[發明專利]一種燃油預膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結構

無效

• 申請號: 201310628792.2
• 申請日: 2013-12-01
• 公開（公告）號: CN103672968A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 王柏森;張弛;林宇震
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F23R3/36
• 分類號: F23R3/36;F23R3/38
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;李新華

技術領域

本發明涉及航空發動機燃燒室的技術領域，具體涉及一種在航空燃油燃燒中加氫輔助燃燒的結構，通過加氫燃燒增強航空燃油的貧燃穩定性，可以在極貧狀態下高效、穩定燃燒，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動機燃燒室對燃料靈活性的要求。

背景技術

國際航空領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境，有時稱這種燃料為低溫燃料（Cryogenic?fuels）。2000年的歐盟第五框架CRYOPLANE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，并且有非常寬的穩定工作范圍，提高航空發動機的操作性和耐久性，但需要設計專門的燃燒系統、供油系統和儲存系統。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、發動機和飛機結構改動大、所需基礎建設大等諸多缺陷，短期內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的發展，煤油重整制氫和低溫超導余氫成為可能，可以與傳統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。

本發明就是一種配合燃油預膜霧化噴嘴的加氫輔助燃燒的新結構。根據國內外基礎研究結果可知：單純使用航空燃油時，燃燒區當量比在0.6～0.8范圍內產生的NOx與CO（UHC和CO的排放規律類似）都很少，燃燒區當量比低于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（氫氣與航空燃油質量比小于0.1），就可在航空燃油燃燒當量比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燃燒相比相當于減少NOx排放50%以上，其基本原理是氫氣燃燒所產生的大量羥基（OH）對CO氧化和火焰傳播具有極大的促進作用。由此可見，本發明對于未來的航空發動機低排放燃燒室有良好的應用前景。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術不足，提供了一種燃油預膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結構，在與多級旋流器共同作用下保證極貧燃燒的效率和穩定性，拓寬貧燃極限，降低燃燒區溫度和燃燒脈動，減少各工況下的氮氧化物NOx污染排放。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種燃油預膜空氣霧化噴嘴加氫輔助燃燒結構，由氫氣噴嘴、燃油預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膜霧化噴嘴小孔之前，燃油通過預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；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。

進一步的，氫氣噴嘴與燃油預膜霧化噴嘴為一體，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，經第二級旋流器進入火焰筒回流區。

進一步的，第一級旋流器氣量分配為2%-10%，旋流數0.6-1.5，第二級旋流器氣量分配為3%-15%，旋流數0.6-1.5。

進一步的，氫氣噴嘴環腔為高0.5-2mm的環腔，噴嘴小孔角度10—45°，使氫氣平穩流入第二級旋流器。

進一步的，氫氣噴嘴小孔與預膜霧化噴嘴小孔之間距離為1-5mm，盡量靠近第二級旋流器，這樣不會導致氫氣在第一級旋流器產生的旋流空氣作用下形成回流。

本發明的原理如下：利用氫氣燃燒所產生的大量羥基（OH）對CO氧化和火焰傳播的促進作用，提高火焰傳播速度、加快反應速度、提高火焰穩定性。由于氫氣的加入，使極貧燃燒成為可能，不會導致CO和UHC的增多，保證燃燒效率，降低燃燒溫度，控制熱力NO_x的產生，從而達到在不增加CO和UHC的前提下減少NO_x的目的。

本發明與現有技術相比的優點在于：

（1）本發明結構簡單，只需要對燃油預膜霧化噴嘴加以改造，對發動機和飛行器硬件改造要求低；