CN111413367A - 实现空间多点自燃的燃烧装置及测量系统 - Google Patents

Abstract

一种实现空间多点自燃的燃烧装置及测量系统，其实现空间多点自燃的燃烧装置包括：燃烧室，所述燃烧室内部具有燃烧通道；挡板，所述挡板沿所述燃烧通道的延伸方向间隔设置多个内部腔；其中，所述内部腔与所述燃烧通道相连通，用于在燃烧通道内获得多个受限空间。本发明设计了由挡板组成的多个内部腔，作为受限空间，能够迅速实现火焰多个热点的同时形成和爆燃转爆轰的过程，有利于模拟和分析大型燃气轮机和航空发动机受限空间内对于火焰加速以及爆轰过程，为燃烧动力装置的燃烧过程分析与结构优化设计提供理论支持。

Description

实现空间多点自燃的燃烧装置及测量系统

技术领域

本发明涉及燃烧技术领域，尤其涉及一种实现空间多点自燃的燃烧装置及测量系统。

背景技术

在大型燃气轮机及航空发动机中，由于燃烧室空间受限及其内部复杂结构的影响，火焰传播过程中受壁面扰动作用较强，使得压力波的反弹与叠加过程加剧，容易引发混合气自燃点及强湍流燃烧的发生，进一步会产生爆轰现象，这一过程所形成的热点自燃及爆轰波一方面会迅速增大火焰的传播速度，另一方面也会对发动机结构受力带来挑战。因此，有必要针对复杂壁面结构及壁面条件等对火焰传播过程中热点形成及火焰加速等现象的影响机理进行探究。

针对火焰传播过程中的爆燃转爆轰过程的研究，目前大多数试验手段都是通过在开口或封闭燃烧通道内设置一系列竖直挡板，火焰在传播过程中，火焰面前方的压力波会先撞击挡板前端面，之后反弹，反弹波会与火焰前锋面汇聚，使火焰破碎，反应面积增大，从而反应速率增加，经过一系列的挡板作用，火焰的加速作用不断增强，流场的湍流程度加强，而在火焰即将到达的某一个挡板附近，此处的混合气经过不断压缩，温度压力急剧升高，形成自燃点，自燃点爆发后，火焰速度迅速增大，形成爆轰。但是，竖直挡板的布置形式在实际实验操作中需要设置较长的火焰传播管道才会逐级加速火焰形成爆轰现象，而且往往在实验中只能观察到燃烧室某一点产生热点自燃现象，不能真实反映实际发动机中多点自燃及火焰加速等过程。

现阶段，由于实际燃烧动力装置内火焰的自燃及爆轰反应过程十分复杂，进行直接的可视化测量难度较大，因而设计一套简易的受限空间多点自燃的测量平台十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现空间多点自燃的燃烧装置及测量系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的至少之一。

作为本发明的一个方面，提供一种实现空间多点自燃的燃烧装置，包括：

燃烧室，所述燃烧室内部具有燃烧通道；

挡板，所述挡板沿所述燃烧通道的延伸方向间隔设置多个内部腔；

其中，所述内部腔与所述燃烧通道相连通，用于在燃烧通道内获得多个受限空间。

作为本发明的另一个方面，还提供一种测量系统，包括：

如上述实现空间多点自燃的燃烧装置；

测量部件，用于对所述燃烧通道或者内部腔内的燃烧状态进行监测。

基于上述技术方案，本发明相较于现有技术至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

1、本发明设计了由挡板组成的多个内部腔，作为受限空间，能够迅速实现火焰多个热点的同时形成和爆燃转爆轰的过程，有利于模拟和分析大型燃气轮机和航空发动机受限空间内对于火焰加速以及爆轰过程；

2、挡板设计形式多样，有F型和T型等结构，便于根据不同的实际情况进行模拟分析；多个热点同时形成的现象有利于总结壁面结构对热点形成和压力梯度分布的影响，分析火焰加速过程在微尺度内的变化规律；

