氢燃料燃烧室以及涡喷发动机的制作方法

本发明涉及涡喷发动机，特别地，涉及一种氢燃料燃烧室。此外，本发明还涉及一种包括上述氢燃料燃烧室的涡喷发动机。

背景技术：

1、随着可再生能源的综合利用以及节能减排的深度发展，能够灵活使用不同含氢比例、清洁高效的燃气轮机对能源利用意义重大。传统的微型涡喷发动机燃烧室采用直射式喷嘴匹配蒸发管的燃油喷射、雾化方案，这种燃油雾化方案最大的优势是结构简单、成本较低，但是这种雾化方案并不适用氢燃料的燃烧组织。首先，氢气是一种气态燃料，不需要像液态燃料一样在燃烧前需进行一系列的破碎、雾化和蒸发过程，它可以直接和空气进行混合，在一定的浓度和速度下就可以燃烧，所以蒸发管对于氢气的燃烧组织来说根本起不到任何作用，相反有可能在蒸发管内形成合适的氢气浓度场而发生回火，影响燃烧可靠性；其次，对于直射式喷嘴而言，简单的圆形直射喷口会导致氢气喷射速度过快，氢气在燃烧室内的停留时间不够，不利于与空气混合充分燃烧。

2、综上所述，微型涡喷发动机燃烧室采用氢气作为燃料时不能直接套用传统的蒸发管式燃料喷射、雾化方案，必须对氢气的喷射方式、以及氢气与空气的混合方式等进行适应性改进，才能满足氢气高效、稳定燃烧的需要。

技术实现思路

1、本发明提供了一种氢燃料燃烧室，以解决采用氢燃料时，如何使燃烧室内的氢气高效稳定的燃烧的技术问题。

2、本发明还提供了一种涡喷发动机，采用上述氢燃料燃烧室。

3、根据本发明的一个方面，提供一种氢燃料燃烧室，包括燃烧室机匣、火焰筒和涡轮组件，所述燃烧室机匣包括机壳、第一喷嘴座和第一电嘴座，所述第一喷嘴座设置在所述机壳的外侧并用于安装氢气喷嘴，所述第一电嘴座设置在所述机壳的外侧且与所述喷嘴座间隔设置，所述第一电嘴座用于安装火花塞；所述火焰筒布置于所述机壳内，所述火焰筒包括筒体、第二喷嘴座和第二电嘴座，所述第二喷嘴座和所述第二电嘴座均设置在所述筒体上，所述筒体的进气端形成有弧形头部，所述弧形头部的内壁上沿周向均匀布设有若干冷却片，所述冷却片与所述弧形头部的夹缝中开设有进气孔，所述进气孔用于导入冷却气体并在所述冷却片与所述弧形头部的夹缝形成有周向连续的气膜，以使弧形头部形成周向连续的环涡流场，所述第二喷嘴座用于供所述氢气喷嘴沿径向伸入所述筒体内，并使所述氢气喷嘴朝向环涡流场，所述第二电嘴座用过供所述火花塞伸入所述筒体内。

4、进一步地，所述筒体包括内环和设置在所述内环201外侧的外环，所述外环面上开设若干用于散热的第一气膜孔，所述内环的靠近所述弧形头部的一端开设有若干用于散热的发散孔，所述内环的中部以及靠近所述筒体的出口端一端开设有若干用于散热的第二气膜孔。

5、进一步地，所述氢燃料燃烧室还包括氢气喷嘴400，所述氢气喷嘴包括接嘴、安装边以及喷嘴体，所述安装边与所述第一喷嘴座固定连接，所述接嘴设置在所述安装边上并用于接收外部注入的氢气燃料，所述喷嘴体与所述接嘴固定连接并伸入所述筒体内，所述喷嘴体的端部开设有斜面，所述喷嘴体上的喷口位于所述斜面上以使所述喷口朝向弧形头部形成的环涡流场。

