CN115289497A - 一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧加热器技术领域，公开了一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，包括燃烧室、谐振气喷嘴、与所述谐振气喷嘴配合的谐振管、与所述燃烧室连通的燃料入口，所述燃烧室包括点火室、与所述点火室连通的燃料喷嘴，所述谐振气喷嘴与所述点火室连通。本发明解决了现有技术存在的以下问题：需要有大功率的电源系统，固有的静电和射频的干扰问题增加了系统可靠工作的难度，火花塞易被污染而产生故障，结构较复杂等。

Description

一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置

技术领域

本发明涉及燃烧加热器技术领域，具体是一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置。

背景技术

近二十年来，随着超声速飞行器，特别是高超声速飞行器研究的开展和深入，作为地面试验设备的空气加热器，在国内外航空航天领域得到广泛的应用。空气加热器是将空气加热使其达到所要模拟的试验状态的装置，按照加热方式不同可分为电弧加热、蓄热式加热、燃烧加热和激波管加热四种类型，其中，前两种加热装置的建设及运行成本都非常高；激波管加热器可以用来模拟试验用高超声速来流，但单次试验时间非常短是其主要不足；因而，目前燃烧加热空气加热器是高超声速飞行器地面试验研究应用范围最广的试验装置。

燃烧加热器是利用燃料和氧化剂在加热器燃烧室内燃烧对空气进行加热，在装置出口生成一定总温、总压和流速需求的高温气流。燃烧型空气加热器需要借助外部点火装置为其提供足够的点火能量来引燃燃烧室内可燃混合气，保证燃烧型空气加热器的正常启动，因此可靠的点火是燃烧加热器正常运行至关重要的步骤。

实现燃烧加热器迅速平稳的点火，是保证加热器正常启动工作的前提。目前应用比较广泛的外部点火装置主要是火花塞。火花塞点火虽然能够满足其多次重复点火要求,但它需要有大功率的电源系统，且由于其本身固有的静电和射频的干扰问题,增加了系统可靠工作的难度，此外火花塞易被污染而产生故障。

另外一种常见的点火装置是火炬点火器，从参与燃烧的氧化剂和燃料的形态来看，火炬点火器的燃烧组织主要采用气/气和气/液两种模式，前者如氧气/氢气、氧气/甲烷等，后者如氧气/煤油、氧气/酒精、空气/煤油、及空气/异丁烷和空气/酒精等。对于没有氧气参与主燃烧室燃烧的燃烧型空气加热器来说，当采用氧气作为火炬点火器的工作介质时，系统需要增配气源储存和管路供应装置，在存储和使用方面均存在较大的危险性和不便性。而对于采用空气和液态燃料的燃烧型空气加热器，由于火炬点火器采用“气/液”燃烧模式，必须采用液体燃料雾化装置，确保液体燃料能够快速雾化、蒸发，与氧化剂充分混合。这就导致火炬点火器结构都较复杂。此外火炬点火器也需要借助火花塞点火，与火花塞点火也面临同样的问题。为此,有必要寻找一种没有静电和射频干扰，无毒无害且能够满足多次点火的新型点火技术。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，解决现有技术存在的以下问题：需要有大功率的电源系统，固有的静电和射频的干扰问题增加了系统可靠工作的难度，火花塞易被污染而产生故障，结构较复杂等。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，包括燃烧室、谐振气喷嘴、与所述谐振气喷嘴配合的谐振管、与所述燃烧室连通的燃料入口，所述燃烧室包括点火室、与所述点火室连通的燃料喷嘴，所述谐振气喷嘴与所述点火室连通。

作为一种优选的技术方案，所述谐振气喷嘴与所述谐振管可拆卸式链接。

作为一种优选的技术方案，所述谐振气喷嘴与所述点火室可拆卸连通。

作为一种优选的技术方案，还包括与所述点火室连通的火焰导管。

作为一种优选的技术方案，所述燃烧室还包括燃料腔，所述燃料腔与所述燃料喷嘴连通。

作为一种优选的技术方案，还包括依次连通的导燃料管、冷却通道，所述冷却通道与所述燃料腔连通。

作为一种优选的技术方案，还包括与所述导燃料管连接的集燃料环，所述集燃料环用于存储燃料。

作为一种优选的技术方案，还包括连接法兰，所述集燃料环通过所述连接法兰与所述燃烧室的外壁连接。

作为一种优选的技术方案，经过所述燃料喷嘴的燃料为气态或液态。

作为一种优选的技术方案，所述燃料喷嘴为压力型雾化喷嘴。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

（1）本发明采用气体谐振加热原理设计气动谐振加热器，能够适应有气体参与的多种燃烧加热器点火，不需要高压电源；燃烧室的设计采用冷却结构，可直接使用燃料进行冷却，点火器使用寿命长，可实现多次重复点火；

（2）本发明的气动谐振点火器为可拆卸结构，部件更换便捷，使用操作、维护方便，稳定性高，可靠性强，便于在燃烧型空气加热器中进行工程化应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为谐振点火系统供应谐振气和燃料的原理图。

附图中标记及相应的零部件名称：1、燃烧室，2、燃料腔，3、冷却通道，4、燃料喷嘴，5、谐振气喷嘴，6、谐振管，7、燃料入口，8、点火室，9、导燃料管，10、集燃料环，11、连接法兰，12、火焰导管。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1、图2所示，本发明利用谐振加热原理，采用一种带有再生冷却结构的气动谐振装置，设计了一种结构简单的非电点火装置，即气动谐振点火器。该点火装置部件更换便捷，使用操作、维护方便，稳定性高，可靠性强，无静电和射频干扰问题，便于在燃烧加热器中进行工程化应用。

