CN113983495A - 一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，主要由RDC燃烧室环腔、空气供给腔、旋流器喷嘴、天然气供给环腔和氢气供给腔组成。本发明通过在天然气与空气的混合物中掺混氢气的方式，能够降低燃烧室二氧化碳的排放量；由于氢气的反应活性较高，也有利于旋转爆震波的稳定传播；此外，通过设计多个喷注孔和旋流器喷嘴结构，能够促进燃料和氧化剂的快速均匀混合，保证NOX的排放在合理的范围内。本发明在未明显增加燃烧室结构复杂程度的条件下，能保证燃烧室工作的稳定性，有效降低二氧化碳的排放量，达到了“节能减碳”的设计目标。

Description

一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室
技术领域
本发明属于旋转爆震燃烧室技术领域，具体涉及一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室。
背景技术
自然界中存在两种燃烧方式，缓燃燃烧和爆震燃烧。现有的航空发动机和燃气轮机的燃烧方式均采用基于等压循环的缓燃燃烧方式，技术水平趋于成熟，很难取得较大的技术突破。与等压燃烧方式相比，爆震燃烧理论上具有热循环效率高和热释放速率快的特点。基于上述优势，国内外的科研工作者试图将爆震燃烧应用于现有的动力装置，并提出了旋转爆震燃烧室(Rotating Detonation Combustor，简称RDC)，具有体积小，结构简单和热循环效率高的优点。国内外开展了大量的旋转爆震燃烧室的基础研究工作，并实现了小尺寸燃烧室的稳定工作，同时开展了基于冲压发动机和航空发动机的应用研究工作，并取得了一些进展。另一方面，在温室气体排放导致全球变暖问题日益严重的背景下，发展绿色经济，减少碳排放越来越被重视。作为清洁能源之一的氢气，由于燃烧后不会产生二氧化碳，能够避免温室气体的排放，未来将会被广泛应用于动力装置。
现有的公开研究表明，由于天然气的反应活性低于氢气，采用天然气为燃料的条件下，RDC的工作稳定较差；采用氢气为燃料的条件下，能够实现RDC的稳定工作，但由于氢气的反应活性较高，相应的燃烧室NOX排放也会升高。因此，在技术应用的初级阶段，可采用天然气掺氢燃烧的方式，一方面能够实现RDC的稳定工作，一定程度降低二氧化碳的排放量；另一方面也能有效减少NOX排放，达到环保要求的排放阈值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，拟通过在RDC中设计了天然气和氢气两路燃料供给通道，增加了RDC工作的稳定性、降低了二氧化碳排放量，有利于旋转爆震波的稳定传播、提高燃烧效率和降低二氧化碳排放，对于RDC的工程应用非常重要，本发明可以应用于燃气轮机和航空发动机等领域。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，包括RDC燃烧室环腔、空气供给腔、旋流器喷嘴、天然气供给环腔和氢气供给腔；
所述的RDC燃烧室环腔是燃料和空气发生化学反应将化学能转变为热能的区域，其为环腔形结构，由RDC燃烧室端盖、燃烧室外环和燃烧室内柱组成，燃烧室外环和燃烧室内柱内部均布置了环腔形结构的水冷腔；
所述的空气供给腔位于RDC燃烧室环腔的左侧，为圆形空腔结构，其中心轴线方向与燃烧室的轴线方向相同，空气供给腔与RDC燃烧室环腔通过旋流器喷嘴进行连接；
所述的旋流器喷嘴位于RDC燃烧室环腔和空气供给腔之间，安装在RDC燃烧室端盖预留的旋流器喷嘴安装孔中，由旋流叶片、天然气喷注孔和天然气供给直管组成；
所述的天然气供给环腔位于天然气供给直管的左侧，为环形空腔结构，其轴线方向与燃烧室轴向相同，入口一侧与天然气气源连接，出口一侧与天然气供给直管连接；
所述的氢气供给腔位于RDC燃烧室端盖的右侧，且与RDC燃烧室端盖相邻，为圆柱形空腔结构，入口一端与RDC燃烧室端盖预留的氢气供给孔连接，出口一端通过氢气供给孔与RDC燃烧室环腔连接。
