CN215951498U - 一种宽广工作范围氢燃料燃烧室 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，包括气态燃料旋流喷注器，气态燃料旋流喷注器包括第一锥台、第二锥台、连接管和燃料管，第二锥台设于第一锥台内部，并与第一锥台同轴布置，第二锥台顶部为封闭结构，且其与第一锥台之间形成有进料腔，第一锥台侧壁上形成有贯穿至第一锥台底壁的空气旋流孔，第二锥台内部形成有中心流道，第二锥台侧壁上开设有贯通至中心流道的气态燃料旋流孔，连接管为锥形结构，其一端与第一锥台顶部连接，另一端与燃料管连通。该燃烧室不仅结构简单，设计合理，操作方便，而且充分实现了气态燃料与空气高效混合以保证燃烧室稳定燃烧的技术效果，有效满足了气态燃料的燃烧组织需求，具有良好的市场应用前景。

Description

一种宽广工作范围氢燃料燃烧室

技术领域

本实用新型涉及燃烧设备技术领域，更具体的说是涉及一种宽广工作范围氢燃料燃烧室。

背景技术

当前，国内外航空涡轮发动机均基于液态碳氢燃料(航空煤油)，在此基础上根据减少排放的需求也开展了部分掺氢燃烧的方案研究，即主燃料仍然使用碳氢燃料，只是在燃烧室中加入一部分氢气辅助燃烧，从而提高燃烧效率并减少排放，但是目前还没有完全使用气态燃料的航空发动机技术方案。

针对未来更宽速域的推进要求，国内外提出了几种基于高效预冷技术的动力方案，如英国提出的“佩刀(SABRE)”和“弯刀(Scimitar)”发动机方案，以及日本提出的“ATREX”发动机方案等，上述发动机方案中虽然强预冷系统不尽相同，但均需要使用氢作为冷却剂兼燃料。因此，纯气态燃料的航空发动机有可能成为未来宽速域推进系统的发展趋势，而气态燃料的燃烧组织是其中的关键问题之一。目前还没有气态燃料涡轮发动机燃烧室的相关技术方案。

因此，提供一种结构简单，设计合理，操作方便，具有高效混合性能，能够有效保证燃烧室稳定燃烧，充分满足气态燃料燃烧组织需求的宽广工作范围氢燃料燃烧室是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中燃烧室无法满足气态燃料燃烧需求等技术问题，本实用新型提供了一种结构简单，设计合理，操作方便，具有高效混合性能，能够有效保证燃烧室稳定燃烧，充分满足气态燃料燃烧组织需求的宽广工作范围氢燃料燃烧室及其工作方法。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，包括气态燃料旋流喷注器，所述气态燃料旋流喷注器包括第一锥台、第二锥台、连接管和燃料管，所述第二锥台设于所述第一锥台内部，并与所述第一锥台同轴布置，所述第二锥台顶部为封闭结构，且其与所述第一锥台之间形成有进料腔，所述第一锥台侧壁上形成有贯穿至所述第一锥台底壁的空气旋流孔，所述第二锥台内部形成有中心流道，所述第二锥台侧壁上开设有贯通至所述中心流道的气态燃料旋流孔，所述连接管为锥形结构，其一端与所述第一锥台顶部连接，另一端与所述燃料管连通。

经由上述的技术方案可知，与现有技术方案相比，本实用新型公开提供了一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，通过利用气态燃料旋流喷注器中的连接管与燃料管和第一锥台的连接结构，能够使气态燃料依次经由燃料管和连接管到达第二锥台处，并经由气态燃料旋流孔进入中心流道内，同时外部空气经由第一锥台上的空气旋流孔与经由中心流道排出的气态燃料在距离第一锥台底部一定距离处高效混合，并使得混合后的气体在气态燃料旋流喷注器下游的火焰筒内进行正常燃烧，从而实现了使用气态燃料为涡轮发动机提供动力的技术效果。本实用新型的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，不仅结构简单，设计合理，操作方便，而且充分实现了气态燃料与空气高效混合以保证燃烧室稳定燃烧的技术效果，有效满足了气态燃料的燃烧组织需求，具有良好的市场应用前景。

