CN116045307B - 一种双离心式空气酒精火炬点火器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃烧和点火技术领域，公开了一种双离心式空气酒精火炬点火器。双离心式空气酒精火炬点火器包括从上至下顺序连接的顶盖、集气环和燃烧室，集气环装夹在顶盖和燃烧室之间，燃烧室的末端连接传火杆；集气环内套装喷嘴安装座，喷嘴安装座内通过螺纹匹配安装双离心喷嘴，双离心喷嘴的内部为液体离心喷嘴，外部为空气旋流离心喷嘴；集气环连接空气入口和测压口；燃烧室上设置有左右对称的火花塞安装座，火花塞安装座内分别***火花塞，火花塞外接点火柜。酒精通过喷嘴中心的直线通道离心喷注，空气通过喷嘴***的旋流通道离心喷注，增强了空气与酒精的相互作用，有效解决了酒精的雾化问题，实现了空气酒精的可靠点火和稳定工作。
Description
技术领域
本发明属于燃烧和点火技术领域，具体涉及一种双离心式空气酒精火炬点火器。
背景技术
燃烧加热型高超声速高温风洞是研究高超声速飞行器的重要地面设备，燃料与氧化剂在加热器中混合燃烧形成高温高压高焓气体，可模拟高超声速飞行的流场环境。燃烧加热器需要外部强迫点火才能引燃燃料与氧化剂，强迫点火装置的性能直接影响到燃烧加热风洞的工作稳定性。
随着风洞口径的增大，燃料与氧化剂的流量也随之增大，且很多燃烧加热风洞为液态燃料，如酒精、煤油等，常规的高能火花塞无法引燃加热器，火炬点火器成为燃烧加热风洞最常用的强迫点火装置。火炬点火器可认为是一个小型的燃烧加热器，燃料与氧化剂流量较小时，高能火花塞便可直接引燃火炬点火器。火炬点火器形成的高温燃气作为燃烧加热器的点火源，点燃加热器使风洞正常工作。
火炬点火器一般采用气态或液态燃料，前者一般是氢气、甲烷等，后者大多为酒精、煤油等。
对于氧化剂为氧气的燃烧模式，氧气与气态燃料能够快速掺混形成可燃混气，容易被火花塞点燃，但是高压氧气是及其危险的助燃气体，使用氧气对长期运行的地面设备来说具有很大的危险性；此外，氧气与燃料燃烧后的火焰温度很高，不利于火炬点火器的长时间工作，现有采用氧气的火炬点火器工作时间一般不超过几百毫秒，火炬点火器的短时间工作无法保证燃烧加热器的可靠点火。而采用空气作为氧化剂，则火炬点火器通常存在点火困难的问题。氢气与空气恰当混合时，着火温度为530°C~590°C，甲烷着火温度则更高，达到658°C ~750°C，因此，采用空气为氧化剂的火炬点火器通常存在点火稳定性较差的问题。
采用酒精作为燃料能够有效地解决点火困难问题。酒精与空气恰当混合时，着火温度为仅365°C左右，对点火能量的要求大大降低。但酒精火炬必须解决酒精的雾化燃烧问题。液态燃料燃烧涉及到液态燃料的雾化、掺混、燃烧，喷注器设计较为复杂，如果燃料的雾化效果较差，则点火更为困难。并且液态燃料容易产生振荡燃烧，会激发燃烧加热器的不稳定燃烧，直接威胁设备的稳定工作。
综上所述，气态燃料火炬点火器中，以氧气作为氧化剂虽然点火可靠、点火能量高，但火炬点火器工作时间短，危险性高；以空气作为氧化剂点火又较为困难；液态燃料火炬点火器的点火可靠性和燃烧稳定性问题又亟待解决。当前，亟需发展需要研制一种双离心式空气酒精火炬点火器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双离心式空气酒精火炬点火器，解决了点火可靠性和燃烧稳定性问题，能够长时间稳定工作。
