CN109164203A - 一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置 - Google Patents

一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，包括透明观察窗下端固定安装在上平板上，上平板与下平板之间通过支柱连接，相邻支柱之间固定有石英玻璃，下平板的中心位置开有通孔，在通孔处装有旋流器，气体混合管连接在旋流器上，气体混合管的另一端连接有管道接头，管道接头与宝塔头连接，宝塔头上设有燃气进口和氧化剂进口，管道接头内装有整流孔板，支柱装有点火装置，本发明能够实现燃料与空气的充分预混，并形成稳定的涡旋湍流气流的情况下，实现对湍流燃烧可视化的观察。

Description

一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置
技术领域
本发明属于燃烧装置技术领域，尤其涉及一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置。
背景技术
当前的实验研究中，特别是对预混合火焰性质的研究，气体完全预混及涡旋湍流气流形成的问题一直困扰实验的进行，在国内相关领域成熟的经验较少，这也造成了在相关领域缺少成形燃烧试验台装置，而国外相关仪器平台成本高昂，且装置较大，不具有可移植性等特点，无法很好地满足国内实验要求。燃烧学术界比较著名的PRECCINSTA燃烧器，是由德国宇航中心和Turbomeca公司为研究燃气轮机燃烧不稳定性和对不同燃料的适应能力设计的。为模拟实际燃气轮机中的燃烧状况，燃烧器包含底部的一个稳压室、具有十二个旋转通道的旋流器、燃烧室和燃烧废气出口各一个。
由于3D打印技术可以得到结构复杂模型且具有成本低，精度高等优点，目前已在工业设计、机械制造、航空航天、建筑等领域得到了广泛的应用。因此，通过国内成熟的3D打印技术及完善的机械加工技术进行可视化试验台的搭建，不失为一种解决方法。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，目的在于实现燃料与空气的充分预混，并形成稳定的涡旋湍流气流，有效控制气体流量及燃料空气的预混状态，大大提高混合效率并且减少了燃烧过程中的热损失，保证了实验数据的准确性。
本发明所采用的技术方案为：
一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，包括透明观察窗下端固定安装在上平板上，上平板与下平板之间通过支柱连接，相邻支柱之间固定有石英玻璃，下平板的中心位置开有通孔，在通孔处装有旋流器，气体混合管连接在旋流器上，所述气体混合管的另一端连接有管道接头，管道接头与宝塔头连接，宝塔头上设有燃气进口和氧化剂进口，所述管道接头内装有整流孔板，所述支柱装有点火装置。
进一步，所述支柱设有4根，呈矩形固定安装在上平板与下平板之间，其中一根支柱选用不锈钢材质，其他支柱选用陶瓷材质；
进一步，所述不锈钢支柱上开孔，用于安装耐高温水冷式压力传感器；
进一步，所述支柱上开槽用于密封安装石英玻璃；石英玻璃与上平板、下平板之间所围成的空间为燃烧室；
进一步，所述上平板的下表面、下平板的上表面以及不锈钢支柱位于燃烧室内的一侧涂有隔热涂层；
进一步，所述气体混合管通过末端的螺纹连接，增加气体混合管的长度；管道长度与管道直径比值大于50；所述气体混合管包括同轴设置的内管和外管，内管内部以及内管与外管之间的通道都是气体的流道；
进一步，所述旋流器具有8个沿圆周方向均匀布置的螺旋扇面，扇面的螺旋角度能够自行调节；
进一步所述观察窗外侧安装有粒子图像测速(PIV)装置，所述粒子图像测速(PIV)装置连接计算机。
本发明的有益效果：
为研究不同旋流通道和预混气体当量比波动对燃烧状态的影响，本发明的实验平台设计了可自由拆卸及组合的双层燃气混合管道及旋流实验装置。本发明所采用的装置零部件易于拆卸及更换不同规格的部件，用途广泛。
本发明可以根据实验具体所需要气流旋转强度的大小的要求，对旋流器的叶片数量以及螺旋角度进行调节达到实验效果。
通过气体混合管长度与直径的选择以及配合金属孔板、旋流器的配合，可以实现燃料与空气的充分预混，并形成稳定的涡旋湍流气流，有效控制气体流量及燃料空气的预混状态，大大提高混合效率并且减少了燃烧过程中的热损失，保证了实验数据的准确性。
采用可视化的观察窗以及燃烧室，结合粒子图像测速(PIV)装置可以更直观的对燃烧室的湍流燃烧情况进行高度可视化的研究，弥补目前国内对湍流燃烧的实验平台研发的空白，对湍流混合燃烧的研究具有巨大的帮助。
附图说明
图1是本发明一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置的剖视图；
图2是本发明一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置的立体图；
图3是本发明一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置的下平板的俯视图；
图4是本发明一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置的环形凸台部分；
图中，1、透明观察窗，2、上平板，3、隔热涂层，4、不锈钢固定支柱，5、陶瓷固定支柱一，6、陶瓷固定支柱二，7、陶瓷固定支柱三，8、石英玻璃一，9、石英玻璃二，10、石英玻璃三，11、石英玻璃四，12、旋流器，13、下平板，14、气体混合管，15、整流孔板，16、管道接头，17、宝塔头，18、燃料进口，19、氧化剂进口。