进一步的，所述空气旋流孔为多个，多个所述空气旋流孔均匀间隔排布在所述第一锥台侧壁上。

采用上述技术方案产生的有益效果是，能够充分保证足够空气的进入，便于使旋流后的空气与气态燃料高效混合后稳定燃烧。

进一步的，所述空气旋流孔的中心线与所述第一锥台中心轴线的夹角为64°-68°，所述空气旋流孔的中心线与所述第一锥台径向的夹角为14°-18°。

采用上述技术方案产生的有益效果是，便于使空气经过空气旋流孔后具有一定的径向速度与轴向速度，从而保证旋流后的空气与气态燃料高效混合。

进一步的，所述气态燃料旋流孔为两排以上，两排以上所述气态燃料旋流孔沿所述第二锥台轴向均匀布置，每排所述气态燃料旋流孔均包括多个均匀间隔排布的所述气态燃料旋流孔，且两排以上所述气态燃料旋流孔中的多个所述气态燃料旋流孔均匀交错布置。

采用上述技术方案产生的有益效果是，能够有效保证气态燃料的喷注速度，避免气态燃料的喷注速度过高或过低影响其燃烧效率。

进一步的，所述气态燃料旋流孔倾斜布置，且所述气态燃料旋流孔的中心线与所述第二锥台中心轴线的夹角为25°-35°。

采用上述技术方案产生的有益效果是，能够有效保证气态燃料经过气态燃料旋流孔后的喷注速度，从而使其与空气高效混合，提高气态燃料的燃烧效率。

进一步的，所述气态燃料旋流孔的孔径为1-4mm。

采用上述技术方案产生的有益效果是，使得该燃烧室结构设计合理，燃烧效率高。

进一步的，所述燃料管的流通面积不小于多个所述气态燃料旋流孔流通面积总和的4倍。

采用上述技术方案产生的有益效果是，有效实现对燃烧室内气态燃料的持续供应，提高气态燃料的燃烧效率。

本实用新型的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室的工作方法，包括以下步骤：首先，将气态燃料以一定的旋流速度和轴向速度从喷注器中喷出至燃料管内，并经由燃料管输送至进料腔，使得进料腔内的气态燃料以一定的径向速度和轴向速度经由气态燃料旋流孔进入中心流道；其次，气态燃料经由中心流道流出后，在气态燃料旋流喷注器下游与经由空气旋流孔进入的旋流空气高效混合，实现气态燃料与空气的一次掺混；再次，一次掺混后的混合气体进入二级旋流器中，与进入二级旋流器内的空气实现二次掺混；最后，二次掺混后的混合气体在火焰筒中部进行正常燃烧。

经由上述的技术方案可知，通过采用上述方法，能够有效增强气态燃料与空气的混合速度及混合效率，使其在距离气态燃料旋流喷注器更短的时间内实现燃烧，缩短燃烧室的长度，减轻燃烧室的重量，同时还便于操作人员有效控制好火焰分布位置，形成脱体火焰，避免结构热防护失效。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本实用新型提供的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室的结构示意图；

图2附图为本实用新型提供的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室中气态燃料旋流喷注器的结构示意图；

图3附图为本实用新型提供的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室中气态燃料旋流喷注器的俯视图；

图4附图为图3附图在A-A断面下的剖视图；

图5附图为本实用新型提供的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室中第一锥台和第二锥台的结构示意图；

图6附图为本实用新型提供的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室中心截面上氢气混合分数(Z)分布图；

图7附图为本实用新型提供的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室中心截面上温度分布图；

图8附图为本实用新型提供的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室在燃烧室中心截面上整体温度分布图；

图9附图为本实用新型提供的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室所在氢燃烧室出口温度分布(平均温度1876.84K)；

图10附图为本实用新型提供的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室中氢气燃烧和现有煤油燃烧的出口径向温度分布系数对比图。

其中：1-第一锥台，2-第二锥台，3-连接管，4-燃料管，5-进料腔，6-空气旋流孔，7-中心流道，8-气态燃料旋流孔，100-气态燃料旋流喷注器，200-二级旋流器，300-火焰筒。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本实用新型公开了一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，包括气态燃料旋流喷注器100，气态燃料旋流喷注器100包括第一锥台1、第二锥台2、连接管3和燃料管4，第二锥台2设于第一锥台1内部，并与第一锥台1同轴布置，第二锥台2顶部为封闭结构，且其与第一锥台1之间形成有进料腔5，第一锥台1侧壁上形成有贯穿至第一锥台1底壁的空气旋流孔6，第二锥台2内部形成有中心流道7，第二锥台2侧壁上开设有贯通至中心流道7的气态燃料旋流孔8，连接管3为锥形结构，其一端与第一锥台1顶部连接，另一端与燃料管4连通。

