CN112945603A - 一种适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于透明燃烧室设计技术领域的适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置及方法。包括进气组件、燃烧室观测段和燃烧室延长段；进气组件包括进气段、过渡测量段、冷却隔热段、旋流器和中心柱，气体从集气腔通过周向密布的小孔进入圆形进气道，经中心柱尖端进入环形进气道，再流经旋流器产生旋流；燃烧室观测段包括石英玻璃、密封垫、观察窗盖板等，气体喷入燃烧室后由火花塞点燃产生旋流火焰；燃烧室延长段包括压力传感器安装座、热电偶安装座和连接法兰，燃烧产物从燃烧室延长段出口排出燃烧室。本装置便于更换不同长度的中心柱和不同叶片角度的旋流器，防止进气通道段过热，便于捕捉火焰和流场信息，实现旋流火焰的光学诊断。

Description

一种适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置及方法
技术领域
本发明涉及透明燃烧室设计技术领域，尤其涉及一种适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置及方法。
背景技术
航空发动机、地面燃气轮机、工业窑炉中的各类燃烧器都广泛采用旋流稳焰方式。燃烧器在应用之前需要在模型燃烧室中进行大量试验考察旋流火焰的流场结构、火焰面形态、燃烧稳定性等。传统的模型燃烧室不能直接对旋流火焰进行观察和测量，无法获得燃烧室内的流场与火焰结构，限制了研究人员对旋流燃烧稳定性机理的认知。国内外研究表明，进气热力条件、旋流器结构、旋流器位置、燃烧室长度等参数是决定旋流流场结构与火焰面结构的重要因素，这些因素进一步影响火焰的稳定性。因此，设计灵活可调的旋流燃烧试验装置，能为研究旋流燃烧影响因素提供便利。此外，设计带透明观测窗和照射窗的模型燃烧室，并采用高速相机、ICCD相机、PIV(粒子成像测速)、PLIF(平面激光诱导荧光)等测量手段对火焰进行光学诊断，是目前研究旋流火焰稳定性的主要试验发展方向。
国内外在开展预混气体旋流燃烧实验时，多采用圆形截面燃烧室，这将使得在对火焰进行光学测量时，曲面石英玻璃会改变光线的传播方向，并可能发生散射，使得火焰图像发生畸变；国外部分研究人员设计的方形燃烧室，石英玻璃窗口较小，不能观察到火焰的全貌，石英玻璃与壁面没有完全齐平，对流场产生较大的影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置及方法。
适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置，其特征在于，包括进气组件、燃烧室观测段和燃烧室延长段；其中，进气组件包括进气段、过渡测量段和冷却隔热段；进气段头部盖板通过螺丝与进气段一端的进气段连接法兰连接，两者之间设置第一四氟垫；进气段外周中部设置集气腔，垂直于集气腔的外壁设置两根供气管；在集气腔内的进气段壁面上设置进气小孔；进气段另一端的进气段连接法兰通过第二四氟垫与过渡测量段一端的过渡测量段连接法兰连接；进气段和过渡测量段的内腔组成进气通道；并在进气通道内安装有旋流器；过渡测量段的两端外部各设置一个传感器安装座；过渡测量段另一端的过渡测量段连接法兰通过第三四氟垫与冷却隔热段的水冷腔连接；冷却隔热段内部设置水冷腔和环形通道出口，垂直于水冷腔的外壁分别设置进水管和出水管；冷却隔热段的出口法兰上设置圆形石墨垫。
所述进气通道内安装的旋流器通过中心柱支撑在冷却隔热段内壁的水冷腔处；中心柱的中心柱尖端固定在中心柱支撑盘中心，中心柱支撑盘安装在过渡测量段连接法兰的凹台内部；中心柱端面和环形通道出口的端面齐平。
所述燃烧室观测段的观测段基体框架内通道为方形；观测段基体框架的一侧与观测段头部连接板相连，两者之间设置第一方形石墨垫；观测段头部连接板与冷却隔热段之间通过法兰连接，观测段头部连接板与法兰之间设置圆形石墨垫；火花塞安装在观测段头部连接板上；观测段基体框架的四个侧面都设置有石英玻璃窗，其中两侧的观察窗采用第一石英玻璃，该窗口宽度与方形内通道宽度相同；第一石英玻璃的凹台与观测段基体框架之间设置第一矩形石墨垫，观察窗盖板与观测段基体框架通过螺丝连接；观察窗盖板与第一石英玻璃之间也设置第一矩形石墨垫；第二石英玻璃比第一石英玻璃宽度小，但长度相同；第二石英玻璃的凹台与观测段基体框架之间设置第二矩形石墨垫；照射窗盖板与观测段基体框架通过螺丝连接；照射窗盖板与第二石英玻璃之间也设置第二矩形石墨垫；观察段尾部连法兰与观测段基体框架通过螺丝连接，两者之间设置第一方形石墨垫。
