CN109322750B - 微型气液两用高能点火器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型气液两用高能点火器，涉及发动机技术领域。本发明1)能够在单个点火电嘴点火能量较低的条件下提高成功率，并降低点火延迟时间；2)能够在点火器内部形成高效的周向旋流结构，延长燃气和燃油驻留时间，并增强掺混，从而有利于形成稳定的火焰结构；3)在流场内形成了周向涡系结构；该涡系结构包括紧贴于内壁内侧壁面的涡系结构和由于该涡系结构对内部流动卷吸形成的周向涡系流动结构；4)降低了点火延迟，提高了点火成功率，并能够以更低小的尺寸实现燃油和燃气驻留时间的增长，从而缩小了点火器所需的几何尺寸；5)可以保障雾化效果以及避免雾滴碰壁。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种微型气液两用高能点火器。
背景技术
现有的用于涡轮发动机、冲压发动机以及燃气轮机的点火装置中，煤油空气点火器是指利用煤油作为燃料，空气作为氧化剂，能够喷出高温火焰(燃气)的燃烧装置。当前国内主要包括，氧化剂和燃料组合多为：氧气/氢气、氧气/酒精、氧气/煤油、液氧/煤油等，尽管上述点火器工作稳定可靠，但对于采用煤油作为燃料的超燃冲压发动机而言，如果能够采用空气和煤油作为点火器的氧化剂和燃料，则将带来更大的收益，因为点火器和发动机均以煤油作为燃料，可以使得燃料供应系统更加集成、安全，节约宝贵的载荷空间。
国内近期开展涡轮发动机、冲压发动机用煤油-空气点火器研发工作，煤油从点火器端面经旋流喷嘴注入，空气分为一次喷注和二次喷注两个支路，采用普通汽车火花塞点燃空气煤油混合物。但该方案空气流量大，特征尺寸大，空气流路设计相对简单，没有显著的涡系结构组织燃烧，但整体却结构复杂，且需要火焰稳定装置，点火器壳体容易烧蚀，点火时间延迟(点火的重要指标)长(900ms)的缺点。
归纳来讲，现有用于涡轮发动机、冲压发动机以及燃气轮机的点火装置具有如下缺点：
1)特征尺寸、直径和长度较大，难以应用于小型涡轮发动机或是冲压发动机等；
2)点火时间延迟长，容易造成动力装置点火失败；
3)壁面缺乏热防护能力，容易造成烧蚀，工作寿命短。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种体积小、点火迅速，寿命长的可用于涡轮发动机和冲压发动机的高能点火装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微型气液两用高能点火器，包括上壳体1、下壳体和渐缩段7；
所述上壳体1的型面为半椭圆、半圆形、半椭圆与矩形的组合结构，半圆与矩形的组合结构中的一种；
所述下壳体由上端壁4、外壳体5、下端壁6、内壁10组成，并围成作为集气腔的环腔，内壁10上开有4-8个与壁面法向倾角为30°～60°的斜孔作为进气孔，周向均匀布置；
所述上壳体1和下壳体的上端壁4之间连接，内壁10为圆柱面，且上壳体1的下端口与内壁10的上端口形状、面积均匹配；上壳体1顶部设有离心喷嘴2，上壳体1上还设有半导体电嘴3，位于所述离心喷嘴2下方；离心喷嘴2和半导体电嘴3与上壳体1的连接均采用螺纹连接的方式，其中半导体电嘴3在上壳体1上共布置两个，且两个间隔180°，位于同一水平面；下壳体的外壳体5上设有进气口8，进气口8与下壳体的外壳体5之间采用焊接的方式进行连接；渐缩段7的型面为上部为上大下小的锥形与下部为矩形的组合，且等厚度；渐缩段7位于内壁10的正下方，锥形的上端口形状、面积均与内壁10下端口匹配；渐缩段7与内壁10采用焊接的方式进行连接。
优选地，所述上壳体1的厚度为3-7mm的范围。