本发明针对燃烧型空气加热器的点火问题，利用气体谐振加热原理，发明了不需要外置点火源的气动谐振点火器。气动谐振点火器可利用燃烧加热器的气体组分实现谐振加热，谐振气体通过谐振气喷嘴5进入谐振管6，使用另一组分作为燃料经过燃烧室1、冷却通道3、燃料腔2、燃料喷嘴4后进入点火室8。此点火器不需要增加额外的供应系统，同时气体喷嘴和谐振管均为可拆卸结构，使用操作和维护方便。其中，谐振气喷嘴5的喷气方向朝向谐振管6，优选的，谐振器喷嘴5与谐振管6同轴装配，且谐振器喷嘴5的出口端与谐振管6的入口端距离为10mm~40mm。

本发明提供了一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，包括燃烧室1、谐振气喷嘴5、谐振管6、燃料入口7，气动谐振点火器结构示意图如图1所示。其中，燃烧室1包括燃料腔2、冷却通道3、燃料喷嘴4、点火室8、导气（液）管（导燃料管9）、集气（液）环（集燃料环10）、连接法兰11和火焰导管12。

本发明的气动谐振点火器为可拆卸结构；谐振气喷嘴5和谐振管6可考虑通过法兰或螺纹连接，方便针对不同的谐振气调整喷嘴和谐振管6的尺寸以及装配尺寸。燃烧室1采用冷却结构，也可根据实际需要焊接。燃料进入集气（液）环后通过导气（液）管进入冷却通道3，对燃烧室1壁冷却后进入燃料腔2，然后通过燃料喷嘴4进入点火室8，与完成谐振加热的谐振气燃烧，燃烧火焰通过火焰导管12进入燃烧加热器完成加热器点火。

本发明能够适应有气体参与的多种燃烧组合，不需要外部电源，使用气体谐振就可以完成点火，整个气动谐振点火装置结构简单，部件更换便捷，使用操作、调节方便，稳定性高，可靠性强，便于在燃烧加热器中进行工程化应用。

理论上临界流动状态时，谐振所能获得的最高温度为：

；

其中：

——第一个激波进入谐振管时管内的温度，单位为K；

——谐振管中入流的总温，单位为K；

——是比热比，单原子气体为1.66，双原子气体为1.4。

因此对于双原子气体,

；对于单原子气体,

。可见,气动谐振能 将常用气体加热到1500K以上而将其点燃。

谐振的频率：

；

其中，

——指气流的声速；

——谐振管的长度。

谐振气流量和燃料流量通过气源供应系统声速喷嘴限定；考虑不同加热器点火需求，可更换不同喉道直径的声速喷嘴。声速喷嘴喉道面积、压强和流量的关系如下：

试验中气体流量计算方法如式（1）所示，若采用液体燃料则流量的计算方法如式（2）所示。

（1）

（2）

其中：

——气体流量，kg/s；

——液体流量，kg/s；

——气体或液体喷嘴流通面积；

——气体入口压力；

——喷嘴压降；

——气体马赫数，取1；

——气体比热比；

——气体常数；

——气体温度，取300K；

——流量系数；

——液体密度。

图2中，谐振气体从气源出来后经过减压器、气动阀、声速喷嘴和单向阀进入谐振气喷嘴5；燃料从储罐出来后经过减压器、气动阀、声速喷嘴、燃料入口7进入集燃料环10；氮气有两个作用，一是作为控制气控制气动阀的开闭，二是作为吹扫气对试验完成后残余在管道的谐振气和燃料进行吹扫。

本发明设计的点火器具有很宽的工作范围，即谐振气体和燃料的喷注压力和流量可以在很宽的范围内变化，其中，流量控制通过喷嘴实现。

本发明采用气体谐振加热原理设计气动谐振加热器，能够适应有气体参与的多种燃烧加热器点火，不需要高压电源；燃烧室的设计采用冷却结构，可直接使用燃料进行冷却，点火器使用寿命长，可实现多次重复点火。

本发明的气动谐振点火器为可拆卸结构，部件更换便捷，使用操作、维护方便，稳定性高，可靠性强，便于在燃烧型空气加热器中进行工程化应用。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，包括燃烧室（1）、谐振气喷嘴（5）、与所述谐振气喷嘴（5）配合的谐振管（6）、与所述燃烧室（1）连通的燃料入口（7），所述燃烧室（1）包括点火室（8）、与所述点火室（8）连通的燃料喷嘴（4），所述谐振气喷嘴（5）与所述点火室（8）连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，所述谐振气喷嘴（5）与所述谐振管（6）可拆卸式链接。

3.根据权利要求2所述的一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，所述谐振气喷嘴（5）与所述点火室（8）可拆卸连通。

4.根据权利要求3所述的一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，还包括与所述点火室（8）连通的火焰导管（12）。

5.根据权利要求4所述的一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，所述燃烧室（1）还包括燃料腔（2），所述燃料腔（2）与所述燃料喷嘴（4）连通。

6.根据权利要求5所述的一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，还包括依次连通的导燃料管（9）、冷却通道（3），所述冷却通道（3）与所述燃料腔（2）连通。

7.根据权利要求6所述的一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，还包括与所述导燃料管（9）连接的集燃料环（10），所述集燃料环（10）用于存储燃料。

8.根据权利要求7所述的一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，还包括连接法兰（11），所述集燃料环（10）通过所述连接法兰（11）与所述燃烧室（1）的外壁连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，经过所述燃料喷嘴（4）的燃料为气态或液态。

10.根据权利要求9所述的一种用于燃烧加热器的气动谐振点火装置，其特征在于，所述燃料喷嘴（4）为压力型雾化喷嘴。

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