[0001] 本申请涉及燃烧喷嘴技术领域，且特别涉及一种液态碳氢燃料掺氢多级径向旋流喷嘴及其掺混燃烧方法。

[0002] 随着全球变暖的问题日渐显著，降低二氧化碳的排放成为了环保工作的重要部分，且随着航空业的发展、航线的扩充、航空交通的普及，飞机发动机的CO2排放的影响逐渐明显，因此需要寻求降低碳排放的方法，采用氢能源就是其中重要的途径之一。

[0003] 氢气在燃烧特性上与航空煤油有着非常大的差异，氢气的火焰传播速度更高、点火能量更小，更容易燃烧且燃烧更迅速，但同时氢气的使用也会带来回火、氮氧化合物(NOX)排放过高等问题。因此，采用纯氢作为燃料会存在与传统航空煤油燃烧室适应性差的问题，为了解决这个问题，可以采用航空煤油掺氢气的方案，作为从纯航空煤油到纯氢气的过渡方案，加快氢气在航空发动机中实际应用的进度。

[0004] 航空煤油掺氢燃料在传统航空发动机燃烧室中得到燃烧室适应性相对纯氢燃料更好，但在燃烧组织上存在一定技术难题。由于航空煤油作为液体碳氢燃料，需要经过雾化和蒸发，才能与空气进行掺混和燃烧，而氢气作为气态燃料可直接进入燃烧室与空气掺混进行反应，两种燃料掺混的燃烧需要协调燃料的喷射、混合位置，使掺混更均匀，燃烧更稳定，更少出现局部高温区。另外，两种燃料相态不同，点火延迟时间、火焰传播速度等燃烧特性也差异巨大。

[0005] 现有液态碳氢燃料掺氢燃烧组织技术主要分为大尺度旋流燃烧和微尺度混合燃烧，又根据空气和燃料的掺混情况分为扩散燃烧和预混燃烧。现有的微尺度混合燃烧组织技术，可以将大尺度火焰分割为多个小尺度火焰，有效减少了局部高温的出现，从而减少NOX的排放，但是同时会带来头部压降过大的问题。并且航空发动机与传统航空煤油燃烧室适配性不佳，航空发动机与传统航空煤油燃烧室的组合改进也会带来重量增加的问题。大尺度旋流的燃烧组织方式具有适配于传统燃烧室、较低NOX排放等优点，是对氢气和航空煤油两种燃料均有较好适应性的优选方案。

[0006] 现有的大尺度旋流燃烧技术，又可以细分为扩散燃烧与预混燃烧两种类别，其中，扩散燃烧方式下空气与燃料的混合不够充分，依然有NOX污染物排放偏高的缺点。

[0007] 当前大尺度旋流构型航空煤油掺氢燃烧的技术较少。公告号为“CN103277813B”的中国发明专利公开了“一种在航空燃油燃烧中加氢减排的低污染燃烧室”。该燃烧室公开了分级预混贫燃的燃烧组织方式，氢气在其中起到辅助燃烧、拓宽贫燃极限、降低贫燃NOX排放的作用，比较符合以传统航空发动机燃烧室为基础的改造要求，但存在可用掺氢比较低的问题，氢气也并非主要燃料。

[0008] 在燃气轮机中，氢气的掺入已有较多的技术发明。公开号为“CN104870902A”的中国发明专利公开了“适合多种燃料的燃气轮机燃烧器”。该燃烧器公开了了天然气和氢气掺混的大尺度旋流喷嘴设计，具有低NOX排放、稳定燃烧等特点，但是由于天然气是气体燃料，而航空煤油为液体燃料，因此以上技术不完全具备契合液态碳氢燃料掺氢气燃烧的参考价值，液体航空煤油掺氢气燃烧喷嘴的相关设计仍然较为匮乏。

