CN102174338A - 小流量、高混合比、无级调节气液混合燃气发生器 - Google Patents

小流量、高混合比、无级调节气液混合燃气发生器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及小流量、高混合比、无级调节气液混合燃气发生器，包括圆混通道、喷头、点火器和身部，喷头设置在圆混通道和身部之间且开口朝向身部，点火器设置在身部内；圆混通道包括与燃料接头相通的燃料通道、与主空气接头相通的主空气通道、与辅助空气接头相通的辅助空气通道。本发明解决了背景技术中存在缺陷的技术问题，本发明提供了一种能够可靠工作，实现大范围的稳定高效燃烧和无级调节的气液混合燃气发生器。

Description

小流量、高混合比、无级调节气液混合燃气发生器
技术领域
本发明涉及一种气液混合燃气发生器。
背景技术
燃气发生器是一种通过氧化剂和燃料按照设计要求的混合比组织燃烧，获得一定压强、温度、流量和马赫数等参数要求的燃气，以实现特定目的的装置。各个国家通过冷试、热试和仿真计算等研究手段，改进燃气发生器结构设计，降低燃气发生器费用，确定燃气发生器的稳定工作范围，使燃气发生器技术得到了快速的发展。例如，某涡轮增压器试验台需要利用燃气发生器产生高温燃气推动涡轮，该燃气发生器的技术要求与指标是：1、燃料是酒精，其中含C2H5OH为96％，氧化剂为空气；2、燃气发生器出口燃气压力为0.1MPa～0.3MPa；3、燃气流量变化范围为0.025kg/s～0.2kg/s，燃气温度为300～950℃，要求所有工况无级调节；4、燃烧稳定，稳定工作时排气温度波动小于10℃，点火启动时不出现高温峰，以免烧坏涡轮。
对于小流量、高混合比、大范围调节的气/液发生器而言，其研制难度一直很大，要实现发生器大范围的可靠稳定运行，必须满足雾化良好、可靠点火和火焰稳定，因此，这种空气/燃料发生器就要达到以下要求：1、燃气总流量变化范围8倍，温度变化范围3倍，并且要求全范围无级调节，高精度流量和温度调节与控制技术；2、小流量控制和测量技术；3、大范围调节的燃烧组织、可靠点火和火焰稳定技术。目前，现有的燃气发生器均不能同时解决上述关键技术，难以满足燃气发生器的技术要求和指标。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能够可靠工作，实现大范围的稳定高效燃烧和无级调节的气液混合燃气发生器。
本发明的技术解决方案是：
一种小流量、高混合比、无级调节气液混合燃气发生器，包括圆混通道、喷头6、点火器8和身部，所述喷头设置在圆混通道和身部之间且开口朝向身部，所述点火器设置在身部内；
其特殊之处在于：
所述圆混通道包括与燃料接头26相通的燃料通道3、与主空气接头28相通的主空气通道2、与辅助空气接头27相通的辅助空气通道4；
所述喷头包括气泡喷嘴和空气喷嘴；所述空气喷嘴包括与空气通道2相通的旋流器5和喉部7；所述气泡喷嘴包括与燃料通道3相通的锥形头15、与辅助空气通道4相通的空气通孔19以及混合室14；所述混合室14的一端面与锥形头15和空气通孔19相通，另一端面设置有多个扩散式周向均布喷孔16；
所述身部包括燃烧室10以及设置在燃烧室10内的火焰筒11，所述喷头6的喷孔16开口于火焰筒11的内底面中心；所述燃烧室10和火焰筒11之间设置有相互隔离的空气主燃通道23和掺混空气通道21；所述火焰筒11内壁上从前至后依次设置有冷却孔18、主燃孔25和掺混孔22；所述冷却孔18和空气主燃通道23与空气喷嘴的喉部7相通，所述掺混空气通道21与燃烧室上的掺混空气接头20相通。
上述喷孔16呈90°夹角周向均匀布置于混合室14端部。
上述燃烧室包括外壁9以及内壁10；所述外壁9和内壁10构成用于身部冷却的水冷通道。
本发明的优点是：
1、本发明所提供的燃气发生器混合比高，具有调节范围宽、燃烧稳定、燃烧效率高、清洁无积炭等优点，解决了大范围无级调节问题。本发明所提供的燃气发生器的雾化结构采取了高效气泡雾化喷头和火焰筒头部配风相结合的雾化结构，低工况时仅依靠气泡雾化就能满足雾化要求，高工况时结合火焰筒头部旋流空气完成液体燃料的二次雾化，在燃料路供应压力较低情况下(0.4～1.2MPa)发生器的调节比能够达到17。混合比变化范围23～91，燃料流量变化范围0.38～6.25g/s，调节比为16.4，实现了发生器的可靠稳定运行，保证了燃料在流量大范围变动时的雾化效果。
2、本发明采用火焰筒进行合理配风，低工况下能够实现稳定点火和运行，高工况下能够调节主燃区混合比和稳定火焰。本发明采用分段进气火焰筒，设计了良好的配气方案及火焰稳定结构，解决了主燃区混合比不均匀和火焰难以稳定等问题。同时本发明采用水冷、风冷相结合的冷却结构，有效保证了发生器的冷却效果，能够实现发生器长时间稳定可靠工作。
3、本发明采取燃料喷头采用气泡雾化形式，结合微小喷孔，能够满足燃料流量大范围变动的雾化要求。本发明燃料从燃料通道进入锥头后，由于截面收缩加速喷入混合室，辅助空气经锥头外环缝高速喷入混合室，气液高速碰撞、混合后形成均匀泡状流，由头部微小的周向喷孔喷出后能够达到很好的雾化效果。本发明的燃气发生器的结构紧凑，结构强度好，可靠性高，具备多次重复使用能力。
