一种斯特林发动机双模式燃烧室及其实施方法与流程

2021-03-03 01:03:42|

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[0001]
本发明涉及斯特林发动机燃烧室技术领域，尤其涉及一种斯特林发动机双模式燃烧室及其实施方法。

背景技术：

[0002]
斯特林发动机是一种外部燃烧的活塞式发动机，其燃烧方式为连续、定常，因此，其燃烧室灵活性高，即斯特林发动机燃烧室压力可调范围宽，可以采用不同的燃料和氧化剂，而斯特林发动机结构基本不变。根据燃烧压力和氧化剂的不同，斯特林发动机燃烧室通常可以分为高压纯氧燃烧室和低压空气燃烧室。
[0003]
目前的斯特林发动机燃烧室要么是高压纯氧燃烧模式，要么是低压空气燃烧模式，在不同的工作场合时，通常采用不同燃烧模式的斯特林发动机燃烧室。随着斯特林发动机应用场合的扩展，在某些工作场合下，斯特林发动机的工作压力和氧化剂会发生改变。如果采用传统斯特林发动机燃烧室，则需要采用不同燃烧模式的斯特林发动机来满足使用要求，这样带来的问题是动力系统复杂、功率密度低。
[0004]
因此，亟需设计一种斯特林发动机双模式燃烧室，使其既可以实现高压纯氧燃烧模式也可以实现低压空气燃烧模式。

技术实现要素：

[0005]
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种斯特林发动机双模式燃烧室及其实施方法，通过斯特林发动机双模式燃烧可以提高斯特林发动机工作场合的灵活性，仅用一台斯特林发动机就可以满足在不同工作场合的使用，可以简化动力系统，提高动力系统功率密度。
[0006]
本发明提供的技术方案如下：
[0007]
一种斯特林发动机双模式燃烧室，包括：
[0008]
中空的燃烧室壳体，所述燃烧室壳体的一端与机身连接，所述燃烧室壳体上设有进气管和排气管，所述排气管与所述燃烧室壳体的内部连通，用于排出烟气；
[0009]
双模式燃烧器，所述双模式燃烧器设置在所述燃烧室壳体内部远离所述机身的一端，所述双模式燃烧器远离所述机身的一端贯穿所述燃烧室壳体用于输入氧气和燃料，所述双模式燃烧器用于进行高压纯氧燃烧模式或低压空气燃烧模式；
[0010]
燃气导流圈，所述燃气导流圈设置在所述燃烧室壳体的内部，并与所述双模式燃烧器连接，用于将所述燃烧室壳体内的烟气导入所述双模式燃烧器；
[0011]
空气导流圈，所述空气导流圈设置在所述燃烧室壳体的内部，并分别与所述双模式燃烧器和所述进气管连接，用于将所述进气管中的空气预热后导入所述双模式燃烧器；
[0012]
热交换器，所述热交换器的一端设置在所述燃烧室壳体的内部，所述热交换器的另一端与所述机身连接。
[0013]
进一步优选地，所述燃烧室壳体包括燃烧室盖板、上壳体及筒体，所述进气管和所
述排气管设置在所述筒体上，螺栓依次穿过所述上壳体、所述筒体与所述机身连接，所述燃烧室盖板与所述上壳体连接，所述双模式燃烧器远离所述机身的一端穿过所述燃烧室盖板，并固定在所述燃烧室盖板上。
[0014]
进一步优选地，所述双模式燃烧器远离所述机身一端的外侧设有凸台，所述燃烧室盖板靠近所述上壳体的一端设有凹槽，所述燃烧室盖板与所述双模式燃烧器连接时，所述凸台适配卡设在所述凹槽内。
[0015]
进一步优选地，所述双模式燃烧器包括燃烧器本体以及设置在所述燃烧器本体上的燃料喷嘴、氧气进气总管、氧气进气分配管、喷嘴座、多孔喷嘴、混合管、二次空气管、点火器；
[0016]
其中，所述燃料喷嘴与所述燃烧器本体内的预混腔连通，用于输入燃料；
[0017]
所述氧气进气总管通过所述氧气进气分配管与所述多孔喷嘴连通，所述多孔喷嘴设置在所述喷嘴座上，并通过所述空气导流圈与所述进气管连通，所述多孔喷嘴分别通过所述混合管和所述二次空气管与所述燃烧器本体内的预混腔连通；
[0018]
所述点火器设置在所述双模式燃烧器的出口处，用于点燃混合气体。
[0019]
进一步优选地，所述燃料喷嘴为液体燃料喷嘴或气体燃料喷嘴。
[0020]
进一步优选地，所述氧气进气总管的入口为环形结构，所述氧气进气总管的四周设置有氧气分配孔，所述氧气分配孔的数量大于3个，所述氧气分配孔与所述氧气进气分配管连接。
[0021]