6、进一步地，所述喷口上设置有若干间隔分布的喷孔，所述喷孔的中心线与所述喷嘴体的中心线的角度为β，并使所述喷孔的中心线与所述氢气喷嘴的中心对称面的角度为γ，以使所述喷孔喷射的氢气的气流切向流入环涡流场。

7、进一步地，所述机壳上设置有多个第一喷嘴座，所述第一喷嘴座沿所述机壳的周向间隔均布，所述筒体上设置有多个第二喷嘴座，所述第二喷嘴座沿所述筒体的周向间隔均布且与所述第一喷嘴座一一对应设置。

8、进一步地，所述第二喷嘴座固定连接在所述筒体上，所述喷嘴体与所述第二喷嘴座连接并用于支撑所述筒体，以使所述筒体固定在所述机壳内。

9、进一步地，所述机壳上固定连接有用于动力输出的涡轮组件，所述筒体用于与所述涡轮组件固定连接，以使所述筒体固定在所述机壳内，所述第二喷嘴座采用活动衬套，并使所述喷嘴体与所述活动衬套间隙配合。

10、进一步地，所述接嘴与外部的连接端开设有便于与外部接头密封连接的连接锥面。

11、根据本发明的另一方面，还提供了一种涡喷发动机，其包括上述氢燃料燃烧室，还包括压气机和涡轮组件，所述压气机设置在所述机壳上并与所述进气孔连通，所述涡轮组件设置在所述筒体的出口端用于动力的输出。

12、进一步地，所述涡轮组件包括导向器和涡轮体，所述导向器与所述筒体的出口端可拆卸连接，所述涡轮体与所述导向器连接。

13、本发明具有以下有益效果：

14、本发明的氢燃料燃烧室中，相较于传统的微型涡喷发动机燃烧室取消了蒸发管结构，采用氢气喷嘴沿切向注入火焰筒头部的燃料喷射方式，有利于氢气与空气混合，避免发生回火，同时通过将弧形头部上设置冷却片，氧气或空气由进气孔进入弧形头部，并在冷却片与弧形头部夹缝形成周向连续的气膜，进而使得弧形头部内形成周向连续的环涡流场结构，使得由氢气喷嘴注入的氢气进入环涡流场利用火花塞点火后直接预混组织燃烧，以克服氢气火焰传播速度快，容易发生回火的问题，进而使得氢气能高效稳定的燃烧。

15、具体实施时，通过氢气喷嘴将氢气有外部注入筒体内，同时通过进气孔将空气注入筒体内，空气在冷却片的作用下，由冷却片与弧形头部夹缝形成周向连续的气膜，进而使得弧形头部内形成周向连续的环涡流场结构，氢气喷嘴注入的氢气进入环涡流场利用火花塞点火后直接预混组织燃烧，燃烧产生的能力通过涡轮组件转换为动力输出。

16、综上，本氢燃料燃烧室充分利用了微型燃烧室空间布局特点，通过在直流燃烧室头部设计大环涡流场结构，匹配沿火焰筒切向注入的氢燃料进行直接预混，克服氢气火焰传播速度快、容易发生回火等燃烧问题，达到高效、稳定组织燃烧的目的，使得燃烧室内的氢气能够高效稳定的燃烧。

17、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

技术特征：

1.一种氢燃料燃烧室，其特征在于，包括

2.根据权利要求1所述的氢燃料燃烧室，其特征在于，所述筒体(200)包括内环(201)和设置在所述内环(201)外侧的外环(202)，所述外环(202)面上开设若干用于散热的第一气膜孔(206)，所述内环(201)的靠近所述弧形头部(203)的一端开设有若干用于散热的发散孔，所述内环(201)的中部以及靠近所述筒体(200)的出口端一端开设有若干用于散热的第二气膜孔。

