本發(fā)明涉及一種連續(xù)、快速、大范圍線性調(diào)節(jié)溫度的空氣/煤油高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置和方法，屬于高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

利用航空煤油燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)鈱?duì)流加熱方式具有功率大、溫度高、試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叨炔皇芟拗啤⒐ぷ鲿r(shí)間長(zhǎng)、瞬態(tài)變化快等優(yōu)勢(shì)，是用于高超聲速飛行器材料考核或大部件熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、熱響應(yīng)研究試驗(yàn)的新型氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)設(shè)備。

飛行器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱應(yīng)力是由其溫度分布梯度決定的，體現(xiàn)了外表面氣動(dòng)加熱量累積效應(yīng)，與氣動(dòng)加熱量隨時(shí)間的瞬態(tài)變化過程直接相關(guān)。內(nèi)部熱應(yīng)力試驗(yàn)要求燃?xì)饬鳒囟饶茈S時(shí)間連續(xù)、快速、線性變化。例如，某飛行器快速爬升和加速階段，其外表面氣動(dòng)熱往往呈現(xiàn)線性快速增加形態(tài)，導(dǎo)致內(nèi)部大的溫度梯度和嚴(yán)酷的熱應(yīng)力。內(nèi)部熱應(yīng)力熱模擬試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)為：1)燃?xì)饬鳒囟茸兓秶?00K～2100K，最高溫度接近煤油/空氣燃燒理論當(dāng)量溫度；2)在給定時(shí)間內(nèi)連續(xù)地、按一定線性關(guān)系調(diào)節(jié)；3)工作介質(zhì)為空氣和航空煤油以模擬真實(shí)氣體成分。

對(duì)于連續(xù)、快速、大范圍線性調(diào)節(jié)溫度的空氣/煤油高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有：1)燃?xì)鉁囟却蠓秶兓罡邷囟冉咏河?空氣燃燒的理論當(dāng)量溫度，變化過程中需要實(shí)現(xiàn)高效霧化和燃燒，燃燒效率高；2)高精度線性而非單點(diǎn)的連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)；3)溫度快速響應(yīng)，變化時(shí)間為ms量級(jí)等。目前，業(yè)界迫切需要同時(shí)滿足上述技術(shù)指標(biāo)的煤油作為燃料的燃?xì)獍l(fā)生裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題或關(guān)鍵技術(shù)，本發(fā)明提出一種雙級(jí)霧化、雙級(jí)燃燒/摻混式的高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置和方法，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾倪B續(xù)、快速、超寬溫度范圍線性調(diào)節(jié)功能。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原理圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高溫燃?xì)饬鳒囟茸兓?/p>

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3所示的實(shí)施例的高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置內(nèi)的氣流示意圖。

附圖標(biāo)記：

1—多孔均流板 2—一次霧化空氣進(jìn)氣嘴 3—燃油進(jìn)口接嘴

4—空氣均流室 5—煤油管

6—一次霧化空氣進(jìn)氣管

7—內(nèi)預(yù)混合霧化霧化噴嘴

8—二級(jí)空氣旋流器

9—火焰穩(wěn)定器

10—集液腔 11—一次燃燒空氣均流錐

12—點(diǎn)火器安裝通道

13—火焰筒 14—內(nèi)壁 15—外壁

16—水冷法蘭 17—一級(jí)空氣進(jìn)氣接嘴 18—二級(jí)空氣接嘴

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明涉及一種連續(xù)、快速、大范圍線性調(diào)節(jié)溫度的煤油/空氣高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基本原理如圖1所示，其中采用雙級(jí)霧化、雙級(jí)燃燒/摻混式方式，系統(tǒng)主要包括：一級(jí)燃燒室101、二級(jí)燃燒/摻混室102、一級(jí)輔助霧化空氣閥門103、二級(jí)霧化空氣閥門104、二級(jí)燃燒/摻混空氣閥門105、單級(jí)燃油控制閥門106。

總來流空氣通過分流閥門分為三部分：

1)約1g/s的固定流量空氣經(jīng)過限流閥103進(jìn)入內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴(未顯示)，對(duì)單級(jí)燃油控制閥門106進(jìn)入的燃油進(jìn)行一次霧化；

