CN103835837B - 一种基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，包括供气系统、燃烧室、冷却装置及喷管，燃烧室一端连接有喷管，另一端通过连接法兰与供气系统相连。冷却装置套于燃烧室外，与燃烧室之间形成冷却通道。氧化剂和气态燃料分别经过空气支路和燃料支路沿切向进入燃烧室，气流所产生的旋流使燃料与氧化剂之间充分掺混，安装在连接法兰上的电嘴点燃混气，由于气态燃料点火极限较低，电嘴可以以较低的点火能量和工作频率点燃燃烧室内掺混好的燃混气，混气在燃烧室内燃烧后产生的高温燃气成为热射流点火源，间接实现具有较高点火能量、持续工作的点火源。

Description

一种基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置

技术领域

本发明涉及动力装置燃烧室点火领域，具体是一种基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置。

背景技术

动力装置的燃烧室，作为将燃料化学能转化为热能的部件，可靠的点火技术是关键，传统的点火方式一般采用电嘴点火，把输入的交流电压信号通过升压整流变换成直流脉动电流，对储能电容充电，当电容器充满时，放电电流经放电管、扼流圈、高压屏蔽电缆等传输至点火枪半导体电嘴，形成高能电弧火花点燃混气。

随着电嘴技术的发展与完善，电嘴能提供的能量越来越高，可以高达12～20焦耳，但这仅是电容器的储存能量，并不是电嘴的放电能量，大部分的电能消耗在了线路上，实际用于放电点火的能量只有储存能量的1％左右，这只是一个很小的能量，通常可以满足传统动力装置燃烧室等压燃烧的点火要求，而对一些非定常的等容燃烧发动机，如脉冲爆震发动机(PDE)，电嘴虽然可以点燃爆震室的可燃混气，最终在爆震室内形成爆震燃烧，但波震波的触发通常通过缓燃向爆震转捩(DDT)的方式间接实现，研究表明，火焰加速过程对初始点火条件与边界条件的变化具有相当的敏感性，初始点火能量越大，能够促使火焰更快地传播，快速完成DDT的转捩过程，缩短DDT距离，有利于减轻发动机的总体重量。此时电嘴的点火能量显得不能满足缩短DDT的要求，必须探索具有更高能量的点火方式，热射流通过电嘴点燃预燃室内的混气，预先产生高温射流，间接点燃燃烧室的混气，具有更高的点火能量，成为PDE发动机缩短DDT距离的有效途径之一。另外当电嘴用于点燃碳氢燃料时，富油混气的燃烧容易在电嘴的电极表面产生积炭，影响电嘴工作的可靠性。

目前电嘴点火的频率约在几十到几百赫兹的范围之内，但针对一些更为特殊的发动机，如内燃波转子发动机(WRCE)，其燃烧过程发生在波转子通道中，通常一个波转子具有几十个波转子通道，转子的转速约为2000～4000rpm，这要求点火源的点火频率高达几千赫兹，传统的电嘴间隙点火的方式显然不能满足点火频率的需要，必须采用连续的热射流点火的方式，且波转子通道内存在复杂波系的运动，这对热射流发生装置提出了更高的要求，要求其具有一定的抗扰动能力。

西北工业大学发明的名为“一种脉冲爆震发动机射流点火装置”的中国专利，申请号为：201210092779.5，包括引流管、射流管、混合室等结构，主要思想是通过小能量提高主爆管中的点火能量，爆震管中来流混气分别通过引流管和混合室与射流管之间的间隙进入射流管，并在射流管中燃烧后进入爆震室进行点火。这是一种间歇式的热射流，其工作频率与主爆震管中的工作频率相同。美国专利“MethodofPrechamber-torchignitionininternalcombustionengines”，专利号为：US3230939A，该发明在燃烧室周围布置一环形腔体，向环形腔体中填充可燃混气，并通过安装在环形腔体壁面上的的电极点燃混气，混气燃烧后通过喷管喷入到主燃烧室点燃主燃烧室的混气。该方案提供较高的点火能量，适用于大多数的燃气涡轮发动机燃烧室。但是其点火能量仍然不能满足一些特殊场合，如脉冲爆震发动机(PDE)的需要，并且下游主燃烧室的扰动会影响点火装置，装置的稳定性得不到保障。

发明内容

本发明为了解决现有点火技术不足，提供了一种基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，提高了点火能量，有利于促进火焰快速传播，并解决了电嘴点火和现有间歇工作的热射流工作频率低的问题。

