CN110895206A - 一种固液混相燃料点火燃烧试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冲压发动机燃料点火试验装置，具体涉及一种固液混相燃料点火燃烧试验装置。包括恒流泵、流量计、燃料贮箱、空气压缩机、压力表、管路阀门和雾化器，所述各部件通过管路连接。所述流量计采用新型容积式流量计，所述燃油贮箱选用球形不锈钢材料，设置加注口、排泄口、输油孔，方便燃油的加注、贮箱的清洗维护。所述空气压缩机包括由电动机驱动曲轴连杆机构使曲轴的旋转运动变成活塞的往复直线运动，通过进、排气阀门的开、闭将常压的空气压缩成具有额定工作压力的空气，并由单向阀进入储气罐。所述雾化器的喷嘴前端设计为锥形，点火方式为火花塞点火。防止固液混相燃料雾化分层、粒径不均，并解决完全燃烧问题。
Description
技术领域
本发明涉及冲压发动机燃料点火试验装置，具体涉及一种固液混相燃料点火燃烧实验装置。
背景技术
冲压发动机相比固体火箭发动机具有重量轻、在高速（M≈2.5）飞行时效率高、经济性好等优点，经减速增压后的空气进入燃烧室与预燃室中喷出的燃料混合，在燃烧室中进行等压燃烧，使气体温度和焓值升高，完成热力循环中的等压加热过程。在液体燃料中加入金属粒子可增加燃料焓值提高冲压发动机比冲。
液体燃料燃烧是一种非均相扩散燃烧现象，通常包括液面燃烧、预蒸发燃烧和液雾燃烧等方式。液体燃料燃烧是一个复杂的物理化学过程。由于液体沸点低于其燃点，因此，液体总是先蒸发成气体，并以气态方式进行燃烧。蒸发过程是一个表面过程，为了保证燃烧质量，必须增大液体表面积。当前，在内燃机、液体火箭发动机等交通运输、军事等动力系统中，为了提高燃烧强度和燃烧效率，广泛应用喷雾燃烧技术实现液体燃料化学能与机械能的转换。点火前，首先用雾化器将燃油分裂成许多细小而分散的油滴，以增加燃料单位质量的表面积，使其能和周围空间的氧化剂更好地混合，在空间达到迅速和完全的燃烧。液体燃料雾化方法一般包括机械式雾化和介质式雾化。机械式雾化是指液体燃料在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出，一般包括直流式、离心式、和转杯式。介质式雾化是指靠附加的雾化介质（蒸汽或压缩空气）的能力来雾化，一般分为高压雾化、中压雾化、低压雾化。
在影响混相燃料雾化点火的因素中，传统喷注方案影响煤油射流的破碎、雾化、蒸发以及混合过程，由于喷注流场复杂，存在边界层干扰、射流干扰等复杂的物理现象，选择不同的燃料喷注工况将获得截然不同的雾化燃料场，进而影响点火源处雾滴的空间分布、尺寸分布、气态燃料与液态燃料比以及局部当量比。由于混相燃料不易引燃，易形成点火失效。引导火焰点火是目前最常用的点火方式。但是，引导火焰使整体系统复杂，成本高。本方案主要采用火花塞点火，通过控制工况条件使雾滴尺寸分布均匀，确保燃烧稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题：
本发明提供一种固液混相燃料点火燃烧实验装置，以防止固液混相燃料雾化分层、粒径不均，并解决完全燃烧问题。
为解决技术问题采用的技术方案：
一种固液混相燃料点火燃烧试验装置，包括恒流泵、流量计、燃料贮箱、空气压缩机、压力表、管路阀门和雾化器，所述恒流泵、流量计、燃料贮箱、空气压缩机、压力表、管路阀门和雾化器通过管路连接。
进一步地，所述流量计采用新型容积式流量计。
