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CN116398899B - 一种离心式空气氢气火炬点火器 - Google Patents

一种离心式空气氢气火炬点火器 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃烧和点火技术领域，公开了一种离心式空气氢气火炬点火器。离心式空气氢气火炬点火器包括从右至左顺序连接的顶盖、喷注器和燃烧室，喷注器装夹在顶盖和燃烧室之间，燃烧室的末端连接传火杆；顶盖上开有氢气入口，氢气喷嘴插入氢气入口通过螺纹匹配方式固定在顶盖上；喷注器上连接空气入口；燃烧室上设置有上下对称的火花塞安装座，各火花塞安装座内分别通过螺纹连接安装火花塞，火花塞外接点火柜。本发明的离心式空气氢气火炬点火器采用离心式喷嘴，增强了空气与氢气的掺混，能够实现可靠点火；通过控制空气和氢气当量比控制燃气温度，延长了火炬点火器工作时间，实现了火炬点火器的长时间工作和重复工作。

Description

一种离心式空气氢气火炬点火器
技术领域
本发明属于燃烧和点火技术领域，具体涉及一种离心式空气氢气火炬点火器。
背景技术
火炬点火器具有点火可靠性高、可重复使用、使用方便等诸多优点，是广泛应用于液体火箭发动机、燃烧空气加热器的点火装置。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。
氢气是火炬点火器常用的气态燃料。火炬点火器一般要求体积小，结构简单，点火能量高。氢气热值高，与空气恰当混合燃烧时温度可达2000K以上，作为液体火箭发动机、燃烧加热器的点火源能量足够；并且氢气密度低，所需质量流量小，很小的氢气气源和供应管路即可满足火炬点火器需求，因此使用氢气作为火炬点火器的燃料非常方便。
为了提高火炬点火器本身的点火可靠性，同时提高点火能量，火炬点火器的氧化剂可选择氧气。氧化剂选择氧气，喷注器无需考虑复杂的构型即能满足可靠点火的需求，但是氧气与燃料燃烧的火焰温度高达3000K以上，火炬点火器只能工作几百毫秒，如此短的工作时间无法确保燃烧装置成功点火；且燃烧装置中火炬点火器的安装位置通常比较狭小，也不便于在火炬点火器上增加冷却结构。同时氧气是非常危险的助燃气体，使用氧气极大增加了供应系统的危险性。
如果采用空气作为氧化剂，则火炬点火器产生的燃气温度能够控制在2000K以内，不采取冷却措施的情况下火炬点火器工作时间能延长至5s，足以确保燃烧装置的可靠点火。但是同轴喷注、壁面喷注等方式无法保证气态燃料与空气充分掺混；并且氢气所需的点火温度较高，通常需要500°C以上，导致空气氢气火炬点火器点火比较困难，点火稳定性较差。
采用液态燃料的火炬点火器通常气液同轴离心式喷注结构，离心式喷嘴能够使离心喷嘴内、外两种介质产生强烈的相互作用，能够增强液体燃料和气体氧化剂的掺混，提高雾化效果，从而保证液体燃料可靠点火和充分燃烧。但是燃烧过程涉及雾化、蒸发、掺混的复杂过程，容易产生震荡燃烧，极大地威胁设备安全，这是至今尚未解决的世界性难题。
综上所述，以氧气为氧化剂的火炬点火器虽然点火可靠、点火能量高，但火炬点火器工作时间短，危险性高；采用液态燃料的火炬点火器点火可靠性和燃烧稳定性问题又难以解决。当前，亟需发展一种离心式空气氢气火炬点火器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种离心式空气氢气火炬点火器，解决了气态燃料与空气的掺混燃烧问题，能够长时间稳定工作。
本发明的离心式空气氢气火炬点火器，其特点是，所述的离心式空气氢气火炬点火器包括从右至左顺序连接的顶盖、喷注器和燃烧室，顶盖和燃烧室通过法兰盘的螺栓组件固定连接，喷注器装夹在顶盖和燃烧室之间，燃烧室的末端连接传火杆；顶盖上开有氢气入口，氢气喷嘴插入氢气入口通过螺纹匹配方式固定在顶盖上；喷注器上连接空气入口；燃烧室上设置有上下对称的火花塞安装座，各火花塞安装座内分别通过螺纹连接安装火花塞，火花塞外接点火柜；
传火杆、燃烧室、喷注器、顶盖、氢气喷嘴和氢气入口同水平中心轴线，水平中心轴线上设置有左右贯通的水平气流通道；空气入口具有竖直中心轴线，竖直中心轴线上设置有上下贯通的竖直气流通道；
