用于注入二氢和空气的装置的制作方法

本文涉及涡轮机，通过单独注入二氢和空气对所述涡轮机的燃烧室进行供应。

背景技术：

1、航空领域正面临重要的环境挑战。对利用使用二氢代替使用煤油进行的燃烧的关注越来越多，因为这种二氢燃烧可以避免二氧化碳(co2)以及例如一氧化碳、未燃尽的碳氢化合物乃至精细颗粒和烟雾颗粒等碳污染物的排放。

2、燃烧器将空气和二氢微量混合的原理是已知的。然而，这样的燃烧器不能保证穿孔壁的热强度，或者不能保证二氢注入装置中不存在回火。这些燃烧器的几何系统也很复杂。这样的燃烧器实施成本高、载量损失大，且这些燃烧器特定针对给定的燃烧室架构。

3、实际上，二氢燃烧会导致各种问题。因此，对于以二氢和空气的混合物操作的系统来说，可能发生注入装置中回火的风险。这可能损坏燃烧室并引发严重的安全问题。最后，二氢的燃烧在此燃烧室的壁上生成高的热负荷，这往往会缩短寿命。产生了较高的气体温度和氮氧化物排放。这些气体温度和氮氧化物排放高于同等浓度下煤油火焰所产生的气体温度和氮氧化物排放。事实上，这很难与当前标准兼容。

技术实现思路

1、本文涉及二氢注入装置，其具有纵向轴线，其用于安装在涡轮机的环形燃烧室的环形底部上，其包括用于二氢循环的内部通道和用于至少包括空气的混合物的循环的外部环形通道，其中所述内部通道和所述外部环形通道是同轴的，内部涡流器容纳于内部通道中且外部涡流器容纳于外部环形通道中，且其中内部通道的下游端布置在外部环形通道的下游端的上游距离r处。

2、此装置用以产生可以在涡轮机中使用的二氢/空气火焰，其用以产生低水平的氮氧化物排放，使燃烧腔室和注入器上的热负荷减小，并且还消除火焰回火的风险。此外，此注入器具有生产简单并且还容易适应现有的以煤油操作的涡轮机的特定特征。

3、一般来说，涡流器用以使流旋转。将内部涡流器并入在内部通道中用以在通过所述内部通道的二氢流中形成再循环区，且避免空气和二氢混合物的燃烧稳定在内部通道的下游端上。再循环区应理解成表示内部具有低压力的生成离心力的区，其能够在流中产生相比于流的主方向平均为负的轴向速度分量。此再循环区类似于其中抽吸空气的涡旋内部生成的再循环区。内部再循环区阻挡沿着所述内部通道的纵向轴线的二氢流的部分，从而相比于具有均一轴向排放速度的流在内部通道的出口区段中在内部通道的壁附近生成明显过大的速度。使二氢在内部通道中旋转可以通过利用空气动力学使火焰稳定在内部通道上方来避免火焰卡在内部通道的下游端上。因为内部通道的下游端布置在距上游距离r处，所以这更加避免了火焰卡在内部通道的唇部上。使二氢从内部通道旋转避免放置用于二氢注入装置的复杂冷却装置。以此方式，二氢注入装置的成本和重量得以改进。相比于现有技术中使用煤油的其它液体注入装置，此二氢注入装置产生有限的载量损失。此二氢注入装置具有简单的几何结构、较低的实施成本。

4、火焰的此远程稳定使得更容易将至少含有空气的混合物与从火焰向上游离开内部通道的二氢部分地混合，且避免任何回火风险。这使得有可能克服燃烧室中二氢的燃烧贫乏。因此，此装置趋向于极大地降低燃烧温度及减少排放的氮氧化物。这保证了燃烧位点的完整性。

5、内部通道的下游端从外部环形通道的下游端向上游定位在图2上标记为r的距离处满足了两个功能。这可以优化二氢和空气的混合物。这还可以扩大操作范围，其中通过相对于火焰的空气动力学稳定区往回牵拉中心二氢引入区来使火焰分离。