本发明进一步的改进在于，燃烧室外环和内柱均设置有水冷腔结构，通过不断将冷却水供给和排出水冷腔，保证冷却水温度保持在较低的范围内，以及冷却水对燃烧室外环和内柱的有效冷却。
本发明进一步的改进在于，RDC燃烧室环腔的左上角和左下角均倒圆角处理，用于避免形成回流区，火焰驻定在回流区，导致部分空气和天然气发生提前燃烧，影响旋转爆震波的稳定传播。
本发明进一步的改进在于，RDC燃烧室端盖内布置了16个旋流器喷嘴，沿燃烧室周向均匀分布，相邻旋流器之间的角度为22.5°；旋流器喷嘴由旋流叶片、天然气喷注孔和天然气供给直管组成，其作用是组织空气和天然气进入燃烧室后快速实现均匀混合。
本发明进一步的改进在于，每个旋流器喷嘴上均布置了10个旋流叶片，沿周向均匀分布，相邻旋流叶片之间的角度为36°；其作用是改变空气流动的方向，产生沿周向的旋流；在旋流叶片入口一侧，叶片的导流方向与燃烧室轴向相同；在旋流叶片出口一侧，叶片的导流方向与燃烧室的轴向夹角为25°。
本发明进一步的改进在于，每个旋流器喷嘴上均布置了10个天然气喷注孔，其位置位于相邻的2个旋流叶片之间，且靠近旋流叶片出口一侧；喷注孔为直圆孔结构，其中心轴线的夹角与燃烧室轴线的夹角为45°；喷注孔的作用在于将天然气沿设定角度射入空气旋流中，促进天然气与空气的快速高效混合。
本发明进一步的改进在于，旋流器喷嘴的头部为天然气供给直管，数量为16个，沿燃烧室周向分布，为空心直圆管结构，内部为天然气供给流道，其中心轴线方向与燃烧室轴线方向相同，其作用是将天然气从天然气供给环腔供给到旋流器喷嘴中。
本发明进一步的改进在于，在氢气供给腔和环形燃烧腔之间为120个氢气供给孔，沿燃烧室周向均匀分布，结构为直圆孔，直圆孔的轴线方向与燃烧室轴向的夹角为60°，氢气供给孔的作用在于将氢气从氢气供给腔供给至环形燃烧腔，并与空气和天然气进行混合；为了保证加工精度，氢气供给孔的长度小于10倍的直径。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，分别通过旋流器喷嘴和氢气供给孔，将空气、天然气和氢气供给到环形燃烧腔头部进行掺混燃烧。通过在天然气与空气的混合物中掺混氢气的方式，带来了以下优点：首先，由于氢气的反应活性较高，有利于旋转爆震波的稳定传播；其次，能够降低燃烧室二氧化碳的排放量；最后，多个喷注孔和旋流器喷嘴结构，能够促进燃料和氧化剂的快速均匀混合，保证NOX的排放在合理的范围内。
附图说明
图1为天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室结构示意图；
图2为天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室截面图；
图3为燃料供给和旋流器喷嘴结构示意图；
图4为旋流器喷嘴结构示意图，其中图4(a)为主视图，图4(b)为左视图；
图5为旋流器喷嘴剖面图。
附图标记说明：
1为燃烧室外环，2为燃烧室内柱，3为旋流器喷嘴，4为氢气供给孔，5为空气供给腔，6为天然气供给直管，7为天然气供给环腔，8为RDC燃烧室环腔，9为燃烧室端盖，10为氢气供给腔，11为燃烧室外环水冷腔，12为燃烧室内柱水冷腔，13为点火器安装孔，14为旋流器喷嘴安装孔，3-1为旋流叶片，3-2为天然气喷注孔，3-3为天然气供给直管。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1和图2所示，本发明提供的一种天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，由RDC燃烧室环腔8、旋流器喷嘴3、天然气供给环腔7和氢气供给腔12组成。RDC燃烧室环腔8是由燃烧室外环1、燃烧室内柱2和燃烧室端盖9组成的环腔形结构。