3、挡板通过挡板底座与燃烧室连接，便于加工安装与更换；

4、测量系统将实现空间多点自燃的燃烧装置与测量部件相结合，使其可视化，实现对火焰在受限空间内形成多个自燃点与爆轰等过程的直观分析；

5、测量部件包括多个瞬态缸压传感器，配合纹影测量成像仪、粒子图像测速仪(PIV)、激光诱导荧光分析仪(PLIF)等光学测量手段可对火焰爆轰过程壁面附近的压力震荡、微观尺度内火焰形貌变化、热点形成位置及挡板附近浓度场的变化等进行分析与测试，对火焰加速过程中火焰与压力波之间相互的作用机理进行研究，为燃烧动力装置的燃烧过程分析与结构优化设计提供理论支持。

附图说明

图1是本发明实施例测量系统示意图；

图2是本发明实施例实现空间多点自燃的燃烧装置示意图；

图3是本发明实施例挡板T型结构示意图；

图4是本发明实施例挡板F型结构示意图。

以上附图，附图标记含义如下：

1-进气阀门；2-混合腔；3-压力变送器；4-防爆电磁阀；5-电动球阀；6-回火阀；7-压力表；8-热电偶；9-光源；10-狭缝；11，23-小反射镜；12，24-主反射镜；13-瞬态缸压传感器；14-电荷放大器；15-排气阀门；16-壁面瞬态温度传感器；17-安全阀；18-加热板；19-同步控制器；20-控制电脑；21-高速相机；22-刀口；25-点火组件；26-连接螺纹孔；27-瞬态缸压传感器安装孔；28-透明视窗；29-排气管安装孔；30-壁面瞬态温度传感器安装孔；31-安全阀连接孔；32-挡板底座螺纹孔；33-燃烧室；34-火花塞安装孔；35-进气管安装孔；36-挡板；37，40-内部腔；38-T型挡板；39-F型挡板。

具体实施方式

本发明主要用于测试与分析预混火焰在受限空间内多点自燃及火焰加速等过程。实现本发明的技术领域包括设计过程中的光学、热力学、电学以及控制技术等。

对于火焰加速以及爆轰过程的测量，当前的实验手段多是在较长的管道内设置竖直挡板实现火焰逐级加速，利用高速纹影测量成像仪测量局部窗口内的火焰加速现象，但是现有手段难以对火焰加速的整个过程进行直接观测，同时设备占用空间较大。

基于此，本发明设计的受限空间内火焰传播多点自燃的可视化燃烧装置及测量系统，主要是为了能够实现火焰在受限空间内同时形成多个自燃点及火焰瞬时加速，便于模拟和分析大型燃气轮机和航空发动机受限空间内对于火焰加速以及爆轰过程，对火焰爆轰过程壁面附近的压力震荡、微观尺度内火焰形貌变化、热点形成位置及挡板附近浓度场的变化等进行分析与测试，对火焰加速过程中火焰与压力波之间相互的作用机理进行研究，为燃烧动力装置的燃烧过程分析与结构优化设计提供理论支持。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一个方面，如图1和图2，提供一种实现空间多点自燃的燃烧装置，包括：

燃烧室33，燃烧室33内部具有燃烧通道；

挡板36，挡板36沿燃烧通道的延伸方向间隔设置多个内部腔37，40；

其中，内部腔37，40与燃烧通道相连通，用于在燃烧通道内获得多个受限空间。

更为具体的，当燃烧室33内的混合气被点燃，火焰开始在燃烧通道内传播，受挡板36影响挤压破碎，继续由一端向另一端传播，当传播至挡板36之间的内部腔37，40内后，由于部分破碎的火焰在缩口条件下进一步受压缩，混合气受温度和压力的升高而自燃，形成局部热点，热点形成后，火焰传播速度迅速增大，局部压力急剧升高，在另外几个挡板36的内部腔37，40中也会生成数个热点，火焰加速传播过程进一步增强，也可能会发生爆燃转爆轰的现象。

在本发明的实施例中，如图2、图3和图4所示，挡板36包括主板、支板和挡板底座；多个主板竖直阵列设置于挡板底座上，支板垂直设置于主板上；挡板底座设置于燃烧室33内壁上；

其中，本发明设计的挡板36包括竖直的主板和横向的支板，多个主板间隔设置，主要目的是利用竖直的主板将燃烧通道间隔成多个内部腔37，40的同时，由横向的支板形成与燃烧通道相连通的缩口结构。

在本发明的实施例中，如图2所示，挡板底座上设置挡板底座螺纹孔32，挡板底座通过沉头螺栓与燃烧室33底部固定。

在本发明的实施例中，主板的一端部设置一个支板，形成T型或者倒L型。在本发明的优选实施例中，在左右两个端部设置倒L型的主板和支板组合，在中间设置多个T型的主板和支板组合，形成如图3所示的T型挡板38，如图2和图3所示的内部腔37。