优选地，所述上端壁4、外壳体5、下端壁6、内壁10四个零件采用焊接的方式联接。
优选地，所述进气孔的孔径分布范围为Φ1.8-Φ4mm。
优选地，所述上壳体1和下壳体的上端壁4之间采用螺钉9连接。
优选地，所述螺钉9的数量为4-6个。
优选地，所述螺钉9周向均匀布置。
(三)有益效果
本发明采用1)双电嘴结构，能够在单个点火电嘴点火能量较低的条件下提高成功率，并降低点火延迟时间；2)多斜孔供气设计，能够在点火器内部形成高效的周向旋流结构，延长燃气和燃油驻留时间，并增强掺混，从而有利于形成稳定的火焰结构。3)由于下壳体的设计，在流场内形成了涡系结构；该涡系结构包括紧贴于内壁内侧壁面的涡系结构和由于该涡系结构对内部流动卷吸形成的周向涡系流动结构；4)由于采用双电嘴结构和所形成的周向涡系结构的叠加使用，降低了点火延迟，提高了点火成功率，并能够以更低小的尺寸实现燃油和燃气驻留时间的增长，从而缩小了点火器所需的几何尺寸；5)上壳体的型面设计及喷嘴锥角范围控制：上壳体的内部型面为半个椭圆或半圆结构，或是与矩形的组合结构，加上喷嘴锥角控制在30-60°之间，可以保障雾化效果以及避免雾滴碰壁。
附图说明
图1是本发明的点火器剖视图；
图2是本发明的点火器在工作过程中形成的涡系流场结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种可用于涡轮发动机和冲压发动机的微型气液两用高能点火器，包括上壳体1、下壳体和渐缩段7。
上壳体1的型面为半椭圆、半圆形、半椭圆与矩形的组合结构，半圆与矩形的组合结构中的一种，上壳体1的厚度为3-7mm的范围；
下壳体由上端壁4、外壳体5、下端壁6、内壁10组成，并围成作为集气腔的环腔，四个零件采用焊接的方式联接。内壁10上开有4-8个与壁面法向倾角为30°～60°的进气孔(斜孔)，周向均匀布置，孔径分布范围为Φ1.8-Φ4mm。
上壳体1和下壳体的上端壁4之间采用螺钉9连接的方式连接，螺钉数量为4-6个，周向均匀布置，内壁10为圆柱面，且上壳体1的下端口与内壁10的上端口形状、面积均匹配(相同)。上壳体1顶部设有离心喷嘴2，上壳体1上还设有半导体电嘴3，位于所述离心喷嘴2下方。离心喷嘴2和半导体电嘴3与上壳体1的连接均采用螺纹连接的方式，其中半导体电嘴3在上壳体1上共布置两个，且两个间隔180°，位于同一水平面。下壳体的外壳体5上设有进气口8，进气口8与下壳体的外壳体5之间采用焊接的方式进行连接。渐缩段7的型面为上部为上大下小的锥形与下部为矩形的组合，且等厚度。渐缩段7位于内壁10的正下方，锥形的上端口形状、面积均与内壁10下端口匹配(相同)。渐缩段7与内壁10采用焊接的方式进行连接。
上述微型气液两用高能点火器工作流程和原理为:
空气通过进气口8进入下壳体中由上端壁4、外壳体5、下端壁6、内壁10组成的集气腔，而后通过内壁10上开设的进气孔进入上壳体1和下壳体组成的燃烧室内部，并由于进气角度的倾斜形成了一定旋流结构。燃油通过离心喷嘴2进入燃烧室内部，由于离心喷嘴2的雾化的作用，导致燃油以微小颗粒形式喷入到燃烧室内部。进而，燃油颗粒与燃烧室内部的空气进行充分掺混，具有一定油气分布规律的两相流分布结构。进而，点火电嘴3(共两个)通过点火花的形式将电能转化为热能，从而点燃该油气分布场，形成剧烈的燃烧化学反应，生产高温燃气，通过渐缩段7喷入到下方待点火的对象中。
在冷却方面，上端壁4、外壳体5、下端壁6、内壁10组成的集气腔内形成了一定的环向空气流动，能够有效吸收在燃烧过程中对内壁10形成的热负荷，从而降低内壁10表面的温度，从而提高点火器的使用寿命。
由于渐缩段7的型面是锥形与矩形的组合，且渐缩段7为等厚度的收敛通道，因此气流的流动面积先是缩小，而后保持不变。渐缩段7的出口可依据待点火的对象进行匹配设计，允许不同半径的出口进行转接。
