專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于超聲速燃燒研究的高速預(yù)混火焰爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于航空、航天的吸氣式超聲速燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)研究的試驗(yàn)裝置，可為研究超聲速預(yù)混燃燒過(guò)程、火焰結(jié)構(gòu)、穩(wěn)焰機(jī)制及超聲速混合層燃燒過(guò)程等提供試驗(yàn)條件。。
背景技術(shù)：
空天優(yōu)勢(shì)是未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)條件下贏得勝利的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，對(duì)確保國(guó)家安全和國(guó)際地位具有重要意義。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)作為航空航天技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)，涉及到多門(mén)學(xué)科， 是多項(xiàng)前沿技術(shù)的高度綜合，是空天飛機(jī)、高超聲速飛機(jī)和高超聲速巡航導(dǎo)彈最主要的備選動(dòng)力。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)工作過(guò)程極為復(fù)雜，涉及到超聲速條件下燃料的噴射、穿透、混合、點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定、激波與附面層及其相互干擾、自由剪切層及其發(fā)展等一系列復(fù)雜問(wèn)題。特別是燃料的點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定及火焰?zhèn)鞑サ葐?wèn)題，由于超聲速燃燒不易控制與觀測(cè)， 其燃燒過(guò)程的研究難度極大。高速預(yù)混火焰爐能夠在開(kāi)放的空氣環(huán)境中提供超聲速燃燒過(guò)程供實(shí)驗(yàn)研究，并為超聲速燃燒的物理模型驗(yàn)證提供依據(jù)。具有操作簡(jiǎn)便，多參數(shù)可控可調(diào)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)
點(diǎn)ο目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有進(jìn)行超聲速預(yù)混點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定及火焰?zhèn)鞑パ芯康膶?shí)驗(yàn)裝置。進(jìn)行超聲速非預(yù)混燃燒研究的實(shí)驗(yàn)裝置有文獻(xiàn)《Supersonic combustion research at NASA》 (2007Fall Technical Meeting Eastern States Section of the Combustion Institute University of Virginia October 21-24,2007)介紹的，美國(guó)NASA超聲速吸氣式推進(jìn)中心研制的主流出口 Ma = 1. 6，主流出口直徑10mm，伴流為亞聲速流動(dòng)，出口環(huán)縫寬度為Imm的超聲速燃燒火焰爐。該裝置采用軸對(duì)稱(chēng)同軸引射設(shè)計(jì)，研究超聲速火焰與低速伴流的一維相互作用過(guò)程。該裝置在火焰爐內(nèi)點(diǎn)火燃燒，無(wú)法觀察到超聲速燃燒的點(diǎn)火過(guò)程；該裝置通過(guò)調(diào)整燃料當(dāng)量比控制燃?xì)獬隹跍囟燃皾舛?，受燃燒狀態(tài)的影響，無(wú)法精確控制，因此不能定量研究主流溫度對(duì)超聲速燃燒的影響。同時(shí)燃燒產(chǎn)物對(duì)富氧預(yù)混氣造成很大程度的污染，污染物組分及濃度難以預(yù)測(cè)及模擬。