斯特林發動機用無焰燃燒室的制作方法

本實用新型涉及斯特林發動機技術領域，尤其關于一種斯特林發動機用無焰燃燒室。

背景技術：

斯特林發動機(Stirling Engine)是一種利用外部能源加熱的閉式回熱循環發動機，它具有效率高、噪音低、污染小以及能源適應性廣等特點。燃燒室是斯特林發動機的重要組成部分，其功能為合理組織燃燒與換熱，燃燒室的效率和可靠性對斯特林發動機的性能有著重要的影響。

目前采用液體燃料的斯特林發動機燃燒室存在溫度分布不均勻，局部溫度過高，火焰長度過長等問題。因此，需要采用更為先進的燃燒技術進一步提高斯特林發動機燃燒室的效率和可靠性。

無焰燃燒(Flameless Combustion)技術是一種新的燃燒技術，實現無焰燃燒時燃燒室內沒有局部火焰存在，無焰燃燒模式相對于傳統燃燒模式具有許多優勢，如燃燒溫度分布均勻、排放更低、輻射換熱增強和燃燒噪音極低，無焰燃燒的這些特點特別適合于應用在斯特林發動機燃燒室。

因此，有效解決目前斯特林發動機燃燒室面臨的問題，將大幅提高斯特林發動機燃燒室效率和可靠性。本申請設計的一種斯特林發動機用無焰燃燒室及實施方法

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種斯特林發動機用無焰燃燒室，能夠顯著提高燃燒室溫度的均勻性，降低傳熱過程不可逆損失，提高斯特林發動機燃燒系統效率，并降低燃燒室火焰峰值溫度，避免火焰直接沖刷熱腔頂部，同時可以解決火焰峰值溫度過高帶來的加熱器積灰，提高零部件壽命，保證燃燒系統效率長期運行穩定。

本實用新型提供的技術方案如下：

一種斯特林發動機用無焰燃燒室，包括燃燒室殼體、燃燒器和換熱器，

所述的殼體由分離的上殼體和下殼體兩部分組成，且在殼體的頂部設置有排氣管，而在殼體的底部設置有一換熱器筒體；下殼體與換熱器筒體的頂部連成一體；

所述換熱器筒體的頂部、下殼體和上殼體形成燃燒室空間；

在所述換熱器筒體下端設置斯特林發動機的熱腔，換熱器筒體的頂部將燃燒室和斯特林發動機的熱腔隔離開；

在所述殼體內由上而下依次設有用于將氧化劑與液體燃料混合燃燒的燃燒器，以及用于將燃燒產生的煙氣進行熱量交換的換熱器；

所述燃燒器由噴油器、進氣管組件、混合管和旋流器構成；所述進氣管組件設置在所述噴油器的外側與所述排氣管的內側之間，用于氧化劑的進入；所述混合管設置在所述噴油器的外側，且位于所述進氣管組件下方，用于將氧化劑與燃燒產生的煙氣進行混合；所述旋流器設置在所述混合管的內壁與所述噴油器的外壁之間；

所述換熱器包括一圈倒U型布置的換熱管，所述換熱管的一端與斯特林發動機的熱腔連通，另一端與回熱器連通，形成循環的工質系統。

本技術方案中，設置的燃燒器中間的噴油器將液體燃料霧化為細小的顆粒，經過蒸發后與套設在噴油器外側的進氣管組件進入的氧化劑經過混合管進行混合，形成可燃混合器，可燃混合氣的溫度高于液體燃料的著火點，在燃燒區實現無焰燃燒，能夠提高斯特林發動機燃燒系統效率，并降低燃燒室火焰峰值溫度，避免火焰直接沖刷熱腔頂部。同時通過設置換熱器，將燃燒產生的煙氣進行熱量交換，流經換熱管后的煙氣一部分高溫煙氣流出燃燒室，一部分經過被卷吸進混合管，實現對氧化劑進行稀釋、加熱，重新參與到燃燒中，形成穩定的無焰燃燒，這樣能夠保證燃燒室溫度的均勻性，降低傳熱過程不可逆損失，還能解決火焰峰值溫度過高帶來的加熱器積灰，提高零部件壽命，保證燃燒系統效率長期運行穩定。

優選地，所述進氣管組件包括套設在所述噴油器外側的進氣總管，所述進氣總管的下端內壁與所述噴油器外壁之間設置一隔熱套，所述隔熱套與所述進氣總管內壁之間開設一用于氧化劑通過的氧化劑噴嘴。

本技術方案中，設置的進氣總管主要是用于氧化劑的進入，進入后通過隔熱套與進氣管內壁之間設置的氧化劑噴嘴，將氧化劑輸入至混合管內，有效地控制了氧化劑的量，提高最終的混合效果。同時設置的隔熱套能夠將噴油器和進氣總管進行隔離，避免溫度過高影響噴油嘴的使用壽命。

優選地，所述噴油器包括依次連接的進油管，油嘴接體和燃油噴嘴；

所述油嘴接體的外壁上設置一向外凸出的第一凸臺，所述第一凸臺的上表面與所述隔熱套的底端端面接觸，所述第一凸臺的下表面與所述旋流器連接。

本技術方案中，設置的油嘴接體外壁上設置一第一凸臺，利用第一凸臺實現對隔熱套的限定，提高隔熱套的安裝穩定性。

優選地，所述氧化劑噴嘴的數量為4～6個，每個所述氧化劑噴嘴的直徑為0.8～1.2mm，且4～6個所述氧化劑噴嘴以所述進氣總管的中心軸線為圓心徑向分布形成一分布圓，所述分布圓直徑d與混合管直徑的D₁的比值d/D₁＝0.75～0.9。

