[发明专利]一种燃油预膜空气雾化喷嘴加氢辅助燃烧结构

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机燃烧室的技术领域，具体涉及一种在航空燃油燃烧中加氢辅助燃烧的结构，通过加氢燃烧增强航空燃油的贫燃稳定性，可以在极贫状态下高效、稳定燃烧，达到不降低燃烧效率而降低氮氧化物等污染排放的目的，同时符合未来航空发动机燃烧室对燃料灵活性的要求。

背景技术

国际航空领域在不断需求利用航空替代燃料的解决方案，液氢（LH2）由于其燃烧方面的优越性和零碳排放性，曾被视为推进动力的最佳燃料。由于其储存过程需要低温环境，有时称这种燃料为低温燃料（Cryogenic fuels）。2000年的欧盟第五框架CRYOPLANE计划，旨在寻求将液氢作为航空替代燃料的可行方法，可大大减少污染排放，并且有非常宽的稳定工作范围，提高航空发动机的操作性和耐久性，但需要设计专门的燃烧系统、供油系统和储存系统。美国在NASA零碳排放（ZCET）计划中对液氢作为航空燃料进行了详细研究，以减少航空二氧化碳的排放。但由于液氢存在体积热值小、发动机和飞机结构改动大、所需基础建设大等诸多缺陷，短期内根本无法作为单独的航空燃料使用。不过，随着先进飞行器技术的发展，煤油重整制氢和低温超导余氢成为可能，可以与传统航空燃油共同作为燃料使用。美国专利7162864B1采用过在燃油管路中加入氢气同燃油一起喷入到燃烧室中以降低NOx污染排放的方式，但这种方式由于氢气和燃油直接混合，需要对下游的燃油喷嘴进行改动，而且很难解决氢气自燃的问题。

本发明就是一种配合燃油预膜雾化喷嘴的加氢辅助燃烧的新结构。根据国内外基础研究结果可知：单纯使用航空燃油时，燃烧区当量比在0.6～0.8范围内产生的NOx与CO（UHC和CO的排放规律类似）都很少，燃烧区当量比低于0.6的话，NOx会更低，但CO明显增多，燃烧效率降低，更会导致振荡燃烧或熄火；而只需加入少量氢气（氢气与航空燃油质量比小于0.1），就可在航空燃油燃烧当量比0.4左右保持CO不增加，燃烧脉动振幅降低100倍以上，与正常的航空燃油可燃极限内燃烧相比相当于减少NOx排放50%以上，其基本原理是氢气燃烧所产生的大量羟基（OH）对CO氧化和火焰传播具有极大的促进作用。由此可见，本发明对于未来的航空发动机低排放燃烧室有良好的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供了一种燃油预膜空气雾化喷嘴加氢辅助燃烧结构，在与多级旋流器共同作用下保证极贫燃烧的效率和稳定性，拓宽贫燃极限，降低燃烧区温度和燃烧脉动，减少各工况下的氮氧化物NOx污染排放。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃油预膜空气雾化喷嘴加氢辅助燃烧结构，由氢气喷嘴、燃油预膜雾化喷嘴和多级旋流器组成；燃烧用空气由燃烧室头部进入火焰筒；氢气喷嘴与燃油预膜雾化喷嘴为一体，并与第一级旋流器过盈配合，与第二级旋流器螺纹连接，氢气喷嘴小孔在燃油预膜雾化喷嘴小孔之前，燃油通过预膜雾化喷嘴小孔喷出达到初始雾化的效果，在第一级旋流器形成的空气旋流和氢气喷嘴喷出的氢气的作用下，进入第二级旋流器形成的空气旋流中，形成油雾，同时氢气也进去回流区；第二级旋流器与第三级旋流器焊接，第三级旋流器、旋流器内隔板与第四级旋流器为一体，第四级旋流器通过头部整体端壁与火焰筒帽罩固定。

进一步的，氢气喷嘴与燃油预膜雾化喷嘴为一体，位于第一级旋流器和第二级旋流器之间，氢气喷嘴小孔位于燃油预膜雾化喷嘴小孔之前，氢气从小孔喷出后，在第一级旋流器形成的旋流空气的作用下，经第二级旋流器进入火焰筒回流区。

进一步的，第一级旋流器气量分配为2%-10%，旋流数0.6-1.5，第二级旋流器气量分配为3%-15%，旋流数0.6-1.5。

进一步的，氢气喷嘴环腔为高0.5-2mm的环腔，喷嘴小孔角度10—45°，使氢气平稳流入第二级旋流器。

进一步的，氢气喷嘴小孔与预膜雾化喷嘴小孔之间距离为1-5mm，尽量靠近第二级旋流器，这样不会导致氢气在第一级旋流器产生的旋流空气作用下形成回流。

本发明的原理如下：利用氢气燃烧所产生的大量羟基（OH）对CO氧化和火焰传播的促进作用，提高火焰传播速度、加快反应速度、提高火焰稳定性。由于氢气的加入，使极贫燃烧成为可能，不会导致CO和UHC的增多，保证燃烧效率，降低燃烧温度，控制热力NO_x的产生，从而达到在不增加CO和UHC的前提下减少NO_x的目的。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明结构简单，只需要对燃油预膜雾化喷嘴加以改造，对发动机和飞行器硬件改造要求低；