在火焰爐內(nèi)燃燒需要復(fù)雜的冷卻設(shè)計(jì)，增加了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備周期；另外火焰爐內(nèi)部燃燒產(chǎn)生的總溫高于1000K的高溫燃?xì)獠粩鄾_刷火焰爐的噴管喉部，對(duì)噴管材料的選擇提出了很高的要求，同時(shí)多次反復(fù)試驗(yàn)必然對(duì)噴管喉部形面產(chǎn)生影響，縮短了該裝置的使用壽命。與此相類(lèi)似的設(shè)計(jì)還有文獻(xiàn)《Reacting flow code validation))介紹的美國(guó)NASA蘭利研究中心研制的主流出口 Ma = 1. 8，混合層對(duì)流Ma = 0. 7，主流出口直徑10mm，伴流外徑61mm內(nèi)徑Ilmm超聲速?lài)娏餮b置。該裝置也是軸對(duì)稱(chēng)同軸噴流設(shè)計(jì)，主要用于無(wú)燃燒的超聲速混合層研究。該裝置雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單沒(méi)有復(fù)雜的冷卻設(shè)計(jì)，但是不能研究超聲速燃燒的點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定及傳播過(guò)程。在低速預(yù)混燃燒研究方面，現(xiàn)有的的實(shí)驗(yàn)裝置有文獻(xiàn)《A flat flame burner for the calibration of laser thermometry techniques》 (MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, 17 (2006) 2485-2493)介紹的由劍橋大學(xué)化學(xué)工程系研制的預(yù)混平面火焰爐，該火焰爐采用軸對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，主流與伴流為同軸小孔噴流，主流區(qū)直徑40mm最大流量為36L/ min,伴流區(qū)外徑為62mm、內(nèi)徑為42mm，主流區(qū)設(shè)計(jì)用2335個(gè)直徑0. 5的孔，伴流區(qū)設(shè)計(jì) 2696個(gè)直徑0. 5的孔用于防止低速預(yù)混氣火焰回傳。主流區(qū)的等效面積為458. 2mm2,伴流等效面積為5^mm2。主流與伴流均經(jīng)過(guò)黃銅制成的孔板狀爐面進(jìn)入開(kāi)放環(huán)境的大氣，并在此被點(diǎn)燃用以觀測(cè)不同燃料當(dāng)量比對(duì)燃燒過(guò)程的影響。由于燃燒緊貼爐盤(pán)表面，需要對(duì)爐盤(pán)進(jìn)行冷卻，因此在爐盤(pán)周邊布置單條冷卻管道，用以對(duì)爐盤(pán)表面降溫。該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)加工工藝要求很高，材料昂貴。同時(shí)由于冷卻水設(shè)計(jì)在爐盤(pán)邊緣，冷卻能力有限，很大程度上縮短了火焰爐的使用壽命。另一種設(shè)計(jì)方案有文獻(xiàn)《Laser diagnostics of trace species in low-pressure flat flame)) (Progress in Energy and Combustion Science 35(2009)365-382)介紹的以色列特拉維夫大學(xué)化學(xué)院研制的軸對(duì)稱(chēng)低壓預(yù)混平面火焰爐， 主流與伴流也采同軸設(shè)計(jì)，主流區(qū)直徑60mm，氣流速度低于火焰擴(kuò)散速度。為防止預(yù)混氣回火，爐盤(pán)面采用特制的青銅多孔材料(冶金粉末)制成，為降低爐面溫度，冷卻水管路熔鑄在該爐盤(pán)中，有極好的冷卻效果可有效降低爐面溫度，防止?fàn)t內(nèi)預(yù)混氣體爆燃。該裝置雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但爐面材料的制備卻相對(duì)復(fù)雜昂貴。