CN106568100B - 大梯度伴流射流火焰燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大梯度伴流射流火焰燃烧器，包括：燃烧加热器、中心射流喷管、燃料伴流喷管、电火花点火器、供油管路以及供气管路；燃料加热器的一端与供油管路和供气管路相连，燃料加热器的另一端以可拆卸方式设置有中心射流喷管和燃料伴流喷管，电火花点火器设置在燃烧加热器内；其中：燃料与空气在燃烧加热器内部混合燃烧后经中心射流喷管形成中心射流；供油管路提供的燃料还通过燃料伴流喷管喷后射出燃料射流，燃料射流与中心射流汇合后燃烧形成火焰。本发明单纯且可控性好，易于精确控制燃料‑空气的速度、温度和浓度梯度，便于与各种激光光源和成像系统组合形成燃烧试验系统，有利于高精度高分辨率的定量化测试技术的实现。

Description

大梯度伴流射流火焰燃烧器
技术领域
本发明涉及燃烧器技术领域，具体地，涉及大梯度伴流射流火焰燃烧器，特别涉及模拟超声速燃烧设备工况和顺流/横向/交叉射流方式，以预混、自由射流和反扩散等多种火焰模式运行的试验系统。
背景技术
为了阐释湍流与燃烧的复杂相互作用，帮助不断提出新的湍流燃烧模型并加以验证，亟需射流火焰数据作为湍流燃烧模型的发展和验证依据。国外学者相继设计了冷态燃料喷进高温燃烧产物环境中的Cabra抬升火焰、高温伴流射流(JHC)燃烧器和曲壁面伴流射流(CWJ)燃烧器以及Cutler小尺寸超声速火焰燃烧器作为试验验证装置，以此发展湍流燃烧模型和光学测试技术。但是以上燃烧器和其它常用燃烧器往往以燃料为中心射流、高温燃烧产物为伴流，并不适用于超声速射流火焰，容易诱发激波，不利于火焰稳定控制，而且不能真实模拟发动机工作环境和流向/横向/交叉等燃料喷射方式。
本发明具有宽压力、温度和当量比范围等特征，表现为燃料相对于空气的速度、温度和组分浓度的大梯度，能够模拟超声速燃烧环境和多种燃料喷射方式。基于这种单纯且可控性较好的反扩散火焰，选取易于精确控制流量的燃料，调节燃料-空气的速度、温度和浓度梯度，直观反映流向/横向/交叉剪切的化学反应混合层的火焰动力学特征和传播过程，为发展湍流燃烧模型和光学测试技术提供技术支撑。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大梯度伴流射流火焰燃烧器。
根据本发明提供的大梯度伴流射流火焰燃烧器，包括：燃烧加热器、中心射流喷管、燃料伴流喷管、电火花点火器、供油管路以及供气管路；所述燃料加热器的一端与供油管路和供气管路相连，所述燃料加热器的另一端以可拆卸方式设置有中心射流喷管和燃料伴流喷管，所述电火花点火器设置在燃烧加热器内；其中：
供油管路提供的燃料与供气管路提供的空气在燃烧加热器内部混合燃烧后经中心射流喷管形成中心射流；供油管路提供的燃料还通过燃料伴流喷管喷射出燃料射流，所述燃料射流与中心射流汇合后燃烧形成火焰。
优选地，所述燃烧加热器包括：燃烧加热器内筒、燃烧加热器外筒以及空气/水冷却通道夹层，所述燃烧加热器外筒包覆住燃烧加热器内筒，且在所述燃烧加热器外筒与燃烧加热器内筒之间设置有贯通的沟槽，所述沟槽构成空气/水冷却通道夹层。
优选地，燃烧加热器内筒构成燃料与空气的混合燃烧室，用于燃料与空气的充分燃烧。
优选地，还包括支撑基座，所述支撑基座位于燃烧加热器的底端。
优选地，中心射流喷管包括沙漏型和倒漏斗型中的任一种形式，具体地，
沙漏型中心射流喷管能够喷射出超声速射流，超声速射流的马赫数由沙漏型中心射流喷管的出口面积与喉道面积之比决定。
优选地，燃料伴流喷管的喷射方向为可调节模式，即能够调节燃料射流的方向，具体地，包括：顺流模式、横向射流模式以及交叉射流模式。
