专利名称：一种用于超声速燃烧研究的高速预混火焰炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于航空、航天的吸气式超声速燃烧发动机研究的试验装置，可为研究超声速预混燃烧过程、火焰结构、稳焰机制及超声速混合层燃烧过程等提供试验条件。。
背景技术：
空天优势是未来高技术战争条件下赢得胜利的战略制高点，对确保国家安全和国际地位具有重要意义。超燃冲压发动机技术作为航空航天技术的结合点，涉及到多门学科， 是多项前沿技术的高度综合，是空天飞机、高超声速飞机和高超声速巡航导弹最主要的备选动力。超燃冲压发动机燃烧室内工作过程极为复杂，涉及到超声速条件下燃料的喷射、穿透、混合、点火、火焰稳定、激波与附面层及其相互干扰、自由剪切层及其发展等一系列复杂问题。特别是燃料的点火、火焰稳定及火焰传播等问题，由于超声速燃烧不易控制与观测， 其燃烧过程的研究难度极大。高速预混火焰炉能够在开放的空气环境中提供超声速燃烧过程供实验研究，并为超声速燃烧的物理模型验证提供依据。具有操作简便，多参数可控可调，实验时间长等优
点ο目前国内外还没有进行超声速预混点火、火焰稳定及火焰传播研究的实验装置。进行超声速非预混燃烧研究的实验装置有文献《Supersonic combustion research at NASA》 (2007Fall Technical Meeting Eastern States Section of the Combustion Institute University of Virginia October 21-24,2007)介绍的，美国NASA超声速吸气式推进中心研制的主流出口 Ma = 1. 6，主流出口直径10mm，伴流为亚声速流动，出口环缝宽度为Imm的超声速燃烧火焰炉。该装置采用轴对称同轴引射设计，研究超声速火焰与低速伴流的一维相互作用过程。该装置在火焰炉内点火燃烧，无法观察到超声速燃烧的点火过程；该装置通过调整燃料当量比控制燃气出口温度及浓度，受燃烧状态的影响，无法精确控制，因此不能定量研究主流温度对超声速燃烧的影响。同时燃烧产物对富氧预混气造成很大程度的污染，污染物组分及浓度难以预测及模拟。在火焰炉内燃烧需要复杂的冷却设计，增加了实验准备周期；另外火焰炉内部燃烧产生的总温高于1000K的高温燃气不断冲刷火焰炉的喷管喉部，对喷管材料的选择提出了很高的要求，同时多次反复试验必然对喷管喉部形面产生影响，缩短了该装置的使用寿命。与此相类似的设计还有文献《Reacting flow code validation))介绍的美国NASA兰利研究中心研制的主流出口 Ma = 1. 8，混合层对流Ma = 0. 7，主流出口直径10mm，伴流外径61mm内径Ilmm超声速喷流装置。该装置也是轴对称同轴喷流设计，主要用于无燃烧的超声速混合层研究。该装置虽然结构简单没有复杂的冷却设计，但是不能研究超声速燃烧的点火、火焰稳定及传播过程。在低速预混燃烧研究方面，现有的的实验装置有文献《A flat flame burner for the calibration of laser thermometry techniques》 (MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, 17 (2006) 2485-2493)介绍的由剑桥大学化学工程系研制的预混平面火焰炉，该火焰炉采用轴对称设计，主流与伴流为同轴小孔喷流，主流区直径40mm最大流量为36L/ min,伴流区外径为62mm、内径为42mm，主流区设计用2335个直径0. 5的孔，伴流区设计 2696个直径0. 5的孔用于防止低速预混气火焰回传。主流区的等效面积为458. 2mm2,伴流等效面积为5^mm2。主流与伴流均经过黄铜制成的孔板状炉面进入开放环境的大气，并在此被点燃用以观测不同燃料当量比对燃烧过程的影响。由于燃烧紧贴炉盘表面，需要对炉盘进行冷却，因此在炉盘周边布置单条冷却管道，用以对炉盘表面降温。该实验装置结构复杂，对加工工艺要求很高，材料昂贵。