一种氨气柴油双燃料旋流雾化喷嘴

本发明属于燃料雾化喷射，具体涉及一种氨气柴油双燃料旋流雾化喷嘴。

背景技术：

1、氨气作为零碳燃料，具有质量储氢密度高、制备技术成熟、液化储运基础设施完备等优势，在全球能源转型背景下被广泛视为替代化石燃料的理想载能介质。在船舶动力系统领域，以氨气为主燃料、柴油为引燃和调峰燃料的氨柴双燃料动力系统，在降低碳排放的同时保留了燃气轮机良好的瞬态响应能力，是当前国内外船舶动力低碳化的重要技术方向。

2、燃料雾化喷嘴是氨柴双燃料燃烧系统的核心功能部件，其核心作用在于将液态柴油破碎为微细液滴并与气态氨气均匀混合，从而为燃烧室提供组分均匀、粒径细小的可燃混合气。雾化液滴的粒径分布、燃料掺混均匀性以及喷射角度直接决定了燃烧室的点火性能、燃烧稳定性及nox等污染物的生成量，对整个动力系统的性能和排放指标具有决定性影响。

3、然而，现有燃料喷嘴技术在应用于氨柴双燃料场景时面临显著的技术瓶颈。第一，氨气为气相燃料，柴油为液相燃料，二者在密度、黏度、表面张力、挥发性等物理化学特性上差异悬殊，传统单流道喷嘴无法在同一流道结构内实现气液两相燃料的独立精准计量与均匀空间掺混，容易出现燃料配比失调和浓度场不均匀的问题。第二，氨气的层流燃烧速度仅约为甲烷的1/5，点火能量需求显著高于传统烃类燃料，对雾化掺混均匀性要求极为苛刻；若氨气与雾化柴油在点火区域分布不均，极易诱发燃烧振荡、熄火甚至未燃氨气泄漏等安全隐患。第三，船舶平台对动力设备的抗冲击性、抗摇摆性及结构紧凑性有严格的船舶动力系统行业标准要求，而现有双燃料喷嘴普遍采用多零件组合式结构，密封界面多、加工公差累积大、可靠性差，且雾化液滴粒径偏大、径向射程分布不均，导致燃烧效率偏低、nox生成量偏高。

4、此外，船舶燃气轮机在全任务剖面内频繁经历启动、低负荷巡航、全速机动等差异显著的工况，氨气与柴油的供给比例需在宽范围内快速动态调节。现有喷嘴缺乏对变工况雾化参数自适应调节的能力，难以在全工况范围内同时保证雾化效果与掺混均匀性，成为制约氨柴双燃料动力系统推广应用的关键技术障碍

5、因此，亟需提供一种氨气柴油双燃料旋流雾化喷嘴，用于解决上述技术问题，是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种氨气柴油双燃料旋流雾化喷嘴，旨在能够解决现有的氨柴双燃料喷嘴雾化掺混效果差、结构可靠性低、变工况适应性弱的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种氨气柴油双燃料旋流雾化喷嘴，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体沿轴线方向依次设置有进气掺混区、旋流加速区、辅助雾化区及喷射区；所述进气掺混区设有若干个氨气入口、空气入口及将所述氨气入口与所述空气入口连通的氨气空气掺混孔；所述旋流加速区设有叶片式旋流器，所述叶片式旋流器的入口与所述氨气空气掺混孔的出口端连通；所述辅助雾化区设有渐缩式环形流道，所述渐缩式环形流道入口与所述叶片式旋流器的出口端连通；所述喷射区包括连接在所述喷嘴本体上的柴油入口、入口端与所述柴油入口连通的中心柴油喷孔，以及，与所述渐缩式环形流道连通的环形氨气空气喷孔；所述环形氨气空气喷孔同轴环绕于所述中心柴油喷孔的外侧，且所述环形氨气空气喷孔的出口端面与所述中心柴油喷孔的出口端面共面。

3、优选地，喷射区设有中心柴油喷孔和环形氨气空气喷孔，中心柴油喷孔位于喷嘴轴线中心，其入口经喷嘴本体内部的柴油流道与柴油入口连通；环形氨气空气喷孔为围绕中心柴油喷孔设置的环形狭缝，与渐缩式环形流道的出口连通，且环形氨气空气喷孔的出口端面与中心柴油喷孔的出口端面共面，经旋流加速后的氨气空气混合气由环形氨气空气喷孔呈旋转射流喷出，对中心柴油喷孔喷出的柱状柴油射流形成同轴包裹剪切。

4、进一步地，每个所述氨气入口均采用圆形截面流道。

5、优选地，氨气入口的数量为3~6个，优选4个，沿喷嘴本体外周呈等角度间隔分布，各氨气入口为圆形截面流道，其通径依据额定工况下的氨气质量流量确定，以维持各通道进口处氨气流速一致。

