氢燃料燃烧室以及涡喷发动机

技术领域

本发明涉及涡喷发动机技术领域，特别地，涉及一种氢燃料燃烧室。此外，本发明还涉及一种包括上述氢燃料燃烧室的涡喷发动机。

背景技术

随着可再生能源的综合利用以及节能减排的深度发展，能够灵活使用不同含氢比例、清洁高效的燃气轮机对能源利用意义重大。传统的微型涡喷发动机燃烧室采用直射式喷嘴匹配蒸发管的燃油喷射、雾化方案，这种燃油雾化方案最大的优势是结构简单、成本较低，但是这种雾化方案并不适用氢燃料的燃烧组织。首先，氢气是一种气态燃料，不需要像液态燃料一样在燃烧前需进行一系列的破碎、雾化和蒸发过程，它可以直接和空气进行混合，在一定的浓度和速度下就可以燃烧，所以蒸发管对于氢气的燃烧组织来说根本起不到任何作用，相反有可能在蒸发管内形成合适的氢气浓度场而发生回火，影响燃烧可靠性；其次，对于直射式喷嘴而言，简单的圆形直射喷口会导致氢气喷射速度过快，氢气在燃烧室内的停留时间不够，不利于与空气混合充分燃烧。

综上所述，微型涡喷发动机燃烧室采用氢气作为燃料时不能直接套用传统的蒸发管式燃料喷射、雾化方案，必须对氢气的喷射方式、以及氢气与空气的混合方式等进行适应性改进，才能满足氢气高效、稳定燃烧的需要。

发明内容

本发明提供了一种氢燃料燃烧室，以解决采用氢燃料时，如何使燃烧室内的氢气高效稳定的燃烧的技术问题。

本发明还提供了一种涡喷发动机，采用上述氢燃料燃烧室。

根据本发明的一个方面，提供一种氢燃料燃烧室，包括燃烧室机匣、火焰筒和涡轮组件，所述燃烧室机匣包括机壳、第一喷嘴座和第一电嘴座，所述第一喷嘴座设置在所述机壳的外侧并用于安装氢气喷嘴，所述第一电嘴座设置在所述机壳的外侧且与所述喷嘴座间隔设置，所述第一电嘴座用于安装火花塞；所述火焰筒布置于所述机壳内，所述火焰筒包括筒体、第二喷嘴座和第二电嘴座，所述第二喷嘴座和所述第二电嘴座均设置在所述筒体上，所述筒体的进气端形成有弧形头部，所述弧形头部的内壁上沿周向均匀布设有若干冷却片，所述冷却片与所述弧形头部的夹缝中开设有进气孔，所述进气孔用于导入冷却气体并在所述冷却片与所述弧形头部的夹缝形成有周向连续的气膜，以使弧形头部形成周向连续的环涡流场，所述第二喷嘴座用于供所述氢气喷嘴沿径向伸入所述筒体内，并使所述氢气喷嘴朝向环涡流场，所述第二电嘴座用过供所述火花塞伸入所述筒体内。

进一步地，所述筒体包括内环和设置在所述内环201外侧的外环，所述外环面上开设若干用于散热的第一气膜孔，所述内环的靠近所述弧形头部的一端开设有若干用于散热的发散孔，所述内环的中部以及靠近所述筒体的出口端一端开设有若干用于散热的第二气膜孔。

进一步地，所述氢燃料燃烧室还包括氢气喷嘴400，所述氢气喷嘴包括接嘴、安装边以及喷嘴体，所述安装边与所述第一喷嘴座固定连接，所述接嘴设置在所述安装边上并用于接收外部注入的氢气燃料，所述喷嘴体与所述接嘴固定连接并伸入所述筒体内，所述喷嘴体的端部开设有斜面，所述喷嘴体上的喷口位于所述斜面上以使所述喷口朝向弧形头部形成的环涡流场。

进一步地，所述喷口上设置有若干间隔分布的喷孔，所述喷孔的中心线与所述喷嘴体的中心线的角度为β，并使所述喷孔的中心线与所述氢气喷嘴的中心对称面的角度为γ，以使所述喷孔喷射的氢气的气流切向流入环涡流场。

进一步地，所述机壳上设置有多个第一喷嘴座，所述第一喷嘴座沿所述机壳的周向间隔均布，所述筒体上设置有多个第二喷嘴座，所述第二喷嘴座沿所述筒体的周向间隔均布且与所述第一喷嘴座一一对应设置。