优选地，所述燃料伴流喷管呈圆台型并包覆住中心射流喷管，燃料伴流喷管的侧面、底面与中心射流喷管的外侧面之间构成燃料的缓存区域，供油管路将燃料输入所述缓存区域并经燃料伴流喷管侧面与中心射流喷管之间的环形出口喷射出燃料射流；燃料射流的喷出速度、数量、方向由环形出口的位置、面积以及缓存区的容积决定。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的大梯度伴流射流火焰燃烧器适用于大梯度速度、温度和组份浓度的试验环境模拟，燃烧室总压可达2MPa，能够模拟超声速燃烧环境和多种燃料喷射方式，超声速火焰最大马赫数达到2.5。
2、本发明提供的大梯度伴流射流火焰燃烧器有单纯、可控性好、易于精确控制能量以及便于与光学成像系统匹配，并能够直观反映流向/横向/交叉剪切的化学反应混合层的火焰动力学特征和传播过程。
3、本发明提供的大梯度伴流射流火焰燃烧器具有宽压力、宽温度和当量比范围等特征，表现为燃料相对于空气的速度、温度和组分浓度的大梯度，能够模拟发动机燃烧环境和多种燃料喷射方式。
4、发明充分利用了常用火焰燃烧器的优点，并采用反扩散模式设计回避了超声速流动环境对燃料射流的流动损失，使其可以实现超声速环境模拟；其次，本发明设计的中心射流采用氢气/空气燃烧补氧加热，产生高温燃烧产物模拟流动工质的热环境，调节燃料/空气当量比可以改变流动工质温度，最大温度可以达到1800K。
5、本发明设计的燃料伴流从伴流射流通道流出，其流动方向可以通过环缝出口方向进行调节，可以模拟流向/横向/交叉剪切的化学反应混合层。
6、本发明设计的电火花点火系统，可以对射流火焰进行点火及熄灭后再燃，具有分析火焰点火及熄灭等稳定性问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的测试系统的组成示意图；
图2为本发明提供的火焰燃烧器示意图；
图3为本发明提供的燃烧加热器示意图；
图中：
1-电火花点火器；
2-燃烧加热器内筒；
3-燃烧加热器外筒；
4-基座；
5-压力传感器；
6-供油管路；
7-供气管路；
8-冷却介质进口；
9-冷却夹层通道。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的大梯度伴流射流火焰燃烧器，能够形成中心热射流和燃料环形射流，选取易于精确控制流量的燃料，调节燃料-空气的速度、温度和浓度梯度，改变燃料射流的环缝出口方向，直观反映为流向/横向/交叉剪切的化学反应混合层的火焰动力学特征和传播过程。
反扩散火焰模式设计是指中心射流为预混火焰的燃烧产物，环形伴流为气态/液态燃料，采用高压空气/水在夹层通道中进行壁面冷却。
预混、自由射流和反扩散等多种火焰模式是指预混火焰由预混室燃料和空气充分混合后燃烧，而燃烧气流经由烧结多孔铜板喷出而形成；自由射流由中心高温燃烧产物，经由收缩喷管/超声速喷管喷出而形成；反扩散火焰由中心热射流以及环形伴流射流组成，经由超声速喷管喷出，通过超声速喷管出口附近的电火花点火器点火而形成。
模拟顺流/横向/交叉射流方式是指整体更换喷管外套(燃料伴流喷管)以改变燃料伴流的环缝出口方向，根据燃料伴流与中心射流之间流动方向的夹角，分别形成顺流/横向/交叉射流。
模拟超声速燃烧设备工况是通过燃烧室出口喷管型面设计，改变喷管出口面积和喉道面积之比实现不同马赫数的超声速火焰。
试验模拟压力和速度范围与实际发动机工作环境一致是指中心射流提供马赫数为12.5的热射流(总压3～40atm、最高总温1800K)、燃料伴流提供最高马赫数为1的燃料射流。
