CN103343984B - 一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器，包括燃烧器壳体、火焰筒、蒸发管、喷油管、喷气管与点火器；其中，燃烧器壳体前端进空气，后端为排高温燃气；所述火焰筒位于燃烧器壳体内；火焰筒上开有蒸发器安装孔、冷却气孔、主进气孔与掺混进气孔；蒸发器前端与蒸发器安装孔间固定设置于火焰筒内；蒸发器前端面为预混进气口；后端具有燃气出气口；喷油管与喷气管均穿过燃烧器外壁伸入到蒸发器上的预混进气口；喷油管、喷气管分别用来输送燃油与可燃气体；点火器的点火端穿过燃烧室壳体以及火焰筒侧壁，位于蒸发器的出气口处。本发明的优点为：本发明燃烧器小型节能、能够满足航空燃油及其生物质替代燃油燃烧的试验条件。

Description

一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，是一种小型节能、适用于多种类型燃油燃烧的燃烧器，该装置能够满足多种生物质替代燃油燃烧的试验条件，实现航空燃油及其生物质替代燃油充分燃烧，从而达到模拟燃气轮机真实燃气环境的目的。

背景技术

现代航空发动机使用的燃料主要是航空汽油和航空煤油等化石燃料。但是石油等化石燃料的日益枯竭和不可再生性限制了其应用前景。另外，全球气候变化也给航空运输业提出了新的要求，需要寻求更加环保的替代燃料。

目前，替代燃料主要有三大类：人工合成燃油、氢气和生物质燃油。但是人工合成燃油的原料（如煤、天然气等）具有不可再生性，而使用氢气会给航空发动机的结构带来改变，不符合国外发展的航空替代燃料首要追求的是具有“即用性（Drop-in）”的特点。因此生物质燃油燃气轮机是学术界与工业界研究的一个趋势。

为了满足适航性的要求，不少实验室进行了关于生物质燃油的研究，而且大多数研究集中在生物质燃油的理化特性和燃烧特性等方面。因此，需要一种新型的燃烧器来实现生物质燃油的燃烧，以研究其燃烧环境对材料力学性能的影响。由于大多数生物质替代燃油生产规模少，各种生物质燃油的热物理性差异大，因此对燃烧器提出了尺寸小、结构简单、小流量和高精度模拟真实燃气环境的要求。但是结构的简化，给燃油的雾化、点火燃烧造成了一定的困难，特别是对黏度较高的生物替代燃油。因此，需要设计一套新型燃烧器来满足大多数生物质替代燃油燃烧试验的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种结构简化、紧凑，且节能的，用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器，包括燃烧器壳体、火焰筒、蒸发管、喷油管、喷气管与点火器。

其中，燃烧器壳体前端为进气端，后端为出气端；进气端用来输入高压空气；出气端用来排放高温燃气。

所述火焰筒同轴设置在燃烧器壳体内部，火焰筒前端面上开设有蒸发管安装孔，外壁上还开设有冷却气孔、主进气孔与掺混进气孔。所述蒸发管同轴设置于火焰筒内部；蒸发管前端固定在火焰筒上的蒸发管安装孔内；蒸发管前端面为预混燃气进气口；后端具有朝向燃烧器壳体前端的预混燃气出气口。

上述燃烧器壳体外壁上安装有喷油管固定端头与喷气管固定端头；喷油管固定端头用来固定安装喷油管，喷气管固定端头用来固定安装喷气管。其中，喷油管的出油端、喷气管的出气端均穿过燃烧器外壁伸入到蒸发管上的预混燃气进气口；喷油管用来输送燃油；喷气管用来输送可燃气体，如甲烷和丙烷；燃烧器壳体上还安装有点火器，点火器的点火端穿过燃烧室壳体以及火焰筒侧壁，位于蒸发管的预混燃气出气口处。