进一步地，所述燃油贮箱选用球形不锈钢材料，设置加注口、排泄口、输油孔，方便燃油的加注、贮箱的清洗维护。
进一步地，所述空气压缩机包括由电动机驱动曲轴连杆机构使曲轴的旋转运动变成活塞的往复直线运动，通过进、排气阀门的开、闭将常压的空气压缩成具有额定工作压力的空气，并由单向阀进入储气罐。
进一步地，所述雾化器的喷嘴前端设计为锥形。
进一步地，燃油选用RP-3航空煤油。
进一步地，点火方式为火花塞点火。
有益效果：
本方案采用火花塞点火，通过控制工况条件使雾滴尺寸分布均匀，确保燃烧稳定；通过控制点火能量防止点火瞬间燃爆现象。
附图说明
图1：固液混相燃料点火燃烧试验装置示意图；
图2：雾化器结构示意图；
图3：点火器点火电路图；
其中：1.喷嘴环隙管路、2.喷嘴主管路、3.燃料、4.空气、5.喷孔。
具体实施方式
如图1所示，一种固液混相燃料点火燃烧试验装置，包括恒流泵、流量计、燃料贮箱、空气压缩机、压力表、管路阀门和雾化器，各部件通过管路连接。
供油系统主要由油泵、流量计、管路、燃料容器等零部件组成。恒流泵作为一种流体增压装置，能实现流量与压力调节，广泛应用于高校、科研院所实验室。恒流泵一般采用双柱塞结构，压力脉动小，精准、耐用、输送流量稳定，连续可调，输送液体与外界隔离，可有效避免污染等。将软管装卡在转子和定子之间，在工作中，两滚轮之间的一段泵管形成泵室，转子上的转轮依次碾过泵管，将管中的流体向前推挤。转轮碾过后的泵管因自身弹性恢复原形、在泵管吸入端形成真空，液体因为真空而被吸入。转轮与转轮之间的距离因为转动而形成泵室，泵室的容积大小与泵管内径及转轮的回转直径与轮距有关，流速取决于泵头上转轮的速度与泵室的容积。
流量计采用新型容积式流量计，可用于精密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时流量，微小流量即可准确测量。该流量计体积小、重量轻，运行时振动噪声小。
燃油贮箱选用不锈钢材料，在确保容积的前提下，为减轻质量优先选用球形。设计加注口、排泄口、输油孔，方便燃油的加注、贮箱的清洗维护。
供气系统主要由空气压缩机、流量计、压力表、管路阀门等组成。空气压缩机由电动机驱动曲轴连杆机构使曲轴的旋转运动变成活塞的往复直线运动，通过进、排气阀门的开、闭将常压的空气压缩成具有额定工作压力的空气，并由单向阀进入储气罐。
空气质量流量计采用热扩散原理设计，具有体积小、数字化程度高、安装方便、测量准确等优点。仪表工作时，一个传感器不间断测量空气温度T1；另一个传感器自加热到高于介质温度T2，它用于感测流体流速，成为速度传感器。该温度△T=T2-T1，T2>T1，当有流体流过时，由于气体分子碰撞传感器并将T2的热量带走，使T2的温度下降，若要使△T保持不变，就要提高T2的供电电流，气体流动速度快，带走的热量也就越多，气体流速和增加的热量间存在固定的函数关系。利用这一关系便可方便测量气体流量。
如图2所示，雾化器是本试验装置的关键零部件，影响燃料雾化效果的因素一般包括雾化器结构参数、流体物性、喷嘴运行工况参数。其中，喷嘴结构是影响喷雾效果的关键因素。在相同的气液质量流量比值下，气孔直径越大，雾化粒子直径越大；液孔直径越大，粒子直径减小。喷嘴前端设计为锥形。这种喷嘴结构在空气和燃料供给压力不高的情况下能保证良好的雾化质量，同时油雾与空间的氧化剂混合充分，提高燃烧质量。喷嘴工作时油流通过油管进入喷嘴主管路，空气通过气管进入喷嘴环隙管路，在喷孔的作用下，空气与燃油一同喷出形成油雾。
