[0001] 本发明涉及燃气涡轮发动机技术领域，公开了一种同心圆式纯氢燃烧微混合燃烧室头部。

[0002] 氢能源动力是最受瞩目的航空碳中和技术途径，其主要技术优势有：液氢作为燃气涡轮发动机的燃料，其能量密度(热值)是传统航空煤油的2.78倍；氢在燃烧过程中不产生碳氧化合物和烟尘，即燃烧氢所释放的二氧化碳量为零，可实现零碳排放；氢燃料具有较高的热安定性和较高的热沉，是航空动力较为理想的冷却介质，更有利于发动机能热管理。

[0003] 在航空发动机的燃烧室中，常见的氢气燃烧组织方式包括微混预混燃烧和微混非预混燃烧。微混预混燃烧是指氢气和空气在微通道内预先掺混，混合气通过同一喷孔共同射流喷出，采用预混燃烧能有效降低氢燃烧氮氧化物的排放，在产生相同的热量情况下，氢预混燃烧的氮氧化物生成可降低为航空煤油的1/20。然而，预混反应中氢气的活泼性和更高的火焰速度使火焰锋面更薄，也使得火焰更容易向上游移动，将增加回火风险。微混非预混燃烧方式是一种新型的燃烧方式，也称为扩散燃烧。氢气和空气分别高速通过射流通道，氢气在空气出口处喷入，两者在微通道出口处掺混燃烧。相比于预混燃烧，扩散燃烧可以避免氢气燃烧“回火”问题，从而提高燃烧效率和稳定性。但扩散燃烧会伴随着更高的氮氧化物排放。

[0004] 因此，现有技术中回火和NOx排放高等问题仍阻碍着氢燃料燃气涡轮发动机的广泛应用。

[0029] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

[0030] 实施例

[0031] 参见图1‑图4，一种同心圆式纯氢燃烧微混合燃烧室头部，包括：

[0032] 副级氢燃料喷嘴1，所述副级氢燃料喷嘴1为筒状结构，所述副级氢燃料喷嘴1设置有环形燃料通道101，所述副级氢燃料喷嘴1外壁开设有与环形燃料通道101连通的副级燃料喷孔102；

[0033] 燃烧碗2，所述燃烧碗2的开口边缘与副级氢燃料喷嘴1固定连接；

[0034] 内环腔氢燃料喷嘴壳体3，所述内环腔氢燃料喷嘴壳体3同轴套设在副级氢燃料喷嘴1的外周，所述内环腔氢燃料喷嘴壳体3内部设置有与主级燃料管路连通的第一燃料通道301，所述内环腔氢燃料喷嘴壳体3上设置有与第一燃料通道301连通的内环径向喷射孔
302；

[0035] 外环腔氢燃料喷嘴壳体4，所述外环腔氢燃料喷嘴壳体4同轴套设在内环腔氢燃料喷嘴壳体3的外周，所述外环腔氢燃料喷嘴壳体4内设置有与主级燃料管路连通的第二燃料通道401，所述外环腔氢燃料喷嘴壳体4上设置有与第二燃料通道401连通的外环径向喷射孔402；