可以看出，本发明采用了以下关键技术手段：
1)双电嘴结构，能够在单个点火电嘴点火能量较低的条件下提高成功率，并降低点火延迟时间；
2)多斜孔供气设计，能够在点火器内部形成高效的周向旋流结构，延长燃气和燃油驻留时间，并增强掺混，从而有利于形成稳定的火焰结构。
3)流场内形成了周向涡系结构；该涡系结构包括紧贴于内壁内侧壁面的涡系结构和由于该涡系结构对内部流动卷吸形成的周向涡系流动结构。
4)由于采用双电嘴结构和所形成的周向涡系结构的叠加使用，降低了点火延迟，提高了点火成功率，并能够以更低小的尺寸实现燃油和燃气驻留时间的增长，从而缩小了点火器所需的几何尺寸。
5)上壳体的型面设计及喷嘴锥角范围控制：上壳体的内部型面为半个椭圆或半圆结构，或是与矩形的组合结构，加上喷嘴锥角控制在30-60°之间，可以保障雾化效果以及避免雾滴碰壁。
相比较于现有技术，本发明的点火器减少了点火器的尺寸，能够以更小的总体尺寸实现点火，结构自身的冷却气流组织方式，提高了点火器的使用寿命；提高了点火成功率，缩小了点火延迟的时间；能够形成稳定的，连续的火焰，试验表明，该点火器出口温度超过1000℃，火焰长度超过20cm。且加工和使用成本低，易于制造。该点火器点火能量量级在千焦耳量级，相对电点火器一般不超过10焦耳，因此为高能点火器。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种微型气液两用高能点火器，其特征在于，包括上壳体(1)、下壳体和渐缩段(7)；
所述上壳体(1)的型面为半椭圆、半圆形、半椭圆与矩形的组合结构，半圆与矩形的组合结构中的一种；
所述下壳体由上端壁(4)、外壳体(5)、下端壁(6)、内壁(10)组成，并围成作为集气腔的环腔，内壁(10)上开有4-8个与壁面法向倾角为30°～60°的斜孔作为进气孔，周向均匀布置，多斜孔供气设计，能够在点火器内部形成周向旋流结构；
所述上壳体(1)和下壳体的上端壁(4)之间连接，内壁(10)为圆柱面，且上壳体(1)的下端口与内壁(10)的上端口形状、面积均匹配；上壳体(1)顶部设有离心喷嘴(2)，上壳体(1)上还设有半导体电嘴(3)，位于所述离心喷嘴(2)下方；离心喷嘴(2)和半导体电嘴(3)与上壳体(1)的连接均采用螺纹连接的方式，其中半导体电嘴(3)在上壳体(1)上共布置两个，且两个间隔180°，位于同一水平面；下壳体的外壳体(5)上设有进气口(8)，进气口(8)与下壳体的外壳体(5)之间采用焊接的方式进行连接；渐缩段(7)的型面为上部为上大下小的锥形与下部为矩形的组合，且等厚度；渐缩段(7)位于内壁(10)的正下方，锥形的上端口形状、面积均与内壁(10)下端口匹配；渐缩段(7)与内壁(10)采用焊接的方式进行连接。
2.如权利要求1所述的微型气液两用高能点火器，其特征在于，所述上壳体(1)的厚度为3-7mm的范围。
3.如权利要求1所述的微型气液两用高能点火器，其特征在于，所述上端壁(4)、外壳体(5)、下端壁(6)、内壁(10)四个零件采用焊接的方式联接。
4.如权利要求1所述的微型气液两用高能点火器，其特征在于，所述进气孔的孔径分布范围为Φ1.8-Φ4mm。
5.如权利要求1至4中任一项所述的微型气液两用高能点火器，其特征在于，所述上壳体(1)和下壳体的上端壁(4)之间采用螺钉( 9) 连接。
6.如权利要求5所述的微型气液两用高能点火器，其特征在于，所述螺钉(9)的数量为4-6个。
7.如权利要求6所述的微型气液两用高能点火器，其特征在于，所述螺钉(9)周向均匀布置。
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