在本发明的其他实施例中，主板的一侧面上设置两个支板，形成F型；或者主板的两侧面上分别对称设置两个支板，形成“干”型。在本发明的优选实施例中，在左右两个端部设置F型的主板和支板组合，在中间设置多个“干”型的主板和支板组合，形成如图4所示的F型挡板39，如图4所示的内部腔40。该结构的单个内部腔40具有多个缩口结构，未燃混合气会受到缩口结构的多次压缩，压力和温度上升得更快，能够在更小的结构尺寸下生成多个火焰自燃点，加速实现爆燃转爆轰的过程。

其中，上述两种结构的挡板36均采用不锈钢材质。

在本发明的实施例中，燃烧室33为长方体结构，燃烧室33的长与高的比值大于2。其主要目的在于使燃烧室33的燃烧通道满足细长通道的形状，有利于火焰的传播过程。

在本发明的实施例中，燃烧室33的相对侧壁上分别设置透明视窗28，透明视窗28形成的可视通道贯穿内部腔37，40。其中，该透明视窗28的材质为玻璃。

更为具体的，挡板36通过挡板底座安装于燃烧室33的底部，透明视窗28设置于燃烧室33的前后侧壁上，形成可视通道，用于成为测量部件如纹影测量成像仪、粒子图像测速仪、激光诱导荧光分析仪等的测试光路通道。

在本发明的实施例中，实现空间多点自燃的燃烧装置还包括预混进气组件、点火组件25、安全防控组件、加热组件和排气组件等；

其中，预混进气组件包括混合腔2、进气支管和进气管；在燃烧通道的一端的燃烧室33上设置进气口，如图2所示，即进气管安装孔35，进气口通过进气管与混合腔2相连通；混合腔2上设置若干进气支管；在进气管上设置防爆电磁阀4、电动球阀5和回火阀6；其中，在混合腔2上设置压力变送器3；其中，进气支管上设置进气阀门1。

其中，排气组件包括排气管和真空泵，在燃烧通道的另一端的燃烧室33上设置排气管；排气管上设置排气阀门15和真空泵(图未示)。

其中，点火组件25设置于燃烧室33侧壁上，由火花塞和点火线圈组成，点火线圈信号端与下述的控制器连接；

在本发明的实施例中，加热组件包括加热板18，加热板16设置于燃烧室33外壁上，正对内部腔37，40位置；即内部腔37，40及燃烧通道可以通过加热板18在底部进行加热。

在本发明的实施例中，安全防控组件包括安全阀17，安全阀17设置于燃烧室33上。

作为本发明的另一个方面，还提供一种测量系统，包括：

如上述实现空间多点自燃的燃烧装置；

测量部件，用于对燃烧通道或者内部腔37，40内的燃烧状态进行监测。

在本发明的实施例中，测量部件包括瞬态缸压传感器13、壁面瞬态温度传感器16、压力表7、热电偶8、在线取样探针、火焰探测器；

在本发明的实施例中，多个瞬态缸压传感器13，设置于燃烧室33的顶部，沿燃烧通道延伸方向间隔设置；壁面瞬态温度传感器16，设置于燃烧室33的侧壁上。

在本发明的实施例中，在热点形成过程和火焰加速过程中，燃烧室33内压力分布会出现多个峰值点，在顶部设置多个瞬态缸压传感器13，能够对燃烧室33内部多个局部点的瞬时状态压力进行监测。如图1所示，在本发明是实施例中，瞬态缸压传感器13的设置个数为3，但并不局限于此，可根据实际燃烧室33的长度进行添加或减少。与此同时，在燃烧室33的末端壁面上通过安装壁面瞬态温度传感器16，对火焰传播过程中末端壁面瞬时温度的变化进行采集。

在本发明的实施例中，压力表7和热电偶8分别设置于燃烧室33的侧壁上；其主要用于测量燃烧室33内稳态情况的压力和温度，作用是在进气，点火前的准备过程中，燃烧室33内的压力、温度均可以通过压力表7和热电偶8连接仪表盘进行显示。

