空氣酒精火炬點火器熱態(tài)調試及應用

空氣酒精火炬點火器熱態(tài)調試及應用

1火炬點火器霧化特性作為一種間接觸發(fā)的觸發(fā)點，火炬火焰裝置具有強大的火致動次數(shù)強、重復振動和可靠性等優(yōu)點。它在原油、超燃壓力車輛、渦壓車輛和其他燃燒設備上得到了廣泛應用。國外，Phillip等從現(xiàn)有研究成果來看，火炬點火器通常為特定應用對象而研制，具有一定的參數(shù)調節(jié)能力，但對于應用對象具有多種復雜工作狀態(tài)時，火炬點火器則應具有更寬的參數(shù)調節(jié)范圍。從燃燒組織形式來看，目前大多數(shù)火炬點火器主要采用氣/氣或氣/液燃燒模式，前者如氧氣/氫氣作為一種兩相流霧化噴嘴，氣泡霧化噴嘴是將壓縮空氣注入到混合室液體燃料中，使兩者形成穩(wěn)定的泡狀兩相流動。由于噴嘴存在內外壓差，氣泡在流出噴孔前后經(jīng)歷加速、變形、急劇膨脹直至破裂，從而將包裹在其周圍的液膜破碎成為細微的液霧顆粒。各國學者對氣泡霧化過程和霧化性能進行了廣泛的研究。Sovani等鑒于氣泡霧化噴嘴具有良好的霧化性能，可以考慮將其應用于火炬點火器的燃料霧化過程。本文在考慮燃料和氧化劑的使用安全性及燃燒產(chǎn)物清潔性的基礎上，以空氣和酒精分別為氧化劑和燃料，采用氣泡霧化噴嘴為液體燃料霧化裝置，研制了一種對氧化劑和燃料注入時序精度要求較低、運行參數(shù)可在較寬范圍內調節(jié)的新型火炬點火器，針對該火炬點火器開展了不同氣液質量比和當量比條件下火炬點火器的點火調試，并將其應用于燃燒加熱器開展點火試驗。2方法2.1火炬點火器結構火炬點火器將參與霧化的支路空氣和酒精在氣泡霧化噴嘴混合室混合后由噴嘴出口噴出，與從噴嘴周圍小孔噴出的主路空氣進行混合形成可燃混合物，在電嘴的作用下點火燃燒?；鹁纥c火器在結構設計上重點關注了以下幾個方面：（1）結構上便于安裝，方便點火器與主燃燒室連接，利于高焓氣流進入主燃燒室；（2）火炬點火器各部分拆卸方便，便于自身結構檢查和部件的更換；（3）具備良好的熱防護性能，保證在長時間工作時系統(tǒng)結構的可靠；（4）合理的點火位置及火焰穩(wěn)定裝置，保證火炬點火器點火成功和燃燒穩(wěn)定?；谝陨峡紤]，火炬點火器采用三段式結構，即噴注器、燃燒室和導流管等三部分，如圖1所示。其中噴注器由氣泡霧化噴嘴和主路空氣噴注面板組成；燃燒室壁面安裝有電嘴，并在身部安裝有測壓管，用于測量燃燒室壓力；導流管為高焓氣體噴射通道，導流管出口深入主燃燒室壁面，可以將高焓氣體射入主燃燒室內；火炬點火器通過法蘭與主燃燒室連接。氣泡霧化噴嘴結構如圖2所示，燃料入口位于噴嘴頭部，空氣入口位于噴嘴側面并垂直混合室內壁面，其中混合室直徑D=10mm，空氣入口直徑D2.2酒精、空氣供應管路和點火器本體噴注借鑒火炬點火器試驗系統(tǒng)由電嘴點火系統(tǒng)、燃料和氣體供應系統(tǒng)、點火器本體以及測量控制系統(tǒng)組成，如圖3所示。高壓氮氣經(jīng)過減壓閥和手動截止閥后，將存儲在燃料罐中的酒精通過汽蝕管和電磁閥擠壓到點火器本體氣泡霧化噴嘴混合室內；高壓空氣通過手動截止閥后分成兩路，一路通過減壓閥、氣動截止閥和文氏管后進入噴嘴混合室；另一路高壓空氣經(jīng)減壓閥、文氏管和電磁閥，通過噴注面板進入火炬點火器燃燒室。