低速低壓部分預(yù)混燃燒研究方面，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置有文獻(xiàn)《Demonstration of a burner for the investigation of partially premixed low-temperature flames)) (Combustion and Flame, 2010 =02,002)介紹的德國(guó)比勒菲爾德大學(xué)化學(xué)學(xué)院研制的部分預(yù)混低壓平面火焰爐，該火焰爐采用六邊形對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，六邊形邊長(zhǎng)為15mm，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量調(diào)節(jié)氣流出口速度。該部分預(yù)混火焰爐采用氧化劑與燃料分流的設(shè)計(jì)方法，燃料與氧化劑未在爐內(nèi)混合，氧化劑通過(guò)爐面的306個(gè)直徑0. 5的孔進(jìn)入低壓實(shí)驗(yàn)艙，而燃料則通過(guò)91 個(gè)內(nèi)徑0. 5mm的不銹鋼管進(jìn)入實(shí)驗(yàn)艙，在燃料出口處形成91束擴(kuò)散火焰，然后融合成具有近似一維特征的單獨(dú)火焰。該實(shí)驗(yàn)裝置也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)加工工藝要求很高，材料昂貴等缺點(diǎn)。從以上列舉的超聲速火焰爐及低速預(yù)混火焰爐可知，目前要設(shè)計(jì)用于研究的超聲速預(yù)混的點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定及火焰?zhèn)鞑サ热紵^(guò)程的實(shí)驗(yàn)裝置，即超聲速預(yù)混火焰爐需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)1.合理設(shè)計(jì)火焰爐噴管提供超聲速預(yù)混氣2.適當(dāng)提高預(yù)混氣總焓3.預(yù)混氣當(dāng)量比大范圍準(zhǔn)確可調(diào)4.預(yù)混氣混合均勻性好5.有效防止預(yù)混氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段前出現(xiàn)預(yù)著火6.有效防止火焰爐回火本發(fā)明設(shè)計(jì)的采用預(yù)混氣電加熱方案的超聲速預(yù)混燃燒火焰爐能針對(duì)以上幾方面進(jìn)行有效的改進(jìn)如圖1，并具有結(jié)構(gòu)緊湊，加工工藝簡(jiǎn)便，試驗(yàn)成本低，試驗(yàn)周期短，預(yù)混當(dāng)量比大范圍準(zhǔn)確可調(diào)，總溫、總壓和氣流馬赫數(shù)調(diào)節(jié)范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的綜合上述超聲速火焰爐及低速預(yù)混火焰爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合超聲速燃燒過(guò)程點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定及火焰?zhèn)鞑パ芯康膶?shí)驗(yàn)需求，研制出能產(chǎn)生混合均勻性好的預(yù)混超聲速燃燒火焰爐。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明是用于超聲速燃燒點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程實(shí)驗(yàn)研究的火焰爐裝置。該高速預(yù)混火焰爐，包括主流混合室5、超聲速?lài)姽?、伴流駐室6、 低速?lài)姽?等主要部分。整個(gè)超聲速預(yù)混火焰爐為兩端小中間大的流線型結(jié)構(gòu)，沿縱向，被平均分為兩部分，一部分為超聲速主流側(cè)，另一部分為亞聲速伴流側(cè)，主流混合室5、超聲速?lài)姽?