CN113588305B - 一种用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型燃烧技术相关领域，其公开了一种用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置，装置包括集成燃烧器系统、供气系统以及微波系统，其中：供气系统向集成燃烧器系统输送燃料；集成燃烧器系统包括下部设有精密金属网的燃烧器本体；微波系统包括微波发生器、微波传输线路以及天线，天线设于燃烧器本体的内部与燃烧器本体同轴设置；天线包括天线内导体以及天线头，天线头伸出燃烧器本体并位于燃烧器本体产生的火焰锋面附近。本申请可以在开放空间中实现多参数可调的微波辅助稳态燃烧，进而便于布置其他燃烧诊断设备，同时稳态燃烧器的设计降低了燃烧诊断的成本，为深入探究多参数条件下的微波辅助燃烧提供了可能。

Description

一种用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置

技术领域

本发明属于新型燃烧技术相关领域，更具体地，涉及一种用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置。

背景技术

随着世界经济的繁荣发展，工业化水平不断增加，能源的需求量与日俱增。内燃机以其高热效率、大功率密度、宽功率范围等优势，被广泛运用于交通运输、航空航天等领域。实现内燃机上的节能减排，首先要解决如何提升内燃机燃烧效率以提高能源利用率，同时减少燃烧后的有害排放废气问题。高超声速推进技术由于需要在超声速流条件下进行燃料的燃烧，因此在燃烧室中实现燃料的充分混合、可靠点火以及稳定燃烧都变的极为重要。目前的传统燃烧方式在应对上述日益严苛的节能减排需求以及超高速流下的稳定燃烧需求下显得捉襟见肘，因此亟需开发新型燃烧方式。而微波辅助燃烧技术作为一种新型燃烧方式，能利用火焰等离子体在高频微波场下的加速作用，通过电子碰撞反应产生大量化学活性物质，从而实现燃料的快速燃烧，并提高燃烧的完善程度，提高了燃烧热效率，减少了有害物排放；另外该新型燃烧方式可以降低燃烧火焰不稳定性、拓展稀燃极限、提高了燃烧的稳定性。

但微波与火焰等离子体之间的相互作用关系、微波参数对火焰的影响机制、微波辅助燃烧作用机理等都尚不清晰，因此需要设计一套用于研究微波辅助稳态预混燃烧的试验台架，以便利用先进的诊断手段对微波辅助燃烧过程进行诊断观测，为微波辅助燃烧高效化、成品化、产业化提供大量的基础数据，而目前关于微波辅助燃烧的研究中，中国专利CN2937841Y提供了一种微波等离子体燃烧器，通过微波在微波谐振腔内部的谐振作用，从而击穿混合气，形成空间点火，但由于使用的是微波谐振腔，燃烧器位于谐振腔内部，很难实现可视化研究，无法实现火焰的燃烧速度和排放物生成规律等参数的测量，另一方面谐振腔的结构设计复杂，费时费力，并不适合用于微波辅助燃烧机理的深入研究。中国专利CN106762330B以及CN107290133B分别提供了两种研究微波点火的可视化实验系统，但这两个专利都基于点火实验研究，聚焦在点火的瞬态过程，由于点火的瞬态过程时间极短，对诊断手段的瞬态响应要求苛刻，导致缺少能快速响应的诊断设备或者诊断设备价格高昂，从而限制了微波辅助燃烧过程的深入研究。因此可以先研究稳态燃烧下的微波作用机理，即亟需设计一种新型的用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置，通过将微波发射结构设于燃烧器本体内部，无需设置复杂的谐振腔，可以在开放空间中实现多参数可调的微波辅助稳态燃烧，从而方便在燃烧器周围部署燃烧诊断设备，同时稳态燃烧设计降低了燃烧诊断设备的响应性要求，为微波辅助燃烧提供了更多研究设备方案，并降低了燃烧诊断设备成本，为深入探究微波辅助燃烧提供了便利。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于研究微波辅助稳态预混燃烧研究的装置，所述装置包括集成燃烧器系统、供气系统以及微波系统，其中：所述供气系统用于向所述集成燃烧器系统输送燃料；所述集成燃烧器系统包括燃烧器本体，所述燃烧器本体用于形成预混燃烧，产生初始火焰等离子体；所述微波系统包括微波发生器、微波传输线路以及天线，所述微波发生器用于产生微波并将所述微波通过所述微波传输线路传输至所述天线，所述天线设于所述燃烧器本体的内部，并与所述燃烧器本体同轴设置；所述天线包括天线内导体以及设于所述天线内导体端部的天线头，所述天线头伸出所述燃烧器本体并位于所述燃烧器本体产生的火焰锋面附近，所述天线头用于对发射的微波能量进行聚焦。

