CN115355531B - 一种半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，属于航空发动机结构设计技术领域，该氢燃料燃烧室头部结构包括：导流盘，所述导流盘一侧为进气端面、另一侧为出气端面，在所述导流盘的排气端面上设有至少一个环形的掺混槽；所述掺混槽的径向两侧形成氢气导流板；在所述氢气导流板上自进气端面向排气端面设有沿着轴线延伸的非贯穿的注氢通道，在所述注氢通道靠近排气端面的末端设有多个周向分布且径向延伸的氢气射流孔，所述氢气射流孔连通所述掺混槽和注氢通道；在所述导流盘上匹配于所述氢气射流孔的位置设有半跑道型的空气射流孔，所述空气射流孔贯穿所述导流盘的两侧而连通进气端面与掺混槽。
Description
技术领域
本申请属于燃气轮机设计技术领域，特别涉及一种半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构。
背景技术
传统的采用航空煤油的航空发动机燃烧室，因航空煤油分子中含碳量大，燃烧室碳排放量相对较多，无法实现“脱碳”排放。虽然可采用低NOx排放燃烧组织方式，但因航空煤油燃烧速率慢，无法在较短的轴向距离内实现高效率燃烧，因此燃烧室所需冷却气量多，主燃区很难通过贫油设计降低NOx。同时，由于燃烧室轴向尺寸长，延长了燃气驻留时间，迫使NOx的排放量增加，燃烧室重量大。
氢燃料因组份构成优势，当氢气燃烧时，产物为水或水蒸气，可以彻底实现零碳排放。与航空煤油相比，氢气的稳定燃烧范围更宽，可在与空气混合不充分的条件下燃烧，大幅度拓宽了发动机的稳定工作边界。同时，氢气的燃油热值约是航空煤油的3倍，在消耗同等空气量时，所需氢气显著减少。
因此，采用氢燃料取代航空煤油具有广泛前景。为此，需要一种决定燃烧组织方式、燃烧效率和污染物排放的、可以实现氢燃料燃烧的新型构型的燃烧室头部结构。
发明内容
本申请的目的是提供了一种半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，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：一种半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，包括：
导流盘，所述导流盘一侧为进气端面、另一侧为出气端面，在所述导流盘的排气端面上设有至少一个环形的掺混槽；
所述掺混槽的径向两侧形成氢气导流板；
在所述氢气导流板上自进气端面向排气端面设有沿着轴线延伸的非贯穿的注氢通道，在所述注氢通道靠近排气端面的末端设有多个周向分布且径向延伸的氢气射流孔，所述氢气射流孔连通所述掺混槽和注氢通道；
在所述导流盘上匹配于所述氢气射流孔的位置设有空气射流孔，所述空气射流孔贯穿所述导流盘的两侧而连通进气端面与掺混槽，其中，所述空气射流孔呈半跑道型，所述半跑道型为两个半圆及矩形构成的跑道型以垂直两半圆圆心连线的中心线对称分割后形成。
进一步的，所述掺混槽为两个或以上。
进一步的，所述氢气导流支板的数量为个，N为掺混槽的数量。
进一步的，所述掺混槽的侧壁面上设置的氢气射流孔的数量相同。
进一步的，所述空气射流孔的直径大于所述氢气射流孔的直径，从而使所述氢气射流孔能够覆盖所述氢气射流孔，。
进一步的，所述氢气射流孔指向圆心的半径线与空气射流孔指向圆心的半径线共线。
进一步的，所述空气射流孔的直径边缘与所述掺混槽的壁面轮廓共线。
进一步的，所述氢燃料燃烧室头部结构通过增材制造方式加工为一体结构。
本申请提出的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构通过形成多射流布局的非预混贫油燃烧组织方式，使空气与氢气混合好、火焰尺度小、火焰温度低，NOx排放量得到显著降低。同时由于燃烧物为氢气，二氧化碳排放为零，极大的低污染燃烧。此外，由于氢气燃烧速率快，可在短范围内高效率燃烧，火焰停留时间短，具有该燃烧室头部结构的燃烧室在轴向上的尺寸可大幅度缩短，从而可降低燃烧室重量、降低发动机的飞行耗油量，基于氢气宽适燃特点，可拓宽燃烧室贫油熄火边界，实现发动机更宽广的工作范围。
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为本申请的氢燃料燃烧室头部剖面示意图。
图2为基于图1中的P向视角示意图。
附图标记：
10-导流盘
11-进气端面
12-排气端面
13-空气射流孔
14-注氢通道
15-氢气射流孔
16-掺混槽
17-中心通道
18-氢气倒流支板
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。
如图1和图2所示，本申请提供的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构的主体为环形的导流盘10，在导流盘10的中心沿着轴线方向具有一较大的中心通道17。
导流盘10的左端面为进气端面11，导流盘10的右端面为排气端面12。在导流盘10的排气端面12上设有至少一个环形的掺混槽16。在本申请图示的优选实施例中，该环形的掺混槽16为两个及以上，通过设置两个及以上的掺混槽16，除了可以在掺混槽16内形成旋流外，还可以使相邻两个掺混槽16之间形成二次旋流，提高掺混能力。
在导流盘10上的掺混槽16径向内外侧形成有N+1个氢气导流板18，N为掺混槽16的数量。例如图1所示实施例中，掺混槽16为两个，氢气导流板18则为三个。