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用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2所示，本发明提供了一种将燃料与氧化剂完全预混并形成旋转流动的湍流燃烧可视化试验台装置，通过将矩形的透明观察窗1的下端固定安装在上平板2上，上平板2，上平板2的下表面涂有隔热涂层3，通过螺栓将不锈钢固定支柱4、陶瓷固定支柱一5、陶瓷固定支柱二6、陶瓷固定支柱三7呈矩形固定在在上平板2与下平板13之间，不锈钢固定支柱4上开孔用于放置耐高温水冷式压力传感器以及点火装置，所有支柱上开有开槽用于密封安装石英玻璃，不锈钢固定支柱4开槽用于密封安装透明石英玻璃一8、石英玻璃四11，陶瓷固定支柱一5上开槽用于密封安装透明石英玻璃一8、石英玻璃二9；陶瓷固定支柱二6上开槽用于密封安装透明石英玻璃二9、石英玻璃三10；陶瓷固定支柱三7上开槽用于密封安装透明石英玻璃三10、石英玻璃四11；石英玻璃与上平板2与下平板13所围成的空间为燃烧室，不锈钢固定支柱4位于燃烧室内一侧涂有隔热涂层3，下平板13上表面也涂有隔热涂层3，不锈钢固定支柱4及各个陶瓷固定支柱上开槽用来密封安装耐高温石英玻璃，在具有较高密封性能的同时也便于拆卸、清洗耐高温石英玻璃。
如图3、4，在下平板13的中心位置开有通孔，所述的旋流器13与下平板接触的地方设计了环形凸台结构，在环形凸台上开孔用于连接下平板13，与气体混合管道接触的地方设计了台阶状接口，并用密封胶水连接，保证密封性，该结构具有较强的普适性，可以与不同结构的旋流器精准对接，有效提高了旋流燃烧实验平台的可移植性，降低了实验成本。旋流器12为金属3D打印部件，加工精度高，具有8个沿圆周方向均匀布置的螺旋扇面，可以根据实验所需要气流旋转强度的大小来选择合适的螺旋角度。
气体混合管14的另一端连接有管道接头16，管道接头16与宝塔头17连接，宝塔头17设有燃气进口18和氧化剂进口19，本实施例中，气体混合管道14选择长度为1.2米，管道长度与管道直径比值大于50，这是由于气体由层流充分发展为湍流状态，除了需要设定气体流速及管径尺寸，还需要充分长的发展管道。整流孔板15设置在气体混合管道14与管道接头16的接触处，整流孔板15是为了整流气流，使气流充分发展为湍流，使燃料和空气更快速预混，实施例中设计的孔直径为0.1mm。
在观察窗外侧安装有粒子图像测速(PIV)装置，可以对燃烧室内的燃烧情况进行测量，并将采集的数据传输到与之连接的计算机中进行数据分析。
为了更清楚的解释本发明所要保护的技术方案，以下结合本发明的工作过程做进一步解释：
燃料和空气分别从燃气进口18、氧化剂进口19分为左右两路进入宝塔头17中，在宝塔头中17进行第一步的混合；混合气体经过金属孔板15，金属孔板15对混合气体进行整流，即破碎气流团，加速预混合效果，确保燃料与空气能够充分预混；混合气在气体混合管道14中充分扩散混合，形成均匀预混合气体；均匀预混合气体进入旋流器12，气体流经旋流器12的旋转叶片，气流做旋转运动，进入燃烧室后由于离心力作用，在中央形成回流区，回流区可将下游的高温气体携带到上游，用于点燃上游的冷态混合气，从而稳定火焰，稳定火焰进入由不锈钢固定支柱4、陶瓷固定支柱以及透明耐高温石英玻璃组成的燃烧室中以进行相应的激光和光学诊断实验，燃烧废气进入密封的透明观察窗1中，透明观察窗1为盒型开放式，高温气体由此进入周围空气，通过粒子图像测速(PIV)装置进行数据的测量。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置,其特征在于，包括透明观察窗(1)下端固定安装在上平板(2)上，上平板(2)与下平板(13)之间通过支柱连接，相邻支柱之间固定有石英玻璃，下平板(13)的中心位置开有通孔，在通孔处装有旋流器(12)，气体混合管(14)连接在旋流器(12)上，所述气体混合管(14)的另一端连接有管道接头(16)，管道接头(16)与宝塔头(17)连接，宝塔头(17)上设有燃气进口(18)和氧化剂进口(19)，所述管道接头(16)内装有整流孔板(15)，所述支柱装有点火装置。
2.根据权利要求1所述的一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，其特征在于，所述支柱设有4根，呈矩形固定安装在上平板(2)与下平板(13)之间，其中一根支柱选用不锈钢材质，其他支柱选用陶瓷材质。
3.根据权利要求2所述的一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，其特征在于，所述不锈钢支柱上开孔，用于安装耐高温水冷式压力传感器。
4.根据权利要求1或2所述的一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，其特征在于，所述支柱上开槽用于密封安装石英玻璃；石英玻璃与上平板(2)、下平板(13)之间所围成的空间为燃烧室。
5.根据权利要求1所述的一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，其特征在于，所述上平板(2)的下表面、下平板(13)的上表面以及不锈钢支柱位于燃烧室内的一侧涂有隔热涂层。
6.根据权利要求1所述的一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，其特征在于，所述气体混合管(14)通过螺纹连接增加气体混合管(14)的长度；选择气体混合管(14)的长度与管道直径比值大于50。
7.根据权利要求1所述的一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，其特征在于，所述旋流器(12)具有8个沿圆周方向均匀布置的螺旋扇面，螺旋角度能自行调节。
8.根据权利要求1所述的一种带有旋转入流通道的低热损湍流燃烧可视化试验台装置，其特征在于，所述透明观察窗(1)外侧安装有粒子图像测速装置。
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