6、内部通道可以是中心管状通道。

7、至少内部通道的内部涡流器可具有螺旋形状。

8、此螺旋形状用以改进通过内部涡流器的二氢流的空气动力学。

9、内部涡流器可沿着纵向轴线从外部涡流器向下游布置。

10、由内部通道的内部涡流器生成的旋转速率s可大于或等于0.6，所述旋转速率s定义为切向速度与沿着离开内部涡流器的二氢流的纵向轴线的排放速度之间的比率。

11、旋转速率s(其为无因次数)的这些值用以实现从内部通道释放的相对于纵向轴线旋转的火焰。

12、内部通道的内部涡流器可布置在内部通道的下游端的上游距离l处。

13、内部通道可具有内径d，且外部环形通道可具有内径d，使得比率d/d介于3和10之间。

14、此优化的比率d/d允许贫乏二氢范围中的操作。

15、内部通道的壁的厚度e使得比率e/d可介于0.05和0.7之间。

16、比率l/d可介于1和3之间。

17、最小距离lmin等于1d，使得中心再循环区进入到内部通道中。l/d的选定范围可以获得良好的折衷以及对于适当地旋转火焰足够的旋转速率s。

18、距离r可介于0.05d和0.5d之间。

19、存在距离r的最佳值，其取决于外部通道的直径d。如果此距离r太长，则再循环区会变得不稳定。为r选定的值范围经优化以便获得稳定的再循环区。

20、相比于外部环形通道的下游端的此距离r用以增大操作范围，其中通过相对于火焰的空气动力学稳定区往回移动二氢引入区来使火焰分离。

21、外部环形通道的外部涡流器可布置在所述外部环形通道的上游端附近，距外部环形通道的下游端距离l。

22、距离l可介于1d和5d之间。

23、旋转速率s可大于0.6；其中内部通道中的二氢排放速度ui大于临界值ui.c且满足以下关系：

24、

25、其中：

26、-p是环形燃烧室中的压力；

27、-ta是外部通道中的空气温度(以开尔文计)；

28、-β介于1和1.5之间，是取决于所使用的涡流器类型的因数；

29、-s0＝0.6，p0＝1巴，ta0＝300k且ui,c0＝18m/s。

30、此临界值ui,c用以确保，形成于注入装置的出口上的火焰与内部通道的下游端分离以实现宽范围的引擎操作。

31、混合物可以是空气。

32、本文涉及一种包括前述类型的装置的组合件，其中以流体方式连接到二氢供应构件的内部通道包括被配置成用于旋转所述二氢的内部涡流器，且以流体方式连接空气供应构件的外部环形通道包括被配置成用于旋转所述空气的外部涡流器。

技术特征：

1.二氢注入装置(2)，其具有纵向轴线(x)，其用于安装在涡轮机(1)的环形燃烧室(4)的环形底部上，其包括用于二氢循环的内部通道(6)和用于至少包括空气的混合物的循环的外部环形通道(8)，其中所述内部通道(6)和所述外部环形通道(8)是同轴的，内部涡流器(14)容纳于所述内部通道(6)中且外部涡流器(28)容纳于所述外部环形通道(8)中，且其中所述内部通道(6)的下游端(16)布置在所述外部环形通道(8)的下游端(24)的上游距离r处。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内部通道(6)是中心管状通道。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述内部通道(6)的至少所述内部涡流器(14)具有螺旋形状。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述内部涡流器(14)沿着所述纵向轴线布置在所述外部涡流器(28)的下游。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，由所述内部通道(6)的内部涡流器(14)生成的旋转速率s大于或等于0.6，所述旋转速率s定义为切向速度与沿着离开所述内部涡流器(14)的二氢流的纵向轴线的排放速度之间的比率。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述内部通道(6)的内部涡流器(14)布置在所述内部通道(6)的下游端(16)的上游距离l处。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述内部通道(6)的壁的厚度e和所述内部通道(6)的内径d使得比率e/d介于0.05和0.7之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述内部通道(6)具有内径d且所述外部环形通道(8)具有内径d，使得比率d/d介于3和10之间。

9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，比率l/d介于1和3之间。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述距离r介于0.05d和0.5d之间。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述外部环形通道(8)的外部涡流器(28)布置在所述外部环形通道(8)的上游端(30)附近，距所述外部环形通道(8)的下游端(24)距离l。

12.根据权利要求8或11所述的装置，其特征在于，所述距离l介于1d和5d之间。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述旋转速率s大于0.6；其中所述内部通道中的二氢排放速度ui大于临界值ui.c且满足以下关系：

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述混合物为空气。

15.包括根据前述权利要求中任一项所述的装置的组合件，其中以流体方式连接到二氢供应构件的内部通道(6)包括被配置成用于旋转所述二氢的内部涡流器(14)，且以流体方式连接到空气供应构件的外部环形通道(8)包括被配置成用于旋转所述空气的外部涡流器(28)。

技术总结本文涉及二氢注入装置(2)，其具有纵向轴线(X)，其用于安装在涡轮机的环形燃烧室(4)的环形底部上，其包括用于二氢循环的内部通道(6)和用于至少包括空气的混合物的循环的外部环形通道(8)，其中所述内部通道(6)和所述外部环形通道(8)是同轴的，内部涡流器(14)容纳于所述内部通道(6)中且外部涡流器(28)容纳于所述外部环形通道(8)中，且其中所述内部通道(6)的下游端(16)布置在所述外部环形通道(8)的下游端(24)的上游距离r处。通过这种二氢燃烧，排除例如一氧化碳、未燃尽的碳氢化合物乃至精细颗粒和烟雾颗粒等污染碳排放。技术研发人员：斯泰凡·拉斐尔·伊维斯·理查德,克里斯托菲·尼库拉斯·亨里·维古伊厄,西尔万·马拉高,西埃里·斯丘勒受保护的技术使用者：国家科学研究中心技术研发日：技术公布日：2024/7/9