CN106402856A - 一种连续、快速、大范围线性调节温度的高温燃气发生装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种连续、快速、大范围线性调节温度的空气/煤油高温燃气发生装置，该装置主要由空气辅助雾化航空煤油雾化器、一级空气燃烧室、二级空气燃烧/掺混火焰筒、高能电火花塞点火器等组成，采用一种新型的双级雾化、双级燃烧/掺混的工作方式。工作时固定辅助雾化空气流量，辅助空气与航空煤油在雾化器混合喷出，一级空气通过一级燃烧室与雾化的航空煤油进行二次雾化、混合和燃烧；二级空气根据航空煤油流量的大小起到降温或二次燃烧的作用。此双级雾化、双级燃烧/掺混技术不仅实现燃气流温度从700K到2100K的温度大范围调节，而且仅通过调节航空煤油的流量，实现燃气流温度的快速、连续线性调节。

Description

一种连续、快速、大范围线性调节温度的高温燃气发生装置和 方法

技术领域

本发明涉及一种连续、快速、大范围线性调节温度的空气/煤油高温燃气发生装置和方法，属于高温热结构试验技术领域。

背景技术

利用航空煤油燃烧产生的高温燃气对流加热方式具有功率大、温度高、试验模型尺度不受限制、工作时间长、瞬态变化快等优势，是用于高超声速飞行器材料考核或大部件热防护结构、热响应研究试验的新型气动热模拟试验设备。

飞行器热防护结构内部热应力是由其温度分布梯度决定的，体现了外表面气动加热量累积效应，与气动加热量随时间的瞬态变化过程直接相关。内部热应力试验要求燃气流温度能随时间连续、快速、线性变化。例如，某飞行器快速爬升和加速阶段，其外表面气动热往往呈现线性快速增加形态，导致内部大的温度梯度和严酷的热应力。内部热应力热模拟试验的技术指标为：1)燃气流温度变化范围700K～2100K，最高温度接近煤油/空气燃烧理论当量温度；2)在给定时间内连续地、按一定线性关系调节；3)工作介质为空气和航空煤油以模拟真实气体成分。

对于连续、快速、大范围线性调节温度的空气/煤油高温燃气发生装置，涉及到的关键技术主要有：1)燃气温度大范围变化，最高温度接近煤油/空气燃烧的理论当量温度，变化过程中需要实现高效雾化和燃烧，燃烧效率高；2)高精度线性而非单点的连续自动调节技术；3)温度快速响应，变化时间为ms量级等。目前，业界迫切需要同时满足上述技术指标的煤油作为燃料的燃气发生装置。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题或关键技术，本发明提出一种双级雾化、双级燃烧/掺混式的高温燃气发生装置和方法，实现燃气的连续、快速、超宽温度范围线性调节功能。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的原理图；

图2是根据本发明的一个实施例的高温燃气流温度变化；

图3是根据本发明的一个实施例的高温燃气发生装置结构示意图；

图4是图3所示的实施例的高温燃气发生装置内的气流示意图。

附图标记：

1—多孔均流板 2—一次雾化空气进气嘴 3—燃油进口接嘴

4—空气均流室 5—煤油管

6—一次雾化空气进气管

7—内预混合雾化雾化喷嘴

8—二级空气旋流器

9—火焰稳定器

10—集液腔 11—一次燃烧空气均流锥

12—点火器安装通道

13—火焰筒 14—内壁 15—外壁

16—水冷法兰 17—一级空气进气接嘴 18—二级空气接嘴

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明涉及一种连续、快速、大范围线性调节温度的煤油/空气高温燃气发生装置。根据本发明的一个实施例的基本原理如图1所示，其中采用双级雾化、双级燃烧/掺混式方式，系统主要包括：一级燃烧室101、二级燃烧/掺混室102、一级辅助雾化空气阀门103、二级雾化空气阀门104、二级燃烧/掺混空气阀门105、单级燃油控制阀门106。