同时由于冷却水设计在炉盘边缘，冷却能力有限，很大程度上缩短了火焰炉的使用寿命。另一种设计方案有文献《Laser diagnostics of trace species in low-pressure flat flame)) (Progress in Energy and Combustion Science 35(2009)365-382)介绍的以色列特拉维夫大学化学院研制的轴对称低压预混平面火焰炉， 主流与伴流也采同轴设计，主流区直径60mm，气流速度低于火焰扩散速度。为防止预混气回火，炉盘面采用特制的青铜多孔材料(冶金粉末)制成，为降低炉面温度，冷却水管路熔铸在该炉盘中，有极好的冷却效果可有效降低炉面温度，防止炉内预混气体爆燃。该装置虽然结构相对简单，但炉面材料的制备却相对复杂昂贵。低速低压部分预混燃烧研究方面，现有的实验装置有文献《Demonstration of a burner for the investigation of partially premixed low-temperature flames)) (Combustion and Flame, 2010 =02,002)介绍的德国比勒菲尔德大学化学学院研制的部分预混低压平面火焰炉，该火焰炉采用六边形对称设计，六边形边长为15mm，通过调节气体流量调节气流出口速度。该部分预混火焰炉采用氧化剂与燃料分流的设计方法，燃料与氧化剂未在炉内混合，氧化剂通过炉面的306个直径0. 5的孔进入低压实验舱，而燃料则通过91 个内径0. 5mm的不锈钢管进入实验舱，在燃料出口处形成91束扩散火焰，然后融合成具有近似一维特征的单独火焰。该实验装置也存在结构复杂，对加工工艺要求很高，材料昂贵等缺点。从以上列举的超声速火焰炉及低速预混火焰炉可知，目前要设计用于研究的超声速预混的点火、火焰稳定及火焰传播等燃烧过程的实验装置，即超声速预混火焰炉需要在以下几个方面进行改进1.合理设计火焰炉喷管提供超声速预混气2.适当提高预混气总焓3.预混气当量比大范围准确可调4.预混气混合均勻性好5.有效防止预混气进入实验段前出现预着火6.有效防止火焰炉回火本发明设计的采用预混气电加热方案的超声速预混燃烧火焰炉能针对以上几方面进行有效的改进如图1，并具有结构紧凑，加工工艺简便，试验成本低，试验周期短，预混当量比大范围准确可调，总温、总压和气流马赫数调节范围大等诸多优点。
发明内容
本发明目的综合上述超声速火焰炉及低速预混火焰炉的设计特点，结合超声速燃烧过程点火、火焰稳定及火焰传播研究的实验需求，研制出能产生混合均勻性好的预混超声速燃烧火焰炉。本发明的技术方案是本发明是用于超声速燃烧点火、火焰稳定及火焰传播过程实验研究的火焰炉装置。该高速预混火焰炉，包括主流混合室5、超声速喷管8、伴流驻室6、 低速喷管7等主要部分。整个超声速预混火焰炉为两端小中间大的流线型结构，沿纵向，被平均分为两部分，一部分为超声速主流侧，另一部分为亚声速伴流侧，主流混合室5、超声速喷管8位于超声速主流侧，伴流驻室6、低速喷管7位于亚声速伴流侧。超声速预混燃烧火焰炉的超声速主流侧采用甲烷与空气或者甲烷与氧气富氧预混方案，亚声速伴流侧采用纯甲烷、纯氢气或者甲烷与空气富燃预混方案。在混合室中，氧化剂与燃料通过三通管路接入混合室，混合室采用流线型设计，能有效的避免混合室内由回流区引起的流动死区，保证了燃料的有效掺混。气流在入口的膨胀区域速度迅速降低，流经陶瓷发热元件主要以对流换热的方式进行热交换，混合气总温升高，保证经喷管加速后混合气流静温不太低，能可靠的实现超声速点火，并能模拟更真实的吸气式超燃冲压发动机工作过程。普通的金属电阻发热元件一般需要4-5分钟才能达到表面最高温度，其热惯性也较大，发热后的电热管在保温断电状态下其表面温度仍然会上升10-20 %，很难准确控制其温度。该超声速预混火焰炉采用具有功率密度大、耐高温、升温响应快、热惯性小等特性的陶瓷类电发热元件，可迅速升温，有效控温。温度控制箱采用可控硅电路系统和数字显示仪组成，反应灵敏，控制精确。