2)約50％的一級(jí)空氣經(jīng)過開關(guān)閥104進(jìn)入一級(jí)燃燒室101，小部分的一次空氣經(jīng)過旋流器小孔(未顯示)旋轉(zhuǎn)后作為二次霧化空氣，大部分的一次空氣與單級(jí)燃油噴注器(未顯示)噴入的燃油在一次燃燒室101內(nèi)燃燒，然后進(jìn)入二級(jí)燃燒/摻混室102；

3)剩余來流空氣經(jīng)過二級(jí)燃燒/摻混空氣閥門105進(jìn)入二級(jí)燃燒/摻混室102。當(dāng)一級(jí)燃燒室101為欠油氣比或最佳油氣比燃燒時(shí)，所噴注燃油完全燃燒，其排氣進(jìn)入二級(jí)燃燒/摻混室102，二級(jí)燃燒/摻混空氣閥門105進(jìn)入的空氣流將只發(fā)生相互摻混過程，燃?xì)饬鳒囟冉档?，即二?jí)燃燒/摻混室102出口的燃?xì)饬鳒囟缺纫患?jí)燃燒室101出口氣流溫度低。當(dāng)一級(jí)燃燒室101為富油氣比燃燒時(shí)，其產(chǎn)生的燃?xì)饬髦袑⒑幸欢ㄎ慈急M燃油，此時(shí)二級(jí)燃燒/摻混空氣閥門105進(jìn)入的空氣將與一級(jí)燃燒室101出口富余的燃油進(jìn)行二次燃燒，二級(jí)燃燒/摻混室102出口的燃?xì)饬鳒囟缺纫患?jí)燃燒室101出口氣流溫度高，達(dá)到二次燃燒升溫的目的。

當(dāng)冷氣流的空氣質(zhì)量流率一定時(shí)，一級(jí)輔助霧化空氣的質(zhì)量流率總是恒定不變，二級(jí)霧化空氣、二級(jí)燃燒/摻混空氣的質(zhì)量流率分別通過調(diào)節(jié)二級(jí)霧化空氣閥門104、二級(jí)燃燒/摻混空氣閥門105的開度進(jìn)行合理分配。通過逐漸增加燃油質(zhì)量流量，可以使一級(jí)燃?xì)饬鲝那酚蜌獗热紵饾u過渡到最佳油氣比燃燒、然后又過渡到富油氣比燃燒，相應(yīng)的燃?xì)饬鳒囟葟牡蜏囟乳_始逐漸升高到更高的溫度，如圖2所示；反之亦然，實(shí)現(xiàn)從高溫到低溫的變化。這樣，即實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬鳒囟鹊倪B續(xù)線性控制功能。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的大溫度范圍連續(xù)、快速、線性調(diào)節(jié)高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置如圖3所示，其包括多孔均流板1、一次霧化空氣進(jìn)氣嘴2、煤油接嘴3、空氣均流室4、煤油管5、空氣進(jìn)氣管6、內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴7、二級(jí)霧化空氣旋流器8、火焰穩(wěn)定器9、集液腔10、一次燃燒空氣均流錐11、點(diǎn)火器安裝通道12、火焰筒13、內(nèi)壁14、外壁15、水冷法蘭16、一級(jí)空氣進(jìn)氣接嘴17和二級(jí)空氣接嘴18。

煤油管5的一端與煤油接嘴3連接，煤油管5的另一端連接內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴7；一次霧化空氣進(jìn)氣管6的一端空氣進(jìn)氣嘴2連接，一次霧化空氣進(jìn)氣管6的另一端為收縮小孔并連接內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴7，一次霧化空氣進(jìn)氣管6套在煤油管5的外圍；內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴7外套有二次霧化空氣旋流器8，空氣旋流器8的出口端連接環(huán)狀的火焰穩(wěn)定器9；火焰穩(wěn)定器9上套有一次燃燒空氣均流錐11。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，一次燃燒空氣均流錐11為均勻布滿三排、每排16個(gè)小孔的喇叭狀套筒結(jié)構(gòu)，一次燃燒空氣均流錐11的喇叭口的一端固定在空氣均流室4與火焰筒13的連接處。

空氣均流室4包圍著空氣進(jìn)氣管6和一次燃燒空氣均流錐11外圍，一端與空氣進(jìn)氣管6密封固定連接，另一端與火焰筒13固定連接；多孔均流板1設(shè)置在空氣均流室4內(nèi)部；多孔均流板1左側(cè)的空氣均流室4的部分安裝有一級(jí)空氣進(jìn)氣接嘴17?？諝饩魇?的與一次燃燒空氣均流錐11相對(duì)應(yīng)的部分處設(shè)有集液腔10。