根据本实用新型的一个可选实施例，空气旋流孔6为多个，多个空气旋流孔6均匀间隔排布在第一锥台1侧壁上，从而能够充分保证足够空气的进入，便于使旋流后的空气与气态燃料高效混合后稳定燃烧。

根据本实用新型的一个可选实施例，空气旋流孔6的中心线与第一锥台1中心轴线的夹角为66°，空气旋流孔6的中心线与第一锥台1径向的夹角为16°，从而便于使空气经过空气旋流孔后具有一定的径向速度与轴向速度，进而保证旋流后的空气与气态燃料高效混合。

根据本实用新型的一个可选实施例，气态燃料旋流孔8为两排，两排气态燃料旋流孔8沿第二锥台2轴向均匀布置，每排气态燃料旋流孔8均包括多个均匀间隔排布的气态燃料旋流孔8，且两排气态燃料旋流孔8中的多个气态燃料旋流孔8均匀交错布置，从而能够有效保证气态燃料的喷注速度，避免气态燃料的喷注速度过高或过低影响其燃烧效率。

根据本实用新型的一个可选实施例，气态燃料旋流孔8倾斜布置，且气态燃料旋流孔8的中心线与第二锥台2中心轴线的夹角为30°，从而能够有效保证气态燃料经过气态燃料旋流孔后的喷注速度，进而使其与空气高效混合，提高气态燃料的燃烧效率。

根据本实用新型的一个可选实施例，气态燃料旋流孔8的孔径为3mm，从而使得气态燃料旋流喷注器结构设计合理，燃烧效率高。

根据本实用新型的一个可选实施例，燃料管4的流通面积不小于多个气态燃料旋流孔8流通面积总和的4倍，从而有效实现对燃烧室内气态燃料的持续供应，提高气态燃料的燃烧效率。

本实用新型的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，通过利用气态燃料旋流喷注器中连接管与燃料管和第一锥台的连接结构，能够使气态燃料依次经由燃料管和连接管到达第二锥台处，并经由气态燃料旋流孔进入中心流道内，同时外部空气经由第一锥台上的空气旋流孔与经由中心流道排出的气态燃料在距离第一锥台底部一定距离处高效混合，并使得混合后在气体在气态燃料旋流喷注器下游的火焰筒内进行正常燃烧，从而实现了使用气态燃料为涡轮发动机提供动力的技术效果。该燃烧室不仅结构简单，设计合理，操作方便，而且充分实现了气态燃料与空气高效混合以保证燃烧室稳定燃烧的技术效果，有效满足了气态燃料的燃烧组织需求，具有良好的市场应用前景。

本实用新型的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室的工作方法，包括以下步骤：首先，将气态燃料以一定的旋流速度和轴向速度从喷注器中喷出至燃料管内，并经由燃料管输送至进料腔，使得进料腔内的气态燃料以一定的径向速度和轴向速度经由气态燃料旋流孔进入中心流道；其次，气态燃料经由中心流道流出后，在气态燃料旋流喷注器下游与经由空气旋流孔进入的旋流空气高效混合，实现气态燃料与空气的一次掺混；再次，一次掺混后的混合气体进入二级旋流器中，与进入二级旋流器内的空气实现二次掺混；最后，二次掺混后的混合气体在火焰筒中部进行正常燃烧。

通过采用上述方法，能够有效增强气态燃料与空气的混合速度，使其在距离气态燃料旋流喷注器更短的时间内实现燃烧，缩短燃烧室的长度，减轻燃烧室的重量，同时还便于操作人员有效控制好火焰分布位置，形成脱体火焰，避免结构热防护失效。

如图5所示，图中对应的流场状态为：氢气温度为室温，空气温度为经压缩后的温度，燃烧室内压力约600kPa。氢气和空气流量按照氢气燃烧的化学恰当比进行匹配。经过气态燃料旋流喷注器进入旋流杯内的氢气流在二级旋流器作用下沿旋流杯扩张至火焰筒上下壁面，形成如图所示的分布，以及化学恰当比对应的混合分数等值线(Z＝0.028)，而在该条件下氢气稳定燃烧形成的温度场如图6所示。