位于超聲速主流側(cè)，伴流駐室6、低速?lài)姽?位于亞聲速伴流側(cè)。超聲速預(yù)混燃燒火焰爐的超聲速主流側(cè)采用甲烷與空氣或者甲烷與氧氣富氧預(yù)混方案，亞聲速伴流側(cè)采用純甲烷、純氫氣或者甲烷與空氣富燃預(yù)混方案。在混合室中，氧化劑與燃料通過(guò)三通管路接入混合室，混合室采用流線型設(shè)計(jì)，能有效的避免混合室內(nèi)由回流區(qū)引起的流動(dòng)死區(qū)，保證了燃料的有效摻混。氣流在入口的膨脹區(qū)域速度迅速降低，流經(jīng)陶瓷發(fā)熱元件主要以對(duì)流換熱的方式進(jìn)行熱交換，混合氣總溫升高，保證經(jīng)噴管加速后混合氣流靜溫不太低，能可靠的實(shí)現(xiàn)超聲速點(diǎn)火，并能模擬更真實(shí)的吸氣式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程。普通的金屬電阻發(fā)熱元件一般需要4-5分鐘才能達(dá)到表面最高溫度，其熱慣性也較大，發(fā)熱后的電熱管在保溫?cái)嚯姞顟B(tài)下其表面溫度仍然會(huì)上升10-20 %，很難準(zhǔn)確控制其溫度。該超聲速預(yù)混火焰爐采用具有功率密度大、耐高溫、升溫響應(yīng)快、熱慣性小等特性的陶瓷類(lèi)電發(fā)熱元件，可迅速升溫，有效控溫。溫度控制箱采用可控硅電路系統(tǒng)和數(shù)字顯示儀組成，反應(yīng)靈敏，控制精確?；旌鲜覂?nèi)采用網(wǎng)狀隔板安裝玻璃珠，由于玻璃珠之間的間隙小于預(yù)混氣猝滅極限，可以有效的起到防止預(yù)混氣回火的作用。同時(shí)氣流從玻璃珠之間的間隙流過(guò)，受到擾動(dòng)能有效的增強(qiáng)混合。為了保證噴管出口有品質(zhì)較好的超聲速預(yù)混氣，以便于研究流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)超聲速點(diǎn)火及火焰穩(wěn)定的影響，在噴管前端安裝阻尼網(wǎng)。由于氣流通過(guò)阻尼網(wǎng)在氣流流動(dòng)方向上會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，所以相對(duì)較高的來(lái)流速度其壓降也相對(duì)較大，從而使氣流在通過(guò)阻尼網(wǎng)后其流動(dòng)方向速度分布的均勻性得到明顯的改善。由于所設(shè)計(jì)的超聲速預(yù)混火焰爐主要用于研究超聲速預(yù)混氣點(diǎn)火燃燒的二維特性，因此火焰爐出口型面為矩形，而流線型混合室在收縮后是半圓形結(jié)構(gòu)，因此在混合室出口設(shè)計(jì)了圓轉(zhuǎn)方結(jié)構(gòu)，有效的將品質(zhì)較好的預(yù)混氣導(dǎo)入超聲速?lài)姽?。超聲速?lài)姽懿捎枚S設(shè)計(jì)方法，依據(jù)特征線原理，即按照極限理論將噴管型面分割成無(wú)限多的折線段，線段間夾角無(wú)限小，要求噴管擴(kuò)張段的初始段產(chǎn)生的膨脹波完全被終止段產(chǎn)生的壓縮波抵消，這樣就可以在噴管出口獲得品質(zhì)均勻的超聲速流場(chǎng)。設(shè)計(jì)中考慮了流體粘性的影響，估算了噴管壁面邊界層的發(fā)展，修改位流曲線，消除邊界層發(fā)展的影響。噴管與混合室設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)更換噴管組件實(shí)現(xiàn)改變?cè)摶鹧鏍t的超聲速燃燒條件，如預(yù)混氣Ma數(shù)、靜溫、 靜壓等參數(shù)。伴流噴嘴設(shè)計(jì)成可安插的孔板結(jié)構(gòu)，可以方便的改變超聲速主流與低速伴流之間的距離，研究該距離對(duì)超聲速燃燒火焰穩(wěn)定的影響。同時(shí)由于低速預(yù)混氣容易發(fā)生火焰回傳的現(xiàn)象，該孔板的設(shè)計(jì)能有效的阻燃，其孔徑遠(yuǎn)小于預(yù)混氣猝滅極限。