总来流空气通过分流阀门分为三部分：

1)约1g/s的固定流量空气经过限流阀103进入内预混合雾化喷嘴(未显示)，对单级燃油控制阀门106进入的燃油进行一次雾化；

2)约50％的一级空气经过开关阀104进入一级燃烧室101，小部分的一次空气经过旋流器小孔(未显示)旋转后作为二次雾化空气，大部分的一次空气与单级燃油喷注器(未显示)喷入的燃油在一次燃烧室101内燃烧，然后进入二级燃烧/掺混室102；

3)剩余来流空气经过二级燃烧/掺混空气阀门105进入二级燃烧/掺混室102。当一级燃烧室101为欠油气比或最佳油气比燃烧时，所喷注燃油完全燃烧，其排气进入二级燃烧/掺混室102，二级燃烧/掺混空气阀门105进入的空气流将只发生相互掺混过程，燃气流温度降低，即二级燃烧/掺混室102出口的燃气流温度比一级燃烧室101出口气流温度低。当一级燃烧室101为富油气比燃烧时，其产生的燃气流中将含有一定未燃尽燃油，此时二级燃烧/掺混空气阀门105进入的空气将与一级燃烧室101出口富余的燃油进行二次燃烧，二级燃烧/掺混室102出口的燃气流温度比一级燃烧室101出口气流温度高，达到二次燃烧升温的目的。

当冷气流的空气质量流率一定时，一级辅助雾化空气的质量流率总是恒定不变，二级雾化空气、二级燃烧/掺混空气的质量流率分别通过调节二级雾化空气阀门104、二级燃烧/掺混空气阀门105的开度进行合理分配。通过逐渐增加燃油质量流量，可以使一级燃气流从欠油气比燃烧逐渐过渡到最佳油气比燃烧、然后又过渡到富油气比燃烧，相应的燃气流温度从低温度开始逐渐升高到更高的温度，如图2所示；反之亦然，实现从高温到低温的变化。这样，即实现燃气流温度的连续线性控制功能。

根据本发明的一个实施例的大温度范围连续、快速、线性调节高温燃气发生装置如图3所示，其包括多孔均流板1、一次雾化空气进气嘴2、煤油接嘴3、空气均流室4、煤油管5、空气进气管6、内预混合雾化喷嘴7、二级雾化空气旋流器8、火焰稳定器9、集液腔10、一次燃烧空气均流锥11、点火器安装通道12、火焰筒13、内壁14、外壁15、水冷法兰16、一级空气进气接嘴17和二级空气接嘴18。

煤油管5的一端与煤油接嘴3连接，煤油管5的另一端连接内预混合雾化喷嘴7；一次雾化空气进气管6的一端空气进气嘴2连接，一次雾化空气进气管6的另一端为收缩小孔并连接内预混合雾化喷嘴7，一次雾化空气进气管6套在煤油管5的外围；内预混合雾化喷嘴7外套有二次雾化空气旋流器8，空气旋流器8的出口端连接环状的火焰稳定器9；火焰稳定器9上套有一次燃烧空气均流锥11。在根据本发明的一个具体实施例中，一次燃烧空气均流锥11为均匀布满三排、每排16个小孔的喇叭状套筒结构，一次燃烧空气均流锥11的喇叭口的一端固定在空气均流室4与火焰筒13的连接处。

空气均流室4包围着空气进气管6和一次燃烧空气均流锥11外围，一端与空气进气管6密封固定连接，另一端与火焰筒13固定连接；多孔均流板1设置在空气均流室4内部；多孔均流板1左侧的空气均流室4的部分安装有一级空气进气接嘴17。空气均流室4的与一次燃烧空气均流锥11相对应的部分处设有集液腔10。

火焰筒13呈圆柱状，周围布有两排通气孔13-1和13-2，第一排孔13-1供入二次燃烧空气，第二排孔13-2供入为掺混空气；火焰筒13一端连接一次燃烧空气均流锥11，另一端连接水冷法兰16，火焰筒13的外围设有内壁14，内壁外侧连接外壁15；内壁14与外壁15均为圆柱形并形成套筒型结构，套筒之间为冷却水通道；内壁14和外壁15的前端设有点火通道12，外壁15中间部位焊接有二级空气入口接嘴18。内壁14与火焰筒13之间有一定间隙，供二级燃烧/掺混空气从火焰筒13通气孔13-1和13-2进入，与一级燃烧气流进行燃烧或掺混。