酒精、空氣供應管路和火炬點火器本體安裝有壓力表和壓力傳感器，用于獲取酒精汽蝕管上、下游壓力、空氣文氏管上、下游壓力以及點火器燃燒室壓力。氣體和燃料供應管路上的各電磁閥和電嘴在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一作用下，按照控制時序進行工作。酒精流量m?式中A3結果與討論3.1燃燒性能變化按照試驗狀態(tài)需求，對所設計的火炬點火器開展了50余次點火調試，火炬點火器最大總流量為164.6g/s，酒精最大流量為17.3g/s。圖4為總流量為70.0g/s、當量比Φ=1.05時的火炬點火器點火試驗結果。系統(tǒng)在t火炬點火器工作性能主要考慮起動性能和燃燒穩(wěn)定性兩個方面。為研究點火器的起動性能，定義電嘴開始工作到燃燒室壓力開始上升的時間間隔為點火延遲時間Δt，燃燒室壓力開始上升到室壓達到穩(wěn)定值95%之間的時間間隔為著火時間t在燃燒穩(wěn)定性方面，電嘴工作后，火炬點火器燃燒室壓出現(xiàn)輕微抖動，之后壓力保持在4.50MPa左右。關閉電嘴，燃燒室壓力仍然保持穩(wěn)定，壓力標準差為0.043MPa，說明燃燒室內可燃氣體能夠保持穩(wěn)定燃燒。在時序控制方面，酒精路電磁閥和電嘴打開時間晚于空氣閥打開，此時空氣注入壓力已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)長達3.5s，因此，在保證空氣壓力滿足需求的情況下，酒精路閥門和電嘴打開時間與空氣閥打開時間的間隔要求大大降低。從點火器試驗照片（見圖6）可以看出，點火器出口火焰比較穩(wěn)定，火焰長度不小于100mm。經(jīng)多次試驗后，對火炬點火器進行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)電嘴及點火器內外結構正常，無燒蝕損壞現(xiàn)象，燃燒室內表面、噴注面板及噴嘴出口截面附著的積碳較少且比較均勻，說明在該工作狀態(tài)下，環(huán)形空氣膜對結構的保護比較有效，火炬點火器具有良好的結構完整性。3.2點火器工作性能氣泡霧化噴嘴的氣液質量比（Gas-LiquidRatio,GLR）對液體燃料的霧化情況具有重要的影響，氣液質量比越小，燃料霧化顆粒直徑越大。保持主路空氣流量不變，改變氣泡霧化噴嘴的氣液質量比，觀察火炬點火器工作性能變化情況。圖7為火炬點火器在氣液質量比分別為5.73%,10.51%,17.59%和19.56%時空氣和酒精供應管路和燃燒室工作壓力曲線。從圖7中的工作曲線可以看出，對于不同的GLR，燃燒室Δt均約為0.26s，燃燒室建壓迅速，t3.3．2火炬點火器點火后的燃燒性能為研究火炬點火器燃燒室內酒精和空氣燃燒時當量比Φ對點火器工作性能的影響，在保持支路空氣流量不變的基礎上，通過改變酒精和主路空氣的質量流量開展點火試驗。圖8是Φ分別為0.51,0.89,1.36和2.48狀態(tài)下，火炬點火器點火試驗中，主路和支路空氣文式管下游、酒精汽蝕管下游和燃燒室壓力測點處的壓力-時間曲線，GLR分別為17.68%,17.59%,19.5%和6.57%。