3.根据权利要求2所述的氢燃料燃烧室，其特征在于，所述氢燃料燃烧室还包括氢气喷嘴(400)所述氢气喷嘴(400)包括接嘴(401)、安装边(402)以及喷嘴体(403)，所述安装边(402)与所述第一喷嘴座(101)固定连接，所述接嘴(401)设置在所述安装边(402)上并用于接收外部注入的氢气燃料，所述喷嘴体(403)与所述接嘴(401)固定连接并伸入所述筒体(200)内，所述喷嘴体(403)的端部开设有斜面，所述喷嘴体(403)上的喷口(404)位于所述斜面上以使所述喷口(404)朝向弧形头部(203)形成的环涡流场。

4.根据权利要求3所述的氢燃料燃烧室，其特征在于，所述喷口(404)上设置有若干间隔分布的喷孔，所述喷孔的中心线与所述喷嘴体(403)的中心线的角度为β，并使所述喷孔的中心线与所述氢气喷嘴(400)的中心对称面的角度为γ，以使所述喷孔喷射的氢气的气流切向流入环涡流场。

5.根据权利要求3所述的氢燃料燃烧室，其特征在于，所述机壳(100)上设置有多个第一喷嘴座(101)，所述第一喷嘴座(101)沿所述机壳(100)的周向间隔均布，所述筒体(200)上设置有多个第二喷嘴座(300)，所述第二喷嘴座(300)沿所述筒体(200)的周向间隔均布且与所述第一喷嘴座(101)一一对应设置。

6.根据权利要求5所述的氢燃料燃烧室，其特征在于，所述第二喷嘴座(300)固定连接在所述筒体(200)上，所述喷嘴体(403)与所述第二喷嘴座(300)连接并用于支撑所述筒体(200)，以使所述筒体(200)固定在所述机壳(100)内。

7.根据权利要求5所述的氢燃料燃烧室，其特征在于，所述机壳(100)上固定连接有用于动力输出的涡轮组件(500)，所述筒体(200)用于与所述涡轮组件(500)固定连接，以使所述筒体(200)固定在所述机壳(100)内，所述第二喷嘴座(300)采用活动衬套，并使所述喷嘴体(403)与所述活动衬套间隙配合。

8.根据权利要求3所述的氢燃料燃烧室，其特征在于，所述接嘴(401)与外部的连接端开设有便于与外部接头密封连接的连接锥面。

9.一种涡喷发动机，其特征在于，包括如权利要求1～9中任意一项所述的氢燃料燃烧室，还包括压气机(501)和涡轮组件(500)，所述压气机(501)设置在所述机壳(100)上并与所述进气孔(205)连通，所述涡轮组件(500)设置在所述筒体(200)的出口端用于动力的输出。

10.根据权利要求9所述的涡喷发动机，其特征在于，所述涡轮组件(500)包括导向器和涡轮体，所述导向器与所述筒体(200)的出口端可拆卸连接，所述涡轮体与所述导向器连接。

技术总结
本发明公开了一种氢燃料燃烧室以及涡喷发动机，其中，氢燃料燃烧室包括燃烧室机匣、火焰筒和涡轮组件，燃烧室机匣包括机壳、第一喷嘴座和第一电嘴座，第一喷嘴座用于安装氢气喷嘴，第一电嘴座用于安装火花塞；火焰筒布置于机壳内，火焰筒包括筒体、第二喷嘴座和第二电嘴座，筒体的进气端形成有弧形头部，弧形头部的内壁上沿周向均匀布设有若干冷却片，冷却片与弧形头部的夹缝中开设有进气孔，冷却片与弧形头部的夹缝形成有周向连续的气膜，以使弧形头部形成周向连续的环涡流场，第二喷嘴座用于供氢气喷嘴沿径向伸入筒体内，并使氢气喷嘴朝向环涡流场，第二电嘴座用过供火花塞伸入筒体内；涡轮组件设置在筒体的出口端用于动力的输出。

技术研发人员：王启道,陈彬,杨光远,邬俊,肖为
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16