一种氢气和空气快速预混管结构的制作方法

1.本发明涉及氢气预混技术领域，尤其是一种氢气和空气快速预混管结构。


背景技术：

2.针对日益严重的酸雨、光化学烟雾、全球变暖等气候问题，低氮、低碳排放成为当前世界各国环境保护的首要目标。目前传统化石燃料含碳量高，不能满足低碳排放需求。氢气作为一种新型绿色能源，其与氧气的反应产物为水或水蒸气，具有宽适燃、高热值和零碳排放的优势，是非常具有发展潜力的燃料，尤其是在航空发动机及地面燃气轮机领域。
3.因氢气密度低、流动动量小，使用传统的横向氢气射流的方式难以在较短的流动距离内，将氢气和空气进行完全混合。现有的氢气和空气的混合结构体积大、混合距离长、混合效果较差，并且难以保证出口速度分布的均匀性。如直接应用在现有的以氢气为燃料的地面燃气轮机或航空发动机上，会导致火焰中局部当量比高，出现局部热点，使得nox排放高，并且有可能发生回火现象，烧毁燃料供给系统。


技术实现要素：

4.本技术针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种氢气和空气快速预混管结构，能够在极短的流动距离内完成大动量的空气流横向冲击小动量的氢气流，能够大幅提高大动量空气对小动量氢气的穿透深度，从而提高空气与氢气的混合均匀度，混合均匀度最高能够达到94％。
5.本发明所采用的技术方案如下：一种氢气和空气快速预混管结构，包括预混管管体，所述预混管管体内设置上下贯通的预混腔，预混管管体两端分别为进口端和出口端，预混管管体的进口端设置氢气供给板，所述氢气供给板上设置至少一个氢气射流孔；预混管管体侧壁上沿轴向设置多个空气射流孔组，每个所述空气射流孔组包括多个沿着预混管管体圆周方向分布的空气射流孔。
6.进一步的，氢气供给板和预混管管体一体成型。
7.进一步的，预混管管体的出口端设置收缩喷口，收缩喷口的横截面尺寸从进口端向出口端由大变小。
8.进一步的，氢气射流孔与预混管管体的轴线呈一夹角α，α角度范围为-60
°
~60
°
。
9.进一步的，氢气射流孔与预混管管体的轴线平行。
10.进一步的，空气射流孔的中心线与预混管管体的轴线之间具有一个偏置距离a，该偏置距离a能够为空气射流引入切向动量。
11.进一步的，相邻两个空气射流孔组的空气射流孔形成的空气射流旋向相反。
12.进一步的，预混管管体侧壁上沿轴向等距设置四个空气射流孔组，四个空气射流孔组中沿预混气体流动方向的第一空气射流孔组和第二个空气射流孔组均包括两个长圆形结构的空气射流孔，第一空气射流孔组的空气射流孔和第二个空气射流孔组的空气射流
孔在圆周方向上交错分布。
13.进一步的，四个空气射流孔组中沿预混气体流动方向的第三空气射流孔组和第四空气射流孔组均包括四个圆形结构的空气射流孔，第三空气射流孔组和第四空气射流孔组的空气射流孔在圆周方向上交错分布。
14.进一步的，第三空气射流孔组和第四空气射流孔组的空气射流孔与预混管管体的轴线平行。
15.本发明的有益效果如下：本发明能够在极短的流动距离内完成大动量的空气流横向冲击小动量的氢气流，能够大幅提高大动量空气对小动量氢气的穿透深度，从而提高空气与氢气的混合均匀度，混合均匀度最高能够达到94％，从而消除燃烧室内由混合不均匀燃烧导致的局部热点，实现氢气的低氮燃烧，降低以氢气为燃料的燃烧室的nox排放，同时可避免回火现象；本发明在预混腔出口端设置喷口收缩段，在预混腔内混合好的气体通过喷口收缩段进行整流，保证从预混管出口端出来的混合气流动速度均匀。
附图说明
16.图1为本发明实施例一立体图。
17.图2为本发明实施例一半剖图。
18.图3为本发明实施例二立体图。
19.图4为本发明实施例二半剖图。
20.图5为图4中a-a剖视图。
21.图6为图4中b-b剖视图。
22.图7为本发明实施例三主视图。
23.图8为图7中c-c剖视图。
24.图9为图7中d-d剖视图。
25.图10为图7中e-e剖视图。
26.其中：1、预混管管体；2、氢气供给板；3、氢气射流孔；4、空气射流孔； 6、预混腔；7、收缩喷口。
