【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空发动机的，尤其涉及一种应用于nh3和h2燃料的中心分级燃烧室头部结构。
技术介绍
1、随着全球航空运输业迅猛发展，航空发动机污染排放物总量持续增多，污染物排放问题是制约航空发动机发展的重要问题，开发利用清洁可替代能源是为解决航空发动机污染物排放问题提供一剂新的良方，其中氨(nh3)作为一种高能量密度、生产工艺成熟、易液化、易储运、燃烧产物零碳排放的清洁能源，应用于能源与动力系统具有显著优势和巨大潜力，然而将nh3应用为燃料仍存在不足：nh3和空气的可燃极限窄，着火温度高，火焰传播速度低，火焰温度和辐射传热均低于碳氢燃料火焰、氮氧化物(nox)排放等问题限制了nh3燃料的清洁高效应用，为解决纯nh3在常温常压下难着火和燃烧稳定性差的问题，改进nh3燃烧技术有：与常规燃料进行掺混燃烧、预热燃料、预热空气、富氧燃烧、湍流增强、辅助燃烧等，h2作为一种热值高、火焰传播速度快、可燃极限宽、绝热火焰温度高的清洁能源，与nh3联合使用可以改善nh3的燃烧特性，但是h2本身难以液化(常压下，20.28k液化)，储运成本高，从氢燃料航空器的发展路线来看，短期的氢燃料电池发动机方案受电池能量密度的限制，很难在大飞机上应用，而氢涡轮发动机技术目前仍不成熟，氢内燃机方案近期也只在一些小型通航飞机上进行了试飞验证。
2、对于采用新型替代燃料的航空发动机，燃烧室头部结构与燃料理化特性相互之间要达到良好的配合，才能够实现燃料与空气的良好混合，而空气与燃料的混合不仅对燃烧区温度分布均匀性、燃烧效率产生影响，还对燃烧室的出口温度分布
3、1、由于nh3火焰传播低、所需点火能高，在nh3与空气进行混合时，湍流强度低与混合距离短容易导致nh3着火困难；
4、2、由于nh3在贫燃状态下nox排放高，需要对nh3燃烧区的当量比进行重新设计以达到低nox排放的标准；
5、3、由于h2火焰传播速度高，容易引发回火的风险，传统中心分级燃烧室预燃级采用多级旋流器的文氏管预液膜空气雾化喷嘴不利于h2稳定燃烧，会增加回火的风险损坏预燃级结构。
6、综上所述，nh3和h2作为新型清洁能源，在传统中心分级燃烧室上直接应用，可能会造成燃料空气混合差、壁面烧蚀、燃烧效率低的问题，进一步会影响燃烧室出口温度分布特征、nox排放浓度等，因此需要对传统中心分级燃烧室头部结构做出创新，以配合新型燃料的使用。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决上述技术问题提供一种应用于nh3h2燃料的中心分级燃烧室头部结构。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种应用于nh3和h2燃料的中心分级燃烧室头部结构，包括预燃级结构和位于预燃级结构外围的主燃级结构，主燃级结构用于nh3和空气混合，包括主燃级燃料仓和处于主燃级燃料仓外围的主燃级空气通道，且主燃级空气通道沿进气端到排气端的方向其直径依次递减后递增，主燃级燃料仓的周侧且位于正对主燃级空气通道直径递减的区域均匀的开设有多个主燃级燃料射流孔，主燃级空气通道采用收缩再扩张的空气通道结构，在有效防止回火发生的同时还有利于nh3和空气的掺混；预燃级结构用于h2和空气混合，包括预燃级空气通道和置于预燃级空气通道内的预燃级燃料注入件，预燃级燃料注入件沿预燃级空气通道的长度方向开设有多个两端贯通的预燃级气膜孔，以及靠近预燃级空气通道空气入口一端贯通且呈圆环状的预燃级燃料仓，预燃级燃料仓的贯通端作为预燃级燃料入口，预燃级燃料注入件包括圆柱体，圆柱体靠近预燃级空气通道空气出口一端的直径递增以形成注入头，注入头的侧面基于圆柱体的侧面形成一钝面，钝面沿圆周方向均匀的开设有多个贯通预燃级燃料仓的预燃级燃料射流孔，实现h2在预燃级空气通道内实现周向均匀直喷，让h2在预燃级空气通道中产生回流区以增加湍流强度，利于h2和空气的混合，设置的预燃级气膜孔实现对预燃级结构的防回火，防止预燃级燃料注入件的壁面被烧蚀。
4、上述主燃级结构还包括旋流器和连接旋流器的筒体，主燃级燃料仓置于筒体的内部且固定在旋流器上，且旋流器具有贯通主燃级燃料仓的主燃级燃料入口，主燃级空气通道由主燃级燃料仓与筒体之间的间隙形成。
5、上述旋流器还具有多个贯通主燃级空气通道的主燃级空气入口，且主燃级空气入口与主燃级空气通道之间的通道为螺旋状。
6、上述预燃级结构包括开设在主燃级燃料仓和旋流器中心处且两端贯通的中心孔，且预燃级燃料注入件布置在中心孔内，预燃级空气通道由预燃级燃料注入件与中心孔之间的间隙形成，且预燃级空气通道靠近旋流器的一端为预燃级空气入口，另一端为预燃级空气出口。
7、上述预燃级燃料射流孔的喷射方向与预燃级燃料注入件中轴线所形成的夹角为60-90°，预燃级燃料射流孔的开孔直径为0.4-0.68mm，预燃级气膜孔的直径为0.3-0.6mm。
8、优选的，注入头对应预燃级空气出口一面的直径为16-20mm，且与预燃级空气通道的外径相差4-6mm。
9、优选的，旋流器为轴向旋流器，旋流强度sn＝0.7-1.1。
10、优选的，主燃级空气通道的轴向距离范围为21-26mm。
11、优选的，主燃级燃料射流孔位于旋流器上方3-5mm处，主燃级燃料射流孔的直径为1.5-3mm。
12、优选的，主燃级空气通道的最窄处内径为37.8-42.5mm，且两端的直径为44-49mm。
13、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
14、本专利技术通过对现有中心分级燃烧室头部结构的优化，在预燃级结构中利用设置的预燃级燃料注入件替代原有的文氏管，将原先的空气雾化喷嘴改为周向均匀直喷，使得h2在预燃级空气通道中产生回流区，进而增加湍流强度，更加利于h2和空气的混合，并且还利用增设的预燃级气膜孔实现对预燃级结构的防回火，进而防止预燃级燃料注入件的壁面被烧蚀，在主燃级结构中主燃级空气通道采用收缩再扩张的空气通道结构，在有效防止回火发生的同时还有利于nh3和空气的掺混，从而减少主燃区局部热点，使得温度分布更加均匀，燃烧效率更高，减少热力型nox的排放。