氢气喷嘴为管体，氢气喷嘴的右端开有沿周向均匀分布的切向孔，氢气喷嘴的左端插入喷注器；氢气喷嘴中心轴线上的水平气流通道为氢气流道；
喷注器为盘口朝向顶盖的圆盘形，喷注器的圆盘空腔与空气入口连通；喷注器中心轴线上的水平气流通道为空气流道，空气流道与氢气流道左右贯通；空气管道上开有沿周向均匀分布的空气注入孔；喷注器的盘底边缘设置有沿周向均匀分布的空气气膜孔；
空气流道的出口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；
氢气流道为等直通道；空气流道的右端进口和中段为等直通道，左端出口为扩张通道；传火杆的水平气流通道为收缩通道，收缩通道从前至后依次为收缩段和等直段；
高压氢气从氢气入口经氢气喷嘴的切向孔进入氢气流道，形成氢气旋流，氢气旋流进入空气流道；高压空气从空气入口经竖直气流通道进入圆盘空腔，通过空气注入孔进入空气流道与氢气旋流混合，形成可燃混气，可燃混气喷入燃烧室，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；同时，高压空气经空气气膜孔喷出，在燃烧室内壁形成冷却燃烧室的冷却气膜，降低燃烧室内壁的温度；
所述的离心式空气氢气火炬点火器将传火杆插入待点火燃烧装置，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；离心式空气氢气火炬点火器的空气氢气当量比范围为0.8~2.0，火焰温度范围为2000K~2400K。
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，所述的顶盖与喷注器之间通过紫铜垫密封，喷注器与燃烧室之间通过紫铜垫密封，氢气喷嘴与顶盖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，所述的高压空气的压力范围为7MPa~15MPa，流量范围为90g/s~200g/s；高压氢气的压力范围为9MPa~15MPa，流量范围为2g/s~10g/s。
进一步地，所述的传火杆材料为高温合金，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，火花塞安装座通过焊接方式固定在燃烧室的中段，空气入口通过焊接方式固定在喷注器上。
本发明的离心式空气氢气火炬点火器的高压氢气进入氢气喷嘴后在离心力的作用下形成氢气旋流，氢气旋流同时具有切向速度和轴向速度。高压空气从空气入口进入喷注器后，一部分高压空气从空气注入孔进入喷注器内部，与氢气喷嘴出口的氢气旋流直接作用、掺混；作为离心喷嘴的氢气喷嘴增强了高压氢气与高压空气的掺混，在燃烧室中形成可燃混气，降低了对点火能量的要求。另一部分高压空气通过喷注器的空气气膜孔进入燃烧室，在燃烧室内壁形成冷却气膜，能够有效减小高温燃气与燃烧室内壁之间的传热，燃烧室采用普通不锈钢即可实现较长时间工作而不被烧蚀。
本发明的离心式空气氢气火炬点火器的火花塞与火花塞安装座之间通过螺纹连接，拆装方便；火花塞与点火柜相连，点火柜将220V交流电转换为10kV高压电输出给火花塞，通过火花塞引燃可燃混气。
本发明的离心式空气氢气火炬点火器的燃烧室通过法兰盘螺栓组件与待点火燃烧装置连接，安装便捷。
本发明的离心式空气氢气火炬点火器的燃烧室末端焊接传火杆，传火杆的材料为高温合金，在火炬点火器工作时间不大于5s的情况下，传火杆无需采用其它冷却结构依然具有较好的结构强度。传火杆的收缩通道包括收缩段和等直段，收缩段的设计能够提高火炬点火器燃烧室室压，保证高压氢气充分燃烧，提升火炬点火器燃烧效率及燃气出口温度均匀性。
本发明的离心式空气氢气火炬点火器的氢气喷嘴为离心喷嘴，具有优异的掺混效果，使得火炬点火器在较宽的空气氢气当量比范围内（0.8~2.0）均能够正常点火和稳定工作；同时将火炬点火器产生的火焰温度控制在2000K~2400K，既具有足够的点火能量保证燃烧装置被引燃，又避免火焰温度过高，从而不必考虑复杂的冷却结构即可实现较长时间工作。
本发明的离心式空气氢气火炬点火器具有以下特点：
1.采用空气氢气点火，降低了供应管路的安全风险，并可实现5s左右的长时间工作；
2.采用离心喷嘴增强氢气与空气的掺混效果，提高了点火可靠性；
3.燃烧室设计气膜冷却结构，在燃烧室壁面形成冷却气膜，避免烧蚀，延长工作时间；