根据本发明的一个方面，提供了一种连续、快速、大范围线性调节温度的高温燃气发生装置，其包括航空煤油雾化器、一级空气燃烧室、二级空气燃烧/掺混火焰筒、高能电火花塞点火器。所述航空煤油雾化器、一级空气燃烧室、二级空气燃烧/掺混器采用法兰依次连接；所述高能电火花塞点火器布置在一级空气燃烧室前端，

其特征在于：

所述航空煤油雾化器采用两级雾化方式：固定一次辅助雾化空气流量、变航空煤油流量的内预混合一级雾化和变旋流空气流量的二级辅助雾化；

所述高温燃气发生装置包括小流量空气供应喷嘴、航空煤油喷嘴、内预混合雾化喷嘴、二级雾化喷嘴；

所述的小流量空气供应喷嘴包括一次雾化空气进气嘴2、煤油进气管与空气进气管6形成的环形进气通道、多孔锥形空气均流板11。

根据本发明的一个进一步的方面，上述的航空煤油喷嘴包括与煤油接嘴3相连接的煤油管5；所述的内预混合雾化喷嘴7包括空气和航空煤油混合室、气液两相多孔喷头。

根据本发明的一个进一步的方面，上述的一级空气燃烧室包括与一级空气进气接嘴17相通的空气均流室4、多孔均流板1和一次空气分配装置；所述的一次空气分配装置包括二级雾化空气旋流器8、与旋流室连接的火焰稳定器9、一次燃烧空气均流锥11。

根据本发明的一个进一步的方面，上述二级空气燃烧/掺混器包括焊接在外壁组件的空气接嘴18、燃烧/掺混火焰筒13；所述外壁组件包括外壁15和内壁14；所述火焰筒13从前至后依次设置二次空气燃烧孔和掺混孔。

根据本发明的高温燃气发生装置的工作过程

根据本发明的高温燃气发生装置采用航空煤油为燃料，空气作为助燃剂。燃料通过煤油接嘴3进入煤油管5，为保证煤油雾化，需要在供油的同时通入1g/s的一次辅助雾化空气，一次辅助雾化空气通过一次雾化空气接嘴2进入空气进气管6，一次雾化空气的流量保持不变。

如图4所示，一级空气流A通过一级空气进气接嘴17进入空气均流室4，然后经过多孔均流板1均匀分布，然后分为气流A1和气流A2两路；其中一路气流A2经由空气旋流器8到达火焰稳定器9，在火焰稳定器9中与内预混合雾化喷嘴7喷出的油气混合物进行二次雾化和混合，形成更加细小和均匀的油雾；另一路气流A1流向并穿过一次燃烧均流锥11，通过点火安装通道12安装的电火花点火器(未显示)进行点火；油雾与空气流A1在一次燃烧均流锥11后面完成混合，通过火焰稳定器9稳定燃烧，燃烧后形成一级燃气流B。

一级燃气流B流至火焰筒13内，二级空气流C通过二级空气入口接嘴18进入火焰筒13内，二级空气流C分为两部分，分别经过火焰筒第一排孔13-1、第二排孔13-2进入火焰筒13内部，并与一级燃气流B进行二次燃烧或与一级燃气流B掺混形成二级燃气流D。

燃烧结束后，一次雾化空气接嘴2停止供应空气并切换供应氮气，氮气经过空气进气管6内通入氮气吹除内预混合雾化喷嘴7，避免残留燃油在内预混合雾化喷嘴7处结焦而堵塞。

通过合理分配确定一级空气流A和二级空气流C的质量流量，调节煤油管5的进油量，可以使一级燃气流B从欠油气比燃烧逐渐过渡到最佳油气比燃烧、然后又过渡到过油气比燃烧，进而实现燃气流温度的线性控供应制功能。

根据本发明的一个方面的技术解决方案，提供了一种连续、快速、大范围线性调节温度的高温燃气发生装置，包括航空煤油雾化器、一级空气燃烧室、二级空气燃烧/掺混火焰筒、高能电火花塞点火器。所述航空煤油雾化器、一级空气燃烧室、二级空气燃烧/掺混器采用法兰依次连接；所述高能电火花塞点火器布置在一级空气燃烧室前端，