該孔板還能起到蜂窩器的作用，即導(dǎo)向和分割大漩渦，提高氣流出口品質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)研究需要通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器可精確的控制燃料配比，實(shí)現(xiàn)預(yù)混氣當(dāng)量比大范圍可調(diào)。通過(guò)電加熱器來(lái)精確控制預(yù)混氣溫度。通過(guò)更換噴管組件調(diào)節(jié)主流的超聲速預(yù)混氣出口馬赫數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)流量控制器調(diào)節(jié)伴流出口速度。由于實(shí)驗(yàn)段直接放置在大氣環(huán)境中，火焰爐出口壓力設(shè)計(jì)為一個(gè)大氣壓，以減少在實(shí)驗(yàn)的超聲速氣流中出現(xiàn)波系。本發(fā)明的工作過(guò)程是在超聲速預(yù)混側(cè)用質(zhì)量流量控制器將適當(dāng)比例的甲烷與空氣或者甲烷與氧氣的混合氣體，通過(guò)三通管路進(jìn)入超燃預(yù)混火焰爐混合室。預(yù)混氣流過(guò)可快速響應(yīng)、精確控溫的電加熱陶瓷加熱器，可獲得總溫調(diào)節(jié)范圍300-700K、總壓0. 24MPa以上的預(yù)混氣。隨后氣流流經(jīng)玻璃珠間的縫隙，可有效增進(jìn)混合，并防止下游點(diǎn)燃的超聲速預(yù)混氣出現(xiàn)邊界層回火或者關(guān)車(chē)回火的發(fā)生。在下游，氣流通過(guò)阻尼網(wǎng)進(jìn)行整流，獲得流場(chǎng)品質(zhì)較好的預(yù)混氣。 最后通過(guò)可更換超聲速?lài)姽艿募铀僮饔?，可為超聲速燃燒過(guò)程提供馬赫數(shù)1. 2以上、總溫 300-700K可調(diào)的超聲速預(yù)混氣。在火焰爐預(yù)混氣出口適當(dāng)位置安裝能量可調(diào)的高能火花塞，研究超聲速預(yù)混氣中的點(diǎn)火問(wèn)題，探究預(yù)混氣總溫以及點(diǎn)火能量對(duì)不同當(dāng)量比的超聲速預(yù)混氣流點(diǎn)火的影響。在亞聲速伴流側(cè)用質(zhì)量流量控制器將適當(dāng)比例的甲烷與空氣混合氣體或者純甲烷(也可以是純氫氣)，通過(guò)管路引入低速側(cè)混合室。同樣采用電加熱陶瓷加熱器，可獲得總溫范圍300-700K、總壓范圍0. 1-0. 15MPa的預(yù)混氣。由于在低速側(cè)，預(yù)混氣回火現(xiàn)象更容易發(fā)生。因此除了采用玻璃珠防止回火外，在低速預(yù)混氣出口處設(shè)計(jì)了可更換孔板，采用204個(gè)直徑0. 5mm深6mm的孔將預(yù)混氣導(dǎo)出，一方面噴孔直徑遠(yuǎn)小于預(yù)混氣的猝滅極限 (CH4和空氣的猝滅極限在時(shí)為2. 5mm)可有效防止低速預(yù)混氣回火。另一方面噴孔陣列能有效的導(dǎo)向和分割氣流大尺度旋渦，有利于加快旋渦的衰減；而孔板管道對(duì)氣流的摩擦作用，有利于改善氣流的速度分布，并在一定程度上降低氣流的湍流度。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的孔陣列，調(diào)節(jié)低速氣流與超聲速主流之間的間距，可研究超聲速預(yù)混氣中火焰穩(wěn)定機(jī)制。低速氣流有很好的點(diǎn)火特性，對(duì)于主流馬赫數(shù)較大的實(shí)驗(yàn)工況，可在低速預(yù)混氣一側(cè)進(jìn)行點(diǎn)火，研究火焰在超聲速氣流中的傳播過(guò)程。本發(fā)明適用于研究當(dāng)量比可調(diào)的超聲速預(yù)混氣中的點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。以及超聲速預(yù)混氣與低速預(yù)混氣點(diǎn)火燃燒的協(xié)同作用原理。采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果1、本發(fā)明采用質(zhì)量流量控制器可以精確的控制氣體流量，實(shí)現(xiàn)當(dāng)量比的精確控制及大范圍可調(diào)。