本发明的双离心式空气酒精火炬点火器，其特点是，所述的双离心式空气酒精火炬点火器包括从上至下顺序连接的顶盖、集气环和燃烧室，顶盖和燃烧室通过法兰盘的螺栓组件固定连接，集气环装夹在顶盖和燃烧室之间，燃烧室的末端焊接连接传火杆；集气环内套装喷嘴安装座，喷嘴安装座内通过螺纹匹配安装双离心喷嘴，双离心喷嘴的竖直中心轴线上设置有酒精旋流通道，酒精旋流通道与顶盖的酒精入口连通；集气环连接空气入口和测压口；燃烧室上设置有左右对称的火花塞安装座，火花塞安装座内分别***火花塞，火花塞外接点火柜；
顶盖、酒精入口、双离心喷嘴、喷嘴安装座、集气环和燃烧室同竖直中心轴线；空气入口和测压口同水平中心轴线；
双离心喷嘴为管体，从上至下依次为圆柱段Ⅰ、螺纹段、锥段和圆柱段Ⅱ；圆柱段Ⅰ与喷嘴安装座合围的空腔为燃料腔，燃料腔与酒精入口连通，圆柱段Ⅰ的周向均匀分布若干个切向孔，切向孔与燃料腔连通，各切向孔与酒精旋流通道相切；螺纹段设置有与喷嘴安装座的内螺纹相匹配的外螺纹；锥段为螺纹段和圆柱段Ⅱ之间的过渡段；圆柱段Ⅱ与喷嘴安装座合围的空腔为空气腔，空气腔与空气入口连通，圆柱段Ⅱ上设置有空气旋流器，空气旋流器的空气旋流通道旋流方向与螺纹段的外螺纹一致；圆柱段Ⅱ的末端与火花塞中心轴线之间的距离为1.0倍~1.2倍的燃烧室的内径；
传火杆的气流通道为收缩通道，收缩通道从上至下依次为收缩段和等直段；
酒精从酒精入口进入燃料腔，经双离心喷嘴的切向孔进入酒精旋流通道，在离心力的作用下经过酒精旋流通道形成酒精锥形液膜喷出；高压空气从空气入口进入空气腔，经空气旋流通道旋转喷出；高压冷空气在双离心喷嘴出口与酒精锥形液膜相互作用，使酒精锥形液膜破碎成液滴，高压空气与酒精充分掺混后形成空气酒精可燃混气，火花塞点燃可燃混气，形成高温燃气，高温燃气经传火杆的收缩通道喷出，高温燃气成为加热器的点火源；同时，高压空气在燃烧室内壁形成冷却燃烧室的气膜，降低燃烧室内壁的温度；
所述的双离心式空气酒精火炬点火器将传火杆***待点火燃烧装置，通过燃烧室末端的法兰盘，采用螺栓连接方式固定在待点火燃烧装置上。
进一步地，所述的双离心喷嘴具有4个切向孔，双离心喷嘴的喷嘴流量系数为：
，
其中，为酒精流量；/>为酒精旋流通道内径；/>酒精密度；/>为酒精喷注压降；/>取值范围为0.07~0.12，对应酒精流量/>为10g/s~20g/s；双离心喷嘴喷出的酒精锥形液膜的锥角范围为127°~138°，双离心喷嘴的空气酒精当量比范围为0.8~3.0。
进一步地，所述的点火柜将220V交流电转换为10kV高压电输出给火花塞。
进一步地，所述的顶盖与集气环之间通过紫铜垫密封。
进一步地，所述的燃烧室的材质为不锈钢。
进一步地，所述的传火杆的材料为高温合金，牌号为GH3128或者GH3230中的一种。
进一步地，所述的传火杆通过焊接方式固定在燃烧室的末端，喷嘴安装座通过焊接方式固定在集气环的内腔。
进一步地，所述的空气旋流器的旋流数大于0.6，旋流通道角度大于45°。
本发明的双离心式空气酒精火炬点火器，顶盖和燃烧室通过螺栓连接，安装方便；双离心喷嘴与喷嘴安装座之间通过螺纹活动连接，方便更换不同参数的双离心喷嘴；喷嘴安装座与集气环之间焊接连接，确保燃料腔和空气腔相互隔绝；传火杆焊接连接在燃烧室的末端，确保安装可靠。