附图说明
图1是本发明所提供的燃气发生器结构示意图；
图2是本发明所采用的喷头结构图；
其中：1-圆混通道、2-主空气通道、3-燃料通道、4-辅助空气通道、5-旋流器、6-喷头、7-喉部、8-点火器、9-外壁、10-内壁、11-火焰筒、12-收缩段、13-前通道、14-混合室、15-锥头，16-周向喷孔，18-冷却孔，19-空气通道，20-掺混空气接头，21-掺混通道，22-掺混孔，23-空气主燃通道，25-主燃孔，26-燃料接头，27-辅助空气接头，28-主空气接头。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明提供一种小流量、高混合比、无级调节气液混合燃气发生器，包括圆混通道、喷头6、点火器8和身部，喷头设置在圆混通道和身部之间且开口朝向身部，点火器设置在身部内；圆混通道包括与燃料接头26相通的燃料通道3、与主空气接头28相通的主空气通道2、与辅助空气接头27相通的辅助空气通道4；喷头包括气泡喷嘴和空气喷嘴；空气喷嘴包括与空气通道2相通的旋流器5和喉部7；气泡喷嘴包括与燃料通道3相通的锥形头15、与辅助空气通道4相通的空气通孔19以及混合室14；混合室14的一端面与锥形头15和空气通孔19相通，另一端面设置有多个扩散式周向均布喷孔16；身部包括燃烧室10以及设置在燃烧室10内的火焰筒11，喷头6的喷孔16开口于火焰筒11的内底面中心；燃烧室10和火焰筒11之间设置有相互隔离的空气主燃通道23和掺混空气通道21；火焰筒11内壁上从前至后依次设置有冷却孔18、主燃孔25和掺混孔22；冷却孔18和空气主燃通道23与空气喷嘴的喉部7相通，掺混空气通道21与燃烧室上的掺混空气接头20相通。燃烧室内壁10和火焰筒11之间组成配风通道。火焰筒后为收缩段12，通过截面缩放能够有效均匀气流参数。上述各零件间均采用焊接方式连接。喷嘴和燃烧室材料均采用不锈钢1Cr18Ni9Ti，火焰筒11和收缩段12材料采用高温合金GH3128。喷孔16呈90°夹角周向均匀布置于混合室14端部。燃烧室包括外壁9以及内壁10；外壁9和内壁10构成用于身部冷却的水冷通道。点火器安装在法兰盘上。
燃气发生器工作时，空气分为三路：主空气路(从主空气通道2进入)、辅助空气路(经辅助空气通道4进入)和掺混空气路。辅助空气经前通道13进入气泡雾化喷嘴辅助燃料雾化；主空气经过旋流器5喷出后进入燃烧室；掺混空气在主燃区后端进行掺混。
燃烧室内部增加火焰筒进行空气分配。火焰筒分为前后两部分，中间以隔板分开，前端为冷却孔和主燃孔，后端为掺混孔。低工况时阀门关闭不掺混，保证主燃区混合比在当量比附近，能够实现低工况的稳定点火和运行；高工况时阀门打开进行掺混，既可调节主燃区混合比，又可稳定火焰。
点火器8安装在法兰中，保证了点火位置位于当量混合比附近，能够实现可靠点火；燃烧室外壁9和内壁10之间的冷却通道有效保护了燃烧室内壁面，燃烧室内壁10和火焰筒11之间的空气主燃通道和掺混通道，有效保证了火焰筒和点火器的冷却，能够实现发生器的长时间可靠工作。
如图2所示，本发明的喷头为气-液气泡雾化喷嘴，由前通道13、混合室14和锥头15组成。其中锥头处燃料通道0.5mm，锥头外空气环缝宽度0.15mm，喷孔直径设计为0.3mm，呈90°夹角周向均匀分布，气液比小于1％时就能达到较好的雾化效果。
燃气发生器工作时，燃料由燃料通道3进入喷头6，辅助空气经辅助空气通道4进入喷头6辅助燃料雾化，主空气路经过旋流器5后进入燃烧室，掺混空气路在火焰筒11后端进行掺混。燃烧室内的燃料和空气经火花塞8点火后进行燃烧，生成满足参数要求的燃气。
根据本发明的小流量高混合比大范围调节气液混合燃气发生器，混合比变化范围23～91，燃料流量变化范围0.38～6.25g/s，调节比为16.4，要实现发生器的可靠稳定运行，必须保证燃料在流量大范围变动时的雾化效果。对于机械雾化式喷嘴，根据喷嘴流量与喷注压降的关系，喷嘴压降要高达80MPa才能满足燃料大范围的雾化要求；对于目前常用的喷注单元，如直流离心式气液喷嘴、直流剪切式气液喷嘴以及单组元喷嘴的调节比均低于10，不能达到大范围雾化要求。所述雾化结构创造性的采取了高效气泡雾化喷嘴和火焰筒头部配风相结合的雾化结构，低工况时仅依靠气泡雾化就能满足雾化要求，高工况时结合火焰筒头部旋流空气完成燃料的二次雾化，在燃料路供应压力较低情况下(0.4～1.2MPa)发生器的调节比能够达到17。
本发明原理：燃料喷嘴采用气泡雾化形式，结合微小喷孔，能够满足燃料流量大范围变动的雾化要求。采用火焰筒进行合理配风，低工况下能够实现稳定点火和运行，高工况下能够调节主燃区混合比和稳定火焰。并结合水冷和风冷结构，有效保证了发生器零部件的可靠冷却。
本发明燃气发生器可以应用于其它地面试验系统，以及石化、热能工程项目的燃烧装置，液体燃料气泡雾化喷嘴的雾化形式可以应用于大范围变推力液体火箭发动机和超燃冲压发动机等。本发明燃气发生器的燃料优选酒精。