火焰筒13呈圓柱狀，周圍布有兩排通氣孔13-1和13-2，第一排孔13-1供入二次燃燒空氣，第二排孔13-2供入為摻混空氣；火焰筒13一端連接一次燃燒空氣均流錐11，另一端連接水冷法蘭16，火焰筒13的外圍設(shè)有內(nèi)壁14，內(nèi)壁外側(cè)連接外壁15；內(nèi)壁14與外壁15均為圓柱形并形成套筒型結(jié)構(gòu)，套筒之間為冷卻水通道；內(nèi)壁14和外壁15的前端設(shè)有點(diǎn)火通道12，外壁15中間部位焊接有二級(jí)空氣入口接嘴18。內(nèi)壁14與火焰筒13之間有一定間隙，供二級(jí)燃燒/摻混空氣從火焰筒13通氣孔13-1和13-2進(jìn)入，與一級(jí)燃燒氣流進(jìn)行燃燒或摻混。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種連續(xù)、快速、大范圍線性調(diào)節(jié)溫度的高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置，其包括航空煤油霧化器、一級(jí)空氣燃燒室、二級(jí)空氣燃燒/摻混火焰筒、高能電火花塞點(diǎn)火器。所述航空煤油霧化器、一級(jí)空氣燃燒室、二級(jí)空氣燃燒/摻混器采用法蘭依次連接；所述高能電火花塞點(diǎn)火器布置在一級(jí)空氣燃燒室前端，

其特征在于：

所述航空煤油霧化器采用兩級(jí)霧化方式：固定一次輔助霧化空氣流量、變航空煤油流量的內(nèi)預(yù)混合一級(jí)霧化和變旋流空氣流量的二級(jí)輔助霧化；

所述高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置包括小流量空氣供應(yīng)噴嘴、航空煤油噴嘴、內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴、二級(jí)霧化噴嘴；

所述的小流量空氣供應(yīng)噴嘴包括一次霧化空氣進(jìn)氣嘴2、煤油進(jìn)氣管與空氣進(jìn)氣管6形成的環(huán)形進(jìn)氣通道、多孔錐形空氣均流板11。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，上述的航空煤油噴嘴包括與煤油接嘴3相連接的煤油管5；所述的內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴7包括空氣和航空煤油混合室、氣液兩相多孔噴頭。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，上述的一級(jí)空氣燃燒室包括與一級(jí)空氣進(jìn)氣接嘴17相通的空氣均流室4、多孔均流板1和一次空氣分配裝置；所述的一次空氣分配裝置包括二級(jí)霧化空氣旋流器8、與旋流室連接的火焰穩(wěn)定器9、一次燃燒空氣均流錐11。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，上述二級(jí)空氣燃燒/摻混器包括焊接在外壁組件的空氣接嘴18、燃燒/摻混火焰筒13；所述外壁組件包括外壁15和內(nèi)壁14；所述火焰筒13從前至后依次設(shè)置二次空氣燃燒孔和摻混孔。

根據(jù)本發(fā)明的高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置的工作過程

根據(jù)本發(fā)明的高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置采用航空煤油為燃料，空氣作為助燃劑。燃料通過煤油接嘴3進(jìn)入煤油管5，為保證煤油霧化，需要在供油的同時(shí)通入1g/s的一次輔助霧化空氣，一次輔助霧化空氣通過一次霧化空氣接嘴2進(jìn)入空氣進(jìn)氣管6，一次霧化空氣的流量保持不變。

如圖4所示，一級(jí)空氣流A通過一級(jí)空氣進(jìn)氣接嘴17進(jìn)入空氣均流室4，然后經(jīng)過多孔均流板1均勻分布，然后分為氣流A1和氣流A2兩路；其中一路氣流A2經(jīng)由空氣旋流器8到達(dá)火焰穩(wěn)定器9，在火焰穩(wěn)定器9中與內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴7噴出的油氣混合物進(jìn)行二次霧化和混合，形成更加細(xì)小和均勻的油霧；另一路氣流A1流向并穿過一次燃燒均流錐11，通過點(diǎn)火安裝通道12安裝的電火花點(diǎn)火器(未顯示)進(jìn)行點(diǎn)火；油霧與空氣流A1在一次燃燒均流錐11后面完成混合，通過火焰穩(wěn)定器9穩(wěn)定燃燒，燃燒后形成一級(jí)燃?xì)饬鰾。

