CN115355538B - 一种可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，包括：头部帽罩；与头部帽罩固定连接且设置在头部帽罩进气后侧的火焰筒，火焰筒的侧壁上沿着轴向依次设置有多个周向均布的主燃孔和掺混孔；设置于火焰筒内且位于主燃孔前端的空气射流板，空气射流板具有多个沿轴向贯穿的空气射流孔；设置在空气射流板轴向后侧的氢气射流板，氢气射流板具有周向均布的多个氢气射流孔，自氢气射流孔射出的氢燃料能够与流过空气射流孔的气流充分混合燃烧；套在火焰筒上且能够覆盖掺混孔的可控调整环，可控调整环在周向上分布有若干适配掺混孔的通孔，通过转动可控调整环，能够使可控调整环完全覆盖、部分覆盖及完全未覆盖掺混孔，从而调节掺混孔的开孔面积。

Description

一种可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室
技术领域
本申请涉及氢燃料发动机技术领域，特别涉及一种可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室。
背景技术
低污染排放技术是未来民用航空发动机发展的关键技术之一。然而，传统航空煤油含碳量高，无法满足日益严苛的低污染排放标准要求，即使进行低排放设计，其结构尺寸长、重量大，增大了发动机的整体重量。因此，寻求一种低碳和低氮排放的新型能源已迫在眉睫，这对加速经济和能源转型具有高瞻远瞩的战略意义。
目前航空发动机和燃气轮机常见的氢燃料燃烧室包括预混和非预混形式。其中，预混燃烧室因回火和火焰稳定性差的问题无法满足工程需求。微尺度非预混燃烧室采用多通道微尺度射流布局方案，将氢气以横向射流的方式注入到主流空气中，迅速形成多个微扩散性火焰，使反应区域小尺度化，实现贫油燃烧，降低火焰温度，进而达到低NOx排放目的。
因此，需要一种能够实现氢燃料燃烧的非预混燃烧室结构。
发明内容
本申请的目的是提供了一种可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，所述燃烧室包括：
头部帽罩；
与所述头部帽罩固定连接且设置在所述头部帽罩进气后侧的火焰筒，所述火焰筒的侧壁上沿着轴向依次设置有多个周向均布的主燃孔和掺混孔；
设置于所述火焰筒内且位于所述主燃孔前端的空气射流板，所述空气射流板具有多个沿轴向贯穿的空气射流孔；
设置在所述空气射流板轴向后侧的氢气射流板，所述氢气射流板具有周向均布的多个氢气射流孔，自氢气射流孔射出的氢燃料能够与流通所述空气射流孔的气流充分混合燃烧；
套在所述火焰筒上且能够覆盖所述掺混孔的可控调整环，所述可控调整环在周向上分布有若干适配所述掺混孔的通孔，通过转动所述可控调整环，能够使所述可控调整环完全覆盖、部分覆盖及完全未覆盖所述掺混孔，从而调节所述掺混孔的开孔面积。
进一步的，所述头部帽罩沿轴向成扩张型锥筒结构。
进一步的，所述主燃孔和掺混孔的开孔直径相同或不相同。
进一步的，周向设置的多个所述主燃孔和掺混孔在数量上相同或不相同。
进一步的，所述火焰筒的尾部成收缩型结构。
进一步的，所述头部帽罩与火焰筒通过焊接的方式形成整体结构。
进一步的，所述氢气射流板上的氢气射流孔的轴线与空气射流板上的空气射流孔的轴线垂直。
进一步的，所述空气射流板和氢气射流板通过焊接或增材制造方式组合为一整体结构。
进一步的，所述可控调整环通过控制器进行控制。
进一步的，所述通孔的孔径与所述掺混孔的孔径相同。
本申请提供的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室应用微尺度非预混燃烧组织方式，可实现零碳、低氮氧化物排放。，该燃烧室可智能调整主燃区的当量比和火焰温度，进一步降低NOx排放的同时，可显著提升火焰稳定性，拓宽发动机稳定工作范围。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室结构示意图。
图2为本申请的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室控制示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
本申请提供了一种可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，在微尺度非预混燃烧组织方式基础上，可以智能的调节主燃区当量比和火焰温度，在发动机大状态(即转速较高的状态)工作时进一步降低NOx排放量，在发动机小状态时进一步提升燃烧效率和拓宽贫油熄火极限，进而提升发动机稳定工作边界。
如图1和图2所示，本申请提供的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室主要包括：头部帽罩1、火焰筒2、空气射流板3、氢气射流板4及可控调整环5。
头部帽罩1设置在该燃烧室的前端，头部帽罩1在结构上为扩张型的锥筒结构。
火焰筒2为圆柱形筒结构，其设置在头部帽罩1的后端，火焰筒2与头部帽罩1可以通过焊接的方式形成一个整体结构。其中，火焰筒2上设有主燃孔21及掺混孔22，主燃孔21和掺混孔22在轴向上沿气流流向依次布置。其中，主燃孔21和掺混孔22在周向上设有多个，两者的开孔直径可以相同，也可以不同。在本申请图示实施例中，主燃孔21和掺混孔22的开孔直径大致相同。此外，周向上设置的多个主燃孔21和掺混孔22在数量上可以相同，也可以不同。本申请图示实施例中，主燃孔21和掺混孔 22的周向分布数量相同。主燃孔21和掺混孔22在周向上通常是均匀分布。在本申请一实施例中，火焰筒2的尾部成收缩型结构。
空气射流板3设置在头部帽罩1与火焰筒2构成的整体结构内，且设置在主燃孔21的前端。空气射流板3为薄板型结构，其上设置有多个沿轴向贯穿的空气射流孔32。在本申请中，空气射流孔32按照一定的规则排布。例如在本申请一些实施例中，空气射流孔32在径向上具有两圈，且在每圈上间隔排布。
