一种用于预混气的燃氢喷嘴结构及燃氢喷嘴装置的制作方法

本发明属于燃氢喷嘴，尤其涉及一种用于预混气的燃氢喷嘴结构及燃氢喷嘴装置。

背景技术：

1、在氢气燃烧领域，安全性和排放问题一直是亟待解决的难题。如在氢燃机燃烧室开发过程中，设计工作的关键是在防止氢气回火的前提下降低氮氧化物的生成。

2、氢气燃烧主要产生的是热力型氮氧化物，降低排放的重点抓手是降低燃烧室内最高温度和减小高于特定温度(1500℃)的区域范围。由于氢气低位热值高达119.958mj/kg(10.789mj/nm3)，不论是采用传统的扩散燃烧，还是近年来较流行的微预混燃烧的方式，由于燃烧室内总会存在当量燃烧的区域，局部高达2000℃以上的温度在所难免，减排难度大，应用潜力有限。

3、采用预混燃烧方式，可以降低射入燃料的当量比，直至达到贫燃状态，从而有效降低燃烧温度，但如何防止氢气预混燃烧下的回火仍然是一个难题。现有预混技术主要从提高射流流速和利用器壁效应来抑制回火，典型的思路便是将预混后的燃料通过众多的非常细小的圆形通道射入燃烧室，但操作起来存在一些问题：1)高速射流的限制：可以抑制回火的流速需要随着氢气的湍流火焰速度的改变而改变，而氢气湍流火焰速度又与湍流扰动程度、雷诺数等正相关，即高的射流速度增加了氢气湍流火焰速度；反过来，为抑制回火，提速后的氢气湍流火焰传播速度又对射流速度提出了更高的要求。为了抑制回火，需要在特定工况下实现高达200m/s以上的射流速度，但这会导致燃烧室内压损巨大。然而，由于速度边界层的存在，即使如此高的射流速度也不能完全避免回火的发生。2)器壁效应的限制：为了通过器壁效应来销毁h2燃烧链式反应自由基，射流通道的直径需要降低至1mm，甚至更小，由于预混气处于贫燃状态，参与混合的空气量很大，在这种情况下预混气通道射流流速将大大提升，导致燃烧室罩帽的前后压差巨大，造成整个燃烧室的压损大到不可接受的地步，系统效率减损严重。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种用于预混气的燃氢喷嘴结构及燃氢喷嘴装置，以解决现有预混技术在氢气燃烧领域中存在压损大以及无法完全解决回火而达到本质性安全的问题。

2、为解决上述问题，本发明的技术方案为：

3、本发明的一种用于预混气的燃氢喷嘴结构，预混气为氢气与空气的混合气，包括：

4、燃氢喷嘴本体，所述燃氢喷嘴本体包括位于轴向上两端的燃烧端和空气端；

5、所述燃氢喷嘴本体上沿径向向外延伸的若干空气喷孔环组，每一空气喷孔换组均包括沿周向环绕且间隔布置的主空气喷孔，所述主空气喷孔的输入端连通所述空气端，所述主空气喷孔的输出端连通所述燃烧端；

6、并且，所述燃氢喷嘴本体内设有预混气腔、二次空气腔、若干预混气喷射通道组和若干掺混空气孔组；所述预混气喷射通道组和所述掺混空气孔组均与所述主空气喷孔一一对应；

7、所述预混气腔的输入端与所述二次空气腔的输入端均布置于所述空气端，分别用于接收预混气输入与空气输入；

8、每一所述预混气喷射通道组均包括若干预混气喷射通道，所述预混气喷射通道的输出端设置为连通对应所述主空气喷孔靠近所述燃烧端的部分，且所述预混气喷射通道的输出端环绕对应所述主空气喷孔布置；每一所述预混气喷射通道的输入端均连通所述预混气腔，所述预混气喷射通道被配置为朝向所述主空气喷孔输出预混气；

9、每一所述掺混空气孔组均包括若干掺混空气喷孔，所述掺混空气喷孔的输出端设置为连通对应所述主空气喷孔靠近所述燃烧端的部分，且所述掺混空气喷孔的输出端环绕对应所述主空气喷孔布置；每一所述掺混空气喷孔的输入端均连通所述二次空气腔，所述掺混空气喷孔被配置为输出掺混空气吹散贴合于所述主空气喷孔孔壁的预混气。