具体实施方式
27.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
实施例一：
28.如图1和图2所示，一种氢气和空气快速预混管结构包括长圆筒结构的预混管管体1，预混管管体1内设置上下贯通的预混腔6，氢气和空气在预混腔6内进行均匀混合。
29.如图1和图2所示，预混管管体1横截面为圆形，预混管管体1的内径d
in
范围为3mm~30mm，预混管管体1的外径d
out
范围在d
in
上增加1 mm ~8mm，预混管管体1的长度l范围为10 mm ~100mm。
30.根据实际需要，预混管管体1横截面也可以是矩形、菱形、六边形、三角形、椭圆形、长圆形和拱形。
31.如图1和图2所示，预混管管体1两端分别为进口端和出口端，预混管管体1的进口端设置氢气供给板2，氢气供给板2和预混管管体1一体成型。氢气供给板2上设置四个氢气射流孔3，四个氢气射流孔3沿着圆周方向均匀分布。外部氢气通过四个氢气射流孔3射入预混腔6中与空气混合。
32.如图2所示，氢气射流孔3为等截面斜孔，氢气射流孔3的横截面为圆形，氢气射流孔3的直径d
h2
范围为0.5mm~5mm，氢气射流孔3与预混管管体1的轴线呈一夹角α，α角度范围为-60
°
~60
°
，氢气射流孔3内射入预混腔6的氢气流速度范围为100 m/s ~500m/s。
33.根据实际需要，氢气射流孔3也可以为横截面面积逐渐变化的收缩孔或扩张孔，氢气射流孔3的横截面形状可以是矩形、菱形、六边形、三角形、椭圆形、长圆形或拱形。
34.如图1和图2所示，预混管管体1侧壁上沿轴向等距设置四个空气射流孔组，每个空气射流孔组包括多个沿着预混管管体1圆周方向等距分布的空气射流孔4。空气射流孔4的中心线与预混管管体1的轴线相交。
35.如图1和图2所示，空气射流孔4的横截面为四边形，空气射流孔4的长度l
air
尺寸范围为1mm ~20mm，空气射流孔4的宽度w
air
尺寸范围为0.5 mm ~15mm。空气射流孔4的长度所在方向与预混管管体1的轴线平行。空气射流孔4内射入预混腔6的空气流速度范围为10m/s ~100m/s。
36.根据实际需要，空气射流孔4的长度所在方向也可与预混管管体1的轴线垂直。
37.如图2所示，预混管管体1的出口端设置收缩喷口7，收缩喷口7的横截面尺寸从进口端向出口端由大变小。收缩喷口7的内壁面纵剖面形状为曲线段。收缩喷口7能够对混合气进行整流，保证出口端出来的混合气流速度均匀。
38.根据实际需要，收缩喷口7的内壁面纵剖面形状也可以为直线段。
39.在使用时，氢气由氢气射流孔3进入预混腔6中，空气由位于预混管管体1的多个空气射流孔4进入预混管；氢气和空气在预混腔6内通过质量交换、动量交换进行快速混合，大动量的空气流横向冲击小动量的氢气流，能够大幅提高大动量空气对小动量氢气的穿透深度，从而提高空气与氢气的混合均匀度，混合均匀度相比现有技术能够大幅提高。混合气体经过收缩喷口7的整流作用，将速度整流为均匀流动，从与预混管同轴的出口喷出。
实施例二：
40.如图3和图4所示，一种氢气和空气快速预混管结构包括长圆筒结构的预混管管体1，预混管管体1内设置上下贯通的预混腔6，氢气和空气在预混腔6内进行均匀混合。
41.如图3和图4所示，预混管管体1横截面为圆形，预混管管体1的内径d
in
范围为3mm~30mm，预混管管体1的外径d
out
范围在d
in
上增加1 mm ~8mm，预混管管体1的长度l范围为10 mm ~100mm。
42.根据实际需要，预混管管体1横截面也可以是矩形、菱形、六边形、三角形、椭圆形、长圆形和拱形。
43.如图3和图4所示，预混管管体1两端分别为进口端和出口端，预混管管体1的进口端设置氢气供给板2，氢气供给板2和预混管管体1一体成型。氢气供给板2中心位置设置氢气射流孔3，外部氢气通过氢气射流孔3射入预混腔6中与空气混合。
44.如图4所示，氢气射流孔3为等截面直孔，氢气射流孔3的横截面为圆形，氢气射流
