一种可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室的制作方法

1.本技术涉及氢燃料发动机技术领域，特别涉及一种可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室。

背景技术：

2.传统航空煤油由于分子中含碳量大，碳排放量相对较多，无法实现“脱碳”排放目的。虽然可以实施低nox排放的燃烧组织方式，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，因此燃烧室轴向尺寸长，火焰筒所需冷却气量多，主燃区实现贫油设计较难，同时由于燃烧室轴向尺寸长，也会带来燃气驻留时间长而nox排放量增加和燃烧室重量大的问题。为了保证低nox排放，燃烧组织方式通常常采用贫油设计，与氢燃料相比，航空煤油的燃烧范围窄，贫油熄火边界范围也相应的缩小。
3.而氢燃料燃烧室具有显著的零碳排放优势，对航空脱碳的潜力巨大，但氢气燃烧火焰温度高，导致空气中的氮气和氧气发生高温氧化反应，产生大量的污染物氮氧化物。例如，在相同的油气比状态下，对使用氢燃料燃烧室主燃区的燃烧温度比航空煤油燃烧室更高，如果保持氢燃烧室主燃区油气比与常规燃烧室一致，将无法降低主燃区燃烧温度。
4.因此，如何控制主燃区温度对降低氮氧化物排放具有重要意义。
5.另外，目前常用的氢燃料低污染技术为预混氢燃烧技术，虽然其具有最低的氮氧化物排放潜力，但存在火焰稳定性差、回火和自然问题，这将影响发动机结构强度和可靠性。

