料卷吸进空气轴向涡的阻力，并增加了尾缘处横向涡。尾缘12为矩形，且尾缘12与水平面呈一夹角，也可减弱燃料卷吸进空气轴向涡的阻力，并增加了尾缘处横向涡。

具体的，如图3所示，所述第一侧面13的夹角为θ，其中，θ≤30°。

具体的，如图3所示，所述掺混器10的长为l，所述掺混器10的宽为b，所述长宽比l/b为1～2，以使轴向涡强度较大而压降较小。

具体的，如图3所示，所述掺混器10的高为h，所述掺混器10的长为l，所述高长比h/l为0.2～1，通过调整高长比以使轴向涡强度较大而压降较小。

具体的，如图3所示，所述第二侧面14中锐角夹角为α，其中，α的范围为30～60°，通过控制α的大小以使轴向涡强度较大而压降较小，且宽度不会过大。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种一体化设计的富氢燃烧室头部。图7为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的切面结构示意图。图8a为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的主视结构示意图。图8b为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的俯视结构示意图。图8c为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的侧视结构示意图。图8d为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的的俯视图中b-b剖视结构示意图。图9为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部中来流空气的流向示意图。图10为本公开第二实施例一体化设计的富氢燃烧室头部中轴向涡产生示意图。如图7至图10所示，与第一实施例的一体化设计的富氢燃烧室头部相比，本实施例一体化设计的富氢燃烧室头部的区别在于：所述尾缘12为三角形，且所述尾缘12与所述水平面相垂直。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一体化设计的富氢燃烧室头部有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种喷嘴与掺混器组成的一体化结构的一体化设计的富氢燃烧室头部，能够在掺混区域产生轴向涡用于掺混，与采用旋流器的燃烧室相比无回流区和低速区，确保燃料与空气完全混合前无自点火和回火发生。本公开从化学机理出发，通过设计火焰位置，在不修改整机布局的基础上修改燃烧室，调整氢气燃烧室的气动燃烧布局，对富氢燃料的应用有重要作用。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。