如图7所示，基于气态燃料旋流喷注器所提供的良好的掺混性能，燃烧室头部的温度场分布与氢气浓度分布特性相对应，如在化学恰当比混合分数等值线(Z＝0.028)附近形成相对高温区，在氢气浓度偏离化学恰当比的区域则温度较低。此外，旋流器及火焰筒近壁区均未出现局部高温，表明本实用新型中喷注器的喷注方案下氢气即使以化学恰当比与空气混合燃烧也不会超过原燃烧室热防护能力，满足燃烧室工作需求。

该燃烧室下游通过主燃孔横向空气射流补燃形成的强反应高温区分布稳定且对称，燃烧室具有良好的出口性能，其出口流量加权平均温度约为1895K。而在上述流量和温度条件下氢气完全反应的理论燃烧温度约为1921K，按温升法估计的燃烧效率为：

作为参照，传统航发燃烧室中采用温升法评估的燃烧效率普遍偏低，一般在95％ˉ97％左右，采用经验的出口组分的燃气分析法可达到99％，而采用本实用新型中一种宽广工作范围氢燃料燃烧室在温升法下获得的约97％的燃烧效率属于较高水平，优于原型煤油燃烧室。

在出口温度分布方面，径向温度分布系数(Radial Temperature DistributionFactor,RTDF)是表征燃烧室出口温度均匀性的一项重要指标，定义为沿径向的多条周线上的温度平均值Tr与燃气平均总温之差与出口温升的比值：

如图8所示，本实用新型中喷注器所在氢燃烧室RTDF最大值为0.2135，而以煤油为燃料的原型燃烧室为0.3130，即前者具有更好的出口均匀性，对于推进系统后端部件的热负荷、寿命等更为有利；以氢气为燃料时，通过本实用新型的宽广工作范围氢燃料燃烧室，可直接应用于已有的燃烧室中，并实现稳定而高效的燃烧组织，计算结果评估表明，在燃烧效率和温度出口均匀性指标上，均优于原燃烧室性能指标。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，其特征在于，包括气态燃料旋流喷注器(100)，所述气态燃料旋流喷注器(100)包括第一锥台(1)、第二锥台(2)、连接管(3)和燃料管(4)，所述第二锥台(2)设于所述第一锥台(1)内部，并与所述第一锥台(1)同轴布置，所述第二锥台(2)顶部为封闭结构，且其与所述第一锥台(1)之间形成有进料腔(5)，所述第一锥台(1)侧壁上形成有贯穿至所述第一锥台(1)底壁的空气旋流孔(6)，所述第二锥台(2)内部形成有中心流道(7)，所述第二锥台(2)侧壁上开设有贯通至所述中心流道(7)的气态燃料旋流孔(8)，所述连接管(3)为锥形结构，其一端与所述第一锥台(1)顶部连接，另一端与所述燃料管(4)连通。

2.根据权利要求1所述的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，其特征在于，所述空气旋流孔(6)为多个，多个所述空气旋流孔(6)均匀间隔排布在所述第一锥台(1)侧壁上。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，其特征在于，所述空气旋流孔(6)的中心线与所述第一锥台(1)中心轴线的夹角为64°-68°，所述空气旋流孔(6)的中心线与所述第一锥台(1)径向的夹角为14°-18°。

4.根据权利要求1所述的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，其特征在于，所述气态燃料旋流孔(8)为两排以上，两排以上所述气态燃料旋流孔(8)沿所述第二锥台(2)轴向均匀布置，每排所述气态燃料旋流孔(8)均包括多个均匀间隔排布的所述气态燃料旋流孔(8)，且两排以上所述气态燃料旋流孔(8)中的多个所述气态燃料旋流孔(8)均匀交错布置。

5.根据权利要求1或4所述的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，其特征在于，所述气态燃料旋流孔(8)倾斜布置，且所述气态燃料旋流孔(8)的中心线与所述第二锥台(2)中心轴线的夹角为25°-35°。

6.根据权利要求5所述的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，其特征在于，所述气态燃料旋流孔(8)的孔径为1-4mm。

7.根据权利要求4所述的一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，其特征在于，所述燃料管(4)的流通面积不小于多个所述气态燃料旋流孔(8)流通面积总和的4倍。

8.一种宽广工作范围氢燃料燃烧室，其特征在于，还包括二级旋流器(200)和火焰筒(300)，所述二级旋流器(200)连接在所述第一锥台(1)底部，并与所述空气旋流孔(6)贯通设置，且所述二级旋流器(200)、所述第一锥台(1)、所述第二锥台(2)、所述连接管(3)和所述燃料管(4)均设于所述火焰筒(300)内部。

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