[0036] 下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。

[0037] 下面结合具体实施例，对本申请的液态碳氢燃料掺氢多级径向旋流喷嘴、液态碳氢燃料掺氢多级径向旋流喷嘴掺混燃烧方法做进一步的详细说明。

[0038] 参阅图9，本申请的液态碳氢燃料掺氢多级径向旋流喷嘴可以包括：航空煤油离心喷嘴8、文氏管15、氢气喷射孔7以及若干个径向旋流器。文氏管15与航空煤油离心喷嘴8同轴布置，文氏管15与航空煤油离心喷嘴8各自出口朝向同一轴线方向(即，图9中的右下侧)，文氏管15的出口形成了喷嘴出口17。若干个径向旋流器均同轴设置于航空煤油离心喷嘴8的径向外侧，每个径向旋流器包括相互连通的径向道、轴向道；径向道内布置有若干个旋流叶片，若干个旋流叶片绕径向旋流器的中心轴线环形阵列布置。最远离喷嘴出口17的径向旋流器的径向道是与氢气喷射孔7实现连通，如图4所示，若干个氢气喷射孔7绕径向旋流器的中心轴线呈环形阵列布置。其中，径向旋流器中的径向道，其越远离喷嘴出口17其对应的轴向道则越靠近径向旋流器的中心轴线。

[0039] 如图9、图10所示，为了方便展示内部结构，从附图的视觉效果上，图9、图10都截去了本申请的液态碳氢燃料掺氢多级径向旋流喷嘴四分之一的扇形区域，实际上，本申请的完整的液态碳氢燃料掺氢多级径向旋流喷嘴的立体图依然如图8所示。

[0040] 在一实施例中，径向旋流器共有两个，如图2、图9、图10所示，径向旋流器包括第一级径向旋流器3和第二级径向旋流器4。第一级径向旋流器3内部的空腔形成第一级旋流通道9，第一级旋流通道9包括相互垂直连通的第一径向道91、第一轴向道92。第二级径向旋流器4内部的空腔形成第二级旋流通道10，第二级旋流通道10包括相互垂直连通的第二径向道101、第二轴向道102。第一级旋流通道9和第二级旋流通道10都是引导流体径向向内运动，再沿同一轴向单向运动。

[0041] 采用上述实施例的有益效果是：采用与传统航空发动机燃烧室所用类似的喷嘴构型，利用两级径向旋流器通入空气，其中通过第一级径向旋流器3的空气主要起到与氢气掺混、雾化液体航空煤油等的作用，而通过第二级径向旋流器4的空气主要起到在主燃烧室中形成旋流区从而稳定燃烧的作用。如图11所示的仿真，形成的燃烧区包括剪切层I和中心主回流区G，这与传统航空发动机燃烧室类似，由于结构类似，产生的喷嘴压降以及头部重量与传统航空煤油喷嘴相近。同时，在文氏管15的出口边沿附近形成了台阶回流区H，在剪切层I的更外侧形成角回流区J。总体来说，与传统航空发动机燃烧室适配性较好。

[0042] 第一径向道91至喷嘴出口17的轴向距离大于第二径向道101至喷嘴出口17的轴向距离；第一轴向道92至径向旋流器的中心轴线的径向距离小于第二轴向道102至径向旋流器的中心轴线的径向距离。即第一径向道91在第二径向道101的上游，第二轴向道102在第一轴向道92的外层。

[0043] 对应的旋流叶片则包括第一级径向旋流器3内的若干个第一叶片31，还包括第二级径向旋流器4内的若干个第二叶片41。

[0044] 在一实施例中，沿径向旋流器的轴向视角，第一叶片31与第二叶片41呈交替间隔布置，即第一叶片31与第二叶片41相互轴向投影不重合。即第一叶片31与第二叶片41的交错布置，这种布置方式能适度减少进气时的阻力。同时，第一叶片31的长度大于第二叶片41的长度，即第一叶片31沿垂直于径向旋流器的中心轴线的延伸方向的长度大于第二叶片41沿垂直于径向旋流器的中心轴线的延伸方向的长度。

[0045] 如图5和图6所示，第一叶片31与第二叶片41各自的延伸方向不与径向旋流器的中心轴线相交。沿径向旋流器的轴向视角，旋流叶片自身朝向的延伸线可以是与所在的轴向道的外圈内壁F呈相交等关系，其中也可以是相切关系，外圈内壁F沿径向旋流器的轴向视角下是圆。同一径向旋流器中，每个旋流叶片所在平面与径向旋流器的中心轴线的垂直距离相等。

[0046] 如图5、图6所示，在一实施例中，沿径向旋流器的轴向视角，每个旋流叶片沿直线方向延伸，第一叶片31和第二叶片41各自旋流方向同为顺时针方向或同为逆时针方向。

