一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴的制作方法

本发明涉及航空发动机、燃气轮机及燃烧加热器清洁燃烧，尤其适用于空气与燃料燃烧产生高温燃气的机械装置。

背景技术：

1、在航空发动机、燃气轮机及燃烧加热器燃烧技术领域，为降低氮氧化物排放，采用燃料和氧化剂预先混合的方式，形成稀相可燃混气，以预混燃烧模式燃烧，减少氮氧化物生成与排放。

2、为了降低碳排放量，用于航空发动机、燃气轮机和燃烧加热器的航空煤油和天然气等碳氢燃料已无法满足要求，需要采用含碳量较低或者不含碳的新型燃料替代传统碳氢燃料，氢气作为新型清洁燃料，与空气燃烧后的产物为水，成为理想的零碳排放燃料。

3、氢气与航空煤油、天然气等碳氢燃料相比，燃烧特性有较大差别，火焰传播速度更快、绝热火焰温度更高、采用传统的以航空煤油和天然气为燃料的预混喷嘴设计方法，容易发生回火、不稳定燃烧、以及氮氧化物排放较高等问题。

4、开发适用于氢气的燃烧室喷嘴，通过减小燃料与空气的混合尺度，缩短火焰长度，减少氮氧化物生成时间，降低氮氧化物的排放。目前国内外在研或中试的微混喷嘴主要有两种类型，一种是采用同轴射流或交叉射流的混合方式，没有设计空气和燃料的旋流混合结构，一方面，其受空气速度变化的影响较大，导致工作范围较窄、火焰稳定性较差，另一方面，燃料与空气混合效果不够理想，火焰长度较长，导致氮氧化物生成时间较长，氮氧化物排放难以得到有效控制；另一种是采用空气和燃料旋流混合结构，在空气与燃料混合空间内存在低流速区域，在点火瞬间或者燃烧压力脉动较大时，火焰在逆压力梯度作用下，容易通过喷嘴出口的节流喉道，反向进入空气与燃料混合空间，并在低流速区域内驻定火焰，导致喷嘴烧蚀。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，所述燃烧室喷嘴设置空气进口和燃料进口，所述空气进口分为一级空气进口与二级空气进口，一级空气由所述一级空气进口进入一级空气环形通道，二级空气由所述二级空气进口进入二级空气环形通道，所述一级空气环形通道内设置一级空气旋流装置，所述二级空气环形通道内设置二级空气旋流装置，所述一级空气流经所述一级空气旋流装置后产生切向速度，形成一级旋流空气，所述二级空气流经所述二级空气旋流装置后产生切向速度，形成二级旋流空气，所述一级旋流空气进入收缩通道和扩张通道，并在所述扩张通道内形成一级低速回流区；所述二级旋流空气流出所述旋流装置后，进入收缩通道；所述燃料进口分为一级燃料进口和二级燃料进口，一级燃料由所述一级燃料进口进入一级燃料导管，并由一级燃料喷口喷出，与所述一级旋流空气在所述收缩通道和扩张通道内进行充分混合，形成混合均匀的一级可燃混气；二级燃料由所述二级燃料进口进入二级燃料导管，随后进入二级燃料通道，并在二级燃料出口喷出，所述一级旋流空气和所述二级旋流空气在所述二级燃料出口处交汇，与所述二级燃料进行充分混合，形成混合均匀的二级可燃混气，所述二级可燃混气由燃烧室喷嘴出口流出，在所述燃烧室喷嘴出口下游形成二级低速回流区，火焰前锋在所述一级低速回流区内驻定，形成稳定的燃烧火焰；所述收缩通道和扩张通道的交接处为所述一级旋流空气节流喉道，所述一级旋流空气节流喉道用于控制所述一级可燃混气的流动速度，防止回火发生；所述燃烧室喷嘴出口为所述二级旋流空气节流喉道，所述二级旋流空气节流喉道用于控制所述二级可燃混气的流动速度，防止回火发生。

2、所述一级燃料导管远离所述一级燃料喷口一端为直管，靠近所述一级燃料喷口一端为锥段；所述二级燃料通道远离所述二级燃料喷口一端为环形通道，靠近所述二级燃料喷口一端为锥形通道；所述一级燃料导管水平段，一级空气环形通道、二级燃料通道、二级空气环形通道同轴布置，所述一级燃料导管水平段位于所述燃烧室喷嘴中心位置，所述一级空气环形通道布置在所述一级燃料水平段外侧，所述二级燃料通道布置在所述一级空气环形通道外侧，所述二级空气环形通道布置在所述二级燃料通道外侧；所述二级空气环形通道外侧为所述燃烧室喷嘴外壳体，所述燃烧室喷嘴外壳体远离所述燃烧室喷嘴出口一端为直筒型，靠近所述燃烧室喷嘴出口一端为锥形。

3、所述以氢气为燃料的燃烧室喷嘴有三种工作模式，在低工况时，燃烧室出口温度较低，仅供给一级燃料，随着工况的提高，开始供给二级燃料，并逐渐减少一级燃料，直至停止一级燃料供给，随着工况的进一步提高，再次供给一级燃料，此时，一级燃料与二级燃料同时供给，直至燃烧室达到最大工况。