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1.一种应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，包括预燃级结构和位于预燃级结构外围的主燃级结构，其特征在于，所述主燃级结构用于NH3和空气混合，包括主燃级燃料仓(23)和处于主燃级燃料仓(23)外围的主燃级空气通道(24)，且主燃级空气通道(24)沿进气端到排气端的方向其直径依次递减后递增，所述主燃级燃料仓(23)的周侧且位于正对所述主燃级空气通道(24)直径递减的区域均匀的开设有多个主燃级燃料射流孔(27)；
2.根据权利要求1所述的应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述主燃级结构还包括旋流器(21)和连接所述旋流器(21)的筒体(22)，所述主燃级燃料仓(23)置于所述筒体(22)的内部且固定在旋流器(21)上，且旋流器(21)具有贯通所述主燃级燃料仓(23)的主燃级燃料入口(26)，所述主燃级空气通道(24)由所述主燃级燃料仓(23)与所述筒体(22)之间的间隙形成。
3.根据权利要求2所述的应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述旋流器(21)还具有多个贯通所述主燃级空气通道(24)的主燃级
4.根据权利要求2-3任一项所述的应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述预燃级结构包括开设在所述主燃级燃料仓(23)和旋流器(21)中心处且两端贯通的中心孔(12)，且所述预燃级燃料注入件(11)布置在所述中心孔(12)内，预燃级空气通道(13)由所述预燃级燃料注入件(11)与所述中心孔(12)之间的间隙形成，且所述预燃级空气通道(13)靠近所述旋流器(21)的一端为预燃级空气入口(131)，另一端为预燃级空气出口(132)。
5.根据权利要求4所述的应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述预燃级燃料射流孔(114)的喷射方向与所述预燃级燃料注入件(11)中轴线所形成的夹角为60-90°，预燃级燃料射流孔(114)的开孔直径为0.4-0.68mm，所述预燃级气膜孔(111)的直径为0.3-0.6mm。
6.根据权利要求5所述的应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述注入头对应所述预燃级空气出口(131)一面的直径为16-20mm，且与所述预燃级空气通道(13)的外径相差4-6mm。
7.根据权利要求6所述的应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述旋流器(21)为轴向旋流器，旋流强度Sn＝0.7-1.1。
8.根据权利要求7所述的应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述主燃级空气通道(24)的轴向距离范围为21-26mm。
9.根据权利要求8所述的应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述主燃级燃料射流孔(27)位于所述旋流器(21)上方3-5mm处，主燃级燃料射流孔(27)的直径为1.5-3mm。
10.根据权利要求9所述的应用于NH3和H2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述主燃级空气通道(24)的最窄处内径为37.8-42.5mm，且两端的直径为44-49mm。
...【技术特征摘要】
1.一种应用于nh3和h2燃料的中心分级燃烧室头部结构，包括预燃级结构和位于预燃级结构外围的主燃级结构，其特征在于，所述主燃级结构用于nh3和空气混合，包括主燃级燃料仓(23)和处于主燃级燃料仓(23)外围的主燃级空气通道(24)，且主燃级空气通道(24)沿进气端到排气端的方向其直径依次递减后递增，所述主燃级燃料仓(23)的周侧且位于正对所述主燃级空气通道(24)直径递减的区域均匀的开设有多个主燃级燃料射流孔(27)；
2.根据权利要求1所述的应用于nh3和h2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述主燃级结构还包括旋流器(21)和连接所述旋流器(21)的筒体(22)，所述主燃级燃料仓(23)置于所述筒体(22)的内部且固定在旋流器(21)上，且旋流器(21)具有贯通所述主燃级燃料仓(23)的主燃级燃料入口(26)，所述主燃级空气通道(24)由所述主燃级燃料仓(23)与所述筒体(22)之间的间隙形成。
3.根据权利要求2所述的应用于nh3和h2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述旋流器(21)还具有多个贯通所述主燃级空气通道(24)的主燃级空气入口(25)，且主燃级空气入口(25)与所述主燃级空气通道(24)之间的通道为螺旋状。
4.根据权利要求2-3任一项所述的应用于nh3和h2燃料的中心分级燃烧室头部结构，其特征在于，所述预燃级结构包括开设在所述主燃级燃料仓(23)和旋流器(21)中心处且两端贯通的中心孔(12)，且所述预燃级燃料注入件(11)布置在所述中心孔(12)内，预燃级空气通道(13)由所述预燃级燃料注入件(11)与所述中...
【专利技术属性】
技术研发人员：王柏森，苏毅，张弛，林宇震，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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