优选地，所述天线内导体和所述天线头可拆卸连接；进一步的所述天线头的材料为耐高温材料。

优选地，所述天线内导体与所述天线头通过螺纹连接，并通过所述螺纹调节所述天线头的伸出高度。

优选地，所述燃烧器本体下方部位设有连接孔，所述微波系统还包括微波塞，所述微波塞的外部与所述连接孔匹配连接，所述微波塞内部沿微波传输线路依次包括第一密封体、第二密封体以及传输内导体，所述微波传输线路和传输内导体在所述第一密封体或第二密封体内部连接；所述传输内导体的另一端与所述天线连接。

优选地，所述第一密封体的材料为聚四氟乙烯等透波材料，所述第二密封体的材料为石英玻璃等耐火透波材料。

优选地，所述燃烧器本体内部的下部设有精密金属网，所述精密金属网上部设有联结管，所述联结管与所述天线嵌接，以实现不同直径天线的更换，进一步的，所述天线垂直设于所述精密金属网的上部；。

优选地，所述燃烧器本体内部填充有细小玻璃珠；进一步的，所述燃烧器本体的下部设有温度传感器，用于检测进入所述燃烧器本体内部的燃料的温度，以及对回火进行报警。

优选地，所述微波发生器沿微波传输方向依次包括：固态微波源、环形器、三销钉调谐器、定向耦合器以及与所述环形器连接的同轴负载和与所述定向耦合器连接的微波检波器，所述固态微波源上设有参数调节器以生成不同频率、峰值功率或波长的微波。

优选地，所述供气系统包括燃料管路、氧化剂管路以及稳流预混腔，所述稳流预混腔的进口和出口错开布置，所述稳流预混腔的进口处设有旋流腔，所述燃料管路输入的燃料和氧化剂管路输入的氧化剂在所述旋流腔内形成旋流并进行初步的预混，而后在所述稳流预混腔内进行充分的混合。

优选地，所述旋流腔包括本体、燃料通道以及旋流孔板；所述燃料通道位于所述旋流腔本体内部并与所述旋流腔本体同轴布置，所述燃料通道与所述旋流腔本体之间的空腔为氧化剂通道，所述燃料通道周向布置一圈小孔，利用更大的空气流量形成的伯努利效应，使一部分燃料气体进入旋流腔本体，提前与空气混合；所述旋流孔板包括多个旋流孔，所述旋流孔板套设于所述燃料通道外表面并密封于所述氧化剂通道的出口以使所述氧化剂通过所述旋流孔喷出并进一步混合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置具有如下有益效果：

1.通过将微波发射天线设于燃烧器本体的内部，无需设置复杂的谐振腔，可以在开放空间中实现多参数可调的微波辅助稳态燃烧，进而方便在燃烧器周围部署燃烧诊断设备，同时稳态燃烧的设计降低了燃烧诊断设备的响应性要求，为微波辅助燃烧提供了更多研究设备方案，并降低了燃烧诊断设备成本，为深入探究微波辅助燃烧提供了便利。

2.本申请的天线采用模块化设计，便于实现不同结构参数的影响，包括天线内导体以及设于所述天线内导体端部的天线头，其中天线内导体与精密金属网之间采用嵌接可拆卸，以实现不同天线内外导体半径比微波辅助稳态燃烧过程的影响；天线内导体和天线头之间可拆卸连接，进而可以根据燃烧要求更换不同长度或直径的天线头，进一步的天线内导体和天线头之间采用螺纹连接，通过调节旋转圈数可以实现天线头高度的微调，以实现不同天线伸出长度对微波辅助稳态燃烧过程的影响；同时通过选择不同的天线头部结构，以实现头部结构对微波场强大小、场强分布规律的影响；上述模块化设计可以方便地实现不同结构参数的影响，对增强微波辅助燃烧效能有一定指导作用。

3.同轴结构的微波塞即可以实现微波向燃烧器本体内部的传输，又避免了燃烧器本体内部燃料向外泄露，具体的微波塞内通道与传输内导体之间布置有聚四氟乙烯和石英玻璃等材料，聚四氟乙烯和石英玻璃能在不影响传输的情况下为传输内导体提供固定支撑；同时石英玻璃布置在聚四氟乙烯前端，可以防止燃烧器回火导致聚四氟乙烯烧蚀。