其特征在于：

所述航空煤油雾化器采用两级雾化方式：固定空气流量、变航空煤油流量的内预混合一级雾化和变旋流空气流量的二级辅助雾化。包括小流量空气供应喷嘴、航空煤油喷嘴、内预混合雾化喷嘴、二级雾化喷嘴；所述的小流量空气供应喷嘴包括一次雾化空气进气嘴2、煤油进气管与空气进气管6形成的环形进气通道、60°多孔锥形空气均流板。所述的航空煤油喷嘴包括与煤油接嘴3相连接的煤油管5；所述的内预混合雾化喷嘴7包括空气和航空煤油混合室、气液两相多孔喷头。

所述的一级空气燃烧室包括与一级空气进气接嘴17相通的空气均流室4、多孔均流板1和一次空气分配装置；所述的一次空气分配装置包括二级雾化空气旋流器8、与旋流室连接的火焰稳定器9、一次燃烧空气均流锥11。

所述二级空气燃烧/掺混器包括焊接在外壁组件的空气接嘴18、燃烧/掺混火焰筒13；所述外壁组件包括外壁15和内壁14；所述火焰筒13从前至后依次设置二次空气燃烧孔和掺混孔。

本发明的优点包括：

1.本发明所提供的燃油变化范围宽，超过20：1，具有全工况煤油供应压力低、雾化质量良好、雾化一致性高的优点，解决压力雾化方式雾化压力高、燃油超宽范围变化过程雾化变差甚至根本不能雾化的难题。本发明提供的雾化方式采用双级雾化，包括固定小流量一级空气辅助雾化、变流量二级空气旋流雾化。一级雾化为内部预混合，并呈60°多孔喷嘴向外喷射，保证最低燃油及10：1范围内高效雾化，对应的燃油供应压力约0.15MPa。二次雾化空气为旋流，一次雾化后的燃油/空气混合物与二次雾化空气进一步撞击、卷吸，实现对10：1～20：1及更大范围的燃油雾化。

2.本发明提供的火焰稳定器具有稳焰范围宽、火焰稳定良好的特点，解决高工况脱火、低工况回火的难题。本发明提供的火焰稳定器采用收缩-扩散文氏管结构，收缩段对旋流器后的二次雾化空气进行均流和加速，加速后的动能增加，卷吸作用增强，卷吸和二次雾化燃油。扩散段对雾化、掺混良好的燃油/空气混合物进行扩压减速，满足与火焰传播速度的匹配关系。扩散段设置斜坡形成回流，起到低速稳焰目标。

3.本发明提供的燃油调节方式具有线性良好、连续调节和响应快速的特点，解决了燃油调节线性度差、甚至无序的难题。本发明提供的一次雾化空气为固定空气流量，仅调节燃油流量，无需同时调节空气和燃油两路，线性度好。通过合理设计和分配第一级、第二级空气进气量，可以在保持总供气量不变的情况下，通过供油量调节作用实现燃气发生装置实际出口燃气流温度连续线性调节功能。

4.本发明提供的两级燃烧/掺混方式具有燃烧效率高、燃烧温度高、冷却可靠的特点。本发明提供的燃烧方式，当第一级进气为恰好完全燃烧或贫油燃烧时，第二级进气进入火焰筒对第一级燃烧气体仅产生掺混、降温的作用，最低温度为700K；当第一级进气为富油燃烧时，第二级进气进入火焰筒将与第一级燃烧气体中燃油产生二次燃烧，燃烧效率高，温度高最高达到2100K。两级进气在不同位置形成气膜，结合二级空气燃烧/掺混器的外壁组件冷却通道的水冷却，使得在2100K高温下可靠冷却，解决镍基不锈钢或合金钢材料最高在1200K温度下工作的限制。

本发明采用双级雾化、双级燃烧/掺混式方式，实现了气/煤油高温燃气的大温度范围连续、快速、线性调节，试验得到的温度变化范围为685K～2110K，温度调节的线性度误差小于5％，调节延迟时间低于0.1s，最长工作时间大于1h，冷却可靠。