本发明的双离心式空气酒精火炬点火器中的双离心喷嘴是指内部为液体离心喷嘴，外部为空气旋流离心喷嘴，两者共同组成的双离心喷嘴。双离心喷嘴的液体酒精从4个切向孔进入喷嘴后，在离心力的作用下经过酒精旋流通道形成酒精锥形液膜喷出。空气进入空气腔后，通过双离心喷嘴外的空气旋流通道形成旋转的空气流。酒精的雾化效果由液体离心喷嘴的性能决定，液体离心喷嘴的设计是空气酒精火炬的设计关键。酒精的雾化效果主要由喷雾锥角、破碎长度、雾化粒径等参数表征，转化为喷嘴设计参数则体现为液体离心喷嘴的流量系数、切向孔直径、酒精旋流通道内径/>和喷嘴长度等参数。
流量系数由喷嘴直径、切向孔直径和切向孔个数决定。为保证雾化效果，液体离心喷嘴流量系数取值范围为0.07~0.12之间，对应的喷雾锥角范围为127°~138°；切向孔个数为4个时，液体离心喷嘴性能较稳定。空气酒精当量比范围在0.8~3.0时，对应酒精流量10g/s~20g/s，能够保持较好的雾化效果，点火成功率高。
空气旋流离心喷嘴的旋流方向与螺纹方向一致，保证空气进入旋流通道产生使双离心喷嘴旋紧的力。空气旋流离心喷嘴的关键参数为旋流数与旋流通道角度，旋流数应大于0.6，空气旋流通道角度应大于45°，能够保证足够的气液相互作用强度，使酒精锥形液膜破碎成液滴。
本发明的双离心式空气酒精火炬点火器中的传火杆材料为高温合金GH3128（或GH3230），能够使火炬点火器工作5s左右，而无需考虑冷却结构。传火杆的气流通道包括收缩段和等直段，收缩段的设计能够提高燃烧室室压，保证酒精充分燃烧，提升火炬点火器燃烧效率及燃气出口温度均匀性。
本发明的双离心式空气酒精火炬点火器具有以下特点：
1.采用空气酒精燃烧组织模式，能够实现5s左右的长时间工作；
2.采用双离心喷嘴增强酒精与空气的掺混效果，提高了点火可靠性和工作稳定性；
3.工作范围宽，空气酒精当量比在0.8~3.0范围内都能够稳定工作；
4.火炬点火器结构简单，喷注器、双离心喷嘴、火花塞均可更换；火炬点火器与加热器通过螺栓连接，拆装方便。
本发明的双离心式空气酒精火炬点火器采用双离心式喷嘴，酒精通过喷嘴中心的直线通道离心喷注，空气通过喷嘴***的旋流通道离心喷注，增强了空气与酒精的相互作用，有效解决了酒精的雾化问题，实现了空气酒精的可靠点火和稳定工作；双离心喷嘴工作范围较宽，流量大范围变化时酒精都能够保持良好的雾化效果和工作稳定性。
附图说明
图1为本发明的双离心式空气酒精火炬点火器的剖面图；
图2为本发明的双离心式空气酒精火炬点火器的立体图；
图3为本发明的双离心式空气酒精火炬点火器中的双离心喷嘴的安装示意图；
图4a为本发明的双离心式空气酒精火炬点火器中的双离心喷嘴的主视图；
图4b为本发明的双离心式空气酒精火炬点火器中的双离心喷嘴的F-F剖面图。
图中，1.顶盖；2.酒精入口；3.喷嘴安装座；4.集气环；5.测压口；6.燃烧室；7.传火杆；8.双离心喷嘴；9.空气入口；10.火花塞安装座；
801.燃料腔；802.切向孔；803.空气旋流通道；804.酒精旋流通道；805.空气腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1：
如图1、图2所示，本实施例的双离心式空气酒精火炬点火器包括从上至下顺序连接的顶盖1、集气环4和燃烧室6，顶盖1和燃烧室6通过法兰盘的螺栓组件固定连接，集气环4装夹在顶盖1和燃烧室6之间，燃烧室6的末端焊接连接传火杆7；集气环4内套装喷嘴安装座3，喷嘴安装座3内通过螺纹匹配安装双离心喷嘴8，双离心喷嘴8的竖直中心轴线上设置有酒精旋流通道804，酒精旋流通道804与顶盖1的酒精入口2连通；集气环4连接空气入口9和测压口5；燃烧室6上设置有左右对称的火花塞安装座10，火花塞安装座10内分别***火花塞，火花塞外接点火柜；