從圖8可以看出，Φ=0.51～2.48，火炬點火器燃燒室內混合燃氣能夠被電嘴點燃，電嘴關閉后能夠繼續(xù)保持燃燒狀態(tài)。從起動性能來看，Φ分別為1.05,1.36和2.48時，如圖4和圖8(c),(d）所示，顯示火炬點火器t在燃燒穩(wěn)定性方面，圖8顯示，火炬點火器著火后，燃燒室壓力能夠保持平穩(wěn)，壓力標準差分別為0.069MPa,0.086MPa,0.061MPa和0.092MPa。從試驗結果可知，火炬點火器能夠在較寬的Φ（0.51～2.48）工作，在較大的Φ條件下，系統(tǒng)起動更為迅速；對于不同的Φ，著火后的燃燒室能夠保持穩(wěn)定燃燒。分析原因為：雖然通過噴嘴周圍環(huán)狀排列的小孔噴注的空氣流對液滴的進一步破碎具有促進作用，但對燃料霧化粒徑的大小起決定性作用的還是噴嘴自身工作特性。正如前文所述，氣泡霧化噴嘴在GLR=5%時，燃料就已經(jīng)霧化成直徑較小的液滴。對于試驗條件，酒精均處于良好的霧化狀態(tài)，因此，能夠在試驗中較寬的Φ范圍內點火穩(wěn)定燃燒。Φ較大時，相對于周圍的空氣，酒精具有相對更大的流量，運動的酒精液滴受到周圍空氣的阻力相對較小，具有較小的動量損失，因此，酒精液滴能夠深入周圍環(huán)狀空氣流，與空氣更充分地進行混合，形成更為靠近點火器燃燒室內壁面的可燃混合氣。由于位于燃燒室側壁的電嘴點火出口與燃燒室內壁面平齊，Φ較大時，燃燒室內的混合氣更容易被電火花點燃，火炬點火器的起動性能更為優(yōu)越。3.4火炬點火器與加熱器內混合氣的模擬為驗證火炬點火器能否點燃燃燒設備主氣流，在燃燒加熱器上開展了火炬點火器的應用試驗。燃燒加熱器噴注器采用多個氣液同軸噴嘴，同軸噴嘴中心為敞口式離心噴嘴，環(huán)縫為富氧空氣直流噴嘴設計。加熱器燃燒室為圓筒形結構，內徑為160mm，火炬點火器垂直安裝在燃燒室側面，通過法蘭進行連接，點火器導流管出口與加熱器內壁面平齊。加熱器采用液氧和空氣作為氧化劑，異丁烷為燃料，其流量分別通過文氏管和汽蝕管設定。蒸發(fā)后的液氧和空氣混合形成富氧空氣，與異丁烷經(jīng)由加熱器噴注面板噴出后，在主燃燒室內混合形成可燃的混合氣。由前文可知，火炬點火器火焰長度不小于100mm，因此，點火器出口的高焓氣流能夠到達燃燒加熱器軸心位置，進而點燃加熱器燃燒室內可燃混合氣流。圖9為安裝有火炬點火器的燃燒加熱器實物圖，圖10為Ma=6，總流量為6kg/s狀態(tài)下燃燒加熱器關鍵位置壓力曲線圖。從圖10可以看出，燃燒加熱器在約13.70s時刻打開電嘴，火炬點火器開始工作，點火器Δt約為0.28s,t4火炬點火器工作性能通過對不同氣液質量比和不同當量比下火炬點火器點火試驗以及在燃燒加熱器上的應用試驗，獲得如下結論：(1）所研制的火炬點火器時序控制要求較低，在保證空氣入口壓力穩(wěn)定后，對酒精和電嘴打開的時間沒有嚴格的限制。(2）噴嘴的氣液質量比對火炬點火器性能影響差別較小，在較寬的氣液質量比（5.73%～19.56%），火炬點火器均具有較好的工作性能。(3）火炬點火器可以在較寬的當量