在本发明的优选实施例中，安装在线取样探针(图未示)，设置于燃烧室33内部；还可以在燃烧室33内不同位置设置多个在线取样探针，对多级加速条件下近壁区域碳烟生成前驱物的氧化过程和碳烟沉积数量进行分析。

在本发明的实施例中，火焰探测器包括纹影测量成像仪；其中，如图1所式，纹影测量成像仪，设置于燃烧室33外的可视通道上。

其中，纹影测量成像仪的工作原理是，光源9将光束通过狭缝10汇聚，经小反射镜11反射给第一个主反射镜12，接着光路穿过燃烧室33的透明视窗28到达第二个主反射镜24上，从而可以将火焰传播的过程通过光路反射到小反射镜23，经刀口22汇聚后被高速相机21接收并记录。

另外，除了纹影测量方法之外，本发明测量系统还可以直接采用高速相机21拍摄火焰在各个内部腔37，40内形成热点后火焰加速的过程。

在本发明的其他实施例中，火焰探测器并不局限于纹影测量成像仪，还可以采用粒子图像测速仪或者激光诱导荧光分析仪；其中，粒子图像测速仪，设置于燃烧室33外的可视通道上；其中，激光诱导荧光分析仪，设置于燃烧室33外的可视通道上。采用激光诱导荧光拍摄技术，对火焰热点形成位置附近燃烧产物的生成速率以及浓度分层进行定量测量。

在本发明的实施例中，测量系统还包括控制器，控制器用于控制防爆电磁阀4和电动球阀5的启闭；

控制器还用于控制点火组件25的点火运行；

控制器还用于对测量部件采集的信息进行获取和处理。

更为具体的，如图1所示，火花塞与点火线圈组成的点火组件25，点火线圈信号端与同步控制器19连接，此外，高速相机21、瞬态缸压传感器13外接的电荷放大器14、壁面瞬态温度传感器16均与同步控制器19相连接进行信号同步，同步控制逻辑通过在控制电脑20上编写labview程序实现。

值得一提的是，其中控制器的运行控制、信息获取和处理等功能可以基于常规的硬件如单片机等和常规软件编程来实现，因此本发明并不涉及程序上的改进。

本发明的测量系统的基本工作过程为：如图1所示，实验开始前，气瓶中的空气与氢气经过各进气支管上的进气阀门1，按分压定律分别充入混合腔2中，混合腔2内压力由压力变送器3显示并进行控制，进而实现不同空燃比的可燃混合气存储。实验开始时，分别通过外接电控箱按钮打开防爆电磁阀4、电动球阀5，混合气进入真空状态下的燃烧室33内，真空状态是由实验前利用真空泵将燃烧室33内的气体抽出形成。进气过程中燃烧室33内的压力、温度均可以通过压力表7和热电偶8连接仪表盘进行显示，同时燃烧室33内也可以通过加热板18在底部进行加热。当达到预定温度和压力后，关闭防爆电磁阀4和电动球阀5，使燃烧室33内充满可燃混合气，准备点火。

在控制电脑20的界面上点击点火按钮后，火花塞释放热量，混合气被点燃，形成向末端壁面传播的预混火焰，与此同时，高速相机21开始拍摄火焰传播过程。火焰的加速与热点形成过程需要利用高速相机21结合纹影测量技术进行拍摄。

混合气被点燃后，燃烧室33内部开始以球形层流火焰传播，当火焰传播至挡板36左侧时，火焰开始受挡板36结构影响挤压破碎，继续向右传播，当传播至挡板36之间的内部腔37，40内后，由于部分破碎的火焰在缩口条件下进一步受压缩，混合气受温度和压力的升高而自燃，形成局部热点，热点形成后，火焰传播速度迅速增大，局部压力急剧升高，在另外几个内部腔37，40中也会生成数个热点，火焰加速传播过程进一步增强，也可能会发生爆燃转爆轰的现象。

在热点形成过程和火焰加速过程中，燃烧室33内压力分布会出现多个峰值点，在顶部设置三个瞬态缸压传感器13，将燃烧室33内局部压力信号转换为电信号，通过电荷放大器14将信号放大后经同步控制器19输入到labview采集系统进行数据分析。与此同时，在燃烧室33的末端壁面上通过安装壁面瞬态温度传感器16，对火焰传播过程中末端壁面瞬时温度的变化进行采集。