进一步地，所述第二喷嘴座固定连接在所述筒体上，所述喷嘴体与所述第二喷嘴座连接并用于支撑所述筒体，以使所述筒体固定在所述机壳内。

进一步地，所述机壳上固定连接有用于动力输出的涡轮组件，所述筒体用于与所述涡轮组件固定连接，以使所述筒体固定在所述机壳内，所述第二喷嘴座采用活动衬套，并使所述喷嘴体与所述活动衬套间隙配合。

进一步地，所述接嘴与外部的连接端开设有便于与外部接头密封连接的连接锥面。

根据本发明的另一方面，还提供了一种涡喷发动机，其包括上述氢燃料燃烧室，还包括压气机和涡轮组件，所述压气机设置在所述机壳上并与所述进气孔连通，所述涡轮组件设置在所述筒体的出口端用于动力的输出。

进一步地，所述涡轮组件包括导向器和涡轮体，所述导向器与所述筒体的出口端可拆卸连接，所述涡轮体与所述导向器连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明的氢燃料燃烧室中，相较于传统的微型涡喷发动机燃烧室取消了蒸发管结构，采用氢气喷嘴沿切向注入火焰筒头部的燃料喷射方式，有利于氢气与空气混合，避免发生回火，同时通过将弧形头部上设置冷却片，氧气或空气由进气孔进入弧形头部，并在冷却片与弧形头部夹缝形成周向连续的气膜，进而使得弧形头部内形成周向连续的环涡流场结构，使得由氢气喷嘴注入的氢气进入环涡流场利用火花塞点火后直接预混组织燃烧，以克服氢气火焰传播速度快，容易发生回火的问题，进而使得氢气能高效稳定的燃烧。

具体实施时，通过氢气喷嘴将氢气有外部注入筒体内，同时通过进气孔将空气注入筒体内，空气在冷却片的作用下，由冷却片与弧形头部夹缝形成周向连续的气膜，进而使得弧形头部内形成周向连续的环涡流场结构，氢气喷嘴注入的氢气进入环涡流场利用火花塞点火后直接预混组织燃烧，燃烧产生的能力通过涡轮组件转换为动力输出。

综上，本氢燃料燃烧室充分利用了微型燃烧室空间布局特点，通过在直流燃烧室头部设计大环涡流场结构，匹配沿火焰筒切向注入的氢燃料进行直接预混，克服氢气火焰传播速度快、容易发生回火等燃烧问题，达到高效、稳定组织燃烧的目的，使得燃烧室内的氢气能够高效稳定的燃烧。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的氢燃料燃烧室的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的燃烧室机匣的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的火焰筒的结构示意图

图4的本发明优选实施例的冷却片的布置示意图；

图5是本发明优选实施例的进气孔的布置示意图；

图6是本发明优选实施例的第一气膜孔的结构示意图；

图7是本发明优选实施例的氢气喷嘴的结构示意图。

图例说明：

100、机壳；101、第一喷嘴座；102、第一电嘴座；

200、筒体；201、内环；202、外环；203、弧形头部；204、冷却片；205、进气孔；206、第一气膜孔；

300、第二喷嘴座；

400、氢气喷嘴；401、接嘴；402、安装边；403、喷嘴体；404、喷口；

500、涡轮组件；501、压气机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1～图7所示，本实施例的一种氢燃料燃烧室，包括燃烧室机匣、火焰筒和涡轮组件500，所述燃烧室机匣包括机壳100、第一喷嘴座101和第一电嘴座102，所述第一喷嘴座101设置在所述机壳100的外侧并用于安装氢气喷嘴400，所述第一电嘴座102设置在所述机壳100的外侧且与所述喷嘴座间隔设置，所述第一电嘴座102用于安装火花塞；所述火焰筒布置于所述机壳100内，所述火焰筒包括筒体200、第二喷嘴座300和第二电嘴座，所述第二喷嘴座300和所述第二电嘴座均设置在所述筒体200上，所述筒体200的进气端形成有弧形头部203，所述弧形头部203的内壁上沿周向均匀布设有若干冷却片204，所述冷却片204与所述弧形头部203的夹缝中开设有进气孔205，所述进气孔205用于导入冷却气体并在所述冷却片204与所述弧形头部203的夹缝形成周向连续的气膜，以使弧形头部203形成周向连续的环涡流场，所述第二喷嘴座300用于供所述氢气喷嘴400沿径向伸入所述筒体200内，并使所述氢气喷嘴400朝向环涡流场，所述第二电嘴座用过供所述火花塞伸入所述筒体200内。