整体更换耐高温不锈钢的喷管和伴流外套是通过设计不同面积比和出口面积的内外流通道，使其实现多种火焰模式和各种大梯度条件。
图1是大梯度伴流射流火焰燃烧器设计方案图，主要由高温中心射流和燃料伴流射流组成，包括加热器内筒、加热器外筒、空气/水冷却系统、电火花点火器、中心射流喷管、燃料伴流喷管和供油管路、供气管路等，以预混火焰、自由射流火焰和反扩散火焰等多种模式运行，可以模拟超声速燃烧试验环境。
图2是本发明所提供的火焰燃烧器示意图，主要由燃烧加热器、中心射流喷管、燃料伴流喷管、电火花点火器、供油管路、供气管路以及支撑系统组成。其中燃烧加热器，提供高温中心射流、燃料伴流喷管提供燃料射流与中心射流混合燃烧。
图3是本发明所提供的燃烧加热器示意图，主要由燃烧加热器内筒、燃烧加热器外筒以及空气/水冷却通道夹层组成。在燃烧加热器内筒由燃料/空气补氧燃烧形成高温中心射流，加热器外筒提供防热和结构保护作用。内筒和外筒之间有相对应的沟槽，构成冷却空气/水的夹层通道，以保护加热器内筒结构和长时间运行。加装多孔陶瓷结构以保证燃料/空气均匀混合，降低中心射流干扰。
本发明中大梯度伴流射流火焰燃烧器，能够模拟高温(1800K)、高马赫数(2.5)的流场或燃烧环境，可以提供速度、温度和组份浓度等多种梯度。实际运行模式可以根据试验项目需求形成灵活多变的试验模拟系统。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种大梯度伴流射流火焰燃烧器，其特征在于，包括：燃烧加热器、中心射流喷管、燃料伴流喷管、电火花点火器、供油管路以及供气管路；所述燃料加热器的一端与供油管路和供气管路相连，所述燃料加热器的另一端以可拆卸方式设置有中心射流喷管和燃料伴流喷管，所述电火花点火器设置在燃烧加热器内；其中：
供油管路提供的燃料与供气管路提供的空气在燃烧加热器内部混合燃烧后经中心射流喷管形成中心射流；供油管路提供的燃料还通过燃料伴流喷管喷射出燃料射流，所述燃料射流与中心射流汇合后燃烧形成火焰。
2.根据权利要求1所述的大梯度伴流射流火焰燃烧器，其特征在于，所述燃烧加热器包括：燃烧加热器内筒、燃烧加热器外筒以及空气/水冷却通道夹层，所述燃烧加热器外筒包覆住燃烧加热器内筒，且在所述燃烧加热器外筒与燃烧加热器内筒之间设置有贯通的沟槽，所述沟槽构成空气/水冷却通道夹层。
3.根据权利要求2所述的大梯度伴流射流火焰燃烧器，其特征在于，燃烧加热器内筒构成燃料与空气的混合燃烧室，用于燃料与空气的充分燃烧。
4.根据权利要求1所述的大梯度伴流射流火焰燃烧器，其特征在于，还包括支撑基座，所述支撑基座位于燃烧加热器的底端。
5.根据权利要求1所述的大梯度伴流射流火焰燃烧器，其特征在于，中心射流喷管包括沙漏型和倒漏斗型中的任一种形式，具体地，
沙漏型中心射流喷管能够喷射出超声速射流，超声速射流的马赫数由沙漏型中心射流喷管的出口面积与喉道面积之比决定。
6.根据权利要求1所述的大梯度伴流射流火焰燃烧器，其特征在于，燃料伴流喷管的喷射方向为可调节模式，即能够调节燃料射流的方向，具体地，包括：顺流模式、横向射流模式以及交叉射流模式。
7.根据权利要求1所述的大梯度伴流射流火焰燃烧器，其特征在于，所述燃料伴流喷管呈圆台型并包覆住中心射流喷管，燃料伴流喷管的侧面、底面与中心射流喷管的外侧面之间构成燃料的缓存区域，供油管路将燃料输入所述缓存区域并经燃料伴流喷管侧面与中心射流喷管之间的环形出口喷射出燃料射流；燃料射流的喷出速度、数量、方向由环形出口的位置、面积以及缓存区的容积决定。
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