混合室内采用网状隔板安装玻璃珠，由于玻璃珠之间的间隙小于预混气猝灭极限，可以有效的起到防止预混气回火的作用。同时气流从玻璃珠之间的间隙流过，受到扰动能有效的增强混合。为了保证喷管出口有品质较好的超声速预混气，以便于研究流场扰动对超声速点火及火焰稳定的影响，在喷管前端安装阻尼网。由于气流通过阻尼网在气流流动方向上会产生较大的压降，所以相对较高的来流速度其压降也相对较大，从而使气流在通过阻尼网后其流动方向速度分布的均勻性得到明显的改善。由于所设计的超声速预混火焰炉主要用于研究超声速预混气点火燃烧的二维特性，因此火焰炉出口型面为矩形，而流线型混合室在收缩后是半圆形结构，因此在混合室出口设计了圆转方结构，有效的将品质较好的预混气导入超声速喷管。超声速喷管采用二维设计方法，依据特征线原理，即按照极限理论将喷管型面分割成无限多的折线段，线段间夹角无限小，要求喷管扩张段的初始段产生的膨胀波完全被终止段产生的压缩波抵消，这样就可以在喷管出口获得品质均勻的超声速流场。设计中考虑了流体粘性的影响，估算了喷管壁面边界层的发展，修改位流曲线，消除边界层发展的影响。喷管与混合室设计成可更换结构，可以通过更换喷管组件实现改变该火焰炉的超声速燃烧条件，如预混气Ma数、静温、 静压等参数。伴流喷嘴设计成可安插的孔板结构，可以方便的改变超声速主流与低速伴流之间的距离，研究该距离对超声速燃烧火焰稳定的影响。同时由于低速预混气容易发生火焰回传的现象，该孔板的设计能有效的阻燃，其孔径远小于预混气猝灭极限。该孔板还能起到蜂窝器的作用，即导向和分割大漩涡，提高气流出口品质。实验中根据研究需要通过调节质量流量控制器可精确的控制燃料配比，实现预混气当量比大范围可调。通过电加热器来精确控制预混气温度。通过更换喷管组件调节主流的超声速预混气出口马赫数，通过调节流量控制器调节伴流出口速度。由于实验段直接放置在大气环境中，火焰炉出口压力设计为一个大气压，以减少在实验的超声速气流中出现波系。本发明的工作过程是在超声速预混侧用质量流量控制器将适当比例的甲烷与空气或者甲烷与氧气的混合气体，通过三通管路进入超燃预混火焰炉混合室。预混气流过可快速响应、精确控温的电加热陶瓷加热器，可获得总温调节范围300-700K、总压0. 24MPa以上的预混气。随后气流流经玻璃珠间的缝隙，可有效增进混合，并防止下游点燃的超声速预混气出现边界层回火或者关车回火的发生。在下游，气流通过阻尼网进行整流，获得流场品质较好的预混气。 最后通过可更换超声速喷管的加速作用，可为超声速燃烧过程提供马赫数1. 2以上、总温 300-700K可调的超声速预混气。在火焰炉预混气出口适当位置安装能量可调的高能火花塞，研究超声速预混气中的点火问题，探究预混气总温以及点火能量对不同当量比的超声速预混气流点火的影响。在亚声速伴流侧用质量流量控制器将适当比例的甲烷与空气混合气体或者纯甲烷(也可以是纯氢气)，通过管路引入低速侧混合室。同样采用电加热陶瓷加热器，可获得总温范围300-700K、总压范围0. 1-0. 15MPa的预混气。由于在低速侧，预混气回火现象更容易发生。因此除了采用玻璃珠防止回火外，在低速预混气出口处设计了可更换孔板，采用204个直径0. 5mm深6mm的孔将预混气导出，一方面喷孔直径远小于预混气的猝灭极限 (CH4和空气的猝灭极限在时为2. 5mm)可有效防止低速预混气回火。另一方面喷孔阵列能有效的导向和分割气流大尺度旋涡，有利于加快旋涡的衰减；而孔板管道对气流的摩擦作用，有利于改善气流的速度分布，并在一定程度上降低气流的湍流度。通过设计不同的孔阵列，调节低速气流与超声速主流之间的间距，可研究超声速预混气中火焰稳定机制。低速气流有很好的点火特性，对于主流马赫数较大的实验工况，可在低速预混气一侧进行点火，研究火焰在超声速气流中的传播过程。本发明适用于研究当量比可调的超声速预混气中的点火、火焰稳定及火焰传播过程。以及超声速预混气与低速预混气点火燃烧的协同作用原理。采用本发明可以达到以下技术效果1、本发明采用质量流量控制器可以精确的控制气体流量，实现当量比的精确控制及大范围可调。大幅提高了预混气当量比调节的控制能力，能有效的研究当量比对超声速预混气的点火及火焰稳定与传播的影响。