由此通过上述结构，燃烧室壳体内的空气通过预混气体进气孔进入到蒸发管内，并通过主进气孔、掺混进气孔以及冷却气孔进入到火焰筒内部。随后，将通过可燃气体供气装置经喷气管向蒸发管内喷入可燃气体；在高速气流作用下，可燃气体与蒸发管内的空气充分混合后，由蒸发管的预混燃气出气口进入到火焰筒内，由此通过开启电火花点火器实现可燃气体与空气混合气体在蒸发管的预混燃气出气口处的点火燃烧，此处即为燃烧器主燃烧区。在火焰筒内的温度升高后，逐步减少可燃气体的进气量，同时通过油泵经喷油管缓慢增加燃油供给量，直到燃烧稳定后，停止供应可燃气体；由此在高速气流和火焰筒内的高温作用下，使燃油充分雾化，并与空气充分混合后，最终由蒸发管的预混燃气出气口排入到火焰筒内参与燃烧，形成高温燃气；最终高温燃气经燃烧器壳体的出气端排出，形成模拟的燃烧室出口燃气环境。

本发明的优点在于：

1、本发明燃烧器能实现航空燃油及其生物质替代燃油充分燃烧，模拟燃气轮机真实燃气环境;

2、本发明燃烧器通过使用蒸发管结构使燃油与空气均匀混合，充分燃烧，从而达到模拟发动机真实燃气环境；

3、本发明燃烧器采用蒸发管结构与燃气预先混合的手段相结合来解决燃油在室温入口气体中不易雾化、点火难等问题；

4、本发明燃烧器是一种结构简化的、紧凑的节能型燃烧器。

附图说明

图1为本发明燃烧器整体结构示意图；

图2为本发明燃烧器A-A剖面示意图；

图3为本发明燃烧器中火焰筒结构示意图；

图4为本发明燃烧器中蒸发管结构示意图；

图5为本发明燃烧器出气端的高温燃气温度与燃油消耗量间对应关系图。

图中：

1-燃烧器壳体2-火焰筒3-蒸发管4-喷油管

5-喷气管6-点火器7-环形辐板101-进气端头

102-出气端头201-蒸发管安装孔202-冷却气孔203-主进气孔

204-掺混进气孔205-环形凸缘

具体实施方式

下面结合附图介绍具体实施方式。

本发明燃烧器包括燃烧器壳体1、火焰筒2、蒸发管3、喷油管4、喷气管5与点火器6，如图1、图2所示。

其中，燃烧器壳体1为筒状结构，前端固连有进气端头101，作为进气端；后端固连有出气端头102，作为出气端；进气端用来连接储器罐，通过储气罐将内部存储的压力稳定的高压空气（由空气压缩机提供）持续的向燃烧器壳体1内部输送，在燃烧室壳体1内形成高速气流；出气端用来排放燃烧器产生的高温燃气。

所述火焰筒2采用高温合金，同轴设置在燃烧器壳体1内部，后端周向上具有环形凸缘205，通过燃烧器壳体1与出气端头102夹紧环形凸缘205，实现火焰筒2后端与燃烧器壳体1间的固定；考虑到燃烧时温度变化引起火焰筒2长度的变化，因此火焰筒2前端与燃烧器壳体1间不固定，但为保证火焰筒2的稳定性，因此火焰筒2前端穿过固定在燃烧器壳体1内壁上的环形辐板7，通过环形辐板7进行周向支撑。上述火焰筒2前端面上开设有蒸发管安装孔201，如图3所示，火焰筒外壁上还开设有冷却气孔202、主进气孔203与掺混进气孔204。