本发明提供了一种大温度范围连续、快速、线性调节的空气/煤油高温燃气发生装置，可以应用于高超声速飞行器材料高温考核、大部件热防护结构、热响应研究试验系统，以及特种材料耐温试验和其它高温燃气使用场所，也可应用于废煤油的燃烧处理。本发明的燃气发生器的燃料优先选用各种牌号的煤油。

Claims (10)

1.一种连续、快速、大范围线性调节温度的煤油/空气高温燃气发生装置，其特征在于包括：

一级燃烧室(101)，

二级燃烧/掺混室(102)，

一级辅助雾化空气阀门(103)，

二级雾化空气阀门(104)，

二级燃烧/掺混空气阀门(105)，

单级燃油控制阀门(106)，

内预混合雾化喷嘴(7)，

二级雾化空气旋流器(8)

其中，总来流空气分成三个部分，即：

1)总来流空气的第一部分为辅助雾化空气，为固定小流量，经过一级辅助雾化空气阀门(103)进入内预混合雾化喷嘴，对由单级燃油控制阀门(106)进入的燃油进行一次雾化；

2)总来流空气的第二部分作为一级空气，约占总空气流量的50％，，经过二级雾化空气阀门(104)进入一级燃烧室(101)，其中，小部分的一次空气经过二级雾化空气旋流器(8)旋转后作为二次雾化空气，大部分的一次空气与经单级燃油喷注器喷入的燃油在一级燃烧室(101)内燃烧并随后进入二级燃烧/掺混室(102)；

3)总来流空气的第三部分的空气经过二级燃烧/掺混空气阀门(105)进入二级燃烧/掺混室(102)。

2.根据权利要求1所述煤油/空气高温燃气发生装置，其特征在于：

当一级燃烧室(101)为欠油气比或最佳油气比燃烧时，经过内预混合雾化喷嘴所喷注的燃油在一级燃烧室(101)完全燃烧，其排气进入二级燃烧/掺混室(102)，经二级燃烧/掺混空气阀门(105)进入的空气流将只发生相互掺混过程，燃气流温度降低，二级燃烧/掺混室(102)出口的燃气流温度比一级燃烧室(101)出口的气流温度低，

当一级燃烧室(101)为富油气比燃烧时，其产生的燃气流中含有未燃尽的燃油，未燃尽的燃油将与经二级燃烧/掺混空气阀门(105)进入的空气在二级燃烧/掺混室(102)中进行二次燃烧，二级燃烧/掺混室(102)出口处的气流温度比一级燃烧室(101)出口处的气流温度高，从而达到二次燃烧升温的目的。

3.根据权利要求2所述煤油/空气高温燃气发生装置，其特征在于：

内预混合雾化喷嘴(7)的外径处安装二级雾化空气旋流器(8)，实现燃油的双级雾化。

4.根据权利要求1－3之一所述煤油/空气高温燃气发生装置，其特征在于进一步包括多孔均流板(1)、一次雾化空气进气嘴(2)、煤油接嘴(3)、空气均流室(4)、煤油管(5)、一次雾化空气进气管(6)、、火焰稳定器(9)、集液腔(10)、一次燃烧空气均流锥(11)、点火器安装通道(12)、火焰筒(13)、内壁(14)、外壁(15)、水冷法兰(16)、一级空气进气接嘴(17)和二级空气接嘴(18)，