在本实施例中，冷却片204呈“Z”型结构，“Z”型结构高度h1范围：1～3mm，在冷却片204与弧形头部203夹缝设置进气孔205，利用冷却片204与弧形头部203的夹缝形成周向连续的气膜，从而在火焰筒头部主燃区形成周向连续的环涡流场结构，用于组织燃烧、稳定火焰。机壳100上还连接有压气机501，用于为进气孔205输入与氢气燃烧的空气。

具体的，相较于传统的微型涡喷发动机燃烧室取消了蒸发管结构，采用氢气喷嘴400沿切向注入火焰筒头部的燃料喷射方式，有利于氢气与空气混合，避免发生回火，同时通过将弧形头部203上设置冷却片204，氧气或空气由进气孔205进入弧形头部203，并在冷却片204与弧形头部203夹缝形成周向连续的气膜，进而使得弧形头部203内形成周向连续的环涡流场结构，使得由氢气喷嘴400注入的氢气进入环涡流场利用火花塞点火后直接预混组织燃烧，以克服氢气火焰传播速度快，容易发生回火的问题，进而使得氢气能高效稳定的燃烧。

具体实施时，通过氢气喷嘴400将氢气有外部注入筒体200内，同时通过进气孔205将空气注入筒体200内，空气在冷却片204的作用下，由冷却片204与弧形头部203夹缝形成周向连续的气膜，进而使得弧形头部203内形成周向连续的环涡流场结构，氢气喷嘴400注入的氢气进入环涡流场利用火花塞点火后直接预混组织燃烧，燃烧产生的能力通过涡轮组件500转换为动力输出。

综上，本氢燃料燃烧室充分利用了微型燃烧室空间布局特点，通过在直流燃烧室头部设计大环涡流场结构，匹配沿火焰筒切向注入的氢燃料进行直接预混，克服氢气火焰传播速度快、容易发生回火等燃烧问题，达到高效、稳定组织燃烧的目的，使得燃烧室内的氢气能够高效稳定的燃烧。

进一步地，所述筒体200包括内环201和设置在所述内环201外侧的外环202，所述外环202面上开设若干用于散热的第一气膜孔206，所述内环201的靠近所述弧形头部203的一端开设有若干用于散热的发散孔，所述内环201的中部以及靠近所述筒体200的出口端一端开设有若干用于散热的第二气膜孔。

在本实施例中，第一气膜孔206和第二气膜孔均采用月牙形的气膜孔结构，具体的，第一气膜孔206由筒体200的外环202型面局部冲压加工成型，首先将外环202上切割半圆型环缝，如图6所述，其直径D大小为4～7mm，相邻两个气膜孔的间距L为0.5～2.5D，然后在对环缝部位的型面进行冲压，使得环缝部位型面与外环202壁面的形成0.5～1.5mm的台阶。当冷气由半圆形环缝进入筒体200时，可以在第一气膜孔206周围形成冷气覆盖。进而对筒体200的外环202进行降温。在内环201的靠近所述弧形头部203的一端开设有若干的发散孔，为内环201的前端进行散热，内环201的中部后后端开设第二气膜孔，同样在第二气膜孔周围可以形成冷气覆盖为内环201进行降温。综上通过设置第一气膜孔206、第二气膜孔以及发散孔以使筒体200满足散热要求。

进一步地，所述氢燃料燃烧室还包括氢气喷嘴400，所述氢气喷嘴400包括接嘴401、安装边402以及喷嘴体403，所述安装边402与所述第一喷嘴座101固定连接，所述接嘴401设置在所述安装边402上并用于接收外部注入的氢气燃料，所述喷嘴体403与所述接嘴401固定连接并伸入所述筒体200内，所述喷嘴体403的端部开设有斜面，所述喷嘴体403上的喷口404位于所述斜面上以使所述喷口404朝向弧形头部203形成的环涡流场。

参照图7，在本实施例中，喷嘴体403主要是作为连接安装边402与喷口404的通道，同时用作输送氢气，兼顾筒体200的支承作用，所以喷嘴体403设计为圆柱体结构，其内部通道直径主要由喷口404氢气流通面积决定。喷嘴体403末端设计成斜面结构，喷口404装配在斜面部位。喷口404上设计有氢气喷孔，喷孔可设计为简单圆孔或多点状发散孔结构，需保证氢气喷射速度在合适的范围，以避免发生回火。