当燃烧完成后，打开排气阀门15进行排气，同时连接真空泵将燃烧室33内气体排尽，准备下一次试验。

该发明设计的测量系统以传统定容可视化燃烧系统为基础，在燃烧室33内部设置不同形状的火焰加速挡板结构实现火焰的逐级加速和多个热点的形成，其中，混合腔2、燃烧室33主体、连接管路、挡板结构和相关支架等均可由机械加工完成，部分电控元件及搭配件如点火组件25、压力温度显示、加热板18等均可直接购买后进行加工安装，高速纹影测量成像仪、瞬态缸压传感器13与壁面瞬态温度传感器16等均通过电源线与同步控制器19和控制电脑20相接进行控制和信号传输，其他外接光学设备也可通过信号线路与控制电路相连进行同步测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现空间多点自燃的燃烧装置，其特征在于，包括：

燃烧室，所述燃烧室内部具有燃烧通道；

挡板，所述挡板沿所述燃烧通道的延伸方向间隔设置多个内部腔；

其中，所述内部腔与所述燃烧通道相连通，用于在燃烧通道内获得多个受限空间。

2.如权利要求1所述的实现空间多点自燃的燃烧装置，其特征在于，所述挡板包括主板、支板和挡板底座；多个所述主板竖直阵列设置于所述挡板底座上，所述支板垂直设置于所述主板上；所述挡板底座设置于所述燃烧室内壁上；

其中，所述挡板的材质为不锈钢。

3.如权利要求2所述的实现空间多点自燃的燃烧装置，其特征在于，所述主板的一端部设置一个支板，形成T型或者倒L型。

4.如权利要求2所述的实现空间多点自燃的燃烧装置，其特征在于，所述主板的一侧面上设置两个支板，形成F型；或者主板的两侧面上分别对称设置两个支板，形成“干”型。

5.如权利要求1所述的实现空间多点自燃的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室的相对侧壁上分别设置透明视窗，所述透明视窗形成的可视通道贯穿所述内部腔。

6.如权利要求1所述的实现空间多点自燃的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室为长方体结构，所述燃烧室的长与高的比值大于2。

7.如权利要求1所述的实现空间多点自燃的燃烧装置，其特征在于，所述实现空间多点自燃的燃烧装置还包括预混进气组件、点火组件、安全防控组件、加热组件和排气组件；

预混进气组件，包括：

进气管，所述进气管的一端与燃烧室上的进气口相连通；其中，在所述进气管上设置防爆电磁阀、电动球阀和回火阀；；

混合腔，与所述进气管的另一端相连；所述混合腔上设置若干进气支管；所述混合腔上设置压力变送器；所述进气支管上设置进气阀门；

点火组件，所述点火组件设置于所述燃烧室侧壁上，所述点火组件包括火花塞和点火线圈；

排气组件，包括：

排气管，设置于所述燃烧室上与进气管相对一侧；所述排气管上设置排气阀门；

真空泵，设置于所述排气管上；

加热组件，包括加热板，所述加热板设置于所述燃烧室外壁上，正对所述内部腔位置；

安全防控组件，包括安全阀，设置于所述燃烧室上。

8.一种测量系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至7任一项所述实现空间多点自燃的燃烧装置；

测量部件，用于对所述燃烧通道或者内部腔内的燃烧状态进行监测。

9.如权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述测量部件包括瞬态缸压传感器、壁面瞬态温度传感器、压力表、热电偶、在线取样探针、火焰探测器；

多个瞬态缸压传感器，沿燃烧通道延伸方向间隔设置于所述燃烧室上；

壁面瞬态温度传感器，设置于所述燃烧室上；

压力表，设置于所述燃烧室上；

热电偶，设置于所述燃烧室上；

在线取样探针，设置于所述燃烧室内部；

火焰探测器，所述火焰探测器包括纹影测量成像仪、粒子图像测速仪或者激光诱导荧光分析仪；

其中，纹影测量成像仪，设置于所述燃烧室外的可视通道上；

其中，粒子图像测速仪，设置于所述燃烧室外的可视通道上；

其中，激光诱导荧光分析仪，设置于所述燃烧室外的可视通道上。

10.如权利要求9所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括控制器，所述控制器用于控制防爆电磁阀和电动球阀的启闭；

所述控制器还用于控制点火组件的点火运行；

所述控制器还用于对所述测量部件采集的信息进行获取和处理。

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