进一步优选地，所述喷嘴座为环形结构，所述喷嘴座的内圈设置有斜面和喷嘴座二次空气孔，所述斜面上设有喷嘴安装孔，所述喷嘴安装孔与所述多孔喷嘴连接，所述喷嘴座二次空气孔与所述二次空气管连接。
[0022]
进一步优选地，所述多孔喷嘴包括高压氧气喷嘴及多个低压空气喷嘴，所述高压氧气喷嘴设置在所述多孔喷嘴一端的中部，多个所述低压空气喷嘴环形布置在所述高压氧气喷嘴的四周，所述多孔喷嘴的侧壁上设有与所述高压氧气喷嘴连通的高压氧气入口，所述高压氧气入口与所述氧气进气分配管连接。
[0023]
进一步优选地，所述点火器为电热塞、火花塞或等离子点火的一种或几种的组合。
[0024]
进一步优选地，所述燃烧器本体的中心轴上设有燃料喷嘴安装孔，所述燃烧器本体的侧面设有若干个混合管孔和若干个燃烧器二次空气孔，每个所述燃烧器二次空气孔的一侧设有径向旋流叶片；
[0025]
高压氧气燃烧模式时，所述燃料喷嘴喷出的燃料与所述混合管中的混合气在所述预混腔内混合形成可燃混合气，可燃混合气在所述双模式燃烧器的出口处被所述点火器点燃后，喷入所述燃烧室壳体的回流燃烧区形成稳定燃烧；
[0026]
低压空气燃烧模式时，所述燃料喷嘴喷出的燃料分别与所述混合管内的混合气和所述二次空气管内的高温空气混合形成可燃混合气，可燃混合气在所述双模式燃烧器的出口处被所属点火器点燃后，喷入所述燃烧室壳体的回流燃烧区形成稳定燃烧。
[0027]
进一步优选地，所述空气导流圈包括内导流圈和外导流圈，所述内导流圈与所述外导流圈之间形成空气通道，所述内导流圈的一侧用于流通空气，所述内导流圈的另一侧用于流通烟气，所述内导流圈上设有内导流圈肋片，所述内导流圈肋片用于对加强对空气进行预热，预热后的高温空气按照预设比例分别进入所述多孔喷嘴和所述二次空气管，所
述低压空气喷嘴引射部分烟气进入所述混合管。
[0028]
进一步优选地，所述燃气导流圈包括上导流圈和下导流圈，所述上导流圈的下端与所述燃烧器本体的上端连接，所述下导流圈的上端与所述燃烧器本体的下端连接，所述上导流圈和所述下导流圈形成通道，引导烟气进入所述双模式燃烧器的混合管。
[0029]
进一步优选地，所述热交换器包括加热管、换热器筒体和换热器法兰，所述换热器法兰与所述机身连接，所述换热器筒体与所述换热器法兰连接，所述加热管与所述换热器筒体连接。
[0030]
进一步优选地，还包括：绝热层；
[0031]
所述绝热层为环形结构，所述绝热层套设在所述换热器筒体上，并位于所述换热器法兰与所述燃烧室壳体的腔体之间，用于防止所述换热器法兰的温度过高。
[0032]
本发明提供的另一技术方案如下：
[0033]
一种实施方法，应用于上述中任意一项所述的斯特林发动机双模式燃烧室进行实施的方法，包括以下步骤：
[0034]
高压纯氧燃烧模式时，高压氧气从氧气进气总管进入，通过氧气进气分配管进入高压氧气喷嘴喷出，并卷吸烟气进入混合管形成切向旋流，进入预混腔内与燃料混合得到可燃混合气；可燃混合气在双模式燃烧器的出口被点火器点燃后，喷入回流燃烧区形成稳定燃烧，并将产生的热量传递给热交换器，经过热交换器后的一部分烟气从排气管排出燃烧室壳体，经过热交换器后的另一部分烟气经燃气导流圈进入混合管与氧气混合，形成氧浓度低于21％的高温混合气，进入所述预混腔进行混合，参与燃烧形成循环；
[0035]
低压空气燃烧模式时，低温空气从进气管进入，经过内导流圈和外导流圈形成的通道，与烟气进行换热形成高温空气，一部分的高温空气从低压空气喷嘴喷出引射高温烟气，另一部分的高温空气从二次空气管和燃烧器本体的旋流通道流出在预混腔与燃料混合得到可燃混合气；可燃混合气在双模式燃烧器的出口被点火器点燃后，喷入回流燃烧区形成稳定燃烧，并将产生的热量传递给热交换器，经过热交换器后的一部分烟气从排气管排出燃烧室壳体，经过热交换器后的另一部分烟气经燃气导流圈进入混合管与氧气混合，形成氧浓度低于21％的高温混合气，进入所述预混腔进行混合，参与燃烧形成循环。
[0036]
与现有技术相比，本发明的斯特林发动机双模式燃烧室及其实施方法有益效果在于：
[0037]
本发明中，通过斯特林发动机双模式燃烧室及其实施方法，实现了在一个斯特林发动机燃烧室内既可以实现高压纯氧燃烧模式，又可以实现低压空气燃烧模式，提高了斯特林发动机工作场合的灵活性，简化了动力系统和提高了动力系统功率密度；低压空气燃烧模式时，由于常压气体的密度较小，为了保证流场、温度场与燃烧室的匹配和燃烧稳定，通过设置低压空气喷嘴喷出高温空气引射高温烟气，增大空气的流通面积，保证燃烧稳定。