本发明包括供气系统、燃烧室、冷却装置及喷管，燃烧室一端连接有喷管，另一端通过带中心通孔的连接法兰与供气系统相连；

其中燃烧室为燃烧室侧壁面、燃烧室下游壁面和燃烧室上游壁面包围成的腔室，燃烧室侧壁面上布置有环腔结构，环腔内侧均匀布置若干切向孔；燃烧室上游壁面上开有一个与连接法兰中心通孔大小位置相对应的通孔以及若干倾斜孔，电嘴座穿过燃烧室上游壁面的通孔和连接法兰中心通孔插入燃烧室内；燃烧室下游壁面上开有圆孔，喷管通过圆孔与燃烧室连接。

供气系统包括空气管路、第一燃料管路和第二燃料管路三条管路，空气管路包括空气总管，空气总管连接有若干空气支管，空气支管穿过连接法兰和燃烧室上游壁面，通过倾斜孔与燃烧室内腔连通；第一燃料管路包括第一燃料总管和若干燃料支管，第一燃料总管通过若干燃料支管与空气支管连接，燃料与空气混合后共同进入燃烧室；第二燃料管路穿过燃烧室侧壁面上的环腔，通过环腔内的切向孔与燃烧室内腔连通。

所述的喷管从进口方向到喷管出口方向依次分为收缩段、扩张段以及等面积段三个部分，其中收缩段安装于燃烧室下游壁面的圆孔内，扩张段与收缩段相接的地方设有喉道。

喷管的喉道面积为式中σ^*为喷管喉道面积，σ₁为空气管道截面积与燃料管道截面积之和，T₂为喷管出口燃气平均温度，T₁为进气温度。

喷管出口面积为 ${\mathrm{\σ}}_e=\frac{1}{M_{eI}}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\left(1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}{M}_{eI}^2\right)\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{2(\mathrm{\γ}-1)}}\·{\mathrm{\σ}}^{*},$ 式中σ_e为喷管出口面积，σ^*为喷管喉道面积，γ为气体的比热比，M_eI为所要求的热射流马赫数。

进一步改进，所述的喷管开有螺孔，螺孔和燃烧室下游壁面上的螺纹孔通过螺钉连接。

所述的包括冷却装置侧壁面和冷却装置下游壁面，冷却装置侧壁面底端连接有法兰，法兰与连接法兰连接；喷管上设有凸起部分，冷却通道下游壁面上开有与凸起相对应的环形凹槽。冷却装置侧壁面开有进气端口和排气端口；冷却装置侧壁面与燃烧室侧壁面之间以及两个法兰之间的空隙形成冷却通道。

进一步改进，四条空气支管与连接法兰之间呈30°夹角，即气流方向与燃烧室中心轴线之间夹角为60°。

进一步改进，喷管与燃烧室下游壁面之间采用铜环进行密封。

本发明有益效果在于：

1、氧化剂和气态燃料分别经过空气支路和燃料支路沿切向进入燃烧室，气流所产生的旋流使燃料与氧化剂之间充分掺混，安装在连接法兰上的电嘴点燃混气，由于气态燃料点火极限较低，电嘴可以以较低的点火能量和工作频率点燃燃烧室内掺混好的燃混气，混气在燃烧室内燃烧后产生的高温燃气成为热射流点火源，间接实现具有较高点火能量、持续工作的点火源。

2、喷管通过螺钉与燃烧室连接，喷管可以加工多种规格，根据需要的热射流条件进行更换，保证喷管的喉道处于临界流状态，即喉道处的气流马赫数为1，这样保证了喷灌出口气流马赫数大于1，处于超声速流动状态，使下游主燃烧室内以声速传播的扰动无法影响到喷管上游区域，保证了热射流发生装置的工作稳定性。

3、热射流发生装置在持续工作时，装置与燃烧室相接触的部分均暴露于高温环境下，冷却通道内流动的冷空气可以对燃烧室壁面起到冷却效果，有效降低燃烧室壁面的温度，确保热射流发生装置的寿命。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为热射流发生装置工作示意图；

图3为燃烧室结构示意图；

图4为供气系统结构示意图；

图5为冷却装置结构示意图；

图6为喷管结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明整体结构示意图，图2给出了热射流发生装置的工作系统图，该系统包括压气机42、燃料储气罐34、泄压阀38、流量计39、供气系统1、点火系统35(包括点火控制器36和点火电嘴37)、燃烧室2、冷却装置5和喷管4。压气机42通过泄压阀38、流量计39与空气管路7连接。燃料储气罐34通过流量计39与两燃料管路连接。点火电嘴37通过螺纹固定在电嘴座10上。

