CN115539986B - 一种氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构 - Google Patents

一种氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构,包括:环形的头部本体,所述头部本体面向气流来流的端面至少具有一圈的六角形孔,每圈的六角形孔包含多个,在所述头部本体非气流来流端面具有一环形槽,在所述头部本体中六角形孔与环形槽之间具有匹配于六角形孔的矩形孔;设置在所述六角形孔内的钝体,所述钝体具有轴向向后的值班射流通道及周向设置且连通值班射流通道的射流通道,所述射流通道通过与头部本体内的环形通道构成值班总管,用于向值班射流通道供给燃料;其中,在所述矩形孔的径向侧壁具有射向矩形孔的主燃射流孔,所述头部本体匹配于主燃射流孔的位置设有主燃通道,通过所述主燃通道构成主燃总管用于向主燃射流孔供给燃料。

Description

一种氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构
技术领域
本申请属于航空发动机技术领域,特别涉及一种氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构。
背景技术
氢气作为一种新型绿色能源,其与氧气的反应副产物为水或水蒸气,氢燃料热值约是航空煤油热值的2.78倍,与传统碳氢航空煤油燃料相比,氢燃料在燃烧过程中反应速率和火焰传播速度均较高,燃烧速度更快,可缩短燃烧室的轴向长度,进而可提高发动机的推重比。
然而,因氢燃料燃烧速度过快,采用传统航空煤油喷入的方式极易引起燃烧过程中氢燃料的“闪回”,进而导致燃料出现自燃甚至***现象。同时,在现有的燃烧器中直接使用氢燃料,会在大火焰扩散面形成化学计量条件并出现局部高温点,而这些高温点附近会生成大量且明显高于传统碳氢燃料的NOx气体,提高了污染物排放量。
现有技术中主要是采用预混燃烧方式来降低氢燃料燃烧后的NOx,该方法可以避免燃烧火焰中出现热点,但需要额外设计专门的结构以避免氢气闪回现象。然而,在真实航空发动机燃烧室内高湍流、高旋流的复杂环境下,采用现有技术中的预燃结构很难保证其长期稳定安全工作,且采用预混燃烧需要配有混合器,这将大幅增加燃烧室的长度,显著降低航空发动机的推重比。
因此,亟需一种适用于地面燃机和航空发动机领域的氢燃料燃烧室头部结构。
发明内容
本申请的目的是提供了一种氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构,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:一种氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构,包括:
环形的头部本体,所述头部本体面向气流来流的端面至少具有一圈的六角形孔,每圈的六角形孔包含多个,在所述头部本体非气流来流端面具有一环形槽,在所述头部本体中六角形孔与环形槽之间具有匹配于六角形孔的矩形孔;
设置在所述六角形孔内的钝体,所述钝体具有轴向向后的值班射流通道及周向设置且连通值班射流通道的射流通道,所述射流通道通过与头部本体内的环形通道构成值班总管,用于向值班射流通道供给燃料;
其中,在所述矩形孔的径向侧壁具有射向矩形孔的主燃射流孔,所述头部本体匹配于主燃射流孔的位置设有主燃通道,通过所述主燃通道构成主燃总管用于向主燃射流孔供给燃料。
进一步的,所述六角形孔的圈数为2~3圈。
进一步的,所述六角形孔为正六边形,所述矩形孔的长和宽被配置为不小于所述六角形孔为正六边形的对边距离或对角距离,从而所述矩形孔能够覆盖所述六角形孔。
进一步的,所述环形槽的径向宽度大于一圈的矩形孔外侧壁面与内侧壁面之间的距离或两圈以上时外圈的矩形孔外侧壁面与内圈的矩形孔内侧壁面之间的距离。
进一步的,所述钝体成三角形结构,该三角形结构的两斜条边或斜面在径向上分开,两斜边或斜面的倾斜角度根据流场组织形式调整。
进一步的,径向上分开的两斜条边或斜面通过圆角过渡转接。
进一步的,所述主燃射流孔的轴线垂直于所述头部本体的轴线。
进一步的,所述主燃射流孔的孔径小于1mm。
进一步的,所述射流通道通过头部本体内径向设置的值班圆管连通于氢燃料总进口,实现氢燃料的供给。
进一步的,所述主燃通道通过头部本体内径向设置的主燃圆管连通于氢燃料总进口,实现氢燃料的供给。
本申请提供的氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构通过基于仿生学的蜂巢头部结构设计,在有限尺寸范围内,增强燃烧室头部结构强度的同时,提升燃烧反应的空间利用率,进而实现轻质、紧凑、高效的燃氢燃烧方案。