10、本发明的用于预混气的燃氢喷嘴结构，沿所述主空气喷孔内的气流方向，所述掺混空气喷孔的输出端位于所述预混气喷射通道的输出端的下游。

11、本发明的用于预混气的燃氢喷嘴结构，所述掺混空气喷孔输出端的掺混空气输出路径与对应所述主空气喷孔轴线的夹角为α，α≥45°。

12、本发明的用于预混气的燃氢喷嘴结构，还包括若干冷却空气孔组，与所述主空气喷孔一一对应；每一所述冷却空气孔组均包括若干冷却空气喷孔，所述冷却空气喷孔的输出端设置于所述燃烧端并环绕对应所述主空气喷孔布置；每一所述冷却空气喷孔的输入端均连通所述二次空气腔，所述冷却空气喷孔的输出端被配置为朝向对应所述主空气喷孔输出冷却空气。

13、本发明的用于预混气的燃氢喷嘴结构，所述冷却空气喷孔输出端的冷却空气输出路径与对应所述主空气喷孔轴线的夹角为β，75°≥β≥15°。

14、本发明的用于预混气的燃氢喷嘴结构，所述预混气喷射通道的直径小于等于1mm，且所述预混气喷射通道内的预混气的流速大于等于100m/s。

15、本发明的用于预混气的燃氢喷嘴结构，所述二次空气腔的输入端为开设于所述空气端的中心进气通道、外侧环形进气通道和至少一个中间弧形进气通道组；

16、所述中心进气通道的轴线与所述燃氢喷嘴本体的轴线同线，且所述中心进气通道布置于最内侧的所述空气喷孔环组之内；

17、所述外侧环形进气通道的轴线与所述燃氢喷嘴本体的轴线同线，且所述外侧环形进气通道环绕最外侧的空气喷孔环组布置；

18、所述中间弧形进气通道组分别一一布置于相邻两个空气喷孔环组之间，所述中间弧形进气通道组包括若干中间弧形进气通道，且若干所述中间弧形进气通道沿周向间隔布置。

19、本发明的用于预混气的燃氢喷嘴结构，所述预混气腔的输入端包括预混气均压室和若干预混气分配管；

20、所述预混气均压室的输入端用于连接外部预混气供给装置；所述预混气分配管的输入端连通于所述预混气均压室，所述预混气分配管的输出端连通于所述预混气腔；

21、其中，所述预混气分配管的数量与所述中间弧形进气通道相匹配，且相邻所述中间弧形进气通道之间均设有所述预混气分配管的输出端。

22、本发明的用于预混气的燃氢喷嘴结构，所述预混气喷射通道输出端的预混气输出路径垂直于所述主空气喷孔的轴线。

23、本发明的一种燃氢喷嘴装置，包括上述任意一项所述的用于预混气的燃氢喷嘴结构；

24、还包括空气供应管路、氢气供应管路、氢气空气混合三通、压力计、温度计、组分在线分析仪和阻火器；

25、所述空气供应管路的输出端和所述氢气供应管路分别连接所述氢气空气混合三通的两个输入端，所述氢气空气混合三通的输出端通过输出管路连接所述阻火器，所述阻火器的输出端与所述预混气腔的输入端连通；

26、所述压力计、所述温度计、所述组分在线分析仪分别布置于所述输出管路。

27、本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

28、本发明一实施例通过在燃氢喷嘴本体上设置若干主空气喷孔，并在燃氢喷嘴本体内分别设置预混气腔、二次空气腔、若干预混气喷射通道和若干掺混空气喷孔；预混气喷射通道设置为输入端连通预混气腔，输出端分别环绕各个主空气喷孔设置；掺混空气喷孔设置为输入端连通二次空气腔，输出端分别环绕各个主空气喷孔设置。将燃料改为氢气与空气的预混气，然后替代氢气再参与短混合距离的交叉射流火焰中，配合掺混风的使用，可以实现快速混合、降低火焰传播速度、减少压损、提高系统效率等，且具有低成本的特点，从而安全经济高效地降低氮氧化物排放，解决了现有预混技术在氢气燃烧领域中存在压损大以及无法完全解决回火而达到本质性安全的问题。