一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要包括氫氣噴嘴、燃油預(yù)膜霧化噴嘴和多級旋流器。氫氣噴嘴與燃油預(yù)膜霧化噴嘴為一體，位于第一級旋流器和第二級旋流器之間。氫氣噴嘴小孔在燃油預(yù)膜霧化噴嘴小孔之前。燃油通過預(yù)膜霧化噴嘴小孔噴出達到初始霧化的效果，在第一級旋流器形成的空氣旋流和氫氣噴嘴噴出的氫氣的作用下，進入第二級旋流器形成的空氣旋流中，形成油霧，同時氫氣也進去回流區(qū)。本發(fā)明采用氫氣噴嘴、燃油預(yù)膜霧化噴嘴與多級旋流器相配合共同對燃油進行霧化，形成回流區(qū)的結(jié)構(gòu)，保證貧油燃燒的效率和穩(wěn)定性，拓寬貧燃極限，降低燃燒區(qū)溫度，進而降低NOx污染排放。
【專利說明】一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空發(fā)動機燃燒室的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種在航空燃油燃燒中加氫輔助燃燒的結(jié)構(gòu)，通過加氫燃燒增強航空燃油的貧燃穩(wěn)定性，可以在極貧狀態(tài)下高效、穩(wěn)定燃燒，達到不降低燃燒效率而降低氮氧化物等污染排放的目的，同時符合未來航空發(fā)動機燃燒室對燃料靈活性的要求。
【背景技術(shù)】
[0002]國際航空領(lǐng)域在不斷需求利用航空替代燃料的解決方案，液氫(LH2)由于其燃燒方面的優(yōu)越性和零碳排放性，曾被視為推進動力的最佳燃料。由于其儲存過程需要低溫環(huán)境，有時稱這種燃料為低溫燃料(Cryogenic fuels)。2000年的歐盟第五框架CRY0PLANE計劃，旨在尋求將液氫作為航空替代燃料的可行方法，可大大減少污染排放，并且有非常寬的穩(wěn)定工作范圍，提高航空發(fā)動機的操作性和耐久性，但需要設(shè)計專門的燃燒系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和儲存系統(tǒng)。美國在NASA零碳排放(ZCET)計劃中對液氫作為航空燃料進行了詳細(xì)研究，以減少航空二氧化碳的排放。但由于液氫存在體積熱值小、發(fā)動機和飛機結(jié)構(gòu)改動大、所需基礎(chǔ)建設(shè)大等諸多缺陷，短期內(nèi)根本無法作為單獨的航空燃料使用。不過，隨著先進飛行器技術(shù)的發(fā)展，煤油重整制氫和低溫超導(dǎo)余氫成為可能，可以與傳統(tǒng)航空燃油共同作為燃料使用。美國專利7162864B1采用過在燃油管路中加入氫氣同燃油一起噴入到燃燒室中以降低NOx污染排放的方式，但這種方式由于氫氣和燃油直接混合，需要對下游的燃油噴嘴進行改動，而且很難解決氫氣自燃的問題。
[0003]本發(fā)明就是一種配合燃油預(yù)膜霧化噴嘴的加氫輔助燃燒的新結(jié)構(gòu)。根據(jù)國內(nèi)外基礎(chǔ)研究結(jié)果可知:單純使用航空燃油時，燃燒區(qū)當(dāng)量比在0.6?0.8范圍內(nèi)產(chǎn)生的NOx與CO (UHC和CO的排放規(guī)律類似)都很少，燃燒區(qū)當(dāng)量比低于0.6的話，NOx會更低，但CO明顯增多，燃燒效率降低，更會導(dǎo)致振蕩燃燒或熄火；而只需加入少量氫氣(氫氣與航空燃油質(zhì)量比小于0.1)，就可在航空燃油燃燒當(dāng)量比0.4左右保持CO不增加，燃燒脈動振幅降低100倍以上，與正常的航空燃油可燃極限內(nèi)燃燒相比相當(dāng)于減少NOx排放50%以上，其基本原理是氫氣燃燒所產(chǎn)生的大量羥基(OH)對CO氧化和火焰?zhèn)鞑ゾ哂袠O大的促進作用。由此可見，本發(fā)明對于未來的航空發(fā)動機低排放燃燒室有良好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)，在與多級旋流器共同作用下保證極貧燃燒的效率和穩(wěn)定性，拓寬貧燃極限，降低燃燒區(qū)溫度和燃燒脈動，減少各工況下的氮氧化物NOx污染排放。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)，由氫氣噴嘴、燃油預(yù)膜霧化噴嘴和多級旋流器組成；燃燒用空氣由燃燒室頭部進入火焰筒；氫氣噴嘴與燃油預(yù)膜霧化噴嘴為一體，并與第一級旋流器過盈配合，與第二級旋流器螺紋連接，氫氣噴嘴小孔在燃油預(yù)膜霧化噴嘴小孔之前，燃油通過預(yù)膜霧化噴嘴小孔噴出達到初始霧化的效果，在第一級旋流器形成的空氣旋流和氫氣噴嘴噴出的氫氣的作用下，進入第二級旋流器形成的空氣旋流中，形成油霧，同時氫氣也進去回流區(qū)；第二級旋流器與第三級旋流器焊接，第三級旋流器、旋流器內(nèi)隔板與第四級旋流器為一體，第四級旋流器通過頭部整體端壁與火焰 筒帽罩固定。