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为本申请的燃烧室头部结构总体示意图。
图2为本申请的燃烧室头部结构局部放大图。
图3为本申请的燃烧室头部结构中六角形孔与钝体正视图。
图4为基于图2中A-A向剖视图。
图5为基于图2中B-B向剖视图。
附图标记:
1-头部本体
2-六角形孔
3-钝体,31-射流通道,32-氢气射流孔
4-矩形孔
5-主燃通道
6-主燃射流孔
7-环形槽
8-主燃圆管
9-值班圆管
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至图5所示,本申请提供的氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构主要包括头部本体1。
头部本体1为圆环形结构。在该头部本体1的左侧面(即迎向气流的一面)至少设有一圈的六角形孔2,每圈的六角形孔2的数量为多个。在本申请图示实施例中,该六角形孔2为两圈——即内圈六角形孔和外圈六角形孔,内圈六角形孔和外圈六角形孔中六角形孔2的形状尺寸一致,因此,外圈六角形孔2的数量为较多的24个,内圈六角形孔2的数量为较少的20个。六角形孔2类似蜂巢内紧密排列的六角形蜂室,通过六角形排列的结构称为蜂窝结构,整个燃烧室头部结构形成一个如同蜂巢的构型。
在头部本体1上的六角形孔2气流流向后侧设有匹配于六角形孔2的矩形孔4,矩形孔4向后延伸一段距离且未延伸至右端面,每圈的矩形孔4的数量也匹配于每圈的六角形孔2数量,且矩形孔4的位置也匹配于六角形孔2的位置。例如在本申请图示实施例中,矩形孔4也为两圈,外圈的矩形孔4数量为24个,内圈的矩形孔4数量为20个,且矩形孔4的中心适配于六角形孔2的中心。
在本申请优选实施例中,六角形孔2为正六边形,而矩形孔4的宽度不小于六角形孔的宽度W,矩形孔4的长度不小于六角形孔相对两定点的距离L,从而使得矩形孔4可以完全覆盖或包裹六角形孔2。
在每个六角形孔2的内部设有钝体3,用以加强火焰稳定。钝体3与六角形孔2的宽度W相同,且设置在六角形孔2内,其与六角形孔2的径向两定点连线垂直。多个钝体3设置在六角形孔2内后,大致的可以形成一个圆形。
钝体3在迎着气流方向呈三角形结构,其两斜条边或斜面在径向上分开,两斜条边或斜面通过圆角过渡转接,且两斜边或斜面的倾斜角度根据流场组织形式可进行调整。
每个钝体3内设有1个沿着头部结构轴线(即图2中水平方向)延伸的值班射流孔32,值班射流孔32的孔径可根据燃烧室点、熄火边界进行调整。在钝体3及头部本体1内设有环形的射流通道31,射流通道31构成射流总管,每个钝体3内的氢气射流圆孔32通过射流通道31进行氢燃料供应。通过氢气射流圆孔32射流出的氢燃料燃烧形成燃烧室的值班级火焰,通过该值班级火焰,便于稳焰调控,可进一步拓宽燃烧室的稳定工作边界。
在每个矩形孔4的侧壁上设有相对设置的一对(即两个)主燃射流孔6,主燃射流孔6在径向上分布。同时,在头部本体1的内部设置圆形的主燃通道5,主燃通道5构成主燃总管。主燃通道5连通主燃射流孔6,通过向主燃通道5内通入氢燃料,氢燃料可以从周向分布的主燃射流孔6均匀的向矩形孔4***出燃料,从而完成主燃级火焰的燃烧。
在本申请优选实施例中,主燃射流孔6垂直于主燃气流方向,主燃射流孔6的孔径小于1mm以增强横向射流强度,进而有助于稳焰和充分燃烧。
如图4所示的主燃级流路布局示意图,主燃级流路中共有两圈的矩形孔4,对于每圈的矩形孔4,其径向上下两侧的侧壁设有一对主燃射流孔6,用于向矩形孔4内供给氢气,两侧壁上的主燃射流孔6通过环形的主燃通道5进行氢气供给。其中,在矩形孔4外侧的头部本体1内设置三个主燃通道5,通过两两设置的主燃通道5向其联通的主燃射流孔6进行氢气供给。三个主燃通道5相当于氢气总管,最终汇集于主燃圆管8,主燃圆管8穿过头部本体1后连接氢气总进口。
如图5所示的值班级流路布局示意图,值班级流路中共有两圈的六角形孔2,对于每圈的六角形孔2,其内设置有钝体3,钝体3内具有轴向向后的值班射流孔32,值班射流孔32通过环状的值班通道31进行氢气的供给,同时在头部本体1上匹配于值班通道31的位置设置环形通道,该环形通道与值班通道31一起构成值班级总管,两值班总管汇集于值班圆管9,值班圆管9穿过头部本体1后连接氢气总进口。
在头部本体1上矩形孔4的气流流向后侧具有环形槽7,环形槽7延伸至头部本体1的右端面,且环形槽7的宽度大于若干圈矩形孔6在径向上的距离。对于本申请图示实施例,环形槽7的宽度大于两圈的矩形孔6在径向上最里侧和最外侧的边缘距离,从而使环形槽7可以包含或覆盖两圈的矩形孔6。