大幅提高了預(yù)混氣當(dāng)量比調(diào)節(jié)的控制能力，能有效的研究當(dāng)量比對(duì)超聲速預(yù)混氣的點(diǎn)火及火焰穩(wěn)定與傳播的影響。2、本發(fā)明采用電熱式陶瓷加熱器，能夠快速響應(yīng)、精確控溫，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲速預(yù)混氣溫度的準(zhǔn)確控制，能有效研究氣流溫度對(duì)超聲速預(yù)混氣點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響。采用能量可調(diào)的高能火花塞對(duì)預(yù)混氣點(diǎn)火，能有效研究點(diǎn)火能量、氣流溫度對(duì)超聲速預(yù)混氣點(diǎn)火過(guò)程的耦合作用。3、本發(fā)明采用可更換噴管結(jié)構(gòu)，能方便的調(diào)節(jié)超聲速預(yù)混氣流馬赫數(shù)，能有效研究氣流速度對(duì)超聲速預(yù)混氣點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定及傳播過(guò)程的影響。低速側(cè)氣流速度通過(guò)質(zhì)量流量控制器進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，可研究主流與伴流間相對(duì)馬赫數(shù)對(duì)兩股氣流混合過(guò)程的影響， 從而有效的研究超聲速條件下的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。4、本發(fā)明采用可更換孔板裝置調(diào)節(jié)主流與伴流之間的距離，能有效研究?jī)晒蓺饬髦g回流區(qū)大小及速度分布對(duì)超聲速火焰穩(wěn)定的影響。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)主流與伴流之間的當(dāng)量比，研究燃料組分分布對(duì)超聲速火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響。5、本發(fā)明采用孔板及玻璃珠進(jìn)行有效的阻燃，顯著提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。在出口前設(shè)計(jì)阻尼網(wǎng)，有效提高了火焰爐出口氣流品質(zhì)，減小了流動(dòng)干擾對(duì)超聲速燃燒過(guò)程的影響。


圖1本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲速燃燒預(yù)混火焰爐結(jié)構(gòu)2超聲速?lài)姽芙Y(jié)構(gòu)3超聲速?lài)姽芙Y(jié)構(gòu)示意4可更換孔板結(jié)構(gòu)5可更換孔板結(jié)構(gòu)剖視圖
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲速預(yù)混火焰爐，包括主流混合室5、超聲速?lài)姽?、伴流駐室6、低速?lài)姽?，其中整個(gè)超聲速預(yù)混火焰爐為兩端小中間大的流線型結(jié)構(gòu)，沿縱向，被平均分為兩部分，一部分為超聲速主流側(cè)，另一部分為亞聲速伴流側(cè)，主流混合室5、超聲速?lài)姽?位于超聲速主流側(cè)，伴流駐室6、低速?lài)姽?位于亞聲速伴流側(cè)。其中在超聲速主流側(cè)，主流混合室5的入口處連接三通甲烷管路4和三通空氣或純氧氣管路3，出口處連接超聲速?lài)姽?，在主流混合室5內(nèi)從入口到出口依次設(shè)有電熱式陶瓷加熱器12、防回火隔層10、阻尼網(wǎng)9。燃料甲烷和空氣或者甲烷與氧氣，通過(guò)管路進(jìn)入主流混合室5，氣流先流經(jīng)電熱式陶瓷加熱器12，獲得較高總溫。依次經(jīng)過(guò)防回火隔層10和阻尼網(wǎng)9、超聲速?lài)姽?后，噴出。該電熱式陶瓷加熱器12采用可控硅電路系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間短、熱慣性小，可迅速升溫、精確控溫，調(diào)節(jié)預(yù)混氣總溫在300-700K范圍內(nèi)變化，用以研究氣流溫度對(duì)超聲速預(yù)混氣點(diǎn)火的影響。