一种旋流微混喷嘴的制作方法

本发明涉及航空发动机、燃气轮机及燃烧加热器清洁燃烧，尤其适用于空气与燃料燃烧产生高温燃气的机械装置。

背景技术：

1、在航空发动机、燃气轮机及燃烧加热器燃烧技术领域，为降低氮氧化物排放，采用燃料和氧化剂预先混合的方式，形成稀相可燃混气，以预混燃烧模式燃烧，减少氮氧化物生成与排放。

2、随着国家对温室气体排放的日益重视，明确提出了着力推进清洁能源燃烧技术的发展，航空发动机、燃气轮机和燃烧加热器作为能源领域重要装备，除了要降低氮氧化物排放，对碳排放也提出了更高的要求，为了降低碳排放量，用于航空发动机、燃气轮机和燃烧加热器的航空煤油和天然气等碳氢燃料已无法满足要求，需要采用含碳量较低或者不含碳的新型燃料替代传统碳氢燃料，氢气作为新型清洁燃料，与空气燃烧后的产物为水，成为理想的零碳排放燃料。

3、氢气与航空煤油、天然气等碳氢燃料相比，燃烧特性有较大差别，火焰传播速度更快、绝热火焰温度更高、采用传统的以航空煤油和天然气为燃料的预混喷嘴设计方法，容易发生回火、不稳定燃烧、以及氮氧化物排放较高等问题。

4、采用微混喷嘴组织燃烧，通过减小燃料与空气的混合尺度，缩短火焰长度，减少氮氧化物生成时间，降低氮氧化物的排放。目前国内外在研或中试的微混喷嘴主要有两种类型，一种是采用同轴射流或交叉射流的混合方式，没有设计空气和燃料的旋流混合结构，一方面，其受空气速度变化的影响较大，导致工作范围较窄、火焰稳定性较差，另一方面，燃料与空气混合效果不够理想，火焰长度较长，导致氮氧化物生成时间较长，氮氧化物排放难以得到有效控制；另一种是采用空气和燃料旋流混合结构，在空气与燃料混合空间内存在低流速区域，在点火瞬间或者燃烧压力脉动较大时，火焰在逆压力梯度作用下，容易通过喷嘴出口的节流喉道，反向进入空气与燃料混合空间，并在低流速区域内驻定火焰，导致喷嘴烧蚀。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种旋流微混喷嘴，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体设置空气进口和燃料进口，空气由所述空气进口进入环形通道，所述环形通道内设置旋流装置，空气流过所述旋流装置后，产生切向速度，通过收缩通道进入燃料与空气混合区域，燃料由所述燃料进口进入燃料通道，并在燃料通道出口流出，进入所述燃料与空气混合区域，所述燃料与空气混合区域为收缩通道，空气与燃料在所述燃料与空气混合区域进行充分混合后，形成混合均匀的可燃气体，之后进入流出通道，由所述旋流微混喷嘴出口流出，在所述旋流微混喷嘴下游形成低速回流区，火焰前锋在所述低速回流区内驻定，形成稳定的燃烧火焰。所述燃料与空气混合区域与所述流出通道的交接处为节流喉道，所述节流喉道用于控制所述空气与燃料混合物的流动速度，防止回火发生。

2、本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中空气通过环形通道进入旋流装置，产生切向速度后进入收缩通道，并在收缩通道内与轴向高速喷射的燃料混合，一方面采用旋流混合模式，强化了空气与燃料的混合效果，缩短了空气与燃料的混合距离与混合时间，避免了高浓度燃料区域所导致的局部热力型氮氧化物的生成，同时缩短了火焰长度，通过减少氮氧化物的生成时间，有效降低当氧化物的排放；另一方面在气动上消除了局部低速回流区的出现，可有效防止点火瞬间或燃烧压力脉动较大时，火焰在逆压力梯度作用下，通过喉道进入喷嘴预混通道内部，并在低流速区域驻定，烧蚀喷嘴；再者旋流空气在离心力作用下，紧贴收扩通道内壁面，燃料被包裹在旋流空气内部，微混喷嘴内壁通道近壁面区域燃料浓度较低，不易发生燃烧反应，可有效防止喷嘴内壁通道壁面高温烧蚀；最后可燃混气出口采用锐边设计，可防止微混喷嘴出口位置形成钝体驻定火焰，烧蚀喷嘴。

技术特征：

1.一种旋流微混喷嘴，其特征在于，一种旋流微混喷嘴，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体设置空气进口和燃料进口，空气由所述空气进口进入环形通道，所述环形通道内设置旋流装置，空气流过所述旋流装置后，产生切向速度，通过收缩通道进入燃料与空气混合区域，燃料由所述燃料进口进入燃料通道，并在燃料通道出口流出，进入所述燃料与空气混合区域，所述燃料与空气混合区域为收缩通道，空气与燃料在所述燃料与空气混合区域进行充分混合后，形成混合均匀的可燃气体，之后进入流出通道，由所述旋流微混喷嘴出口流出，在所述旋流微混喷嘴下游形成低速回流区，火焰前锋在所述低速回流区内驻定，形成稳定的燃烧火焰。所述燃料与空气混合区域与所述流出通道的交接处为节流喉道，所述节流喉道用于控制所述空气与燃料混合物的流动速度，防止回火发生。

2.根据权利要求1所述的一种旋流微混喷嘴，其特征在于，所述空气进气口为环形进气口、单排圆孔、多排圆孔、单排椭圆孔、多排椭圆孔、单排矩形孔、多排矩形孔、单排三角形孔、多排三角形孔中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种旋流微混喷嘴，其特征在于，所述空气进气环形通道内设置旋流装置，旋流装置为直叶片、斜切圆孔、斜切矩形孔中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种旋流微混喷嘴，其特征在于，所述旋流装置出口端为收缩通道，收缩通道末端为节流喉道。

5.根据权利要求1所述的一种旋流微混喷嘴，其特征在于，所述燃料进口位于喷嘴底部，燃料通道为直通道，通道末端为锐边，位于所述收缩通道内。

6.根据权利要求1所述的一种旋流微混喷嘴，其特征在于，所述节流喉道为锐边或曲面。

7.根据权利要求1所述的一种旋流微混喷嘴，其特征在于，所述流出通道为锥形通道或直通道。

8.根据权利要求1所述的一种旋流微混喷嘴，其特征在于，所述可燃混气出口的通道外侧壁面为锥面或柱面。

技术总结本发明公开了一种旋流微混喷嘴，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体设置空气进口和燃料进口，空气由所述空气进口进入环形通道，所述环形通道内设置旋流装置，空气流过所述旋流装置后，产生切向速度，通过收缩通道进入燃料与空气混合区域，燃料由所述燃料进口进入燃料通道，并在燃料通道出口流出，进入所述燃料与空气混合区域，所述燃料与空气混合区域为收缩通道，空气与燃料在所述燃料与空气混合区域进行充分混合后，形成混合均匀的可燃气体，之后进入流出通道，由所述旋流微混喷嘴出口流出，在所述旋流微混喷嘴下游形成低速回流区，火焰前锋在所述低速回流区内驻定，形成稳定的燃烧火焰。所述燃料与空气混合区域与所述流出通道的交接处为节流喉道，所述节流喉道用于控制所述空气与燃料混合物的流动速度，防止回火发生。技术研发人员：袁燕受保护的技术使用者：四川热源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/27