其中：

煤油管(5)的一端与煤油接嘴(3)连接，煤油管(5)的另一端连接内预混合雾化喷嘴(7)，

一次雾化空气进气管(6)的一端与一次雾化空气进气嘴(2)连接，一次雾化空气进气管(6)的另一端为收缩小孔并连接内预混合雾化喷嘴(7)，

一次雾化空气进气管(6)套在煤油管(5)的外围，

二级雾化空气旋流器(8)的出口端连接环状的火焰稳定器(9)，

火焰稳定器(9)上套有一次燃烧空气均流锥(11)。

5.根据权利要求4所述煤油/空气高温燃气发生装置，其特征在于：

一次燃烧空气均流锥(11)为均匀布满三排、每排16个小孔的喇叭状套筒结构，

所述喇叭状套筒结构的喇叭口的一端固定在空气均流室(4)与火焰筒(13)的连接处。

6.基于一种连续、快速、大范围线性调节温度的煤油/空气高温燃气发生装置的煤油/空气高温燃气发生方法，所述煤油/空气高温燃气发生装置包括：

一级燃烧室(101)，

二级燃烧/掺混室(102)，

一级辅助雾化空气阀门(103)，

二级雾化空气阀门(104)，

二级燃烧/掺混空气阀门(105)，

单级燃油控制阀门(106)，

内预混合雾化喷嘴(7)，

二级雾化空气旋流器(8)，

煤油/空气高温燃气发生方法的特征在于包括：

把总来流空气分成三个部分，

1)总来流空气的第一部分为辅助雾化空气，为固定小流量，经过一级辅助雾化空气阀门(103)进入内预混合雾化喷嘴，对由单级燃油控制阀门(106)进入的燃油进行一次雾化；

2)总来流空气的第二部分作为一级空气，约占总空气流量的50％，，经过二级雾化空气阀门(104)进入一级燃烧室(101)，其中，小部分的一次空气经过二级雾化空气旋流器(8)旋转后作为二次雾化空气，大部分的一次空气与经单级燃油喷注器喷入的燃油在一级燃烧室(101)内燃烧并随后进入二级燃烧/掺混室(102)；

3)总来流空气的第三部分的空气经过二级燃烧/掺混空气阀门(105)进入二级燃烧/掺混室(102)。

7.根据权利要求6所述煤油/空气高温燃气发生方法，其特征在于：

当一级燃烧室(101)为欠油气比或最佳油气比燃烧时，经过内预混合雾化喷嘴所喷注的燃油在一级燃烧室(101)完全燃烧，其排气进入二级燃烧/掺混室(102)，经二级燃烧/掺混空气阀门(105)进入的空气流将只发生相互掺混过程，燃气流温度降低，二级燃烧/掺混室(102)出口的燃气流温度比一级燃烧室(101)出口的气流温度低，

当一级燃烧室(101)为富油气比燃烧时，其产生的燃气流中含有未燃尽的燃油，未燃尽的燃油将与经二级燃烧/掺混空气阀门(105)进入的空气在二级燃烧/掺混室(102)中进行二次燃烧，二级燃烧/掺混室(102)出口处的气流温度比一级燃烧室(101)出口处的气流温度高，从而达到二次燃烧升温的目的。

8.根据权利要求7所述煤油/空气高温燃气发生方法，其特征在于：

内预混合雾化喷嘴(7)的外径处安装二级雾化空气旋流器(8)，实现燃油的双级雾化。

9.根据权利要求6－8之一所述煤油/空气高温燃气发生方法，其特征在于所述煤油/空气高温燃气发生装置进一步包括多孔均流板(1)、一次雾化空气进气嘴(2)、煤油接嘴(3)、空气均流室(4)、煤油管(5)、一次雾化空气进气管(6)、、火焰稳定器(9)、集液腔(10)、一次燃烧空气均流锥(11)、点火器安装通道(12)、火焰筒(13)、内壁(14)、外壁(15)、水冷法兰(16)、一级空气进气接嘴(17)和二级空气接嘴(18)，

其中：

煤油管(5)的一端与煤油接嘴(3)连接，煤油管(5)的另一端连接内预混合雾化喷嘴(7)，

一次雾化空气进气管(6)的一端与一次雾化空气进气嘴(2)连接，一次雾化空气进气管(6)的另一端为收缩小孔并连接内预混合雾化喷嘴(7)，

一次雾化空气进气管(6)套在煤油管(5)的外围，

二级雾化空气旋流器(8)的出口端连接环状的火焰稳定器(9)，

火焰稳定器(9)上套有一次燃烧空气均流锥(11)。

10.根据权利要求9所述煤油/空气高温燃气发生方法，其特征在于：

一次燃烧空气均流锥(11)为均匀布满三排、每排16个小孔的喇叭状套筒结构，

所述喇叭状套筒结构的喇叭口的一端固定在空气均流室(4)与火焰筒(13)的连接处。