4.燃烧器本体内部的精密金属网，以及细小玻璃珠，实现了不影响微波定向传输情况下的气流稳流的作用。

5.温度传感器一方面可以监控进气温度，另一方面也可以实现回火的报警检测。

6.本申请的微波脉冲频率和微波功率等微波参数可调，以便研究不同微波参数下的微波辅助燃烧过程，另外，本发明中集成燃烧器混合气当量比、流速、进气温度等参数可控，以便研究在不同初始条件下的微波辅助燃烧过程，可控参数多种多样，方便研究不同微波、气体、结构参数等对微波辅助燃烧过程的效果。

附图说明

图1是本申请实施例中用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置的结构示意图；

图2是本申请实施例中集成燃烧器系统和微波系统连接的示意图；

图3是本申请实施例中旋流腔的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

100-集成燃烧器系统：

110-燃烧器本体；120-精密金属网；130-温度传感器；140-安装底座；

200-供气系统：

210-燃料管路；220-氧化剂管路；230-稳流预混腔；240-预混气路；231-旋流腔：231a-旋流腔本体；231b-燃料通道；231c-旋流孔板；231d-氧化剂通道；231e-氧化剂进气孔；211-储燃气罐；212-燃料气泵；213-燃气转子流量计；221-氧化剂罐；222-氧化剂泵；223-氧化剂转子流量计；241-供气流量计；242-供气阀门；

300-微波系统：

310-微波发生器；320-微波传输线路；330-天线；340-微波塞；311-固态微波源；312-参数调节器；313-环形器；314-同轴负载；315-三销钉调谐器；316-微波检波器；317-定向耦合器；331-天线内导体；332-天线头；341-第一密封体；342-第二密封体；343-传输内导体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置，所述装置包括集成燃烧器系统100、供气系统200以及微波系统300。

集成燃烧器系统100包括燃烧器本体110，燃料在燃烧器本体110的出口处预混燃烧产生初始火焰等离子体。

集成燃烧器系统100还包括精密金属网120，温度传感器130，安装底座140。

其中，精密金属网120设于燃烧器本体110内部的下部，精密金属网120可以屏蔽微波防止微波向供气气路方面泄露；还可以起到稳流的作用，减少混合气气流的扰动。进一步的，所述精密金属网120上部设有联结管121，所述联结管121与所述天线嵌接，以实现不同直径天线的更换，以研究不同直径天线内导体331的影响。精密金属网120采用硬质合金，以支撑上部天线。

燃烧器本体110设于安装底座140上，安装底座140安装在实验平台上，所述安装底座140上设有供气通道，供气系统200通过供气通道向所述燃烧器本体110供给燃料。

温度传感器130设于燃烧器本体110的下部供气通道的出口处，一方面可以监控进入燃烧器本体110内部的燃料的温度，另一方面也用于回火的报警检测。

进一步优选的，燃烧器本体110内部空腔填充细小玻璃珠，可以起到稳流的作用，同时也不影响微波的传输。

所述微波系统300包括微波发生器310，微波传输线路320以及天线330。所述微波发生器310用于产生微波并将所述微波通过所述微波传输线路320传输至所述天线330。所述天线330设于燃烧器本体110的内部，并与所述燃烧器本体110同轴设置。所述天线330包括天线内导体331和天线头332，天线头332设于所述天线内导体331的端部，用于对发射的微波能量进行聚焦，所述天线头332伸出所述燃烧器本体110并位于所述燃烧器本体110产生的火焰锋面附近，从而直接将微波能量直接导入火焰等离子中。天线头332材料选择可耐高温的金属材料，比如钨丝等，以克服火焰的炙烤和微波等离子体的烧蚀。所述天线内导体331和所述天线头332可拆卸连接，进一步优选为通过螺纹连接。采用不同结构的天线头332可以研究不同微波场强大小、场强分布规律对微波辅助稳态燃烧的影响规律，同时针对不同高度的火焰锋面也可以选择不同高度的天线头332，而使尽可能多的微波能量进入火焰锋面，针对天线高度的微调，可以直接利用螺纹旋转调整，天线头332的侧面还可以设置刻度，螺纹优选为细牙螺纹，可实现小范围的精确调整，可以研究不同天线伸出长度对微波辅助稳态燃烧的影响规律。

所述燃烧器本体110下部设有连接孔，所述微波系统300还包括微波塞340，所述微波塞340的外部与所述连接孔匹配连接，所述微波塞340内部沿微波传输线路依次包括第一密封体341、第二密封体342以及传输内导体343，所述微波传输线路320和传输内导体343在所述第一密封体341或第二密封体342内部连接。传输内导体343设于微波塞的中心，同轴布置。所述传输内导体343的另一端与所述天线330连接，天线内导体331的一侧开有楔接盲孔，通过楔接盲孔与传输内导体343楔接，形成T型内导体结构，将从微波系统传输的微波发射至集成燃烧器上部。