所述燃烧室延长段包括两个压力传感器安装座，两个压力传感器安装座的对面侧的壁面上相同轴向位置是两个热电偶安装座；燃烧室延长段设置不少于一个；燃烧室延长段与燃烧室观测段的连接、不同燃烧室延长段之间的连接均通过燃烧室延长段连接法兰，且中间均设置第二方形石墨垫。
适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置的试验方法，其特征在于，燃料与空气的混合气通过进气段进入圆形截面进气通道；混合气流经中心柱尖端进入环形截面进气通道，再流经旋流器产生旋流，从环形通道出口出来以后喷入燃烧室观测段内通道，由火花塞点燃；燃烧产物从燃烧室观测段流入燃烧室延长段，再排出燃烧室；作为外部光源的激光片光透过第二石英玻璃打在旋流火焰上，再利用光学探测设备从第一石英玻璃进行火焰信息捕捉，从而实现预混旋流火焰的光学诊断。
本发明的有益效果在于：
1、采用轴向旋流器使气体经过旋流器螺旋叶片后获得周向速度，旋流器与中心柱之间通过螺纹连接，方便更换不同的叶片角度的旋流器，从而产生不同旋流数的进气条件；
2、旋流器与中心柱之间通过螺纹连接，通过更换不同长度的中心柱可以改变旋流器在进气通道中的轴向位置；
3、过渡测量段与燃烧室之间安装冷却隔热段，可以避免由于燃烧室热量通过热传导造成进气组件过热，既能保护测量段的传感器，又能避免进气被提前加热；
4、采用燃烧室头部点火的方式，点火器采用火花塞，由于燃烧室头部存在角回流区，流速较低，可实现可靠点火；同时，由于燃烧室头部靠近冷却隔热段，温度相对较低，避免温度过高对火花塞造成损坏；
5、石英玻璃与观测段基体、窗口盖板之间均采用耐高温的石墨垫，既能起到密封作用，又能有效避免石英玻璃在燃烧室振动时被损坏；
6、方形燃烧室观测段的内通道有两侧为全石英玻璃窗，透过该窗口可以观察到整个方形通道内部，方便光学设备捕捉火焰根部、火焰与壁面之间的相互作用；
7、燃料与空气在集气腔中掺混后通过周向分布的小孔流入进气通道，多股气流之间的对冲进一步加强气体掺混，提高气体掺混均匀程度和流场速度均匀程度；
8、燃烧室采用多段组合的方式，除了观测段以外，还包括延长段，延长段的数量可根据试验需要增加或减少，从而改变燃烧室的总体长度，每两段之间通过法兰连接，采用石墨垫片密封，增强了燃烧室使用的灵活性。
附图说明
图1是本发明的装置总体结构示意图；
图中：1-进气段；2-过渡测量段；3-冷却隔热段；8-火花塞；9-燃烧室观测段；10-燃烧室延长段；
图2是进气组件剖面图；
图中：5-旋流器；101-进气段头部盖板；102-供气管；103-集气腔；104-进气小孔；105-进气段连接法兰；201-传感器安装座；202-过渡测量段连接法兰；301-进水管；302-出水管；303-水冷腔；304-环形通道出口；401-中心柱尖端；402-中心柱支撑盘；403-中心柱；404-中心柱端面；601-第一四氟垫；602-第二四氟垫；603-第三四氟垫；701-圆形石墨垫；
图3是中心柱与旋流器结构示意图；
图4是燃烧室观测段结构示意图；
图中：702-第一方形石墨垫；901-观测段头部连接板；902-观测段基体框架；903-第一石英玻璃；904-观察窗盖板；905-第二石英玻璃；906-照射窗盖板；907-观察段尾部连法兰；
图5是燃烧室观测段剖面图；
图6是图5中A-A截面的剖面图；
图7是图6中B区域的局部放大示意图；
图中：704-第一矩形石墨垫；705-第二矩形石墨垫；
图8是燃烧室延长段剖面图；
图中：703-第二方形石墨垫；1001-燃烧室延长段连接法兰；1002-压力传感器安装座；1003-热电偶安装座。
具体实施方式
本发明提出一种适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置及方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置，包括进气组件、燃烧室观测段、燃烧室延长段。