[0006]進一步的，氫氣噴嘴與燃油預(yù)膜霧化噴嘴為一體，位于第一級旋流器和第二級旋流器之間，氫氣噴嘴小孔位于燃油預(yù)膜霧化噴嘴小孔之前，氫氣從小孔噴出后，在第一級旋流器形成的旋流空氣的作用下，經(jīng)第二級旋流器進入火焰筒回流區(qū)。
[0007]進一步的，第一級旋流器氣量分配為2%_10%，旋流數(shù)0.6-1.5，第二級旋流器氣量分配為3%_15%，旋流數(shù)0.6-1.5。
[0008]進一步的，氫氣噴嘴環(huán)腔為高0.5-2mm的環(huán)腔，噴嘴小孔角度10—45°，使氫氣平穩(wěn)流入第二級旋流器。
[0009]進一步的，氫氣噴嘴小孔與預(yù)膜霧化噴嘴小孔之間距離為l_5mm，盡量靠近第二級旋流器，這樣不會導(dǎo)致氫氣在第一級旋流器產(chǎn)生的旋流空氣作用下形成回流。
[0010]本發(fā)明的原理如下:利用氫氣燃燒所產(chǎn)生的大量羥基(OH)對CO氧化和火焰?zhèn)鞑サ拇龠M作用，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒓涌旆磻?yīng)速度、提高火焰穩(wěn)定性。由于氫氣的加入，使極貧燃燒成為可能，不會導(dǎo)致CO和UHC的增多，保證燃燒效率，降低燃燒溫度，控制熱力NOx的產(chǎn)生，從而達到在不增加CO和UHC的前提下減少NOx的目的。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0012](I)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，只需要對燃油預(yù)膜霧化噴嘴加以改造，對發(fā)動機和飛行器硬件改造要求低；
[0013](2)第一級旋流器和氫氣同時對燃油進行霧化，不僅有利于霧化效果，還有利于氫氣與油霧、空氣的混合；
[0014](3)航空燃油與氫氣分開噴注，防止兩種燃料在傳輸管路中的相互干擾而引發(fā)脈動，同時氫氣噴嘴小孔靠近第二級旋流器出口，壁面氫氣回流，造成回火和自燃。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視總圖；
[0016]圖2是本發(fā)明的氫氣噴嘴，燃油預(yù)膜霧化噴嘴和第一級、第二級旋流器組合剖視圖；
[0017]圖3是本發(fā)明的多級旋流器剖視圖。
[0018]其中:I是第一級旋流器，2是氫氣噴嘴，3燃油預(yù)膜霧化噴嘴，4是第二級旋流器，5是多級旋流器，6是第三級旋流器，7是第四級旋流器，8是旋流器內(nèi)隔板，9是火焰筒帽罩，10是頭部〗而壁。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0020]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視總圖，主要由氫氣噴嘴2、燃油預(yù)膜霧化噴嘴3和多級旋流器5組成；燃燒用空氣由燃燒室頭部進入火焰筒；氫氣噴嘴2與燃油預(yù)膜霧化噴嘴3為一體，并與第一級旋流器I過盈配合，與第二級旋流器4螺紋連接，氫氣噴嘴小孔在燃油預(yù)膜霧化噴嘴小孔之前，燃油通過預(yù)膜霧化噴嘴3小孔噴出達到初始霧化的效果，在第一級旋流器I形成的空氣旋流和氫氣噴嘴2噴出的氫氣的作用下，進入第二級旋流器形成的空氣旋流中，形成油霧，同時氫氣也進去回流區(qū)；第二級旋流器4與第三級旋流器6焊接，第三級旋流器6、旋流器內(nèi)隔板8與第四級旋流器7為一體，第四級旋流器7通過頭部整體端壁10與火焰筒帽罩9固定。