进一步的，所述第一密封体的材料为聚四氟乙烯等透波材料，所述第二密封体的材料为石英玻璃等透波耐火材料。聚四氟乙烯和石英玻璃能在不影响传输的情况下为传输内导体提供固定支撑；同时石英玻璃布置在聚四氟乙烯前端，可以防止燃烧器回火导致聚四氟乙烯烧蚀。

微波发生器310沿微波传输方向依次包括：固态微波源311、环形器313、三销钉调谐器315、定向耦合器317以及与所述环形器313连接的同轴负载314和与所述定向耦合器317连接的微波检波器316，所述固态微波源311上设有参数调节器312以生成不同频率或波长的微波。经过所述参数调节器312设置后，所述固态微波源311产生特定参数的微波，微波通过微波传输线路320传输，依次经过所述环形器313，三销钉调谐器315，定向耦合器最终馈入集成燃烧器，与火焰等离子耦合。

所述环形器313连接的同轴负载314将从集成燃烧器中反射的微波通过负载进行消耗，防止损坏固态微波源311。

所述定向耦合器317与微波检波器316相连，利用微波检波器316可以同时获得馈入集成燃烧器的微波功率和反射回来的微波功率，从而获得实时微波功率状态。

所述三销钉调谐器315调整输出阻抗，结合微波检波器316，使微波馈入集成燃烧器内部功率最大化。

供气系统200包括燃料管路210、氧化剂管路220、稳流预混腔230以及预混气路240。所述稳流预混腔230的进口和出口错开布置，防止燃气直接冲出预混腔，提高燃气和空气在稳流预混腔的混合能力，增加预混效果。所述稳流预混腔230的进口处设有旋流腔231，所述燃料管路210输入的燃料和氧化剂管路220输入的氧化剂在所述旋流腔231内形成旋流并进行初步的预混，而后在所述稳流预混腔230内进行充分的混合。

如图3所示，所述旋流腔231包括旋流腔本体231a、燃料通道231b以及旋流孔板231c。

所述燃料通道231b周向布置一圈小孔，利用更大的空气流量形成的伯努利效应，使一部分燃料气体进入旋流腔本体，提前与空气混合。

所述旋流腔本体231a上设有氧化剂进气孔231e。所述燃料通道231b位于所述本体内部并与所述本体同轴布置，所述燃料通道231b与所述本体之间的空腔为氧化剂通道231d，所述旋流孔板231c包括多个旋流孔，所述旋流孔板套设于所述燃料通道外表面并密封于所述氧化剂通道的出口以使所述氧化剂通过所述旋流孔喷出进入稳流预混腔230。氧化气体切向进入旋流腔231，在旋流腔231内产生初步旋流，随后通过旋流腔231中心上均匀分布的旋流孔产生内向旋流进入稳流预混腔230；燃料气体直接穿过旋流腔进入预混腔，氧化气体内向旋流与燃料气体在预混段发生卷吸混合，随后一同进入扩张后的稳流段，形成均质燃料混合气。

稳流预混腔230的出口装有阻火器防止燃烧过程中回火导致的火焰进入预混腔引起爆炸。

燃料管路210中的燃料可以为气体或液体。当为气体时，燃料管路210包括储燃气罐211，燃料气泵212，燃气转子流量计213。通过燃料气泵212将储燃气罐211中的气体燃料泵入燃料气路，通过所述燃气转子流量计213测量实时监测进气量，燃料气体最终被泵入所述稳流预混腔230。当燃料为液体燃料时，将所述燃料气泵212和燃气转子流量计213分别更换为高压油泵以及喷油嘴即可，直接将液体燃料加压后喷射进入稳流预混腔230。

氧化剂管路220包括氧化剂罐221、氧化剂泵222以及氧化剂转子流量计223。所述氧化剂泵222将氧化其他泵入氧化气路，通过所述氧化剂转子流量计223监测氧化剂流量，氧化气路和燃料路垂直布置，可以产生射流旋流卷吸，以获得最佳的预混效果。氧化剂首先通过氧化剂进气孔切向进入所述稳流预混腔前部的旋流腔。在所述稳流预混腔稳流段出口连接预混气路，随后预混气体通过气路与集成燃烧器相连，给燃烧过程供气。