为了取得良好的雾化效果，喷嘴设计时首先开展理论计算和数值仿真研究，预示喷雾效果，主要考核喷孔直径的大小对雾化效果的影响。
喷雾效果与流体物性有关主要是指液滴上的气动力和表面张力。燃油雾化是一种物理过程。燃油从喷嘴喷出时形成油流，由于初始湍流和空气对油流作用，使油流表面发生波动，在外力作用下，油粒开始变为薄膜并被碎裂成细油滴。根据作用在液滴上的气动力与表面张力的关系：
定义韦伯准则数：
式中：是与液体物理性质有关的系数，是气体与液体之间的相对速度，是液体密度，是液体的表面张力系数，是液滴直径。
越大，油雾平均直径越小。为了确保雾化质量，应大于14。
燃油雾化效果除了与喷嘴结构、流体物性有关之外，还与喷嘴工作时的入口压力有关。在相同的气相压力下，随着液相压力的增加，平均雾化粒径增大，当液相压力相对较高时，甚至并不出现喷雾而是产生射流现象。在相同的液相压力下，随着气相压力的不断增大，平均雾化粒径减小。当气相压力增大到一定程度后，再增大气相压力，对喷雾效果的影响不再显著。为了达到良好的雾化效果，本方案气液入口压力比值选择在1.25-2之间。
如图3所示，在内燃机等交通运输工具中一般选用火花塞点火，在军用动力系统中点火方式主要包括火花塞点火、电热丝点火、火药点火等方式。其中火花塞因可重复点火而广泛使用。本方案采用火花塞点火方式对雾化燃料点火。如图3所示，当断电器中触点受凸轮控制而处于闭合状态时，点火系统低压电路接通，初级电路在点火线圈心中产生磁场。当断电器被分电器凸轮顶开，初级电路被切断，初级电流迅速减小，铁心中的磁通迅速变化，根据电磁感应原理，铁心上的次级绕组感应出高压电，高压电传至火花塞，击穿火花塞两电极间空气，产生电火花以此引燃油雾。
距雾化器喷孔轴向距离5-10mm处固定点火器。试验时，首先启动点火器提供电火花，2-3秒后，液体燃料通过雾化器喷出，雾化油滴在电火花作用下引燃。
a)供油压力： 0.0~2.0MPa
b)供油流量： 5-10g/s
c)供气压力： 0.5~2.5MPa
d)喷嘴入口气液压力比： 1.2-2
e)We:>14
f)点火电压： 10~20KV。
Claims (7)
1.一种固液混相燃料点火燃烧试验装置，其特征在于：包括恒流泵、流量计、燃料贮箱、空气压缩机、压力表、管路阀门和雾化器，所述恒流泵、流量计、燃料贮箱、空气压缩机、压力表、管路阀门和雾化器通过管路连接。
2.根据权利要求1所述的固液混相燃料点火燃烧试验装置，其特征在于：所述流量计采用新型容积式流量计。
3.根据权利要求1所述的固液混相燃料点火燃烧试验装置，其特征在于：所述燃油贮箱选用球形不锈钢材料，设置加注口、排泄口、输油孔，方便燃油的加注、贮箱的清洗维护。
4.根据权利要求1所述的固液混相燃料点火燃烧试验装置，其特征在于：所述空气压缩机包括由电动机驱动曲轴连杆机构使曲轴的旋转运动变成活塞的往复直线运动，通过单向阀进入储气罐。
5.根据权利要求1所述的固液混相燃料点火燃烧试验装置，其特征在于：所述雾化器的喷嘴前端设计为锥形。
6.根据权利要求1所述的固液混相燃料点火燃烧试验装置，其特征在于：燃油选用RP-3航空煤油。
7.根据权利要求1所述的固液混相燃料点火燃烧试验装置，其特征在于：点火方式为火花塞点火。
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