进一步地，所述喷口404上设置有若干间隔分布的喷孔，所述喷孔的中心线与所述喷嘴体403的中心线的角度为β，并使所述喷孔的中心线与所述氢气喷嘴400的中心对称面的角度为γ，以使所述喷孔喷射的氢气的气流切向流入环涡流场。

在本实施例中，利用喷嘴体403末端的斜面结构使喷孔中心线偏离垂直方向一定角度β，角度β的大小范围为：15°～40°，并在周向方向顺主燃区环涡气流偏移角度γ，角度γ的大小范围为：10°～30°，通过对上述角度的调整，以保证氢气喷射气流从切向靠近主燃区环涡流场低速区，并跟随环涡气流流动，达到最佳的燃烧稳定性和燃烧效率。

进一步地，所述机壳100上设置有多个第一喷嘴座101，所述第一喷嘴座101沿所述机壳100的周向间隔均布，所述筒体200上设置有多个第二喷嘴座300，所述第二喷嘴座300沿所述筒体200的周向间隔均布且与所述第一喷嘴座101一一对应设置。

在本实施例中，设置多个第一喷嘴座101以及多个第二喷嘴座300，使得氢气喷嘴400也可以对应的设置有多个，进而提高氢气的输入量，进而提高氢气燃烧后产生的能量，提高动力的上限。以及可以利用氢气喷嘴400对筒体200的安装进行定位支撑。

进一步地，所述第二喷嘴座300固定连接在所述筒体200上，所述喷嘴体403与所述第二喷嘴座300连接并用于支撑所述筒体200，以使所述筒体200固定在所述机壳100内。

在本实施例中，筒体200可以采用前端固定的方式安装在机壳100上，具体的，将多个氢气喷嘴400视作固定用的销钉，第二喷嘴座300采用焊接或者螺栓固定的方式安装在筒体200上，氢气喷嘴400穿过第二喷嘴座300伸入筒体200中，以使筒体200用过沿周向均布的氢气喷嘴400进行支撑，使得筒体200固定在机壳100内，为了释放火焰筒出口的热膨胀梁，筒体200的出口与导向器连接。

进一步地，所述机壳(100)上固定连接有用于动力输出的涡轮组件500，所述筒体200用于与所述涡轮组件500固定连接，以使所述筒体200固定在所述机壳100内，所述第二喷嘴座300采用活动衬套，并使所述喷嘴体403与所述活动衬套间隙配合。

本实施例中，筒体200也采用尾端固定的方式与机壳100进行组装，具体的，筒体200的外环202通过螺钉安装在导向器上，为了避免热状态下筒体200膨胀与氢气喷嘴400抵紧卡死，造成氢气喷嘴400的损伤，所以将第二喷嘴座300设计为活动衬套，保证喷嘴体403与活动衬套之间形成间隙配合。

进一步地，所述接嘴401与外部的连接端开设有便于与外部接头密封连接的连接锥面。

在本实施例中，由于氢气喷嘴400所传递的燃料为氢气，而氢气的扩散性很强，为保证用于连接外部的接嘴401具有良好的密封效果，需要将接嘴401的连接面设计为锥面，外部接头的连接面为球面，使得接嘴401与外部接头形成“锥面+球面”密封结构，其中接嘴401设计为内密封锥结构，其锥面的角度范围为24°～37°，若锥面的角度过小，不便于外部接头的伸入安装，若锥面角度过大，则会不利于外部接头与接嘴401的紧密配合。

根据本发明的另一方面，还提供了一种涡喷发动机，其包括上述氢燃料燃烧室，，还包括压气机501和涡轮组件500，所述压气机501设置在所述机壳100上并与所述进气孔205连通，所述涡轮组件500设置在所述筒体200的出口端用于动力的输出。所以该涡喷发动机包括上述氢燃料燃烧室的所有有益效果。

进一步地，所述涡轮组件500包括导向器和涡轮体，所述导向器与所述筒体200的出口端可拆卸连接，所述涡轮体与所述导向器连接。在本实施例中，为了释放火焰筒出口的热膨胀梁，筒体200的出口与导向器连接。导向器的设置用于将氢气燃烧产生的气流传递到涡轮体进行能量的转换，使得涡轮体将氢气燃烧产生的能量转换为动能进行输出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。