预混气路240上装有供气阀门242以及供气流量计241，以便精准控制预混燃气的供给速度和供给量；稳流预混腔230以及预混气路240外部包覆伴热带，可以控制进气温度；在采用液体燃料时，伴热带还可以确保液体燃料充分蒸发汽化，防止在预混气路中再次凝结。

上述用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置的使用方法为：

(1)根据实验需要，选择合适直径的天线内导体，安装在精密金属网上，随后将微波塞旋进燃烧器本体上，插入传输内导体，与天线内导体楔接，随后将微波系统与集成燃烧器系统连接；

(2)根据实验燃料类型，选择供气气路或者高压油路，以气体燃料为例，根据实验要求，调整氧化剂泵和燃料气泵，通过转子流量计分别获得燃气进气和氧化剂流量，随后在集成燃烧器顶端进行点火，对稳定的火焰高度进行测量后关火；

(3)根据火焰高度选择合适的微波天线，安装在天线内导体上，使火焰锋面大致与可替换天线尖端保持同一高度，随后重新开火，等待火焰稳定；

(4)火焰稳定后，开启固态微波源，通过检波模块配合调整三销钉调谐器，使进入集成燃烧器微波能量最大化，待火焰重新稳定后便可利用其他检测手段对微波辅助燃烧过程进行研究诊断。

综上所述，本申请通过将微波发射结构设于燃烧器本体内部，可以在开放空间中实现多参数可调的微波辅助稳态燃烧，进而便于布置其他燃烧诊断设备，同时稳态燃烧器的设计降低了燃烧诊断的成本，为深入探究多参数条件下的微波辅助燃烧提供了可能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微波辅助稳态预混燃烧研究的装置，其特征在于，所述装置包括集成燃烧器系统、供气系统以及微波系统，其中：

所述供气系统用于向所述集成燃烧器系统输送燃料；

所述集成燃烧器系统包括燃烧器本体，所述燃烧器本体用于产生初始火焰等离子体，所述燃烧器本体内部的下部设有精密金属网；

所述微波系统包括微波发生器、微波传输线路以及天线，所述微波发生器用于产生微波并将所述微波通过所述微波传输线路传输至所述天线，所述天线设于所述燃烧器本体的内部并垂直设于所述精密金属网的上部，并与所述燃烧器本体同轴设置；所述天线包括天线内导体以及设于所述天线内导体端部的天线头，所述天线内导体和所述天线头可拆卸连接，所述天线头用于对发射微波能量进行聚焦，所述天线头伸出所述燃烧器本体并位于所述燃烧器本体产生的火焰锋面附近。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述天线头的材料为耐高温材料。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述天线内导体与所述天线头通过螺纹连接，以通过所述螺纹调节所述天线头的伸出高度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃烧器本体下部设有连接孔，所述微波系统还包括微波塞，所述微波塞的外部与所述连接孔匹配连接，所述微波塞内部沿微波传输线路依次包括第一密封体、第二密封体以及传输内导体，所述微波传输线路和传输内导体在所述第一密封体或第二密封体内部连接；所述传输内导体的另一端与所述天线连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一密封体的材料为透波材料，所述第二密封体的材料为耐火透波材料。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述精密金属网上部设有联结管，所述联结管与所述天线嵌接，以实现不同直径天线的更换。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃烧器本体内部填充有细小玻璃珠；进一步的，所述燃烧器本体的下部设有温度传感器，用于检测进入所述燃烧器本体内部的燃料的温度，以及对回火进行报警。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微波发生器沿微波传输方向依次包括：固态微波源、环形器、三销钉调谐器、定向耦合器以及与所述环形器连接的同轴负载和与所述定向耦合器连接的微波检波器，所述固态微波源上设有参数调节器以生成不同频率、峰值功率或波长的微波。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供气系统包括燃料管路、氧化剂管路、稳流预混腔以及流量计，所述稳流预混腔的进口和出口错开布置，所述稳流预混腔的进口处设有旋流腔，所述燃料管路输入的燃料和氧化剂管路输入的氧化剂在所述旋流腔内形成旋流并进行初步的预混，而后在所述稳流预混腔内进行充分的混合；所述流量计用于根据进气流量控制燃气当量比。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述旋流腔包括旋流腔本体、燃料通道以及旋流孔板；所述燃料通道位于所述旋流腔本体内部并与所述旋流腔本体同轴布置，所述燃料通道周向布置一圈小孔；所述燃料通道与所述旋流腔本体之间的空腔为氧化剂通道，所述旋流孔板包括多个旋流孔，所述旋流孔板套设于所述燃料通道外表面并密封于所述氧化剂通道的出口以使所述氧化剂通过所述旋流孔喷出并进一步混合。

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