顶盖1、酒精入口2、双离心喷嘴8、喷嘴安装座3、集气环4和燃烧室6同竖直中心轴线；空气入口9和测压口5同水平中心轴线；
如图3、图4a、图4b所示，双离心喷嘴8为管体，从上至下依次为圆柱段Ⅰ、螺纹段、锥段和圆柱段Ⅱ；圆柱段Ⅰ与喷嘴安装座3合围的空腔为燃料腔801，燃料腔801与酒精入口2连通，圆柱段Ⅰ的周向均匀分布若干个切向孔802，切向孔802与燃料腔801连通，各切向孔802与酒精旋流通道804相切；螺纹段设置有与喷嘴安装座3的内螺纹相匹配的外螺纹；锥段为螺纹段和圆柱段Ⅱ之间的过渡段；圆柱段Ⅱ与喷嘴安装座3合围的空腔为空气腔805，空气腔805与空气入口9连通，圆柱段Ⅱ上设置有空气旋流器，空气旋流器的空气旋流通道803旋流方向与螺纹段的外螺纹一致；圆柱段Ⅱ的末端与火花塞中心轴线之间的距离为1.0倍~1.2倍的燃烧室6的内径；
传火杆7的气流通道为收缩通道，收缩通道从上至下依次为收缩段和等直段；
酒精从酒精入口2进入燃料腔801，经双离心喷嘴8的切向孔802进入酒精旋流通道804，在离心力的作用下经过酒精旋流通道804形成酒精锥形液膜喷出；高压空气从空气入口9进入空气腔805，经空气旋流通道803旋转喷出；高压冷空气在双离心喷嘴8出口与酒精锥形液膜相互作用，使酒精锥形液膜破碎成液滴，高压空气与酒精充分掺混后形成空气酒精可燃混气，火花塞点燃可燃混气，形成高温燃气，高温燃气经传火杆7的收缩通道喷出，高温燃气成为加热器的点火源；同时，高压空气在燃烧室6内壁形成冷却燃烧室6的气膜，降低燃烧室6内壁的温度；
所述的双离心式空气酒精火炬点火器将传火杆7***待点火燃烧装置，通过燃烧室6末端的法兰盘，采用螺栓连接方式固定在待点火燃烧装置上。
进一步地，所述的双离心喷嘴8具有4个切向孔802，双离心喷嘴8的喷嘴流量系数为：
，
其中，为酒精流量；/>为酒精旋流通道804内径；/>酒精密度；/>为酒精喷注压降；/>取值范围为0.07~0.12，对应酒精流量/>为10g/s~20g/s；双离心喷嘴8喷出的酒精锥形液膜的锥角范围为127°~138°，双离心喷嘴8的空气酒精当量比范围为0.8~3.0。
进一步地，所述的点火柜将220V交流电转换为10kV高压电输出给火花塞。
进一步地，所述的顶盖1与集气环4之间通过紫铜垫密封。
进一步地，所述的燃烧室6的材质为不锈钢。
进一步地，所述的传火杆7的材料为高温合金，牌号为GH3128或者GH3230中的一种。
进一步地，所述的传火杆7通过焊接方式固定在燃烧室6的末端，喷嘴安装座3通过焊接方式固定在集气环4的内腔。
进一步地，所述的空气旋流器的旋流数大于0.6，旋流通道角度大于45°。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种双离心式空气酒精火炬点火器，其特征在于，所述的双离心式空气酒精火炬点火器包括从上至下顺序连接的顶盖（1）、集气环（4）和燃烧室（6），顶盖（1）和燃烧室（6）通过法兰盘的螺栓组件固定连接，集气环（4）装夹在顶盖（1）和燃烧室（6）之间，燃烧室（6）的末端焊接连接传火杆（7）；集气环（4）内套装喷嘴安装座（3），喷嘴安装座（3）内通过螺纹匹配安装双离心喷嘴（8），双离心喷嘴（8）的竖直中心轴线上设置有酒精旋流通道（804），酒精旋流通道（804）与顶盖（1）的酒精入口（2）连通；集气环（4）连接空气入口（9）和测压口（5）；燃烧室（6）上设置有左右对称的火花塞安装座（10），火花塞安装座（10）内分别***火花塞，火花塞外接点火柜；