技术实现要素：

6.本技术的目的是提供了一种可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
7.本技术的技术方案是：一种可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括：
8.头部帽罩，包括水平段和扩压段；
9.与所述头部帽罩的扩压段固定连接且设置在所述头部帽罩进气后侧的火焰筒，所述火焰筒的侧壁上沿着轴向依次设置有多个周向均布的主燃孔和掺混孔；
10.设置于所述火焰筒内且位于所述主燃孔前端的空气射流板，所述空气射流板具有多个沿轴向贯穿的空气射流孔；
11.设置在所述空气射流板轴向后侧的氢气射流板，所述氢气射流板具有周向均布的多个氢气射流孔，自氢气射流孔射出的氢燃料能够与流通所述空气射流孔的气流充分混合燃烧；
12.其中，所述水平段包括第一环形结构及第二环形结构，第一环形结构与扩压段固定连接，第二环形结构套在第一环形结构外侧，且第二环形结构与第一环形结构在轴向上能够产生相对运动，通过控制水平段，能够使调节所头部帽罩与燃烧室机匣之间的通道面
积。
13.进一步的，所述火焰筒的尾部具有适配于燃烧室机匣的伸缩型结构。
14.进一步的，所述主燃孔和掺混孔的开孔直径相同或不相同。
15.进一步的，周向设置的多个所述主燃孔和掺混孔在数量上相同或不相同。
16.进一步的，所述头部帽罩的扩压段、第一环形结构与火焰筒通过焊接的方式形成整体结构。
17.进一步的，所述氢气射流板上的氢气射流孔的轴线与空气射流板上的空气射流孔的轴线垂直。
18.进一步的，所述空气射流板和氢气射流板通过焊接或增材制造方式组合为一整体结构。
19.进一步的，所述水平段的第二环形结构通过控制器进行控制。
20.本技术提供的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室应用微尺度非预混燃烧组织方式，可实现零碳、低氮氧化物排放。，该燃烧室可智能调整主燃区的当量比和火焰温度，进一步降低nox排放的同时，可显著提升火焰稳定性，拓宽发动机稳定工作范围。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，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技术的一些实施例。
22.图1为本技术的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室结构示意图。
具体实施方式
23.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
24.本技术提供了一种可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，在微尺度非预混燃烧组织方式基础上，可以智能的调节主燃区当量比和火焰温度，在发动机大状态(即转速较高的状态)工作时进一步降低nox排放量，在发动机小状态时进一步提升燃烧效率和拓宽贫油熄火极限，进而提升发动机稳定工作边界。
25.如图1所示，本技术提供的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室主要包括：可变结构的头部帽罩1、火焰筒2、空气射流板3、氢气射流板4以及扩压器5、燃烧室机匣6。
26.扩压器5为扩压型的环形通道，其设置在燃烧室的前端。
27.燃烧室机匣6设置在扩压器5的轴向后端，其与扩压器5通过焊接形成整体结构。
28.头部帽罩1设置在扩压器5与燃烧室机匣6形成的通道前端，其包括一成平直型的水平段11及成锥筒型的扩张段。水平段11在控制器7的控制下，能够在轴向上产生相对位移，从而调节头部帽罩1与机匣燃烧室6之间的距离。优选的，水平段11的轴向与扩压器5和燃烧室机匣6的轴向共线。
29.火焰筒2为圆柱形筒结构，其设置在头部帽罩1的后端，火焰筒2与头部帽罩1可以通过焊接的方式形成一个整体结构。其中，火焰筒2上设有主燃孔21及掺混孔22，主燃孔21和掺混孔22在轴向上沿气流流向依次布置。其中，主燃孔21和掺混孔22在周向上设有多个，两者的开孔直径可以相同，也可以不同。在本技术图示实施例中，主燃孔21和掺混孔22的开
孔直径大致相同。此外，周向上设置的多个主燃孔21和掺混孔22在数量上可以相同，也可以不同。本技术图示实施例中，主燃孔21和掺混孔22的周向分布数量相同。主燃孔21和掺混孔22在周向上通常是均匀分布。在本技术一实施例中，火焰筒2的尾部成收缩型结构，其与燃烧室机匣6尾部的收缩型结构相适配。
30.空气射流板3设置在头部帽罩1与火焰筒2构成的整体结构内，且设置在主燃孔21的前端。空气射流板3为薄板型结构，其上设置有多个沿轴向贯穿的空气射流孔31。在本技术中，空气射流孔31按照一定的规则排布。例如在本技术一些实施例中，空气射流孔31在径向上具有两圈，且在每圈上间隔排布。
31.氢气射流板4呈环形，其设置在空气射流板3的轴向后侧，氢气射流板4具有周向均布的多个微小孔径的氢气射流孔42，其中，氢气射流孔42的轴线与空气射流孔32的轴线垂直，从而形成垂直交叉排布形式。在本技术一实施例中，氢燃料可通过穿过空气射流板3的氢燃料输送管或通过在空气射流板3上开设氢燃料通道等方式，使氢燃料能够流入到氢气射流板4与火焰筒2、空气射流板3构成的氢气集气腔41内，之后，氢燃料可通过径向设置的氢气射流孔42与空气射流孔32流通的空气进行混合燃烧。
32.在本技术一些实施例中，空气射流板3和氢气射流板4可通过焊接或增材制造方式组合为一整体结构。