一級(jí)燃?xì)饬鰾流至火焰筒13內(nèi)，二級(jí)空氣流C通過二級(jí)空氣入口接嘴18進(jìn)入火焰筒13內(nèi)，二級(jí)空氣流C分為兩部分，分別經(jīng)過火焰筒第一排孔13-1、第二排孔13-2進(jìn)入火焰筒13內(nèi)部，并與一級(jí)燃?xì)饬鰾進(jìn)行二次燃燒或與一級(jí)燃?xì)饬鰾摻混形成二級(jí)燃?xì)饬鱀。

燃燒結(jié)束后，一次霧化空氣接嘴2停止供應(yīng)空氣并切換供應(yīng)氮?dú)猓獨(dú)饨?jīng)過空氣進(jìn)氣管6內(nèi)通入氮?dú)獯党齼?nèi)預(yù)混合霧化噴嘴7，避免殘留燃油在內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴7處結(jié)焦而堵塞。

通過合理分配確定一級(jí)空氣流A和二級(jí)空氣流C的質(zhì)量流量，調(diào)節(jié)煤油管5的進(jìn)油量，可以使一級(jí)燃?xì)饬鰾從欠油氣比燃燒逐漸過渡到最佳油氣比燃燒、然后又過渡到過油氣比燃燒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬鳒囟鹊木€性控供應(yīng)制功能。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的技術(shù)解決方案，提供了一種連續(xù)、快速、大范圍線性調(diào)節(jié)溫度的高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置，包括航空煤油霧化器、一級(jí)空氣燃燒室、二級(jí)空氣燃燒/摻混火焰筒、高能電火花塞點(diǎn)火器。所述航空煤油霧化器、一級(jí)空氣燃燒室、二級(jí)空氣燃燒/摻混器采用法蘭依次連接；所述高能電火花塞點(diǎn)火器布置在一級(jí)空氣燃燒室前端，

其特征在于：

所述航空煤油霧化器采用兩級(jí)霧化方式：固定空氣流量、變航空煤油流量的內(nèi)預(yù)混合一級(jí)霧化和變旋流空氣流量的二級(jí)輔助霧化。包括小流量空氣供應(yīng)噴嘴、航空煤油噴嘴、內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴、二級(jí)霧化噴嘴；所述的小流量空氣供應(yīng)噴嘴包括一次霧化空氣進(jìn)氣嘴2、煤油進(jìn)氣管與空氣進(jìn)氣管6形成的環(huán)形進(jìn)氣通道、60°多孔錐形空氣均流板。所述的航空煤油噴嘴包括與煤油接嘴3相連接的煤油管5；所述的內(nèi)預(yù)混合霧化噴嘴7包括空氣和航空煤油混合室、氣液兩相多孔噴頭。

所述的一級(jí)空氣燃燒室包括與一級(jí)空氣進(jìn)氣接嘴17相通的空氣均流室4、多孔均流板1和一次空氣分配裝置；所述的一次空氣分配裝置包括二級(jí)霧化空氣旋流器8、與旋流室連接的火焰穩(wěn)定器9、一次燃燒空氣均流錐11。

所述二級(jí)空氣燃燒/摻混器包括焊接在外壁組件的空氣接嘴18、燃燒/摻混火焰筒13；所述外壁組件包括外壁15和內(nèi)壁14；所述火焰筒13從前至后依次設(shè)置二次空氣燃燒孔和摻混孔。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：

1.本發(fā)明所提供的燃油變化范圍寬，超過20：1，具有全工況煤油供應(yīng)壓力低、霧化質(zhì)量良好、霧化一致性高的優(yōu)點(diǎn)，解決壓力霧化方式霧化壓力高、燃油超寬范圍變化過程霧化變差甚至根本不能霧化的難題。本發(fā)明提供的霧化方式采用雙級(jí)霧化，包括固定小流量一級(jí)空氣輔助霧化、變流量二級(jí)空氣旋流霧化。一級(jí)霧化為內(nèi)部預(yù)混合，并呈60°多孔噴嘴向外噴射，保證最低燃油及10：1范圍內(nèi)高效霧化，對(duì)應(yīng)的燃油供應(yīng)壓力約0.15MPa。二次霧化空氣為旋流，一次霧化后的燃油/空氣混合物與二次霧化空氣進(jìn)一步撞擊、卷吸，實(shí)現(xiàn)對(duì)10：1～20：1及更大范圍的燃油霧化。