顶盖（1）、酒精入口（2）、双离心喷嘴（8）、喷嘴安装座（3）、集气环（4）和燃烧室（6）同竖直中心轴线；空气入口（9）和测压口（5）同水平中心轴线；
双离心喷嘴（8）为管体，从上至下依次为圆柱段Ⅰ、螺纹段、锥段和圆柱段Ⅱ；圆柱段Ⅰ与喷嘴安装座（3）合围的空腔为燃料腔（801），燃料腔（801）与酒精入口（2）连通，圆柱段Ⅰ的周向均匀分布若干个切向孔（802），切向孔（802）与燃料腔（801）连通，各切向孔（802）与酒精旋流通道（804）相切；螺纹段设置有与喷嘴安装座（3）的内螺纹相匹配的外螺纹；锥段为螺纹段和圆柱段Ⅱ之间的过渡段；圆柱段Ⅱ与喷嘴安装座（3）合围的空腔为空气腔（805），空气腔（805）与空气入口（9）连通，圆柱段Ⅱ上设置有空气旋流器，空气旋流器的空气旋流通道（803）旋流方向与螺纹段的外螺纹一致；圆柱段Ⅱ的末端与火花塞中心轴线之间的距离为1.0倍~1.2倍的燃烧室（6）的内径；
传火杆（7）的气流通道为收缩通道，收缩通道从上至下依次为收缩段和等直段；
酒精从酒精入口（2）进入燃料腔（801），经双离心喷嘴（8）的切向孔（802）进入酒精旋流通道（804），在离心力的作用下经过酒精旋流通道（804）形成酒精锥形液膜喷出；高压空气从空气入口（9）进入空气腔（805），经空气旋流通道（803）旋转喷出；高压冷空气在双离心喷嘴（8）出口与酒精锥形液膜相互作用，使酒精锥形液膜破碎成液滴，高压空气与酒精充分掺混后形成空气酒精可燃混气，火花塞点燃可燃混气，形成高温燃气，高温燃气经传火杆（7）的收缩通道喷出，高温燃气成为加热器的点火源；同时，高压空气在燃烧室（6）内壁形成冷却燃烧室（6）的气膜，降低燃烧室（6）内壁的温度；
所述的双离心式空气酒精火炬点火器将传火杆（7）***待点火燃烧装置，通过燃烧室（6）末端的法兰盘，采用螺栓连接方式固定在待点火燃烧装置上；
所述的双离心喷嘴（8）具有4个切向孔（802），双离心喷嘴（8）的喷嘴流量系数为：
，
其中，为酒精流量；/>为酒精旋流通道（804）内径；/>酒精密度；/>为酒精喷注压降；/>取值范围为0.07~0.12，对应酒精流量/>为10g/s~20g/s；双离心喷嘴（8）喷出的酒精锥形液膜的锥角范围为127°~138°，双离心喷嘴（8）的空气酒精当量比范围为0.8~3.0。
2.根据权利要求1所述的双离心式空气酒精火炬点火器，其特征在于，所述的点火柜将220V交流电转换为10kV高压电输出给火花塞。
3.根据权利要求1所述的双离心式空气酒精火炬点火器，其特征在于，所述的顶盖（1）与集气环（4）之间通过紫铜垫密封。
4.根据权利要求1所述的双离心式空气酒精火炬点火器，其特征在于，所述的燃烧室（6）的材质为不锈钢。
5.根据权利要求1所述的双离心式空气酒精火炬点火器，其特征在于，所述的传火杆（7）的材料为高温合金，牌号为GH3128或者GH3230中的一种。
6.根据权利要求1所述的双离心式空气酒精火炬点火器，其特征在于，所述的传火杆（7）通过焊接方式固定在燃烧室（6）的末端，喷嘴安装座（3）通过焊接方式固定在集气环（4）的内腔。
7.根据权利要求1所述的双离心式空气酒精火炬点火器，其特征在于，所述的空气旋流器的旋流数大于0.6，旋流通道角度大于45°。
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