燃烧室2结构如图3所示，为燃烧室侧壁面11、燃烧室下游壁面12和燃烧室上游壁面14包围成的腔室，燃烧室侧壁面11上布置有环腔13结构，环腔13内侧均匀布置四个切向孔15；燃烧室上游壁面14上开有一个与连接法兰6中心通孔大小位置相对应的通孔17以及四个倾斜孔16，电嘴座10穿过燃烧室上游壁面14的通孔17和连接法兰6中心通孔插入燃烧室内；燃烧室下游壁面12上开有圆孔18，喷管4通过圆孔18与燃烧室2连接；

应用该热射流发生装置时首先要选择合适的喷管4结构，喷管4如图6所示，从进口方向到喷管出口33方向依次分为收缩段27、扩张段29以及等面积段30三个部分，具体方法为：根据要求的热射流出口马赫数、温度及、射流质量流量以及主燃烧室中的工作压力，由 $\frac{{\mathrm{\σ}}_e}{{\mathrm{\σ}}^{*}}=\frac{1}{M_{eI}}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\left(1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}{M}_{eI}^2\right)\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{2\left(\mathrm{\γ}-1\right)}}$ 和 ${\stackrel{\·}{m}}_{max}=K\frac{p_0}{\sqrt{T_0}}{\mathrm{\σ}}^{*}$ 两式联立可以求解合适的喷管喉道28面积和出口33面积，式中σ_e为喷管出口33面积，σ^*为喷管喉道28面积，M_eI为喷管出口马赫数，γ为比热比，为要求的热射流质量流量，p₀和T₀分别为主燃烧室内的初始压力和初始温度，然后根据确定供气系统的供气压力，式中p₀为主燃烧室内的初始压力，p_I为供气压力，M_eI为喷管出口33马赫数。选择好的喷管4通过喷管上的螺孔32和燃烧室下游壁面上的螺纹孔19用螺钉连接，收缩段27安装于燃烧室下游壁面12的圆孔18内，喷管4与燃烧室下游壁面12之间采用铜环41进行密封。

系统运行前先打开点火器控器36，确保电嘴37正常打火，控制器的输入电压为0V，电嘴37的打火频率选择30赫兹即可，电嘴37通过螺纹固定在电嘴座10上，电嘴座10穿过燃烧室上游壁面14的通孔17和连接法兰6的中心通孔，通过焊接固定。为确保电嘴37点火的可靠性，电嘴端面40与燃烧室侧壁面11上环腔13内切向孔15中心位于同一轴向位置，然后打开压气机33和燃料罐34的减压阀38，使空气和燃料的供气压力达到p_I，此时空气沿空气管路7沿空气支管7b旋流通过倾斜孔16进入燃烧室2。

供气系统结构如图4所示，燃料可以通过几种不同方式进入燃烧室，分别为：①经第二燃料管路9进入环腔13，后经环腔13内的切向孔15沿切向进入燃烧室2，与空气流所形成的旋转气流相互作用，在燃烧室2内形成均匀混气；②燃料通过第一燃料管路8a分配到四条支管8b后分别进入四条空气支管7b，在支管7b中与空气掺混后以预混气的形式进入燃烧室2；③两路燃料管路共同工作，协同完成燃料的填充与掺混。在填充与掺混的过程中如果燃烧室2内混气被点燃，关闭点火控制器36，电嘴37停止工作，混气在燃烧室2内稳定燃烧，若混气未被点燃调节空气与燃料的流量，直至混气在燃烧室2内稳定燃烧后，关闭点火控制器36，然后在保证总流量不变的情况下，调节空气管路7和燃料管路上的流量计39，直至喷管出口33温度到达所要求的点火温度为止。燃料燃烧后所生成的高温燃气经喷管收缩段27加速到喷管喉道28时，到达临界流状态，即马赫数为1，进入喷管扩张段29以超声速流动时继续压缩，直至喷管出口33达到要求的射流马赫数M_eI。需要指出的是喷管出口33马赫数满足M_eI＞1，这样如果下游主燃烧室内因外界因素改变产生以声速传播的扰动时不会通过喷管4向上游运动到燃烧室2内，保证了热射流发生装置的工作稳定性。

燃烧室2外套有冷却装置5，如图5所示，包括冷却装置侧壁面20和冷却装置下游壁面21，冷却装置侧壁面20底端连接有法兰22，法兰22上开有螺孔23，通过螺钉与连接法兰6连接；喷管4上设有凸起31部分，冷却通道下游壁面21上开有与凸起31相对应的环形凹槽26。冷却装置侧壁面20开有进气端口24和排气端口25；冷却装置侧壁面20与燃烧室侧壁面11之间以及两个法兰之间的空隙形成冷却通道3。