[0047] 第一级旋流通道9的第一径向道91对应的第一级旋流器入口1的进口宽度大于第一径向道91的出口宽度。第二级旋流通道10的第二径向道101对应的第二级旋流器入口2的进口宽度大于第二级向道101的出口宽度。

[0048] 沿轴向观察，第一叶片31与第二叶片41的旋流方向相同，如图5、图6所示，即第一叶片31对应的气流周向方向与第二叶片41对应的气流周向方向相同，均为顺时针方向。

[0049] 在一个非限制性的示例中，旋流叶片的沿轴向的尺寸为1.2mm至3.0mm，每个径向旋流器内的旋流叶片的数量为6至12个。

[0050] 在一实施例中，第一叶片31的叶片转角可以小于第二叶片41的叶片转角。从本申请的喷嘴轴线引出一条辅助线，辅助线与旋流叶片靠内的一端接触，此旋流叶片与辅助线之间所呈夹角即叶片转角。如图5所示，第一叶片31的叶片转角即第一叶片转角α，如图6所示，第二叶片41的叶片转角即第二叶片转角β。在一个非限制性的示例中，第一叶片31的叶片转角为40°至50°，第二叶片41的叶片转角为60°至70°。

[0051] 如图5、图6所示，每个旋流叶片沿直线方向延伸。在一个非限制性的示例中，旋流叶片的表面也可以是曲面，曲面的旋流叶片可以减少空气阻力，依靠曲面的设计公式以及数值计算，旋流叶片的具体曲面造型可以进行迭代改进。

[0052] 在一实施例中，所有氢气喷射孔7背离径向旋流器的一面共同罩有氢气储腔6，氢气储腔6背离径向旋流器的一面连通有氢气入口管道5，氢气入口管道5与航空煤油离心喷嘴8平行布置。氢气入口管道5的中心轴线与航空煤油离心喷嘴8的中心轴线不重合，并且氢气入口管道5与航空煤油离心喷嘴8的轴向投影不相交。氢气入口管道5的内径大于单个氢气喷射孔7的内径。

[0053] 氢气喷射孔7的内壁横断面轮廓可以为圆形。氢气喷射孔7是直喷孔，实际选择时，氢气喷射孔7的大小、位置可以根据燃烧室的构型、标准工况要求、喷嘴出口17温度等要求进行调整。

[0054] 在一个非限制性的示例中，氢气喷射孔7的内径为0.6mm至1.0mm，氢气喷射孔7至径向旋流器的中心轴线的垂直距离范围为7mm至10mm，氢气喷射孔7的数量为6至10个。

[0055] 如图8、图9所示，在一实施例中，氢气储腔6由相互平行的第一径向板18、第二径向板20以及第一轴向管19、航空煤油离心喷嘴8共同包围而成，氢气喷射孔7贯通所述第二径向板20，氢气入口管道5贯通第一径向板18。在第二径向板20背离第一径向板18的方向还依次平行布置有第三径向板21、第四径向板22，第二径向板20与第三径向板21之间的空间为第一径向道91，第三径向板21与第四径向板22之间的空间为第二径向道101。文氏管15内壁与航空煤油离心喷嘴8外壁之间的空间为第一轴向道92。第三径向板21背离第二径向板20的一面还固定有第二轴向管23，第二轴向管23的内壁与文氏管15的外壁之间的空间为第二轴向道102。

[0056] 如图5所示，相邻两片第一叶片31的最宽处即构成了第一级旋流器入口1，第一级旋流器入口1的数量与第一叶片31的数量相等。同时，第一叶片31的两端分别与第三径向板21的内圈边沿、外圈边沿接触。如图6所示，相邻两片第二叶片41的最宽处即构成了第二级旋流器入口2，第二级旋流器入口2的数量与第二叶片41的数量相等。同时，第二叶片41的两端分别与第四径向板22的内圈边沿、外圈边沿接触。

[0057] 如图2所示，喷嘴出口17既包括文氏管15的出口对应的第一出口171，也包括第二轴向道102的出口对应的第二出口172。另外，文氏管5的内壁是先收缩而后逐渐扩大，文氏管5的内壁凸起有文氏管喉部151(参见图9)，文氏管喉部151对应的内径为文氏管5具备内径的最小值。