孔3的直径d
h2
范围为0.5mm~5mm，氢气射流孔3与预混管管体1的轴线平行，氢气射流孔3内射入预混腔6的氢气流速度范围为100 m/s ~500m/s。
45.根据实际需要，氢气射流孔3也可以为横截面面积逐渐变化的收缩孔或扩张孔，氢气射流孔3的横截面形状可以是矩形、菱形、六边形、三角形、椭圆形、长圆形或拱形。
46.如图3和图4所示，预混管管体1侧壁上沿轴向等距设置四个空气射流孔组，每个空气射流孔组包括多个沿着预混管管体1圆周方向等距分布的空气射流孔4。
47.如图5和图6所示，空气射流孔4的中心线与预混管管体1的轴线之间具有一个偏置距离a，该偏置距离a能够为空气射流引入切向动量，提高空气和氢气混合效果。偏置距离a的范围为0mm~0.9dimm。相邻两个空气射流孔组的空气射流孔4形成的空气射流旋向相反，使得进入预混腔6的空气形成湍流，提高空气和氢气的混合效果，混合均匀度能够提高到90％。
48.如图3和图4所示，空气射流孔4的横截面为四边形，空气射流孔4的长度l
air
尺寸范围为1mm ~20mm，空气射流孔4的宽度w
air
尺寸范围为0.5 mm ~15mm。空气射流孔4的长度所在方向与预混管管体1的轴线平行。空气射流孔4内射入预混腔6的空气流速度范围为10m/s ~100m/s。
49.根据实际需要，空气射流孔4的长度所在方向也可与预混管管体1的轴线垂直。
50.如图4所示，预混管管体1的出口端设置收缩喷口7，收缩喷口7的横截面尺寸从进口端向出口端由大变小。收缩喷口7的内壁面纵剖面形状为曲线段。收缩喷口7能够对混合气进行整流，保证出口端出来的混合气流速度均匀。
51.根据实际需要，收缩喷口7的内壁面纵剖面形状也可以为直线段。
实施例三：
52.如图7所示，一种氢气和空气快速预混管结构包括长圆筒结构的预混管管体1，预混管管体1内设置上下贯通的预混腔6，氢气和空气在预混腔6内进行均匀混合。
53.如图7所示，预混管管体1两端分别为进口端和出口端，预混管管体1的进口端设置氢气供给板2，氢气供给板2和预混管管体1一体成型。氢气供给板2上设置四个氢气射流孔3，四个氢气射流孔3沿着圆周方向均匀分布。外部氢气通过四个氢气射流孔3射入预混腔6中与空气混合。
54.如图7和图8所示，预混管管体1侧壁上沿轴向等距设置四个空气射流孔组，四个空气射流孔组中沿预混气体流动方向的第一空气射流孔组和第二个空气射流孔组均包括两个长圆形结构的空气射流孔4，第一空气射流孔组的空气射流孔4和第二个空气射流孔组的空气射流孔4在圆周方向上交错分布。
55.如图7、图9和图10所示，四个空气射流孔组中沿预混气体流动方向的第三空气射流孔组和第四空气射流孔组均包括四个圆形结构的空气射流孔4，第三空气射流孔组和第四空气射流孔组的空气射流孔4在圆周方向上交错分布。第三空气射流孔组和第四空气射流孔组的空气射流孔4与预混管管体1的轴线平行。
56.本实施例能够将空气和氢气的混合均匀度提高到94％。
57.本发明的工作原理是：在进行氢气和空气预混时，氢气由与预混管管体1同轴平行或与预混管管体1轴线呈一定角度的一个或多个氢气射流孔3高速进入预混腔6中。与此同
时，空气由位于预混管管体1侧壁的空气射流孔4进入预混管管体1；氢气和空气在预混管内通过质量交换、动量交换进行快速混合，大动量的空气流横向冲击小动量的氢气流，能够大幅提高大动量空气对小动量氢气的穿透深度，从而提高空气与氢气的混合均匀度，混合均匀度最高能够达到94％，从而消除燃烧室内由混合不均匀燃烧导致的局部热点，实现氢气的低氮燃烧，降低以氢气为燃料的燃烧室的nox排放，同时可避免回火现象；本发明在预混腔6出口端设置喷口收缩段，在预混腔6内混合好的气体通过喷口收缩段进行整流，保证从预混管出口端出来的混合气流动速度均匀。本发明的预混管可按照一定规律进行排列，形成管束，从而实现更大的预混气流量。
58.以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