如图1所示，进气组件包括进气段1、过渡测量段2、冷却隔热段3，这三段的内通道截面为圆形。如图2所示，进气段头部盖板101处于进气通道头部，通过螺丝与进气段连接法兰105连接，采用压紧第一四氟垫601的方式实现密封。燃料与空气经过两根供气管102进入到集气腔103，再通过分布在进气通道壁面上的数个进气小孔104进入到进气通道内，气体之间对撞从而提高了气体的掺混均匀度。过渡测量段2位于进气段的下游，两个传感器安装座201可安装压力传感器、热电偶、热线风速仪探头等，过渡测量段连接法兰202与进气段连接法兰105之间采用第二四氟垫602密封。由于燃烧室内温度很高，为了防止热量通过热传导的方式对过渡测量段2上的传感器造成破坏，冷却隔热段3采用水冷的方式进行冷却，水从进水管301进入水冷腔，通过对流的方式带走壁面的热量，再从出水管302排出。
如图2、图3所示，进气通道内安装有旋流器5，气体在旋流器5的螺旋叶片之间的通道流过，产生周向速度。旋流器5与中心柱403、中心柱端面404之间通过螺纹连接，中心柱端面404和环形通道出口304的端面齐平；中心柱403的另一端连接在中心柱支撑盘402上。中心柱支撑盘402的外径比进气通道大，安装在过渡测量段连接法兰2的凹台里，四氟垫602被压紧的同时，利用中心柱支撑盘402与四氟垫602之间的摩擦力，使得中心柱支撑盘402不会旋转。中心柱支撑盘402的上游通过螺纹与中心柱尖端401连接，中心柱尖端401使得进气通道由圆形通道过渡到环形通道。
如图1、图4、图5、图6、图7所示，燃烧室观测段9的观测段基体框架902内通道为方形通道，头部的一侧连接到观测段头部连接板901，采用第一方形石墨垫702密封。观测段头部连接板901与冷却隔热段3之间通过法兰连接，采用压紧圆形石墨垫701的方式实现密封。火花塞8安装在观测段头部连接板901上，利用旋流进气在突扩截面产生的角回流区实现稳定点火。观测段基体框架902的四个侧面都有石英玻璃窗，其中两侧的观察窗采用第一石英玻璃903，该窗口宽度与方形内通道宽度相同，从而透过该窗口可以观察到整个通道内部，为光学探测设备捕捉火焰信息提供窗口，第一石英玻璃903的凹台与观测段基体框架902之间采用第一矩形石墨垫704密封，观察窗盖板904与观测段基体框架902之间采用螺丝连接，用于固定、压紧第一石英玻璃903，观察窗盖板904与第一石英玻璃903之间也采用第一矩形石墨垫704，从而保护第一石英玻璃903不被压坏。第二石英玻璃905为照射窗，用于进行PIV、PLIF测量时透过激光片光。由于激光片光通常垂直于窗口并穿过火焰的中心，因此该窗口的宽度不需要很宽，第二石英玻璃905比第一石英玻璃903宽度更小，长度相同。与观察窗口类似，第二石英玻璃905的凹台与观测段基体框架902之间采用第二矩形石墨垫705密封；照射窗盖板906与观测段基体框架902之间采用螺丝连接，用于固定、压紧第二石英玻璃905；照射窗盖板906与第二石英玻璃905之间也采用第二矩形石墨垫705。观察段尾部连法兰907通过螺丝连接到观测段基体框架902上，采用第一方形石墨垫702密封。
如图1、图8所示，燃烧室延长段10包括两个压力传感器安装座1002，对面侧的壁面上相同轴向位置是两个热电偶安装座1003，燃烧室延长段10的数量根据试验要求可增加或减少，从而改变燃烧室的总体长度。燃烧室延长段10与燃烧室观测段9的连接、不同燃烧室延长段10之间的连接均通过燃烧室延长段连接法兰1001，采用第二方形石墨垫703进行密封。
本发明提供的适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置工作时，燃料与空气的混合气通过进气段1进入圆形截面进气通道，混合气流经中心柱尖端401进入环形截面进气通道，再流经旋流器5产生旋流，从环形通道出口304出来以后喷入燃烧室观测段9内通道，由火花塞8点燃，燃烧产物从燃烧室观测段9流入燃烧室延长段10，再排出燃烧室。激光片光(外部光源)透过第二石英玻璃905打在旋流火焰上，再利用光学探测设备从第一石英玻璃903进行火焰信息捕捉，从而实现预混旋流火焰的光学诊断。