在本申请中,该氢燃料蜂窝仿生燃烧室头部结构内部流路复杂,为实现上述结构的加工,可采用3D增材制造的方式进行加工。
在工作时,主流空气通过头部本体1的六角形孔2进气,在每个六角形孔2内的钝体3下游,在矩形孔4内与一对主燃射流孔6内的氢气充分混合,形成一对微小的回流区,进而形成一个微小的火焰团,形成主燃级火焰;同时,值班射流孔32内的氢气也会参与燃烧,但氢气流量少于主燃射流孔6,形成的火焰作为值班级,可显著拓宽燃烧室的点熄火边界。
本申请的燃烧室头部结构可使燃烧室内形成成百上千个微小火焰团,氢气燃烧速率高,所需火焰筒长度短,节省了大量的火焰筒冷却气。每个微小火焰团内的空气与氢气可实现贫油非预混燃烧,燃烧充分、效率高,火焰中的局部热点大幅度降低,从而显著降低NOx排放,低污染燃烧潜力。非预混燃烧组织方式也解决了氢气燃烧速度快而易回火的问题。
在本申请提供的氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构中,六角形孔2的个数较多,通常可以达到数十个甚至上百个,氢气流路布局复杂,为简化工艺,燃烧室头部结构可通过3D增材制造技术一体成型,从而实现头部结构内部的氢燃料射流布局,实现微尺度非预混燃烧。由于氢气燃烧速率快,微尺度非预混燃烧组织方式可在短范围内高效率燃烧,从而可缩短火焰筒长度、降低燃烧室重量,拓宽燃烧室贫油熄火边界,提高发动机推重比。
本申请提供的氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构通过基于仿生学的蜂巢头部结构设计,在有限尺寸范围内,增强燃烧室头部结构强度的同时,提升燃烧反应的空间利用率,进而实现轻质、紧凑、高效的燃氢燃烧方案。
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 (5)

1.一种氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构,其特征在于,包括:
环形的头部本体(1),所述头部本体(1)面向气流来流的端面至少具有一圈的六角形孔(2),每圈的六角形孔(2)包含多个,在所述头部本体(1)非气流来流端面具有一环形槽(7),在所述头部本体(1)中六角形孔(2)与环形槽(7)之间具有匹配于六角形孔(2)的矩形孔(4),所述六角形孔(2)为正六边形,所述矩形孔(4)的长和宽被配置为不小于正六边形的六角形孔(2)对边距离或对角距离,从而所述矩形孔(4)能够覆盖所述六角形孔(2),所述环形槽(7)的径向宽度大于一圈时的矩形孔(4)外侧壁面与内侧壁面之间的距离或两圈以上时外圈的矩形孔(4)外侧壁面与内圈的矩形孔内侧壁面之间的距离;
设置在所述六角形孔(2)内的钝体(3),所述钝体(3)成三角形结构,该三角形结构的两条斜边或斜面在径向上分开且通过圆角过渡转接,两斜边或斜面的倾斜角度根据流场组织形式调整,所述钝体(3)具有轴向向后的值班射流通道(32)及周向设置且连通值班射流通道(32)的射流通道(31),所述射流通道(31)通过与头部本体(1)内的环形通道构成值班总管,用于向值班射流通道(32)供给燃料;
其中,在所述矩形孔(4)的径向侧壁具有射向矩形孔(4)的主燃射流孔(6),所述主燃射流孔(6)的轴线垂直于所述头部本体(1)的轴线,所述头部本体(1)匹配于主燃射流孔(6)的位置设有主燃通道(5),通过所述主燃通道(5)构成主燃总管用于向主燃射流孔(6)供给燃料。
2.如权利要求1所述的氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构,其特征在于,所述六角形孔(2)的圈数为2~3圈。
3.如权利要求1所述的氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构,其特征在于,所述主燃射流孔(6)的孔径小于1mm。
4.如权利要求1所述的氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构,其特征在于,所述射流通道(31)通过头部本体(1)内径向设置的值班圆管(9)连通于氢燃料总进口,实现氢燃料的供给。
5.如权利要求1所述的氢燃料蜂巢仿生燃烧室头部结构,其特征在于,所述主燃通道(5)通过头部本体(1)内径向设置的主燃圆管(8)连通于氢燃料总进口,实现氢燃料的供给。
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