系统工作的时候，冷却通道侧壁面20上的进气端口24引入冷空气，冷空气在冷却通道3内换热后经排气端口25流出，使燃烧室侧壁面11处于材料所能承受的温度范围内，保证了热射流发生装置的寿命。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，其特征在于：包括供气系统(1)、燃烧室(2)、冷却装置及喷管(4)，燃烧室(2)一端连接有喷管(4)，另一端通过带中心通孔的连接法兰(6)与供气系统(1)相连，燃烧室(2)外套有冷却装置；

其中燃烧室(2)为燃烧室侧壁面(11)、燃烧室下游壁面(12)和燃烧室上游壁面(14)包围成的腔室，燃烧室侧壁面(11)上布置有环腔(13)结构，环腔(13)内侧均匀布置若干切向孔(15)；燃烧室上游壁面(14)上开有一个与连接法兰(6)中心通孔大小位置相对应的通孔(17)以及若干倾斜孔(16)，电嘴座(10)穿过燃烧室上游壁面(14)的通孔(17)和连接法兰(6)中心通孔插入燃烧室内；燃烧室下游壁面(12)上开有圆孔(18)，喷管(4)通过圆孔(18)与燃烧室(2)连接；

供气系统(1)包括空气管路(7)、第一燃料管路(8)和第二燃料管路(9)三条管路，空气管路(7)包括空气总管(7a)，空气总管(7a)连接有若干空气支管(7b)，空气支管(7b)穿过连接法兰(6)和燃烧室上游壁面(14)，通过倾斜孔(16)与燃烧室(2)内腔连通；第一燃料管路(8)包括第一燃料总管(8a)和若干燃料支管(8b)，第一燃料总管(8a)通过若干燃料支管(8b)与空气支管(7b)连接，燃料与空气混合后共同进入燃烧室(2)；第二燃料管路(9)穿过燃烧室侧壁面(11)上的环腔(13)，通过环腔(13)内的切向孔(15)与燃烧室(2)内腔连通。

2.根据权利要求1所述的基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，其特征在于：所述的喷管(4)从进口方向到喷管出口(33)方向依次分为收缩段(27)、扩张段(29)以及等面积段(30)三个部分，其中收缩段(27)安装于燃烧室下游壁面(12)的圆孔(18)内，扩张段(23)与收缩段(27)相接的地方设有喉道(28)。

3.根据权利要求2所述的基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，其特征在于：所述的喷管的喉道(28)面积为式中σ^*为喷管喉道(28)面积，σ₁为空气管道截面积与燃料管道截面积之和，T₂为喷管出口燃气平均温度，T₁为进气温度。

4.根据权利要求2所述的基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，其特征在于：喷管出口(33)面积为 ${\mathrm{\σ}}_e=\frac{1}{M_{eI}}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right(1+\frac{\mathrm{\γ}-1}{2}{M}_{eI}^2\left)\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{2(\mathrm{\γ}-1)}}\·{\mathrm{\σ}}^{*},$ 式中σ_e为喷管出口(33)面积，σ^*为喷管喉道(28)面积，γ为气体的比热比，M_eI为所要求的热射流马赫数。

5.根据权利要求1或2所述的基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，其特征在于：喷管(4)开有螺孔(32)，螺孔(32)和燃烧室下游壁面(12)上的螺纹孔(19)通过螺钉连接。

6.根据权利要求1或2所述的基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，其特征在于：所述的冷却装置(5)包括冷却装置侧壁面(20)和冷却装置下游壁面(21)，冷却装置侧壁面(20)底端连接有法兰(22)，法兰(22)与连接法兰(6)连接；喷管(4)上设有凸起(31)部分，冷却装置下游壁面(21)上开有与凸起(31)相对应的环形凹槽(26)；冷却装置侧壁面(20)开有进气端口(24)和排气端口(25)；冷却装置侧壁面(20)与燃烧室侧壁面(11)之间以及两个法兰之间的空隙形成冷却通道(3)。

7.根据权利要求1或2所述的基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，其特征在于：四条空气支管(7b)与连接法兰(6)之间呈30°夹角，即气流方向与燃烧室中心轴线之间夹角为60°。

8.根据权利要求1或2所述的基于旋流掺混和气态燃料持续燃烧的热射流发生装置，其特征在于：喷管(4)与燃烧室下游壁面(12)之间采用铜环(41)进行密封。