2.本發(fā)明提供的火焰穩(wěn)定器具有穩(wěn)焰范圍寬、火焰穩(wěn)定良好的特點(diǎn)，解決高工況脫火、低工況回火的難題。本發(fā)明提供的火焰穩(wěn)定器采用收縮-擴(kuò)散文氏管結(jié)構(gòu)，收縮段對(duì)旋流器后的二次霧化空氣進(jìn)行均流和加速，加速后的動(dòng)能增加，卷吸作用增強(qiáng)，卷吸和二次霧化燃油。擴(kuò)散段對(duì)霧化、摻混良好的燃油/空氣混合物進(jìn)行擴(kuò)壓減速，滿足與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠ヅ潢P(guān)系。擴(kuò)散段設(shè)置斜坡形成回流，起到低速穩(wěn)焰目標(biāo)。

3.本發(fā)明提供的燃油調(diào)節(jié)方式具有線性良好、連續(xù)調(diào)節(jié)和響應(yīng)快速的特點(diǎn)，解決了燃油調(diào)節(jié)線性度差、甚至無序的難題。本發(fā)明提供的一次霧化空氣為固定空氣流量，僅調(diào)節(jié)燃油流量，無需同時(shí)調(diào)節(jié)空氣和燃油兩路，線性度好。通過合理設(shè)計(jì)和分配第一級(jí)、第二級(jí)空氣進(jìn)氣量，可以在保持總供氣量不變的情況下，通過供油量調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)生裝置實(shí)際出口燃?xì)饬鳒囟冗B續(xù)線性調(diào)節(jié)功能。

4.本發(fā)明提供的兩級(jí)燃燒/摻混方式具有燃燒效率高、燃燒溫度高、冷卻可靠的特點(diǎn)。本發(fā)明提供的燃燒方式，當(dāng)?shù)谝患?jí)進(jìn)氣為恰好完全燃燒或貧油燃燒時(shí)，第二級(jí)進(jìn)氣進(jìn)入火焰筒對(duì)第一級(jí)燃燒氣體僅產(chǎn)生摻混、降溫的作用，最低溫度為700K；當(dāng)?shù)谝患?jí)進(jìn)氣為富油燃燒時(shí)，第二級(jí)進(jìn)氣進(jìn)入火焰筒將與第一級(jí)燃燒氣體中燃油產(chǎn)生二次燃燒，燃燒效率高，溫度高最高達(dá)到2100K。兩級(jí)進(jìn)氣在不同位置形成氣膜，結(jié)合二級(jí)空氣燃燒/摻混器的外壁組件冷卻通道的水冷卻，使得在2100K高溫下可靠冷卻，解決鎳基不銹鋼或合金鋼材料最高在1200K溫度下工作的限制。

本發(fā)明采用雙級(jí)霧化、雙級(jí)燃燒/摻混式方式，實(shí)現(xiàn)了氣/煤油高溫燃?xì)獾拇鬁囟确秶B續(xù)、快速、線性調(diào)節(jié)，試驗(yàn)得到的溫度變化范圍為685K～2110K，溫度調(diào)節(jié)的線性度誤差小于5％，調(diào)節(jié)延遲時(shí)間低于0.1s，最長(zhǎng)工作時(shí)間大于1h，冷卻可靠。

本發(fā)明提供了一種大溫度范圍連續(xù)、快速、線性調(diào)節(jié)的空氣/煤油高溫燃?xì)獍l(fā)生裝置，可以應(yīng)用于高超聲速飛行器材料高溫考核、大部件熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、熱響應(yīng)研究試驗(yàn)系統(tǒng)，以及特種材料耐溫試驗(yàn)和其它高溫燃?xì)馐褂脠?chǎng)所，也可應(yīng)用于廢煤油的燃燒處理。本發(fā)明的燃?xì)獍l(fā)生器的燃料優(yōu)先選用各種牌號(hào)的煤油。