所述蒸发管3同样采用高温合金，位于火焰筒2内部。蒸发管3为柱状腔体A301、柱状腔体B302与转接腔体303构成的一体结构腔体，如图4所示，其中，柱状腔体A301与火焰筒2同轴设置，柱状腔体A301端部插入火焰筒2上的蒸发管安装孔201内，且外侧壁与蒸发管安装孔201固连，实现蒸发管3与火焰筒2间的定位。柱状腔体A301前端面为开口，作为预混燃气进气口；柱状腔体A301后端与转接腔体303连通，转接腔体303周向均布有4个柱状腔体B302；4个柱状腔体均与转接腔体连通，且前端面为开口，朝向燃烧器壳体1前端，作为预混燃气出气口；最终形成具有两个相互垂直T形截面的一体蒸发管结构。由此燃烧室壳体1内的空气可通过预混燃气进气口进入到蒸发管3内，并通过主进气孔203、掺混进气孔204和冷却气孔201进入到火焰筒2内；通过预混燃气进气口进入到蒸发管3内的空气，以及通过主进气孔203进入火焰筒2内的空气主要用来参与燃烧；掺混进气孔204进入到火焰筒2内的空气主要用来与高温燃气混合，降低燃气温度；由冷却气孔201进入到火焰筒2内的空气主要用来进行火焰筒2外壁的冷却。

上述燃烧器壳体1外壁上交错安装有喷油管固定端头与喷气管固定端头；考虑到实际加工工艺的方便，喷油管固定端头与喷气管固定端头的轴线间夹角为120度。喷油管固定端头用来固定安装喷油管4，喷气管固定端头用来固定喷气管5。其中，喷油管4的进油端、喷气管5的进气端分别连接油泵的泵油口与可燃气体供气装置的供气口；喷油管4的出油端、喷气管5的出气端均穿过燃烧器壳体1外壁伸入到蒸发管3的预混燃气进气口；且喷油管4的出油端、喷气管5的出气端上分别安装有喷油嘴与喷气嘴。由此通过油泵可将燃油经喷油管4喷入到蒸发管3内，通过可燃气体供气装置可将可燃气体通过喷气管5喷入到蒸发管3内。燃烧器壳体1上还安装有电火花点火器6，点火器6的点火端穿过燃烧室壳体1以及火焰筒2侧壁，位于蒸发管3的预混燃气出气口处，且点火器6的点火端与火焰筒2侧壁间具有空隙，作为点火器6点火端的冷却通道，部分空气可由冷却通道进入到火焰筒2内，可对点火器6的点火端进行冷却。

由此通过上述结构，燃烧室壳体1内的空气通过预混气体进气孔进入到蒸发管3内，并通过主进气孔203、掺混进气孔204以及冷却气孔202进入到火焰筒2内部。随后，将通过可燃气体供气装置经喷气管5向蒸发管3内喷入可燃气体；在高速气流作用下，可燃气体与蒸发管3内的空气充分混合后，由蒸发管3的预混燃气出气口进入到火焰筒2内，由此通过开启电火花点火器6实现可燃气体与空气混合气体在蒸发管3预混燃气出气口处的点火燃烧，此处即为燃烧器主燃烧区。在火焰筒2内的温度升高后，逐步减少可燃气体的进气量，同时将通过油泵经喷油管4向蒸发管3内输送燃油；由此在高速气流和火焰筒2内的高温作用下，使燃油充分雾化，并与空气充分混合后，最终由蒸发管3的预混燃气出气口排入到火焰筒2内参与燃烧，形成高温燃气；最终高温燃气经燃烧器壳体1的出气端排出，形成模拟的燃烧室出口燃气环境。为了保证火焰能在火焰筒2中稳定燃烧，火焰筒2内的空气流速设计为8m/s左右，火焰筒2的内径根据压缩空气进气量及筒内空气流速确定。且为了防止回火，蒸发管3内的气流速度为40m/s。

本发明中通过预混燃气进气口进入蒸发管3内的空气进气量占进入燃烧室壳体1内空气总进气量的25%，通过主进气孔203、掺混进气孔204进入到火焰筒2内的空气进气量分别占进入燃烧室壳体1内空气总进气量的45%与10%；而通过冷却气孔202与冷却通道进入到火焰筒2内的空气进气量共占进入燃烧室壳体1内的空气总进气量的20%。上述主进气孔203、掺混进气孔204和冷却气孔202的位置由燃烧器主燃烧区的位置确定，且根据进气量的要求设计火焰筒2上各进气孔的尺寸及数量。