[0021]圖2是本發(fā)明的氫氣噴嘴，燃油預(yù)膜霧化噴嘴和第一級、第二級旋流器組合剖視圖，氫氣噴嘴2與燃油預(yù)膜霧化噴嘴3為一體，位于第一級旋流器I和第二級旋流器2之間，并與第一級旋流器I過盈配合，與第二級旋流器4螺紋連接；氫氣噴嘴小孔在燃油預(yù)膜霧化噴嘴小孔之前，氫氣噴嘴環(huán)腔為高0.5-2mm的環(huán)腔，噴嘴小孔角度10 — 45°，使氫氣平穩(wěn)流入第二級旋流器4，氫氣噴嘴2小孔與預(yù)膜霧化噴嘴3小孔之間距離為1-5_，盡量靠近第二級旋流器4，這樣不會導(dǎo)致氫氣在第一級旋流器I產(chǎn)生的旋流空氣作用下形成回流。
[0022]圖3是本發(fā)明的多級旋流器剖視圖，由旋流器內(nèi)隔板8，第一級旋流器1，第二級旋流器4，第三級旋流器6，第四級旋流器7組成。第二級旋流器4與第三級旋流器6焊接，旋流器內(nèi)隔板8、第三級旋流器6和第四級旋流器7為一體。第四級旋流器7通過頭部整體端壁10與火焰筒帽罩9焊接。每一級旋流器的軸向長度大致相等，均為10-50mm。第一級旋流器8葉片數(shù)為8-16個，葉片傾斜角為30-50°，第二級旋流器9葉片數(shù)為8_16個，葉片傾斜角為40-60°，第三級旋流器10葉片數(shù)為20-40個，葉片傾斜角為20-40°，第四級旋流器11葉片數(shù)為20-50個，葉片傾斜角為30-50°，葉片傾斜角為20-60°。
[0023]該結(jié)構(gòu)在降低貧油熄火邊界和NOx排放方面具有明顯效果，如下表所示:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)，其特征在于:由氫氣噴嘴(2)、燃油預(yù)膜霧化噴嘴(3)和多級旋流器(5)組成；燃燒用空氣由燃燒室頭部進入火焰筒；氫氣噴嘴(2)與燃油預(yù)膜霧化噴嘴(3)為一體，并與第一級旋流器(I)過盈配合，與第二級旋流器(4)螺紋連接，氫氣噴嘴小孔在燃油預(yù)膜霧化噴嘴小孔之前，燃油通過預(yù)膜霧化噴嘴(3)小孔噴出達到初始霧化的效果，在第一級旋流器(I)形成的空氣旋流和氫氣噴嘴(2)噴出的氫氣的作用下，進入第二級旋流器形成的空氣旋流中，形成油霧，同時氫氣也進去回流區(qū);第二級旋流器(4)與第三級旋流器(6)焊接，第三級旋流器(6)、旋流器內(nèi)隔板(8)與第四級旋流器(7)為一體，第四級旋流器(7)通過頭部整體端壁(10)與火焰筒帽罩(9)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)，其特征在于:氫氣噴嘴(2)與燃油預(yù)膜霧化噴嘴(3)為一體，位于第一級旋流器(I)和第二級旋流器(4)之間，氫氣噴嘴小孔位于燃油預(yù)膜霧化噴嘴小孔之前，氫氣從小孔噴出后，在第一級旋流器(I)形成的旋流空氣的作用下，經(jīng)第二級旋流器(4)進入火焰筒回流區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)，其特征在于:第一級旋流器(I)氣量分配為2%-10%，旋流數(shù)0.6-1.5，第二級旋流器(4)氣量分配為3%-15%，旋流數(shù) 0.6-1.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)，其特征在于:氫氣噴嘴(2)環(huán)腔為高0.5-2mm的環(huán)腔，噴嘴小孔角度10 — 45°，使氫氣平穩(wěn)流入第二級旋流器(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃油預(yù)膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結(jié)構(gòu)，其特征在于:氫氣噴嘴(2)小孔與預(yù)膜霧化噴嘴(3)小孔之間距離為1_5_，盡量靠近第二級旋流器(4)，這樣不會導(dǎo)致氫氣在第一級旋流器(I)產(chǎn)生的旋流空氣作用下形成回流。
【文檔編號】F23R3/38GK103672968SQ201310628792
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月1日
【發(fā)明者】王柏森, 張弛, 林宇震 申請人:北京航空航天大學(xué)