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置，其特征在于，包括进气组件、燃烧室观测段和燃烧室延长段；其中，进气组件包括进气段(1)、过渡测量段(2)和冷却隔热段(3)；进气段头部盖板(101)通过螺丝与进气段(1)一端的进气段连接法兰(105)连接，两者之间设置第一四氟垫(601)；进气段(1)外周中部设置集气腔(103)，垂直于集气腔(103)的外壁设置两根供气管(102)；在集气腔(103)内的进气段(1)壁面上设置进气小孔(104)；进气段(1)另一端的进气段连接法兰(105)通过第二四氟垫(602)与过渡测量段(2)一端的过渡测量段连接法兰(202)连接；进气段(1)和过渡测量段(2)的内腔组成进气通道；并在进气通道内安装有旋流器(5)；过渡测量段(2)的两端外部各设置一个传感器安装座(201)；过渡测量段(2)另一端的过渡测量段连接法兰(202)通过第三四氟垫(603)与冷却隔热段(3)的水冷腔(303)连接；冷却隔热段(3)内部设置水冷腔(303)和环形通道出口(304)，垂直于水冷腔(303)的外壁分别设置进水管(301)和出水管(302)；冷却隔热段(3)的出口法兰上设置圆形石墨垫(701)。
2.根据权利要求1所述的适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置，其特征在于，所述进气通道内安装的旋流器(5)通过中心柱(403)支撑在冷却隔热段(3)内壁的水冷腔(303)处；中心柱(403)的中心柱尖端(401)固定在中心柱支撑盘(402)中心，中心柱支撑盘(402)安装在过渡测量段连接法兰(202)的凹台内部；中心柱端面(404)和环形通道出口(304)的端面齐平。
3.根据权利要求1所述的适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置，其特征在于，所述燃烧室观测段(9)的观测段基体框架(902)内通道为方形；观测段基体框架(902)的一侧与观测段头部连接板(901)相连，两者之间设置第一方形石墨垫(702)；观测段头部连接板(901)与冷却隔热段(3)之间通过法兰连接，观测段头部连接板(901)与法兰之间设置圆形石墨垫(701)；火花塞(8)安装在观测段头部连接板(901)上；观测段基体框架(902)的四个侧面都设置有石英玻璃窗，其中两侧的观察窗采用第一石英玻璃(903)，该窗口宽度与方形内通道宽度相同；第一石英玻璃(903)的凹台与观测段基体框架(902)之间设置第一矩形石墨垫(704)，观察窗盖板(904)与观测段基体框架(902)通过螺丝连接；观察窗盖板(904)与第一石英玻璃(903)之间也设置第一矩形石墨垫(704)；第二石英玻璃(905)比第一石英玻璃(903)宽度小，但长度相同；第二石英玻璃(905)的凹台与观测段基体框架(902)之间设置第二矩形石墨垫(705)；照射窗盖板(906)与观测段基体框架(902)通过螺丝连接；照射窗盖板(906)与第二石英玻璃(905)之间也设置第二矩形石墨垫(705)；观察段尾部连法兰(907)与观测段基体框架(902)通过螺丝连接，两者之间设置第一方形石墨垫(702)。
4.根据权利要求1所述的适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置，其特征在于，所述燃烧室延长段(10)包括两个压力传感器安装座(1002)，两个压力传感器安装座(1002)的对面侧的壁面上相同轴向位置是两个热电偶安装座(1003)；燃烧室延长段(10)设置不少于一个；燃烧室延长段(10)与燃烧室观测段(9)的连接、不同燃烧室延长段(10)之间的连接均通过燃烧室延长段连接法兰(1001)，且中间均设置第二方形石墨垫(703)。
5.一种权利要求1、2、3或4所述适用光学诊断的预混气体旋流燃烧试验装置的试验方法，其特征在于，燃料与空气的混合气通过进气段(1)进入圆形截面进气通道；混合气流经中心柱尖端(401)进入环形截面进气通道，再流经旋流器(5)产生旋流，从环形通道出口(304)出来以后喷入燃烧室观测段(9)内通道，由火花塞(8)点燃；燃烧产物从燃烧室观测段(9)流入燃烧室延长段(10)，再排出燃烧室；作为外部光源的激光片光透过第二石英玻璃(905)打在旋流火焰上，再利用光学探测设备从第一石英玻璃(903)进行火焰信息捕捉，从而实现预混旋流火焰的光学诊断。
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