4.能够实现空气氢气当量比在0.8~2.0范围内的可靠点火，工作范围宽；火焰温度控制在2000K~2400K，温度区间适宜；
5.传火杆采用高温合金材料，保证火炬点火器较长时间工作；
6.火炬点火器结构简单，喷注器、火花塞均可更换；火炬点火器与待燃烧装置通过螺栓连接，拆装方便；
7.引燃火炬点火器的火花塞为常用民用产品，通用性强、简单可靠。
本发明的离心式空气氢气火炬点火器采用离心式喷嘴，增强了空气与氢气的掺混，能够实现可靠点火；通过控制空气和氢气当量比控制燃气温度，延长了火炬点火器工作时间，实现了火炬点火器的长时间工作和重复工作。
附图说明
图1为本发明的离心式空气氢气火炬点火器的结构示意图；
图2为本发明的离心式空气氢气火炬点火器的A-A剖面示意图；
图3a为本发明的离心式空气氢气火炬点火器中的氢气喷嘴结构示意图（主视剖面图）；
图3b为本发明的离心式空气氢气火炬点火器中的氢气喷嘴结构示意图（俯视剖面图）；
图4为本发明的离心式空气氢气火炬点火器中的喷注器局部放大图。
图中，1.传火杆；2.燃烧室；3.火花塞安装座；4.喷注器；5.空气入口；6.顶盖；7.氢气喷嘴；8.氢气入口；9.空气注入孔；10.空气气膜孔；11.切向孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1、图2所示，本发明的离心式空气氢气火炬点火器包括从右至左顺序连接的顶盖6、喷注器4和燃烧室2，顶盖6和燃烧室2通过法兰盘的螺栓组件固定连接，喷注器4装夹在顶盖6和燃烧室2之间，燃烧室2的末端连接传火杆1；顶盖6上开有氢气入口8，氢气喷嘴7插入氢气入口8通过螺纹匹配方式固定在顶盖6上；喷注器4上连接空气入口5；燃烧室2上设置有上下对称的火花塞安装座3，各火花塞安装座3内分别通过螺纹连接安装火花塞，火花塞外接点火柜；
传火杆1、燃烧室2、喷注器4、顶盖6、氢气喷嘴7和氢气入口8同水平中心轴线，水平中心轴线上设置有左右贯通的水平气流通道；空气入口5具有竖直中心轴线，竖直中心轴线上设置有上下贯通的竖直气流通道；
如图3a、图3b所示，氢气喷嘴7为管体，氢气喷嘴7的右端开有沿周向均匀分布的切向孔11，氢气喷嘴7的左端插入喷注器4；氢气喷嘴7中心轴线上的水平气流通道为氢气流道；
如图2、图4所示，喷注器4为盘口朝向顶盖6的圆盘形，喷注器4的圆盘空腔与空气入口5连通；喷注器4中心轴线上的水平气流通道为空气流道，空气流道与氢气流道左右贯通；空气管道上开有沿周向均匀分布的空气注入孔9；喷注器4的盘底边缘设置有沿周向均匀分布的空气气膜孔10；
空气流道的出口与火花塞中心轴线之间的距离为1.0倍~1.2倍的燃烧室2的内径；
氢气流道为等直通道；空气流道的右端进口和中段为等直通道，左端出口为扩张通道；传火杆1的水平气流通道为收缩通道，收缩通道从前至后依次为收缩段和等直段；
高压氢气从氢气入口8经氢气喷嘴7的切向孔11进入氢气流道，形成氢气旋流，氢气旋流进入空气流道；高压空气从空气入口5经竖直气流通道进入圆盘空腔，通过空气注入孔9进入空气流道与氢气旋流混合，形成可燃混气，可燃混气喷入燃烧室2，火花塞点燃可燃混气，形成高温燃气，高温燃气经传火杆1的收缩通道喷出；同时，高压空气经空气气膜孔10喷出，在燃烧室2内壁形成冷却燃烧室2的冷却气膜，降低燃烧室2内壁的温度；
所述的离心式空气氢气火炬点火器将传火杆1插入待点火燃烧装置，通过燃烧室2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；离心式空气氢气火炬点火器的空气氢气当量比范围为0.8~2.0，火焰温度范围为2000K~2400K。
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6与喷注器4之间通过紫铜垫密封，喷注器4与燃烧室2之间通过紫铜垫密封，氢气喷嘴7与顶盖6之间通过紫铜垫密封。
进一步地，所述的燃烧室2的材质为不锈钢。
进一步地，所述的高压空气的压力范围为7MPa~15MPa，流量范围为90g/s~200g/s；高压氢气的压力范围为9MPa~15MPa，流量范围为2g/s~10g/s。
进一步地，所述的传火杆1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1通过焊接方式固定在燃烧室2的末端，火花塞安装座3通过焊接方式固定在燃烧室2的中段，空气入口5通过焊接方式固定在喷注器4上。