氢气射流板4呈环形，其设置在空气射流板3的轴向后侧，氢气射流板4具有周向均布的多个微小孔径的氢气射流孔42，其中，氢气射流孔42 的轴线与空气射流孔32的轴线垂直，从而形成垂直交叉排布形式。在本申请一实施例中，氢燃料可通过穿过空气射流板3的氢燃料通道31流入到氢气射流板4与火焰筒2、空气射流板3构成的氢气集气腔41内，之后，氢燃料可通过径向设置的氢气射流孔42与空气射流孔32流通的空气进行混合燃烧。
在本申请一些实施例中，空气射流板3和氢气射流板4可通过焊接或增材制造方式组合为一整体结构。
可控调整环5套在火焰筒2上，且覆盖于掺混孔22上。可控调整环5上在周向上分布有若干的通孔51，通孔51之间具有一定的间距，该通孔51 优选的与掺混孔22的孔径相同。通过转动可控调整环5，可使得可控调整环5完全覆盖、部分覆盖及完全未覆盖火焰筒2的掺混孔22，从而达到调节掺混孔22开孔面积的功能。
在本申请中，可控调整环5可通过控制器6进行控制。
在实现可控调整环5控制掺混孔22开孔面积的一个实施例中，可控调整环5与火焰筒2之间通过滑槽连接，在可控调整环5的外侧设置整圈的齿形结构，控制器6连接一具有适配齿形结构的电机。通过控制器6控制电机转动，从而控制可控调整环5的转动，实现可控调整环5改变掺混孔22 的开孔面积。再另一个实现可控调整环5控制掺混孔22开孔面积的一个实施例中，可控调整环5与火焰筒2可采用相机中对焦环与镜筒相对转动的运动结构。对于其他方式，本处不再赘述。
在使用时，燃烧室头部气流一部分气流Q1流经头部帽罩1，进入空气射流孔32与氢气射流孔42横向射流的氢气充分混合燃烧，形成多个微小的火焰团，未经过头部帽罩1的气流Q2绕到燃烧室的腔外，沿着火焰筒2 侧壁随着向下游流动，用于火焰筒2的壁面冷却，再穿过火焰筒2的主燃孔21进入主燃区参与燃烧，穿过掺混孔22的掺混区调节火焰筒2的出口温度场。
在发动机大状态工作时，可控调整环5在控制器6的作用下沿发动机周向转动，例如可每次顺时针转动3°或5°，从而遮挡掺混孔22，减小掺混孔22的射流面积，进而增加头部空气量、减小主燃区当量比，从而实现贫油燃烧、降低火焰温度，从而进一步降低NOx排放；
在发动机小状态工作时，可控调整环5在控制器6的作用下沿发动机周向转动，例如可每次逆时针转动3°或5°，从而不对掺混孔22进行遮挡，增大掺混孔22的射流面积，减小进入头部和主燃区的空气量、增大主燃区当量比，为降低一氧化碳和未燃碳氢的排放提供足够的火焰温度，从而实现高效燃烧、提升火焰稳定性，提升发动机稳定工作边界。
本申请提供的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室应用微尺度非预混燃烧组织方式，可实现零碳、低氮氧化物排放。该燃烧室可智能调整主燃区的当量比和火焰温度，进一步降低NOx排放的同时，可显著提升火焰稳定性，拓宽发动机稳定工作范围。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括：
头部帽罩(1)；
与所述头部帽罩(1)固定连接且设置在所述头部帽罩(1)进气后侧的火焰筒(2)，所述火焰筒(2)的侧壁上沿着轴向依次设置有多个周向均布的主燃孔(21)和掺混孔(22)；
设置于所述火焰筒(2)内且位于所述主燃孔(21)前端的空气射流板(3)，所述空气射流板(3)具有多个沿轴向贯穿的空气射流孔(32)；
设置在所述空气射流板(3)轴向后侧的氢气射流板(4)，所述氢气射流板(4)具有周向均布的多个氢气射流孔(42)，自氢气射流孔(42)射出的氢燃料能够与流通所述空气射流孔(32)的气流充分混合燃烧；
套在所述火焰筒(2)上且能够覆盖所述掺混孔(22)的可控调整环(5)，所述可控调整环(5)在周向上分布有若干适配所述掺混孔(22)的通孔(51)，通过转动所述可控调整环(5)，能够使所述可控调整环(5)完全覆盖、部分覆盖及完全未覆盖所述掺混孔(22)，从而调节所述掺混孔(22)的开孔面积。
2.如权利要求1所述的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述头部帽罩(1)沿轴向成扩张型锥筒结构。
3.如权利要求1所述的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述主燃孔(21)和掺混孔(22)的开孔直径相同或不相同。
4.如权利要求1或3所述的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，周向设置的多个所述主燃孔(21)和掺混孔(22)在数量上相同或不相同。
5.如权利要求1所述的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述火焰筒(2)的尾部成收缩型结构。
6.如权利要求1所述的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述头部帽罩(1)与火焰筒(2)通过焊接的方式形成整体结构。
7.如权利要求1所述的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述氢气射流板(4)上的氢气射流孔(42)的轴线与空气射流板(3)上的空气射流孔(32)的轴线垂直。
8.如权利要求7所述的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述空气射流板(3)和氢气射流板(4)通过焊接或增材制造方式组合为一整体结构。
9.如权利要求1所述的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述可控调整环(5)通过控制器(6)进行控制。
10.如权利要求1所述的可变掺混孔面积的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述通孔(51)的孔径与所述掺混孔(22)的孔径相同。
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