在燃烧室外环1的内壁面和燃烧室内柱2的外壁面均采用耐高温的合金材料，且表面均喷涂热障涂层材料，能够有效减少高温已燃产物传导至燃烧室壁面的热量，防止燃烧室外环1和燃烧室内柱2被烧蚀。在燃烧室外环1的内侧和燃烧室内柱2的外侧分别预留了燃烧室外环水冷腔12和燃烧室内柱水冷腔13，均为环腔形结构，其作用是通过冷却水带走燃烧过程传导到燃烧室壁面的热量，降低燃烧室壁面温度。
在燃烧室外环1靠近燃烧腔头部一侧，预留了点火器安装孔11，为带螺纹的通孔结构，其中可以安装高能点火器，在燃烧室起始工作阶段起到点火产生火焰的作用。
燃烧室端盖9半径较大位置处，预留了16个旋流器喷嘴安装孔10，沿周向均匀分布，相邻旋流器喷嘴安装孔10之间的角度为22.5°，对应的16个旋流器喷嘴3分别安装在旋流器喷嘴安装孔10中，结构为圆柱形通孔，其入口一侧为圆角结构，保证空气能够顺利进入旋流器喷嘴安装孔10，有效减小气体的流动损失。
参阅图3、图4和图5所示，旋流器喷嘴3由旋流叶片3-1、天然气喷注孔3-2和天然气供给直管3-3组成，其中旋流叶片3-1位于旋流器喷嘴安装孔10和天然气供给直管3-3之间，且靠近旋流器喷嘴安装孔10的出口一侧；每个旋流器喷嘴3上均布置了10个旋流叶片3-1，沿旋流器喷嘴3的周向均匀分布，相邻之间的夹角为36°，其型面为曲面结构，作用是当空气流经旋流叶片3-1时，由于旋流叶片型面方向的改变，促使空气的流动方向发生偏转，产生旋流；旋流叶片入口处，叶片方向与燃烧室轴线方向相同，旋流叶片出口处，叶片方向与燃烧室轴线方向的夹角为25°；旋流叶片采用具有耐高温、抗冲击特性的材料。
天然气供给直管3-3位于旋流器喷嘴3的中心位置，为圆管形结构，数量为16根，沿燃烧室的周向均匀分布，其出口一侧为天然气喷注孔3-2；每个旋流器喷嘴3上均布置了10个天然气喷注孔3-2，每个天然气喷注孔3-2均位于相邻的旋流叶片3-1之间，为直圆孔结构，轴线方向与燃烧室的轴向夹角为45°，其作用是将天然气供给直管3-3的天然气沿一定角度射入空气旋流中，促进天然气与空气快速高效混合；天然气供给直管3-3采用具有轻质、耐压的材料。
天然气供给环腔7位于天然气供给直管3-3的最左端，为环形空腔结构，出口预留了16个圆孔与天然气供给直管3-3连接，其作用是供给天然气供给直管3-3所需的天然气。
参阅图2所示，氢气供给腔10位于燃烧室内柱2的内部，且靠近燃烧室内柱2的左侧，为圆柱形空腔结构，其作用是供给RDC燃烧室环腔8所需的氢气，并稳定氢气的供给压力；氢气供给孔4位于氢气供给腔10和RDC燃烧室环腔8之间，为直圆孔结构，数量为120个，沿燃烧室周向均匀分布，氢气供给孔4的轴线方向与燃烧室轴向夹角为60°；其作用是将氢气供给腔10中储存的氢气供给至RDC燃烧室环腔8，与空气和天然气进行混合，氢气供给孔4的个数较多，能够保证氢气与空气和天然气混合更加均匀。
本发明的工作循环过程如下：
燃烧室点火前，开启天然气和氢气气源控制阀，天然气和氢气分别通过天然气喷注孔3-2和氢气供给孔4供给到RDC燃烧室环腔8，空气通过旋流器喷嘴3供给到RDC燃烧室环腔8，并与天然气和氢气进行混合。当RDC燃烧室环腔8中填充足量的燃料和氧化剂后，点火器安装孔14中的点火装置进行点火，形成以缓燃状态传播的火焰，在RDC燃烧室环腔8中沿周向进行传播，受燃烧室曲面和气流的扰动作用，逐渐加速转变为稳定传播的旋转爆震波，燃烧室的工作状态由起爆阶段转变为稳定工作阶段。
当燃烧室工作结束时，切断天然气和氢气气源的供给，燃烧室由于缺少可燃混合物维持旋转爆震波的传播，旋转爆震波逐渐解耦变为缓燃波，随后火焰逐渐熄灭，燃烧室停止工作。同时，在天然气供给环腔7和氢气供给腔10中供给不参与燃烧反应的氮气，对燃烧室进行吹扫，随后切断氮气的供给，燃烧室的单个工作循环结束。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，其特征在于，包括RDC燃烧室环腔、空气供给腔、旋流器喷嘴、天然气供给环腔和氢气供给腔；