附图说明
[0038]
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
[0039]
图1是本实施例中斯特林发动机双模式燃烧室的结构示意图；
[0040]
图2是本实施例中空气导流圈的结构示意图；
[0041]
图3是本实施例中双模式燃烧器的结构示意图；
[0042]
图4是本实施例中喷嘴座的结构示意图；
[0043]
图5是本实施例中多孔喷嘴的截面结构示意图；
[0044]
图6是本实施例中多孔喷嘴另一视角的结构示意图；
[0045]
图7是本实施例中燃烧器本体的结构示意图。
[0046]
附图标号说明：
[0047]
001.低温空气，002.高温空气，003.氧气，004.混合气，005.燃料，008.烟气，100.燃烧室壳体，101.燃烧室盖板，102.上壳体，103.筒体，104.排气管，105.进气管，106.螺栓，200.双模式燃烧器，210.燃料喷嘴，220.氧气进气总管，221.氧气分配孔，230.氧气进气分配管，240.喷嘴座，240a.斜面，240b.喷嘴安装孔，240c.喷嘴座二次空气孔，250.多孔喷嘴，250a.高压氧气喷嘴，250b.低压空气喷嘴，250c.高压氧气入口，260.燃烧器本体，261.燃料喷嘴安装孔，262.混合管孔，263.燃烧器二次空气孔，264.径向旋流叶片，270.混合管，280.二次空气管，290.点火器，300.燃气导流圈，301.上导流圈，302.下导流圈，400.空气导流圈，401.内导流圈，401a.内导流圈肋片，402.外导流圈，501.绝热层，600.热交换器，601.加热管，602.换热器筒体，603.换热器法兰，701.机身，801.预混腔，802.回流燃烧区。
具体实施方式
[0048]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
[0049]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
[0050]
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
[0051]
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0052]
在附图所示的实施例中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用以解释本发明的各种组件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些组件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些组件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。
[0053]
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0054]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图，并获得其他的实施方式。
[0055]
作为一个具体实施例，如图1、图2所示，本实施例提供了一种斯特林发动机双模式燃烧室，包括：燃烧室壳体100、双模式燃烧器200、燃气导流圈300、空气导流圈400及热交换器600。其中，燃烧室壳体100为中空的结构，燃烧室壳体100的一端与机身701连接，燃烧室壳体100上设有进气管105和排气管104，排气管104与燃烧室壳体100的内部连通，用于排出烟气008。双模式燃烧器200设置在燃烧室壳体100内部远离机身701的一端，双模式燃烧器200远离机身701的一端贯穿燃烧室壳体100用于输入氧气003和燃料005，双模式燃烧器200用于进行高压纯氧燃烧模式或低压空气燃烧模式。燃气导流圈300设置在燃烧室壳体100的内部，并与双模式燃烧器200连接，用于将燃烧室壳体100内的烟气导入双模式燃烧器200。空气导流圈400设置在燃烧室壳体100的内部，并分别与双模式燃烧器200和进气管105连接，用于将进气管105中的空气预热后导入双模式燃烧器200。热交换器600的一端设置在燃烧室壳体100的内部，热交换器600的另一端与机身701连接。