2、本发明采用电热式陶瓷加热器，能够快速响应、精确控温，可实现对超声速预混气温度的准确控制，能有效研究气流温度对超声速预混气点火及火焰传播过程的影响。采用能量可调的高能火花塞对预混气点火，能有效研究点火能量、气流温度对超声速预混气点火过程的耦合作用。3、本发明采用可更换喷管结构，能方便的调节超声速预混气流马赫数，能有效研究气流速度对超声速预混气点火、火焰稳定及传播过程的影响。低速侧气流速度通过质量流量控制器进行精确调节，可研究主流与伴流间相对马赫数对两股气流混合过程的影响， 从而有效的研究超声速条件下的火焰传播过程。4、本发明采用可更换孔板装置调节主流与伴流之间的距离，能有效研究两股气流之间回流区大小及速度分布对超声速火焰稳定的影响。同时通过调节主流与伴流之间的当量比，研究燃料组分分布对超声速火焰传播过程的影响。5、本发明采用孔板及玻璃珠进行有效的阻燃，显著提高了系统的安全性和可靠性。在出口前设计阻尼网，有效提高了火焰炉出口气流品质，减小了流动干扰对超声速燃烧过程的影响。
图1本发明设计的超声速燃烧预混火焰炉结构2超声速喷管结构3超声速喷管结构示意4可更换孔板结构5可更换孔板结构剖视图
具体实施例方式图1是本发明设计的超声速预混火焰炉，包括主流混合室5、超声速喷管8、伴流驻室6、低速喷管7，其中整个超声速预混火焰炉为两端小中间大的流线型结构，沿纵向，被平均分为两部分，一部分为超声速主流侧，另一部分为亚声速伴流侧，主流混合室5、超声速喷管8位于超声速主流侧，伴流驻室6、低速喷管7位于亚声速伴流侧。其中在超声速主流侧，主流混合室5的入口处连接三通甲烷管路4和三通空气或纯氧气管路3，出口处连接超声速喷管8，在主流混合室5内从入口到出口依次设有电热式陶瓷加热器12、防回火隔层10、阻尼网9。燃料甲烷和空气或者甲烷与氧气，通过管路进入主流混合室5，气流先流经电热式陶瓷加热器12，获得较高总温。依次经过防回火隔层10和阻尼网9、超声速喷管8后，喷出。该电热式陶瓷加热器12采用可控硅电路系统，响应时间短、热惯性小，可迅速升温、精确控温，调节预混气总温在300-700K范围内变化，用以研究气流温度对超声速预混气点火的影响。超声速预混气的燃烧一般不会有回火现象发生，但是在关车时气流速度降为亚声速，极有可能发生回火，引起管路爆炸，因此在主流混合室5内设计了防回火隔层 10，防回火隔层10之上摆放玻璃珠。防回火隔层10为网状隔板。由于玻璃珠间隙小于甲烷和空气的猝灭极限，该装置能有效防止预混气减速时回火现象的发生。为提高喷管出口超声速预混气的流动品质，在玻璃珠下游喷管上游安装阻尼网9。阻尼网9能有效切割大尺度漩涡，降低流动湍流度，同时使气流在流动方向速度分布均勻性得到明显改善。为研究超声速预混气点火燃烧的二维特性，该装置的超声速喷管8采用二维特征线设计原理，考虑了流体粘性的影响，对喷管壁面边界层进行了修正，保证了喷管出口气流品质。在喷管出口适当位置安装能量可调的高能火花塞，通过调节火花塞放电能量研究点火能量对超声速预混气点火特性的影响。在亚声速伴流侧，伴流驻室6的入口处连接三通纯甲烷或者纯氢气管路2、三通空气管路1，出口处连接低速喷管7，在伴流驻室6内依次设有电热式陶瓷加热器12、防回火隔层10、阻尼网9，在低速喷管7的出口端设有防回火孔板11。燃料纯甲烷(也可采用纯氢气)或者燃料甲烷与空气的混合气体通过管路进入伴流驻室6，并经过电热式陶瓷加热器12适当提高总温。依次经过防回火隔层10、阻尼网9， 低速喷管7、防回火孔板11后，喷出。由于亚声速气流中预混气很容易回火，因此在陶瓷加热器后，设有防回火隔层10， 之上摆放玻璃珠。亚声速伴侧玻璃珠直径小于超声速主流侧玻璃珠直径。在玻璃珠隔层下游同样安装阻尼网9提高气流品质。由于低速预混气易发生火焰回传，在亚声速伴流驻室的低速喷管7的出口端设有防回火孔板11。如图2，该防回火孔板为高温合金制成的可更换插件，可以通过调整最外圈孔到边缘的距离，调整主流与伴流间的距离。该孔板均布多个直径0.5mm，深6mm的小孔，孔为60°环形排布。