超聲速預(yù)混氣的燃燒一般不會(huì)有回火現(xiàn)象發(fā)生，但是在關(guān)車(chē)時(shí)氣流速度降為亞聲速，極有可能發(fā)生回火，引起管路爆炸，因此在主流混合室5內(nèi)設(shè)計(jì)了防回火隔層 10，防回火隔層10之上擺放玻璃珠。防回火隔層10為網(wǎng)狀隔板。由于玻璃珠間隙小于甲烷和空氣的猝滅極限，該裝置能有效防止預(yù)混氣減速時(shí)回火現(xiàn)象的發(fā)生。為提高噴管出口超聲速預(yù)混氣的流動(dòng)品質(zhì)，在玻璃珠下游噴管上游安裝阻尼網(wǎng)9。阻尼網(wǎng)9能有效切割大尺度漩渦，降低流動(dòng)湍流度，同時(shí)使氣流在流動(dòng)方向速度分布均勻性得到明顯改善。為研究超聲速預(yù)混氣點(diǎn)火燃燒的二維特性，該裝置的超聲速?lài)姽?采用二維特征線設(shè)計(jì)原理，考慮了流體粘性的影響，對(duì)噴管壁面邊界層進(jìn)行了修正，保證了噴管出口氣流品質(zhì)。在噴管出口適當(dāng)位置安裝能量可調(diào)的高能火花塞，通過(guò)調(diào)節(jié)火花塞放電能量研究點(diǎn)火能量對(duì)超聲速預(yù)混氣點(diǎn)火特性的影響。在亞聲速伴流側(cè)，伴流駐室6的入口處連接三通純甲烷或者純氫氣管路2、三通空氣管路1，出口處連接低速?lài)姽?，在伴流駐室6內(nèi)依次設(shè)有電熱式陶瓷加熱器12、防回火隔層10、阻尼網(wǎng)9，在低速?lài)姽?的出口端設(shè)有防回火孔板11。燃料純甲烷(也可采用純氫氣)或者燃料甲烷與空氣的混合氣體通過(guò)管路進(jìn)入伴流駐室6，并經(jīng)過(guò)電熱式陶瓷加熱器12適當(dāng)提高總溫。依次經(jīng)過(guò)防回火隔層10、阻尼網(wǎng)9， 低速?lài)姽?、防回火孔板11后，噴出。由于亞聲速氣流中預(yù)混氣很容易回火，因此在陶瓷加熱器后，設(shè)有防回火隔層10， 之上擺放玻璃珠。亞聲速伴側(cè)玻璃珠直徑小于超聲速主流側(cè)玻璃珠直徑。在玻璃珠隔層下游同樣安裝阻尼網(wǎng)9提高氣流品質(zhì)。由于低速預(yù)混氣易發(fā)生火焰回傳，在亞聲速伴流駐室的低速?lài)姽?的出口端設(shè)有防回火孔板11。如圖2，該防回火孔板為高溫合金制成的可更換插件，可以通過(guò)調(diào)整最外圈孔到邊緣的距離，調(diào)整主流與伴流間的距離。該孔板均布多個(gè)直徑0.5mm，深6mm的小孔，孔為60°環(huán)形排布。由于孔徑遠(yuǎn)小于CH4和空氣預(yù)混氣的猝滅極限，因此能很好的起到防止低速預(yù)混氣流回火的作用，同時(shí)該孔板有類(lèi)似蜂窩器的作用， 能導(dǎo)向和分割大尺度渦，提高氣流出口品質(zhì)。圖4是本發(fā)明研制火焰爐的可更換孔板結(jié)構(gòu)圖?？筛鼡Q的防回火孔板11安裝在亞聲速伴側(cè)流出口處。設(shè)計(jì)多個(gè)不同結(jié)構(gòu)孔板，通過(guò)采用改變外圈孔到孔板邊緣的距離，改變超聲速主流側(cè)與亞聲速伴流側(cè)的間距。該間距起到火焰穩(wěn)定的作用，調(diào)整該距離用以研究流動(dòng)間回流區(qū)大小對(duì)化學(xué)反應(yīng)基團(tuán)及火焰穩(wěn)定的影響。該噴管型面13采用特征線法設(shè)計(jì)， 由于噴管型面對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)及氣流出口速度至關(guān)重要，加工時(shí)先采用較大的材料用線切割工藝加工出噴管型面13，然后采用焊接變形小的激光焊接技術(shù)將噴管蓋板15與噴管體14焊接，焊接完成后再切削加工出噴管底座。該加工流程采用先在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的大塊材料上焊接噴管蓋板再切削噴管外形的工藝，保證了焊接過(guò)程中噴管變形盡可能的小?；鹧鏍t出口型面為矩形，流線型混合室在收縮后是半圓形結(jié)構(gòu)，混合室出口處為圓轉(zhuǎn)方結(jié)構(gòu)。能有效的將品質(zhì)較好的預(yù)混氣導(dǎo)入超聲速?lài)姽堋?br> 權(quán)利要求