[0056]
本实施例提供了一种高效、紧凑的斯特林发动机双模式燃烧室，通过双模式燃烧器200进行高压纯氧燃烧模式或低压空气燃烧模式,实现在一个斯特林发动机燃烧室内既可以实现高压纯氧燃烧模式，又可以实现低压空气燃烧模式，提高了斯特林发动机工作场合的灵活性，简化了动力系统和提高了动力系统功率密度。
[0057]
在另一实施例中，如图1所示，在上述实施例的基础上，燃烧室壳体100包括燃烧室盖板101、上壳体102及筒体103，进气管105和排气管104设置在筒体103上，螺栓106依次穿过上壳体102、筒体103与机身701连接，燃烧室盖板101与上壳体102连接，双模式燃烧器200远离机身701的一端穿过燃烧室盖板101，并固定在燃烧室盖板101上。燃烧室盖板101、上壳体102及筒体103围设形成回流燃烧区802。双模式燃烧器200远离机身701一端的外侧设有凸台，燃烧室盖板101靠近上壳体102的一端设有凹槽，燃烧室盖板101与双模式燃烧器200连接时，凸台适配卡设在凹槽内。凸台的设置可便于对燃烧室盖板101进行定位，方便燃烧室盖板101的安装。
[0058]
进一步地，如图1所示，双模式燃烧器包括燃烧器本体260以及设置在燃烧器本体260上的燃料喷嘴210、氧气进气总管220、氧气进气分配管230、喷嘴座240、多孔喷嘴250、混合管270、二次空气管280、点火器290。其中，燃烧器本体260内设有预混腔801，预混腔801用于将助燃气体与燃料005混合形成可燃混合气。燃料喷嘴210与燃烧器本体260内的预混腔801连通，用于输入燃料005。氧气进气总管220通过氧气进气分配管230与多孔喷嘴250连通，多孔喷嘴250用于喷射氧气003和空气。多孔喷嘴250设置在喷嘴座240上，并通过空气导流圈400与进气管105连通，多孔喷嘴250分别通过混合管270和二次空气管280与燃烧器本体260内的预混腔801连通。点火器290设置在双模式燃烧器200的出口处，用于点燃可燃混合气。点火器290为电热塞、火花塞或等离子点火的一种或几种的组合。
[0059]
具体地，燃料喷嘴210为液体燃料喷嘴或气体燃料喷嘴。
[0060]
具体地，如图3所示，氧气进气总管220的入口为环形结构，氧气进气总管220的四周设置有氧气分配孔221，氧气分配孔221的数量大于3个，氧气分配孔221分别与氧气进气分配管230连接。
[0061]
具体地，如图4所示，喷嘴座240为环形结构，喷嘴座240的内圈设置有斜面240a和喷嘴座二次空气孔240c，斜面240a上设有喷嘴安装孔240b，多孔喷嘴250安装在喷嘴安装孔
240b上，喷嘴座二次空气孔240c与二次空气管280连接。
[0062]
具体地，如图5、图6所示，多孔喷嘴250包括高压氧气喷嘴250a及多个低压空气喷嘴250b，高压氧气喷嘴250a设置在多孔喷嘴250一端的中部，多个低压空气喷嘴250b环形布置在高压氧气喷嘴250a的四周，多孔喷嘴250的侧壁上设有与高压氧气喷嘴250a连通的高压氧气入口250c，高压氧气入口250c与氧气进气分配管230连接。
[0063]
具体地，如图7所示，燃烧器本体260的中心轴上设有燃料喷嘴安装孔261，燃料喷嘴210安装在燃料喷嘴安装孔261上。燃烧器本体260的侧面设有若干个混合管孔262和若干个燃烧器二次空气孔263，每个燃烧器二次空气孔263的一侧设有径向旋流叶片264，径向旋流叶片264的数量与混合管孔262和燃烧器二次空气孔263的数量相同。混合管孔262与混合管270连接，燃烧器二次空气孔263与二次空气管280连接。高压氧气燃烧模式时，燃料喷嘴210喷出的燃料005与混合管270中的混合气004在预混腔801内混合形成可燃混合气，可燃混合气在双模式燃烧器200的出口处被点火器290点燃后，喷入燃烧室壳体100的回流燃烧区802形成稳定燃烧。低压空气燃烧模式时，燃料喷嘴210喷出的燃料005分别与混合管270内的混合气004和二次空气管280内的高温空气002进行混合形成可燃混合气，可燃混合气在双模式燃烧器200的出口处被点火器290点燃后，喷入燃烧室壳体100的回流燃烧区802形成稳定燃烧。