Claims (3)

1.一种小流量、高混合比、无级调节气液混合燃气发生器，包括圆混通道、喷头(6)、点火器(8)和身部，所述喷头设置在圆混通道和身部之间且开口朝向身部，所述点火器设置在身部内；
其特征在于：
所述圆混通道包括与燃料接头(26)相通的燃料通道(3)、与主空气接头(28)相通的主空气通道(2)、与辅助空气接头(27)相通的辅助空气通道(4)；
所述喷头包括气泡喷嘴和空气喷嘴；所述空气喷嘴包括与空气通道(2)相通的旋流器(5)和喉部(7)；所述气泡喷嘴包括与燃料通道(3)相通的锥形头(15)、与辅助空气通道(4)相通的空气通孔(19)以及混合室(14)；所述混合室(14)的一端面与锥形头(15)和空气通孔(19)相通，另一端面设置有多个扩散式周向均布喷孔(16)；
所述身部包括燃烧室(10)以及设置在燃烧室(10)内的火焰筒(11)，所述喷头(6)的喷孔(16)开口于火焰筒(11)的内底面中心；所述燃烧室(10)和火焰筒(11)之间设置有相互隔离的空气主燃通道(23)和掺混空气通道(21)；所述火焰筒(11)内壁上从前至后依次设置有冷却孔(18)、主燃孔(25)和掺混孔(22)；所述冷却孔(18)和空气主燃通道(23)与空气喷嘴的喉部(7)相通，所述掺混空气通道(21)与燃烧室上的掺混空气接头(20)相通。
2.根据权利要求1所述的小流量、高混合比、无级调节气液混合燃气发生器，其特征在于：所述喷孔(16)呈90°夹角周向均匀布置于混合室(14)端部。
3.根据权利要求1或2所述的小流量、高混合比、无级调节气液混合燃气发生器，其特征在于：所述燃烧室包括外壁(9)以及内壁(10)；所述外壁(9)和内壁(10)构成用于身部冷却的水冷通道。
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