6、进一步地，所述空气入口沿所述喷嘴本体轴线方向对称设置；所述空气入口内侧设有渐缩导流段。

7、优选地，空气入口的数量优选为2个，关于喷嘴轴线对称设置，且布置于相邻氨气入口之间的角平分线位置；空气入口内侧设有渐缩导流段，空气经渐缩导流段加速后以较高速度射入氨气空气掺混孔，形成对氨气流的横向扰动。

8、进一步地，所述氨气空气掺混孔采用锥形混合腔，所述氨气空气掺混孔锥形混合腔的半锥角为5°~20°，所述氨气空气掺混孔锥形混合腔的轴向长度不小于其最大截面直径的1.5倍。

9、优选地，所述氨气空气掺混孔的锥形混合腔的半锥角设置为5°~20°。本领域技术人员容易理解，在此角度范围内，混合腔既能引导氨气形成良好的定向射流，又能保证足够的驻留时间以促进柴油与氨气的湍流混合。无论是较小的角度（如5°）以增强射流刚性，还是较大的角度（如20°）以扩大混合面积，均落在本发明的预期保护范围内，并能取得良好的雾化效果。

10、进一步地，所述叶片式旋流器的叶片倾角为30°~55°。

11、优选地，旋流器的旋流叶片数量为7~16片，叶片倾角为30°~55°，旋流数满足0.4≤s≤1.2，其中旋流数计算公式为：

12、；

13、其中：为旋流叶片轮毂半径；为旋流叶片叶尖半径；为叶片倾角。

14、进一步地，所述渐缩式环形流道的入口处环形截面的内径与出口处环形截面的内径满足，所述渐缩式环形流道轴向长度与满足。

15、进一步地，所述柴油流道包括一端与所述柴油入口连通，另一端与所述中心柴油喷孔连通的柴油渐缩管道，所述柴油渐缩管道的内径沿流向朝所述中心柴油喷孔方向渐缩；所述中心柴油喷孔的出口端做倒圆角处理。

16、优选地，倒圆半径不小于喷孔直径的10%。

17、进一步地，所述环形氨气空气喷孔的狭缝宽度与中心柴油喷孔直径满足。

18、优选地，在额定工况下，环形氨气空气喷孔出口处的气流速度与中心柴油喷孔出口处的柴油射流速度之比不低于3。

19、进一步地，所述环形氨气空气喷孔上连接有可调节流环。

20、优选地，叶片式旋流器的叶片倾角可调，或所述环形氨气空气喷孔的狭缝宽度通过可调节流环进行调节，以适应柴油与氨气体积供给比在0~100%范围内动态变化的工况需求。

21、进一步地，所述喷嘴本体采用镍基高温合金一体化成型制造。

22、优选地，各流道的内壁面经精密研磨抛光处理，表面粗糙度ra不大于0.8μm；喷嘴本体的外壁面设有减振结构。

23、本发明与现有技术相比的优点在于：

24、1、将气相氨气与液相柴油的喷射路径分离设计，采用中心柴油射流与外层环形旋流气体的同轴剪切雾化机制。外层环形高速旋流氨气空气混合气对中心柴油柱状射流形成360°全包裹剪切，气液相对速度高，剪切动能充足，柴油液柱在剪切力与离心力的协同作用下迅速失稳碎裂，雾化液滴的索特平均直径（smd）相较于传统喷嘴可降低30%以上，雾化粒径分布更均匀，液滴蒸发速率更快，有利于在燃烧室内形成均质可燃混合气；

25、2、进气掺混区的多通道氨气入口和对称式空气入口配合锥形混合腔，实现了氨气与空气在进入旋流器前的充分均匀预混，消除了进口浓度的非均匀性；叶片式旋流器产生的高强度旋流场进一步强化湍流混合，使氨气在整个截面上的分布趋于均匀。均匀的浓度场有效避免了局部富氨区因高温热力型nox的大量生成，同时最大限度地减少了未燃氨气的泄漏排放，具有良好的环境友好性；

26、3、进气掺混区、旋流加速区、辅助雾化区和喷射区整合在单一零件内，消除了多零件组合结构的密封界面与装配公差问题；周向均布的氨气入口与对称式空气入口使喷嘴本体受力均匀，抗振性能优异；镍基合金材料赋予喷嘴优异的耐高温、抗氧化和抗腐蚀性能，配合ra≤0.8μm的精密抛光流道，保证了在高温、高压燃烧环境下长期服役的可靠性，完全满足船舶动力系统行业标准对抗冲击和抗摇摆的要求。