[0058] 第二轴向管23与文氏管15各自轴端的出口处于同一轴向位置，即第二轴向管23与文氏管15各自出口端齐平。航空煤油离心喷嘴8的出口端与文氏管15的出口端不齐平，航空煤油离心喷嘴8的出口端位于文氏管15出口端更上游的位置，即航空煤油离心喷嘴8的出口内缩于文氏管15内。

[0059] 采用上述实施例的有益效果是：第一级旋流通道9的轴向通道出口的下游位置有文氏管15结构，能够使空气与燃料混合物以较高速度喷出，使得燃烧稳定在喷嘴出口17下游的位置，具有一定的防回火能力。

[0060] 在一实施例中，如图9、图10所示，第一径向道91与第一轴向道92的拐角处通过圆角24过渡，同理，第二径向道101与第二轴向道102的拐角处也通过圆角24过渡，拐角处的阴角通过内圆角过渡，拐角处的阳角通过外圆角过渡。

[0061] 如图9、图10所示，在一实施例中，文氏管5的轴端边沿以及第二轴向管23的轴端边沿也通过圆角24过渡，文氏管5、第二轴向管23的轴端边沿通过外圆角过渡。

[0062] 本申请还提供了液态碳氢燃料掺氢多级径向旋流喷嘴掺混燃烧方法，它包括：利用空气作为氧化剂，利用航空煤油和氢气共同作为燃料；第一级旋流通道9、第二级旋流通道10中的流动介质为空气；航空煤油离心喷嘴8内的流动介质为航空煤油；氢气喷射孔7内的流动介质为氢气。氢气和空气在第一级旋流通道9内发生掺混。对航空煤油进行雾化，产生的空气和燃料的混合气通过文氏管15后进入燃烧室中。进入两个旋流通道的气流分别经过第一级旋流通道9、第二级旋流通道10并产生旋流，在燃烧室中形成回流区。

[0063] 在一实施例中，航空煤油从航空煤油离心喷嘴8中喷出的喷雾的颗粒直径为30μm至100μm，喷雾锥角的角度范围为45°至80°。

[0064] 本申请的液态碳氢燃料掺氢多级径向旋流喷嘴掺混燃烧方法相当于分为供给区、喷嘴实体和下游燃烧区。

[0065] 供给区包括空气、航空煤油、氢气的供给，空气从上游流入，在径向旋流器处改变流向，以径向方向从第一级旋流器入口1和第二级旋流器入口2进入径向旋流器中。氢气通过氢气入口管道5进入氢气储腔6中，氢气储腔6的轴端面与第一级径向旋流器3轴端面相连，氢气通过氢气喷射孔7喷射进入第一级旋流通道9中；航空煤油通过燃料管道进入航空煤油离心喷嘴8中，雾化喷出进入燃烧室中。

[0066] 第一级旋流通道9中的第一径向道91设置在上游，第一轴向道92的自身的流路方向为轴向，第一轴向道92位于比第一径向道91更径向靠内的位置。空气从第一级旋流器入口1进入经过第一级径向旋流器3，并与氢气喷射孔7中喷出的氢气进行掺混，并对航空煤油离心喷嘴8中喷出的液体煤油进行雾化，然后经过文氏管15后进入燃烧室中产生回流，在剪切层I主要与氢气反应形成稳定射流剪切层火焰，在回流区内主要与煤油蒸汽进行反应形成火焰。

[0067] 喷嘴实体则包括第一级径向旋流器3、第二级径向旋流器4、航空煤油离心喷嘴8、氢气喷射孔7。航空煤油离心喷嘴8包括液体航空煤油通道、喷嘴主体结构和煤油喷口，航空煤油离心喷嘴8可以使用现有技术中的结构，附图中未详细示出。

[0068] 下游燃烧区为航空煤油、氢气燃烧反应发生的区域，燃烧区位置、氢气的燃烧主要发生在剪切层I中，而航空煤油的燃烧主要发生在回流区。

[0069] 本申请的液态碳氢燃料掺氢多级径向旋流喷嘴掺混燃烧方法能实现较宽的掺氢比范围调控。在满足不烧蚀头部喷嘴的基本要求前提下，可以实现基准工况，掺氢比可以达到60％，在保证与传统燃烧室相适配的条件下，属于能实现的较宽掺氢比调控范围，实际应用中燃料使用灵活性较高。

[0070] 上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并加以实施，并不能以此限制本申请的保护范围，凡根据本申请精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围内。