实施例1
本实施例的空气注入孔9数量8个，内径Φ5mm；空气气膜孔10数量20个，内径Φ1mm；切向孔（11）数量4个。
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)

1.一种离心式空气氢气火炬点火器，其特征在于，所述的离心式空气氢气火炬点火器包括从右至左顺序连接的顶盖（6）、喷注器（4）和燃烧室（2），顶盖（6）和燃烧室（2）通过法兰盘的螺栓组件固定连接，喷注器（4）装夹在顶盖（6）和燃烧室（2）之间，燃烧室（2）的末端连接传火杆（1）；顶盖（6）上开有氢气入口（8），氢气喷嘴（7）插入氢气入口（8）通过螺纹匹配方式固定在顶盖（6）上；喷注器（4）上连接空气入口（5）；燃烧室（2）上设置有上下对称的火花塞安装座（3），各火花塞安装座（3）内分别通过螺纹连接安装火花塞，火花塞外接点火柜；
传火杆（1）、燃烧室（2）、喷注器（4）、顶盖（6）、氢气喷嘴（7）和氢气入口（8）同水平中心轴线，水平中心轴线上设置有左右贯通的水平气流通道；空气入口（5）具有竖直中心轴线，竖直中心轴线上设置有上下贯通的竖直气流通道；
氢气喷嘴（7）为管体，氢气喷嘴（7）的右端开有沿周向均匀分布的切向孔（11），氢气喷嘴（7）的左端插入喷注器（4）；氢气喷嘴（7）中心轴线上的水平气流通道为氢气流道；
喷注器（4）为盘口朝向顶盖（6）的圆盘形，喷注器（4）的圆盘空腔与空气入口（5）连通；喷注器（4）中心轴线上的水平气流通道为空气流道，空气流道与氢气流道左右贯通；空气管道上开有沿周向均匀分布的空气注入孔（9）；喷注器（4）的盘底边缘设置有沿周向均匀分布的空气气膜孔（10）；
空气流道的出口与火花塞中心轴线之间的距离为1.0倍~1.2倍的燃烧室（2）的内径；
氢气流道为等直通道；空气流道的右端进口和中段为等直通道，左端出口为扩张通道；传火杆（1）的水平气流通道为收缩通道，收缩通道从前至后依次为收缩段和等直段；
高压氢气从氢气入口（8）经氢气喷嘴（7）的切向孔（11）进入氢气流道，形成氢气旋流，氢气旋流进入空气流道；高压空气从空气入口（5）经竖直气流通道进入圆盘空腔，通过空气注入孔（9）进入空气流道与氢气旋流混合，形成可燃混气，可燃混气喷入燃烧室（2），火花塞点燃可燃混气，形成高温燃气，高温燃气经传火杆（1）的收缩通道喷出；同时，高压空气经空气气膜孔（10）喷出，在燃烧室（2）内壁形成冷却燃烧室（2）的冷却气膜，降低燃烧室（2）内壁的温度；
所述的离心式空气氢气火炬点火器将传火杆（1）插入待点火燃烧装置，通过燃烧室（2）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；离心式空气氢气火炬点火器的空气氢气当量比范围为0.8~2.0，火焰温度范围为2000K~2400K。
2.根据权利要求1所述的离心式空气氢气火炬点火器，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所述的离心式空气氢气火炬点火器，其特征在于，所述的顶盖（6）与喷注器（4）之间通过紫铜垫密封，喷注器（4）与燃烧室（2）之间通过紫铜垫密封，氢气喷嘴（7）与顶盖（6）之间通过紫铜垫密封。
4.根据权利要求1所述的离心式空气氢气火炬点火器，其特征在于，所述的燃烧室（2）的材质为不锈钢。
5.根据权利要求1所述的离心式空气氢气火炬点火器，其特征在于，所述的高压空气的压力范围为7MPa~15MPa，流量范围为90g/s~200g/s；高压氢气的压力范围为9MPa~15MPa，流量范围为2g/s~10g/s。
6.根据权利要求1所述的离心式空气氢气火炬点火器，其特征在于，所述的传火杆（1）材料为高温合金，牌号为GH3128或者GH3230中的一种。
7.根据权利要求1所述的离心式空气氢气火炬点火器，其特征在于，所述的传火杆（1）通过焊接方式固定在燃烧室（2）的末端，火花塞安装座（3）通过焊接方式固定在燃烧室（2）的中段，空气入口（5）通过焊接方式固定在喷注器（4）上。
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