1.一種用于超聲速燃燒研究的高速預(yù)混火焰爐，包括主流混合室(5)、超聲速?lài)姽?(8)、伴流駐室(6)、低速?lài)姽?7)，其特征在于，整個(gè)超聲速預(yù)混火焰爐為兩端小中間大的流線型結(jié)構(gòu)，沿縱向，被平均分為兩部分，一部分為超聲速主流側(cè)，另一部分為亞聲速伴流側(cè)，主流混合室(5)、超聲速?lài)姽?8)位于超聲速主流側(cè)，伴流駐室(6)、低速?lài)姽?7)位于亞聲速伴流側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲速燃燒研究的高速預(yù)混火焰爐，其特征在于， 在超聲速主流側(cè)，主流混合室(5)的入口處連接三通甲烷管路(4)和三通空氣或純氧氣管路(3)，出口處連接超聲速?lài)姽?8)，在主流混合室(5)內(nèi)從入口到出口依次設(shè)有電熱式陶瓷加熱器(12)、防回火隔層(10)、阻尼網(wǎng)(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲速燃燒研究的高速預(yù)混火焰爐，其特征在于， 在亞聲速伴流側(cè)，伴流駐室(6)的入口處連接三通純甲烷或者純氫氣管路(1)、三通空氣管路二(1)，出口處連接低速?lài)姽?7)，在伴流駐室(6)從入口到出口內(nèi)依次設(shè)有電熱式陶瓷加熱器(12)、防回火隔層(10)、阻尼網(wǎng)(9)，在低速?lài)姽?7)的出口端設(shè)有防回火孔板 (11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲速燃燒研究的高速預(yù)混火焰爐，其特征在于， 超聲速主流側(cè)采用甲烷與空氣或者甲烷與氧氣富氧預(yù)混方案；亞聲速伴流側(cè)采用純甲烷或者純氫氣或者甲烷與空氣富燃預(yù)混方案。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲速燃燒研究的高速預(yù)混火焰爐，其特征在于， 防回火隔層(10)上擺放玻璃珠，防回火隔層(10)為網(wǎng)狀隔板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲速燃燒研究的高速預(yù)混火焰爐，其特征在于， 防回火孔板(11)為高溫合金制成的可更換插件，可以通過(guò)調(diào)整最外圈孔到邊緣的距離，調(diào)整主流與伴流間的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲速燃燒研究的高速預(yù)混火焰爐，其特征在于， 火焰爐出口型面為矩形，流線型混合室在收縮后是半圓形結(jié)構(gòu)，混合室出口處為圓轉(zhuǎn)方結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于超聲速燃燒研究的高速預(yù)混火焰爐。包括主流混合室(5)、超聲速?lài)姽?8)、伴流駐室(6)、低速?lài)姽?7)，其中整個(gè)超聲速預(yù)混火焰爐為兩端小中間大的流線型結(jié)構(gòu)，沿縱向，被平均分為兩部分，一部分為超聲速主流側(cè)，另一部分為亞聲速伴流側(cè)，主流混合室(5)、超聲速?lài)姽?8)位于超聲速主流側(cè)，伴流駐室(6)、低速?lài)姽?7)位于亞聲速伴流側(cè)。該預(yù)混火焰爐具有結(jié)構(gòu)緊湊，加工工藝簡(jiǎn)便，試驗(yàn)成本低，試驗(yàn)周期短，預(yù)混當(dāng)量比大范圍準(zhǔn)確可調(diào)，總溫、總壓和氣流馬赫數(shù)調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F23R3/42GK102226533SQ20111013848
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者吳海燕, 周進(jìn), 林志勇 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)