沿着氢气导流板18(或导流盘10的轴线方向)，自导流盘10的进气端面11向排气端面12方向设有非穿惯的环形的注氢通道14。在注氢通道14的末端(靠近排气端面12的一侧)，自掺混槽16的两侧壁面沿着径向方向设置多个周向分布的氢气射流孔15，该氢气射流孔15连通掺混槽16和注氢通道14。
在本申请优选实施例中，掺混槽16的内壁面和外壁面上设置的氢气射流孔15的数量是相同的。如图2所示实施例中，两个掺混槽16共有四个壁面，虽然四个壁面的半径是不同的，但四个壁面上设置的氢气射流孔15的数量是相同的，均为20个。
在导流盘10上匹配于氢气射流孔15的位置设有多个半跑道型(跑道型由半圆及矩形构成，半跑道型为跑道型以垂直两半圆圆心连线的中心线对称分割后形成的部分)的空气射流孔13，空气射流孔13贯穿导流盘10的两侧而连通进气端面11与掺混槽16。其中，空气射流孔13的宽度远大于氢气射流孔15的直径，从而氢气射流孔15可以覆盖氢气射流孔15。氢气射流孔15指向圆心的半径线与空气射流孔13指向圆心的线共线，且空气射流孔13的分割边缘(该边缘通过圆心)与掺混槽16的壁面轮廓共线。
在本申请一些实施例中，该氢燃料燃烧室头部结构可通过增材制造方式加工为一体结构，以解决氢气射流孔15较多、氢气或空气流路复杂的问题。
使用时，主流空气Q1沿水平方向或轴线方向从导流盘10的进气端面11一侧流入空气射流孔13内，氢气Q2沿水平方向或轴线方向从导流盘10的进气端面11一侧流入注氢通道14，氢气通过周向分布的各个氢气射流孔15垂直射流到掺混槽16中，与空气射流孔13内流通的主流空气Q1进行充分混合，在掺混槽16内的每对空气射流孔15的出口处产生一对回流区(称为内回流区)，用于驻留微小火焰团，稳定火焰。同时在相邻两个掺混槽16之间的氢气导流板18的表面也会形成一对回流区，称为外回流区，可进一步稳定火焰。通过多点射流布局形式，使空气与氢气充分混合，燃烧效率高、火焰尺寸短，大幅度降低了NOx排放。另外，因氢气燃烧速率高，火焰筒长度更短，节省的冷却气可用于燃烧室头部贫油混合燃烧，进一步降低了NOx排放。
本申请提出的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构通过形成多射流布局的非预混贫油燃烧组织方式，使空气与氢气混合好、火焰尺度小、火焰温度低，NOx排放量得到显著降低。同时由于燃烧物为氢气，二氧化碳排放为零，极大的低污染燃烧。此外，由于氢气燃烧速率快，可在短范围内高效率燃烧，火焰停留时间短，具有该燃烧室头部结构的燃烧室在轴向上的尺寸可大幅度缩短，从而可降低燃烧室重量、降低发动机的飞行耗油量，基于氢气宽适燃特点，可拓宽燃烧室贫油熄火边界，实现发动机更宽广的工作范围。
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 (8)
1.一种半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，其特征在于，包括：
导流盘(10)，所述导流盘(10)一侧为进气端面(11)、另一侧为排气端面(12)，在所述导流盘(10)的排气端面(12)上设有至少一个环形的掺混槽(16)；
所述掺混槽(16)的径向两侧形成氢气导流板(18)；
在所述氢气导流板(18)上自进气端面(11)向排气端面(12)设有沿着轴线延伸的非贯穿的注氢通道(14)，在所述注氢通道(14)靠近排气端面(12)的末端设有多个周向分布且径向延伸的氢气射流孔(15)，所述氢气射流孔(15)连通所述掺混槽(16)和注氢通道(14)；
在所述导流盘(10)上匹配于所述氢气射流孔(15)的位置设有空气射流孔(13)，所述空气射流孔(13)贯穿所述导流盘(10)的两侧而连通进气端面(11)与掺混槽(16)，其中，所述空气射流孔(13)呈半跑道型，所述半跑道型为两个半圆及矩形构成的跑道型以垂直两半圆圆心连线的中心线对称分割后形成。
2.如权利要求1所述的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，其特征在于，所述掺混槽(16)为两个或以上。
3.如权利要求1所述的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，其特征在于，所述氢气导流板(18)的数量为(N+1)个，N为掺混槽(16)的数量。
4.如权利要求1所述的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，其特征在于，所述掺混槽(16)的侧壁面上设置的氢气射流孔(15)的数量相同。
5.如权利要求4所述的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，其特征在于，所述空气射流孔(13)的宽度大于所述氢气射流孔(15)的直径，从而使所述氢气射流孔(15)能够覆盖所述氢气射流孔(15)。
6.如权利要求5所述的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，其特征在于，所述氢气射流孔(15)指向圆心的半径线与空气射流孔(13)指向圆心的线共线。
7.如权利要求6所述的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，其特征在于，所述空气射流孔(13)的分割边缘与所述掺混槽(16)的壁面轮廓共线。
8.如权利要求1至7任一所述的半跑道型射流孔的氢燃料燃烧室头部结构，其特征在于，所述氢燃料燃烧室头部结构通过增材制造方式加工为一体结构。
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