所述的RDC燃烧室环腔是燃料和空气发生化学反应将化学能转变为热能的区域，其为环腔形结构，由RDC燃烧室端盖、燃烧室外环和燃烧室内柱组成，燃烧室外环和燃烧室内柱内部均布置了环腔形结构的水冷腔；
所述的空气供给腔位于RDC燃烧室环腔的左侧，为圆形空腔结构，其中心轴线方向与燃烧室的轴线方向相同，空气供给腔与RDC燃烧室环腔通过旋流器喷嘴进行连接；
所述的旋流器喷嘴位于RDC燃烧室环腔和空气供给腔之间，安装在RDC燃烧室端盖预留的旋流器喷嘴安装孔中，由旋流叶片、天然气喷注孔和天然气供给直管组成；
所述的天然气供给环腔位于天然气供给直管的左侧，为环形空腔结构，其轴线方向与燃烧室轴向相同，入口一侧与天然气气源连接，出口一侧与天然气供给直管连接；
所述的氢气供给腔位于RDC燃烧室端盖的右侧，且与RDC燃烧室端盖相邻，为圆柱形空腔结构，入口一端与RDC燃烧室端盖预留的氢气供给孔连接，出口一端通过氢气供给孔与RDC燃烧室环腔连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，其特征在于，燃烧室外环和内柱均设置有水冷腔结构，通过不断将冷却水供给和排出水冷腔，保证冷却水温度保持在较低的范围内，以及冷却水对燃烧室外环和内柱的有效冷却。
3.根据权利要求1所述的一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，其特征在于，RDC燃烧室环腔的左上角和左下角均倒圆角处理，用于避免形成回流区，火焰驻定在回流区，导致部分空气和天然气发生提前燃烧，影响旋转爆震波的稳定传播。
4.根据权利要求1所述的一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，其特征在于，RDC燃烧室端盖内布置了16个旋流器喷嘴，沿燃烧室周向均匀分布，相邻旋流器之间的角度为22.5°；旋流器喷嘴由旋流叶片、天然气喷注孔和天然气供给直管组成，其作用是组织空气和天然气进入燃烧室后快速实现均匀混合。
5.根据权利要求1所述的一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，其特征在于，每个旋流器喷嘴上均布置了10个旋流叶片，沿周向均匀分布，相邻旋流叶片之间的角度为36°；其作用是改变空气流动的方向，产生沿周向的旋流；在旋流叶片入口一侧，叶片的导流方向与燃烧室轴向相同；在旋流叶片出口一侧，叶片的导流方向与燃烧室的轴向夹角为25°。
6.根据权利要求1所述的一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，其特征在于，每个旋流器喷嘴上均布置了10个天然气喷注孔，其位置位于相邻的2个旋流叶片之间，且靠近旋流叶片出口一侧；喷注孔为直圆孔结构，其中心轴线的夹角与燃烧室轴线的夹角为45°；喷注孔的作用在于将天然气沿设定角度射入空气旋流中，促进天然气与空气的快速高效混合。
7.根据权利要求1所述的一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，其特征在于，旋流器喷嘴的头部为天然气供给直管，数量为16个，沿燃烧室周向分布，为空心直圆管结构，内部为天然气供给流道，其中心轴线方向与燃烧室轴线方向相同，其作用是将天然气从天然气供给环腔供给到旋流器喷嘴中。
8.根据权利要求1所述的一种适用于天然气掺氢燃烧的旋转爆震燃烧室，其特征在于，在氢气供给腔和环形燃烧腔之间为120个氢气供给孔，沿燃烧室周向均匀分布，结构为直圆孔，直圆孔的轴线方向与燃烧室轴向的夹角为60°，氢气供给孔的作用在于将氢气从氢气供给腔供给至环形燃烧腔，并与空气和天然气进行混合；为了保证加工精度，氢气供给孔的长度小于10倍的直径。
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