由于孔径远小于CH4和空气预混气的猝灭极限，因此能很好的起到防止低速预混气流回火的作用，同时该孔板有类似蜂窝器的作用， 能导向和分割大尺度涡，提高气流出口品质。图4是本发明研制火焰炉的可更换孔板结构图。可更换的防回火孔板11安装在亚声速伴侧流出口处。设计多个不同结构孔板，通过采用改变外圈孔到孔板边缘的距离，改变超声速主流侧与亚声速伴流侧的间距。该间距起到火焰稳定的作用，调整该距离用以研究流动间回流区大小对化学反应基团及火焰稳定的影响。该喷管型面13采用特征线法设计， 由于喷管型面对流场品质及气流出口速度至关重要，加工时先采用较大的材料用线切割工艺加工出喷管型面13，然后采用焊接变形小的激光焊接技术将喷管盖板15与喷管体14焊接，焊接完成后再切削加工出喷管底座。该加工流程采用先在结构强度高的大块材料上焊接喷管盖板再切削喷管外形的工艺，保证了焊接过程中喷管变形尽可能的小。火焰炉出口型面为矩形，流线型混合室在收缩后是半圆形结构，混合室出口处为圆转方结构。能有效的将品质较好的预混气导入超声速喷管。
权利要求
1.一种用于超声速燃烧研究的高速预混火焰炉，包括主流混合室(5)、超声速喷管 (8)、伴流驻室(6)、低速喷管(7)，其特征在于，整个超声速预混火焰炉为两端小中间大的流线型结构，沿纵向，被平均分为两部分，一部分为超声速主流侧，另一部分为亚声速伴流侧，主流混合室(5)、超声速喷管(8)位于超声速主流侧，伴流驻室(6)、低速喷管(7)位于亚声速伴流侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于超声速燃烧研究的高速预混火焰炉，其特征在于， 在超声速主流侧，主流混合室(5)的入口处连接三通甲烷管路(4)和三通空气或纯氧气管路(3)，出口处连接超声速喷管(8)，在主流混合室(5)内从入口到出口依次设有电热式陶瓷加热器(12)、防回火隔层(10)、阻尼网(9)。
3.根据权利要求1所述的一种用于超声速燃烧研究的高速预混火焰炉，其特征在于， 在亚声速伴流侧，伴流驻室(6)的入口处连接三通纯甲烷或者纯氢气管路(1)、三通空气管路二(1)，出口处连接低速喷管(7)，在伴流驻室(6)从入口到出口内依次设有电热式陶瓷加热器(12)、防回火隔层(10)、阻尼网(9)，在低速喷管(7)的出口端设有防回火孔板 (11)。
4.根据权利要求1所述的一种用于超声速燃烧研究的高速预混火焰炉，其特征在于， 超声速主流侧采用甲烷与空气或者甲烷与氧气富氧预混方案；亚声速伴流侧采用纯甲烷或者纯氢气或者甲烷与空气富燃预混方案。
5.根据权利要求1所述的一种用于超声速燃烧研究的高速预混火焰炉，其特征在于， 防回火隔层(10)上摆放玻璃珠，防回火隔层(10)为网状隔板。
6.根据权利要求1所述的一种用于超声速燃烧研究的高速预混火焰炉，其特征在于， 防回火孔板(11)为高温合金制成的可更换插件，可以通过调整最外圈孔到边缘的距离，调整主流与伴流间的距离。
7.根据权利要求1所述的一种用于超声速燃烧研究的高速预混火焰炉，其特征在于， 火焰炉出口型面为矩形，流线型混合室在收缩后是半圆形结构，混合室出口处为圆转方结构。
全文摘要
本发明涉及一种用于超声速燃烧研究的高速预混火焰炉。包括主流混合室(5)、超声速喷管(8)、伴流驻室(6)、低速喷管(7)，其中整个超声速预混火焰炉为两端小中间大的流线型结构，沿纵向，被平均分为两部分，一部分为超声速主流侧，另一部分为亚声速伴流侧，主流混合室(5)、超声速喷管(8)位于超声速主流侧，伴流驻室(6)、低速喷管(7)位于亚声速伴流侧。该预混火焰炉具有结构紧凑，加工工艺简便，试验成本低，试验周期短，预混当量比大范围准确可调，总温、总压和气流马赫数调节范围大等优点。
文档编号F23R3/42GK102226533SQ20111013848
公开日2011年10月26日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者吴海燕, 周进, 林志勇 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学