4、本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中一级空气通过环形通道进入一级旋流通道，在一级旋流装置作用下，产生切向速度后进入收缩通道和扩张通道，并在收缩通道和扩张通道内与高速喷射的燃料混合，一方面采用旋流混合模式，强化了一级空气与一级燃料的混合效果，提高了一级空气与一级燃料的混合均匀性，有效降低当氧化物的排放；另一方面一级空气通道采用收缩通道和扩张通道设计，在气动上消除了局部低速回流区的出现，提高了一级可燃混气的防回火性能；再者一级旋流空气在离心力作用下，紧贴收扩通道内壁面，燃料被包裹在旋流空气内部，收缩通道和扩张通道内壁近壁面区域燃料浓度较低，不易发生燃烧反应，可有效防止收缩通道和扩张通道内壁面高温烧蚀；本发明中二级燃料被包裹在一级旋流空气与二级旋流空气之间，在一级旋流空气和二级旋流空气高紊流度作用下，与一级旋流空气与二级旋流空气迅速混合成均匀的可燃混气，一方面强化了燃料与空气混合效果，提高了混合均匀性，有效降低氮氧化物排放；另一方面二级燃料被一级空气与二级空气包裹，使得二级旋流空气流出收缩通道内壁近壁面区域燃料浓度较低，不易发生燃烧反应，可有效防止二级旋流空气流出收缩通道内壁壁面高温烧蚀；三种工作模式有效地拓宽了燃烧室工作范围。

技术特征：

1.一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述燃烧室喷嘴设置空气进口和燃料进口，所述空气进口分为一级空气进口与二级空气进口，一级空气由所述一级空气进口进入一级空气环形通道，二级空气由所述二级空气进口进入二级空气环形通道，所述一级空气环形通道内设置一级空气旋流装置，所述二级空气环形通道内设置二级空气旋流装置，所述一级空气流经所述一级空气旋流装置后产生切向速度，形成一级旋流空气，所述二级空气流经所述二级空气旋流装置后产生切向速度，形成二级旋流空气，所述一级旋流空气进入收缩通道和扩张通道，并在所述扩张通道内形成一级低速回流区；所述二级旋流空气流出所述旋流装置后，进入收缩通道；所述燃料进口分为一级燃料进口和二级燃料进口，一级燃料由所述一级燃料进口进入一级燃料导管，并由一级燃料喷口喷出，与所述一级旋流空气在所述收缩通道和扩张通道内进行充分混合，形成混合均匀的一级可燃混气；二级燃料由所述二级燃料进口进入二级燃料导管，随后进入二级燃料通道，并在二级燃料出口喷出，所述一级旋流空气和所述二级旋流空气在所述二级燃料出口处交汇，与所述二级燃料进行充分混合，形成混合均匀的二级可燃混气，所述二级可燃混气由燃烧室喷嘴出口流出，在所述燃烧室喷嘴出口下游形成二级低速回流区，火焰前锋在所述一级低速回流区内驻定，形成稳定的燃烧火焰；所述收缩通道和扩张通道的交接处为所述一级旋流空气节流喉道，所述一级旋流空气节流喉道用于控制所述一级可燃混气的流动速度，防止回火发生；所述燃烧室喷嘴出口为所述二级旋流空气节流喉道，所述二级旋流空气节流喉道用于控制所述二级可燃混气的流动速度，防止回火发生。

2.根据权利要求1所述的一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述一级燃料导管远离所述一级燃料喷口一端为直管，靠近所述一级燃料喷口一端为锥段。

3.根据权利要求1所述的一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述二级燃料通道远离所述二级燃料喷口一端为环形通道，靠近所述二级燃料喷口一端为锥形通道。

4.根据权利要求1所述的一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述一级燃料导管水平段，一级空气环形通道、二级燃料通道、二级空气环形通道同轴布置，所述一级燃料导管水平段位于所述燃烧室喷嘴中心位置，所述一级空气环形通道布置在所述一级燃料导管水平段外侧，所述二级燃料通道布置在所述一级空气环形通道外侧，所述二级空气环形通道布置在所述二级燃料通道外侧。

5.根据权利要求1所述的一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述二级空气环形通道外侧为所述燃烧室喷嘴外壳体，所述燃烧室喷嘴外壳体远离所述燃烧室喷嘴出口一端为直筒型，靠近所述燃烧室喷嘴出口一端为锥形。

6.根据权利要求1所述的一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述一级旋流装置为弯曲叶片、直叶片、斜切圆孔、斜切矩形孔中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述二级旋流装置为弯曲叶片、直叶片、斜切圆孔、斜切矩形孔中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述一级旋流装置旋向与二级旋流装置旋向相同或相反。

9.根据权利要求1所述的一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，其特征在于，所述二级燃料出口位于燃烧室喷嘴出口左侧，也可以与燃烧室喷嘴出口齐平。

技术总结
本发明公开了一种以氢气为燃料的燃烧室喷嘴，空气分别由一级和二级空气进口进入一级和二级空气环形通道，流经各自通道内的空气旋流装置后产生切向速度，分别形成一级旋流空气和二级旋流空气，一级旋流空气进入收缩、扩张通道，并在扩张通道内形成一级回流区；一级燃料进入一级燃料导管，由一级燃料喷口喷出，与一级旋流空气在收缩、扩张通道内混合，形成一级可燃混气；二级燃料由二级燃料导管进入二级燃料通道，在二级燃料出口喷出，一级旋流空气和二级旋流空气在二级燃料出口处交汇，与二级燃料混合，形成二级可燃混气，二级可燃混气由燃烧室喷嘴出口流出，在其下游形成二级回流区，火焰前锋在一级回流区内驻定，形成稳定的燃烧火焰。

技术研发人员：袁燕
受保护的技术使用者：四川热源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10