33.通过控制头部帽罩1的水平段11沿着轴向左右运动，可以使头部帽罩1与燃烧室机匣6之间的外腔通道的面积发生改变。
34.在本技术中，头部帽罩1的水平段11可通过控制器7进行控制。
35.在实现头部帽罩1控制其与燃烧室机匣6之间的外腔通道面积的一个实施例中，水平段11由两个环形结构构成，第一环形结构与扩压段固定，第二环形结构套在第一环形结构之外，且第二环形结构连接有作动筒，作动筒可设置在扩压段上或扩压器5上。通过控制器7连接作动筒而控制作动筒的收缩，从而实现水平段11在轴向上的运动，实现改变其与燃烧室机匣6之间的外腔通道开孔面积。
36.在使用时，气流流进扩压器5内，在燃烧室头部，气流一部分气流q1流经头部帽罩1，进入空气射流孔31与氢气射流孔42横向射流的氢气充分混合燃烧，形成多个微小的火焰团，未经过头部帽罩1的气流q2绕到头部帽罩1的腔外，沿着火焰筒2侧壁随着向下游流动，用于火焰筒2的壁面冷却，再穿过火焰筒2的主燃孔21进入主燃区参与燃烧，穿过掺混孔22的掺混区调节火焰筒2的出口温度场。
37.在发动机大状态工作时，水平段11在控制器7的控制下，沿着轴向向左运动，使头部帽罩1与燃烧室机匣6之间的通道面积减小，进而增加头部空气量、减小主燃区当量比，从而实现贫油燃烧、降低火焰温度，从而进一步降低nox排放；
38.在发动机小状态工作时，水平段11在控制器7的控制下，沿着轴向向右运动，使头部帽罩1与燃烧室机匣6之间的通道面积增大，进而减小进入头部和主燃区的空气量、增大主燃区当量比，为降低一氧化碳和未燃碳氢的排放提供足够的火焰温度，从而实现高效燃烧、提升火焰稳定性，提升发动机稳定工作边界。
39.本技术提供的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室应用微尺度非预混燃烧组织方式，可实现零碳、低氮氧化物排放。该燃烧室可智能调整主燃区的当量比和火焰温度，进一步降低nox排放的同时，可显著提升火焰稳定性，拓宽发动机稳定工作范围。
40.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括：头部帽罩(1)，包括水平段(11)和扩压段(12)；与所述头部帽罩(1)的扩压段(12)固定连接且设置在所述头部帽罩(1)进气后侧的火焰筒(2)，所述火焰筒(2)的侧壁上沿着轴向依次设置有多个周向均布的主燃孔(21)和掺混孔(22)；设置于所述火焰筒(2)内且位于所述主燃孔(21)前端的空气射流板(3)，所述空气射流板(3)具有多个沿轴向贯穿的空气射流孔(31)；设置在所述空气射流板(3)轴向后侧的氢气射流板(4)，所述氢气射流板(4)具有周向均布的多个氢气射流孔(42)，自氢气射流孔(42)射出的氢燃料能够与流通所述空气射流孔(31)的气流充分混合燃烧；其中，所述水平段(11)包括第一环形结构及第二环形结构，第一环形结构与扩压段(12)固定连接，第二环形结构套在第一环形结构外侧，且第二环形结构与第一环形结构在轴向上能够产生相对运动，通过控制水平段(11)，能够使调节所头部帽罩(1)与燃烧室机匣(6)之间的通道面积。2.如权利要求1所述的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述火焰筒(2)的尾部具有适配于燃烧室机匣(6)的伸缩型结构。3.如权利要求1所述的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述主燃孔(21)和掺混孔(22)的开孔直径相同或不相同。4.如权利要求1或3所述的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，周向设置的多个所述主燃孔(21)和掺混孔(22)在数量上相同或不相同。5.如权利要求1所述的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述头部帽罩(1)的扩压段、第一环形结构与火焰筒(2)通过焊接的方式形成整体结构。6.如权利要求1所述的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述氢气射流板(4)上的氢气射流孔(42)的轴线与空气射流板(3)上的空气射流孔(32)的轴线垂直。7.如权利要求6所述的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述空气射流板(3)和氢气射流板(4)通过焊接或增材制造方式组合为一整体结构。8.如权利要求1所述的可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，其特征在于，所述水平段(11)的第二环形结构通过控制器(7)进行控制。

技术总结

本申请提供了一种可变头部帽罩的氢燃料非预混燃烧室，包括：头部帽罩，包括水平段和扩压段；与扩压段固定连接且设置在其进气后侧的火焰筒，火焰筒侧壁上沿着轴向依次设置有多个周向均布的主燃孔和掺混孔；位于主燃孔前端的空气射流板，其具有多个沿轴向贯穿的空气射流孔；设置在空气射流板轴向后侧的氢气射流板，其具有周向均布的多个氢气射流孔，自氢气射流孔射出的氢燃料能够与流通空气射流孔的气流充分混合燃烧；其中，水平段包括第一环形结构及第二环形结构，第二环形结构套在第一环形结构外侧，且第二环形结构与第一环形结构在轴向上能够产生相对运动，通过控制水平段，能够使调节所头部帽罩与燃烧室机匣之间的通道面积。调节所头部帽罩与燃烧室机匣之间的通道面积。调节所头部帽罩与燃烧室机匣之间的通道面积。