技术特征：
1.一种氢气和空气快速预混管结构，包括预混管管体（1），其特征在于：所述预混管管体（1）内设置上下贯通的预混腔（6），预混管管体（1）两端分别为进口端和出口端，预混管管体（1）的进口端设置氢气供给板（2），所述氢气供给板（2）上设置至少一个氢气射流孔（3）；预混管管体（1）侧壁上沿轴向设置多个空气射流孔组，每个所述空气射流孔组包括多个沿着预混管管体（1）圆周方向分布的空气射流孔（4）。2.如权利要求1所述的一种氢气和空气快速预混管结构，其特征在于：所述氢气供给板（2）和预混管管体（1）一体成型。3.如权利要求1所述的一种氢气和空气快速预混管结构，其特征在于：所述预混管管体（1）的出口端设置收缩喷口（7），收缩喷口（7）的横截面尺寸从进口端向出口端由大变小。4.如权利要求3所述的一种氢气和空气快速预混管结构，其特征在于：所述氢气射流孔（3）与预混管管体（1）的轴线呈一夹角α，α角度范围为-60
°
~60
°
。5.如权利要求3所述的一种氢气和空气快速预混管结构，其特征在于：所述氢气射流孔（3）与预混管管体（1）的轴线平行。6.如权利要求3所述的一种氢气和空气快速预混管结构，其特征在于：所述空气射流孔（4）的中心线与预混管管体（1）的轴线之间具有一个偏置距离a，该偏置距离a能够为空气射流引入切向动量。7.如权利要求6所述的一种氢气和空气快速预混管结构，其特征在于：相邻两个空气射流孔组的空气射流孔（4）形成的空气射流旋向相反。8.如权利要求3所述的一种氢气和空气快速预混管结构，其特征在于：所述预混管管体（1）侧壁上沿轴向等距设置四个空气射流孔组，四个空气射流孔组中沿预混气体流动方向的第一空气射流孔组和第二个空气射流孔组均包括两个长圆形结构的空气射流孔（4），第一空气射流孔组的空气射流孔（4）和第二个空气射流孔组的空气射流孔（4）在圆周方向上交错分布。9.如权利要求8所述的一种氢气和空气快速预混管结构，其特征在于：所述四个空气射流孔组中沿预混气体流动方向的第三空气射流孔组和第四空气射流孔组均包括四个圆形结构的空气射流孔（4），第三空气射流孔组和第四空气射流孔组的空气射流孔（4）在圆周方向上交错分布。10.如权利要求9所述的一种氢气和空气快速预混管结构，其特征在于：所述第三空气射流孔组和第四空气射流孔组的空气射流孔（4）与预混管管体（1）的轴线平行。

技术总结
本发明涉及氢气预混技术领域，尤其是一种氢气和空气快速预混管结构。其包括预混管管体，所述预混管管体内设置上下贯通的预混腔，预混管管体两端分别为进口端和出口端，预混管管体的进口端设置氢气供给板，所述氢气供给板上设置至少一个氢气射流孔；预混管管体侧壁上沿轴向设置多个空气射流孔组。本发明能够在极短的流动距离内完成大动量的空气流横向冲击小动量的氢气流，能够大幅提高大动量空气对小动量氢气的穿透深度，从而提高空气与氢气的混合均匀度，混合均匀度最高能够达到94％，从而消除燃烧室内由混合不均匀燃烧导致的局部热点，实现氢气的低氮燃烧，降低以氢气为燃料的燃烧室的NOx排放。燃烧室的NOx排放。燃烧室的NOx排放。


技术研发人员：林宇震 王永志
受保护的技术使用者：无锡明阳氢燃动力科技有限公司
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/6/26