本发明燃烧器中通过调节燃油和空气流量可以控制燃烧器出气端的高温燃气温度，不同温度下的燃油消耗量，如图5所示。

Claims (7)

1.一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器，其特征在于：包括燃烧器壳体、火焰筒、蒸发管、喷油管、喷气管与点火器；

其中，燃烧器壳体前端为进气端头，后端为出气端头；进气端头用来输入高压空气；出气端头用来排放高温燃气；

所述火焰筒同轴设置在燃烧器壳体内部，后端周向上具有环形凸缘，通过燃烧器壳体与出气端头夹紧环形凸缘，实现火焰筒后端与燃烧器壳体间的固定；火焰筒前端穿过固定在燃烧器壳体内壁上的环形辐板，通过环形辐板进行周向支撑，火焰筒前端面上开设有蒸发管安装孔，外壁上还开设有冷却气孔、主进气孔与掺混进气孔；

所述蒸发管同轴设置于火焰筒内部；蒸发管前端固定在火焰筒上的蒸发管安装孔内；蒸发管前端面为预混燃气进气口；后端具有朝向燃烧器壳体前端的预混燃气出气口；

上述燃烧器壳体外壁上安装有喷油管固定端头与喷气管固定端头；喷油管固定端头用来固定安装喷油管，喷气管固定端头用来固定喷气管；其中，喷油管的进油端、喷气管的进气端分别连接油泵的泵油口与可燃气体供气装置的供气口；且喷油管的出油端、喷气管的出气端上分别安装有喷油嘴与喷气嘴；喷油管的出油端、喷气管的出气端均穿过燃烧器外壁伸入到蒸发管上的预混进气口；喷油管用来输送燃油；喷气管用来输送可燃气体；燃烧器壳体上还安装有点火器，点火器的点火端穿过燃烧室壳体以及火焰筒侧壁，位于蒸发管的预混燃气出气口处；

所述蒸发管为柱状腔体A、柱状腔体B与转接腔体构成的一体结构腔体；其中，柱状腔体A与火焰筒同轴设置，柱状腔体A端部插入火焰筒上的蒸发管安装孔内，且外侧壁与蒸发管安装孔固连；柱状腔体A前端面为开口，作为预混燃气进气口；柱状腔体A后端与转接腔体连通，转接腔体周向均布有4个柱状腔体B；4个柱状腔体B均与转接腔体连通，且前端面为开口，朝向燃烧器壳体前端，作为预混燃气出气口；最终形成具有两个相互垂直T形截面的一体蒸发管结构。

2.如权利要求1所述一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器，其特征在于：所述喷油管固定端头与喷气管固定端头的轴线间具有夹角。

3.如权利要求2所述一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器，其特征在于：所述喷油管固定端头与喷气管固定端头的轴线间夹角为120°。

4.如权利要求1所述一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器，其特征在于：所述点火器的点火端与火焰筒侧壁间具有空隙，作为点火器点火端的冷却通道。

5.如权利要求1所述一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器，其特征在于：所述火焰筒内的空气流速为8m/s。

6.如权利要求1所述一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器，其特征在于：所述蒸发管内的气流速度为40m/s。

7.如权利要求1或4所述一种用于生物质替代燃油燃烧试验的燃烧器，其特征在于：通过预混进气口进入蒸发管内的空气进气量占进入燃烧室壳体内空气总进气量的25％，通过主进气孔、掺混进气孔进入到火焰筒内的空气进气量分别占进入燃烧室壳体内空气总进气量的45％与10％；通过冷却气孔与冷却通道进入到火焰筒内的空气进气量共占进入燃烧室内的空气总进气量的20％。