[0036] V型环5，所述V型环5的开口处内边缘与内环腔氢燃料喷嘴壳体3固定连接，所述V型环5的开口处外边缘与外环腔氢燃料喷嘴壳体4固定连接；

[0037] 外套筒6，所述外套筒6同轴套设在外环腔氢燃料喷嘴壳体4外周，所述外套筒6与所述外环腔氢燃料喷嘴壳体4之间沿空气流动方向形成第一收敛通道7。

[0038] 在本实施例中，副级氢燃料从位于副级氢燃料喷嘴1外壁的副级燃料喷孔102喷出，流过副级氢燃料喷嘴1外壁的空气裹挟从副级燃料喷孔102喷出的氢燃料进行微预混，不仅可以使得混合均匀高效，并且可以防止副级氢燃料燃烧“回火”问题；通过在副级氢燃料喷嘴1上设置燃烧碗2，副级氢燃料在燃烧碗2下游实现低工况中心区氢稳定燃烧，并在燃烧碗2背风面形成稳定的低速中心回流区17，中心回流区17保证了副级良好的燃烧稳定性能。此外，内环腔氢燃料喷嘴壳体3与副级氢燃料喷嘴1之间形成对内环径向喷射孔302喷出的主级氢燃料进行混合的第一微预混通道，外套筒6与外环腔氢燃料喷嘴壳体4之间形成对外环径向喷射孔402喷出的主级氢燃料进行混合的第二微预混通道，共同构成了主级双环腔氢燃料通道；从内环径向喷射孔302和外环径向喷射孔402喷出的主级氢燃料分别与来流空气实现微预混，裹挟有主级氢燃料的气流在流经V型环5时，在V型环5背风侧形成低速且尺度相对较大的大环形回流涡18结构，并在大环形回流涡18中进行稳定燃烧，降低了氢气燃烧过程中局部热点的形成，从而改善主级氢燃烧的稳定性和均匀性，降低NOx排放；第一微预混通道、第二微预混通道起到提高氢燃料在预混合过程中混合质量和空间分布均匀性的作用，可以进一步规避主级氢燃料燃烧“回火”的问题。

[0039] 本实施例中，所述内环腔氢燃料喷嘴壳体3与所述副级氢燃料喷嘴1之间设置有径向旋流器8，所述径向旋流器8与所述副级氢燃料喷嘴1之间沿空气流动方向形成第二收敛通道9，所述副级燃料喷孔102的出口端位于所述第二收敛通道9内。径向旋流器8的设置不仅可以提升副级氢燃料的微预混效果，还可以通过径向旋流器8与所述副级氢燃料喷嘴1之间形成第二收敛通道9，对裹挟有副级氢燃料的气流进行加速，从而有利于中心回流区17在燃烧碗2背风面稳定形成。

[0040] 本实施例中，所述径向旋流器8与所述内环腔氢燃料喷嘴壳体3之间设置有分流环10。此结构下流经所述径向旋流器8与所述内环腔氢燃料喷嘴壳体3之间的气流则通过分流环10分为两股，两股气流分别从分流环10的内侧通道和外侧通道流出，并在分流环10的背风侧形成低速的小环形回流涡19结构，进一步确保内环径向喷射孔302喷出的主级氢燃料的稳定燃烧。为减少分流环10对气流的扰动作用，本实施例的所述分流环10迎风面前缘为流线型结构。

[0041] 本实施例中，所述分流环10通过多个支撑块11固定在径向旋流器8外壁，多个所述支撑块11沿径向旋流器8环向均匀分布。实现分流环10的固定。

[0042] 本实施例中，所述分流环10外壁与所述内环腔氢燃料喷嘴壳体3之间设置有第一格栅12，所述第一收敛通道7内还设置有第二格栅16；第一收敛通道7和分流环10外侧的收敛通道再被对应的第一格栅12或第二格栅16细分为多点阵列氢射流‑横流微通道，实现氢燃料均匀混合，进一步提升了对氢“回火”问题的抑制作用。

[0043] 本实施例中，所述燃烧碗2、所述V型环5上均开设有气膜孔13，靠近所述燃烧碗2、所述V型环5的气流上游位置分别设置有冲击板14，所述冲击板14上开设有冲击孔15。本实施例中，冲击板14上开设有多圈沿周向均布的冲击孔15，燃烧碗2上开设有多圈沿周向均布的发散气膜孔13，冲击孔15与发散气膜孔13沿径向和周向均交错排列；利用冲击板14上冲击孔15的冷却气流过燃烧碗2上多排发散气膜孔13后形成贴壁气流可以防止燃烧碗2烧蚀。同理，V型环5前的冲击板14及其对应结构上的冲击孔15和气膜孔13同样能形成贴壁气流以规避V型环5烧蚀问题。

[0044] 如图1所示，本实施例中的燃烧碗2处对应的冲击板14为弓形结构，所述弓形结构向背离燃烧碗2的方向凸出。弓形冲击板14和燃烧碗2设置在头部正中心，弓形冲击板14位于燃烧碗2左侧，右端套装在燃烧碗2外围并与燃烧碗2之间形成一定间隙；副级氢燃料喷嘴1右端搭接在弓形冲击板14外围，并与燃烧碗2外缘焊接齐平。径向旋流器8套装在副级氢燃料喷嘴1外部，右端与燃烧碗2右端齐平，支撑块11焊接在径向旋流器8右端外围，分流环10径向设置在支撑块11的外侧，右端面与径向旋流器8右端齐平。外套筒6套装在第二格栅16外部，外套筒6外型面设置有安装定位凸耳。

[0045] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。