[0064]
在另一实施例中，如图1所示，在上述实施例的基础上，燃气导流圈300包括上导流圈301和下导流圈302，上导流圈301的下端与燃烧器本体260的上端连接，下导流圈302的上端与燃烧器本体260的下端连接，上导流圈301和下导流圈302形成通道，引导烟气008进入双模式燃烧器200的混合管270中。
[0065]
如图2所示，空气导流圈400包括内导流圈401和外导流圈402，内导流圈401与外导流圈402之间形成空气通道，内导流圈401的一侧用于流通空气，内导流圈401的另一侧用于流通烟气008。内导流圈401上设有内导流圈肋片401a，内导流圈肋片401a用于对加强对空气进行预热，预热后的高温空气002按照一定比例分别进入多孔喷嘴250和二次空气管280，低压空气喷嘴250b引射部分烟气008进入混合管270。两股空气在预混腔801内与燃料005混合形成可燃混合气。
[0066]
进一步地，如图1所示，热交换器600包括加热管601、换热器筒体602和换热器法兰603，换热器法兰603与机身701连接，换热器筒体602与换热器法兰603连接，加热管601与换热器筒体602连接。
[0067]
进一步优选地，斯特林发动机双模式燃烧室内还设有绝热层501，绝热层501为环形结构，绝热层501套设在换热器筒体602上，并位于换热器法兰603与燃烧室壳体100的回流燃烧区802之间，用于隔绝回流燃烧区802内的高温，可有效防止换热器法兰603的温度过高。
[0068]
在另一实施例中，如图1至图7所示，在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种实施方法，应用于上述斯特林发动机双模式燃烧室进行实施的方法，包括以下步骤：
[0069]
高压纯氧燃烧模式时，高压氧气003从氧气进气总管220进入，通过氧气进气分配管230进入高压氧气喷嘴250a喷出，并卷吸烟气008进入混合管270形成切向旋流后，进入预混腔801内与燃料005混合得到可燃混合气；可燃混合气在双模式燃烧器200的出口被点火器290点燃后，喷入回流燃烧区802形成稳定燃烧，并将产生的热量传递给热交换器600，经
过热交换器600后的一部分烟气008从排气管104排出燃烧室壳体100；经过热交换器600后的另一部分烟气008经燃气导流圈300进入混合管270与氧气003混合，形成氧浓度低于21％的高温混合气，进入预混腔801进行混合后，参与燃烧形成循环。
[0070]
低压空气燃烧模式时，由于常压气体的密度较小，为了保证流场、温度场与燃烧室的匹配和燃烧稳定，需要增加引射器空气的流通面积，因此采用分级供风的方法。低温空气001从进气管105进入，经过内导流圈401和外导流圈402形成的通道，与烟气008进行换热形成高温空气002，一部分的高温空气002从低压空气喷嘴250b喷出引射高温烟气；另一部分的高温空气002从二次空气管280和燃烧器本体260的旋流通道流出，在预混,801与燃料005混合得到可燃混合气；可燃混合气在双模式燃烧器200的出口被点火器290点燃后，喷入回流燃烧区802形成稳定燃烧，并将产生的热量传递给热交换器600，经过热交换器600后的一部分烟气008从排气管104排出燃烧室壳体100；经过热交换器600后的另一部分烟气008经燃气导流圈300进入混合管270与氧气003混合，形成氧浓度低于21％的高温混合气，进入预混腔801进行混合后，参与燃烧形成循环。
[0071]
值得说明的是，在上述实施例中，各部位的连接可采用螺纹连接、螺栓连接、焊接，也可以整体铸造或锻造，再整体机加工的方式。
[0072]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0073]
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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