本技術方案中，將氧化劑噴嘴的數量設置在4～6個，且每個的直徑在0.8～1.2mm。目的是保證有足夠煙氣量，進一步的提高混合效果。

優選地，所述混合管從上而下依次由導流段、混合段、擴壓段組合構成，且所述混合管通過若干個連接片與所述殼體的內壁進行連接，若干個所述連接片徑向分布在所述混合管的外壁上。

本技術方案中，設置的混合管由用于將煙氣導入的導流段，將高溫煙氣和氧化劑進行混合的混合段，以及擴壓段，能夠保證氣流的角度與噴油器噴出來的液體燃料的霧化錐角相匹配。同時通過設置的連接片實現混合管與殼體的連接。

優選地，所述混合段的內壁上設置一向內凸出的第二凸臺，所述第二凸臺用于支撐所述旋流器；

和/或；

所述混合段的長度L與所述混合段的直徑D₂的比L/D₂＝0.8～1.2；

和/或；

所述擴壓段遠離所述混合段的一端向外擴張，且擴張角度在5～10度；

和/或；

所述氧化劑噴嘴的頂部為入口，底部為出口；所述氧化劑噴嘴的出口至所述混合段的入口之間的距離大于0.7D₁。

優選地，所述旋流器為軸向旋流器，旋流數Sn>0.6。

本技術方案中，設置的旋流器優選為軸向旋流器，不僅結構簡單，分離效果好，更優的是實用性強。

優選地，所述換熱管為倒U型結構，所述U型結構的換熱管靠近所述殼體內壁一側為翅片側，相對的一側為管側；所述翅片側的換熱管與回熱器連通，管側的換熱管與斯特林發動機熱腔連通，且翅片側上換熱管上布置翅片，翅片與換熱管焊接在一起，以提高遠離燃燒室中心的換熱管的換熱效果。

本技術方案中，將換熱管設置為U型結構，且在U型結構的換熱管的翅片側上設置的翅片，提高內外側換熱的均勻性，提高換熱器的性能。

本實用新型提供的一種斯特林發動機用無焰燃燒室與現有技術相比，本實用新型能夠帶來以下至少一項有益效果：

1、本實用新型利用混合管與進氣總管組成引射器和旋流器進行配合，實現了斯特林發動機內的無焰燃燒，提高了燃燒室溫度分布的均勻性，提高燃燒系統效率。同時通過噴油器將液體燃料從中間噴出，以及旋流器將氧化劑與高溫煙氣混合后四周噴出，從降低了火焰峰值溫度，避免了火焰直接沖刷斯特林發動機熱腔的頂部，省去在殼體內設置擋焰板，從而徹底解決加熱管積灰的問題。

2、本實用新型中通過設置的換熱器，能夠滿足對燃燒產生的煙氣進行熱量交換，保證燃燒室溫度分布的均勻性，提高換熱效率。

3、本實用新型中通過設置的隔熱套，實現噴油嘴與進氣總管和混合管之間的隔熱，避免溫度過高影響噴油嘴的使用壽命，滿足提高零部件壽命，保證燃燒系統效率長期運行穩定。

4、本實用新型中將氧化劑噴嘴的數量，以及直徑和徑向分布形成的分布圓的直徑大小均做了一定限定，能夠滿足足夠煙氣量進入燃燒區，提高混合效果，進而提高斯特林發動機燃燒系統效率。

5、本實用新型中通過噴油器的油嘴連接體外壁上設置的第一凸臺和混合管的混合段內壁上設置的第二凸臺，實現旋流器的固定，可以提高運行時結構的穩定性。同時設置的旋流器將混合的煙氣在燃燒區內形成回流，進一步降低混合氣中氧化劑的濃度，到達無焰燃燒的條件。

6、本實用新型中設置的混合管主要由導流段、混合段、擴壓段組合構成；混合管內煙氣和氧化劑進行動量、能量和質量的傳遞，提高氧化劑溫度，降低氧氣濃度，提供無焰燃燒高溫低氧條件，同時通過擴壓段保證氣流的角度與噴油器噴出來的液體燃料的霧化錐角相匹配，使得混合效果達到最佳。

7、本實用新型的實施方法操不僅操作方便，效果較佳，更優的是利用燃燒產生的煙氣對可燃混合氣的氧氣濃度進行引射稀釋，達到控制燃燒溫度的目的，同時也提高了廢氣余熱利用，有效地避免傳熱過程中能量的損失。

附圖說明

下面將以明確易懂的方式，結合附圖說明優選實施方式，對一種斯特林發動機用無焰燃燒室的上述特性、技術特征、優點及其實現方式予以進一步說明。

圖1為本實用新型的斯特林發動機無焰燃燒室的結構示意圖；

圖2為本實用新型的斯特林發動機無焰燃燒室中燃燒器的結構示意圖；

圖3A為圖2中噴油嘴與隔熱套連接的結構圖；

圖3B為圖2中噴油嘴與隔熱套連接的俯視圖；

圖4為圖2中混合管與旋流器連接的結構示意圖。

附圖標號說明：

001氧化劑，002液體燃料，003高溫混合氣，004煙氣；

100殼體，101上殼體，102下殼體，103換熱器筒體，103A上換熱器筒體，103B下換熱器筒體，103C內圈孔，103D外圈孔，104排氣管；

200燃燒器，210噴油器，211進油管，212油嘴接體，213燃油噴嘴；220進氣管組件，221A進氣總管，221B氧化劑噴嘴，221C隔熱套；230混合管，231A導流段，231B接收段，232A上混合管段，232B旋流段，232C下混合管段，233擴壓段，234連接片；240旋流器；

300換熱器，301翅片側，302管側；

401燃燒室，402燃燒區，403熱腔。

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對照附圖說明本實用新型的具體實施方式。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖，并獲得其他的實施方式。

為使圖面簡潔，各圖中只示意性地表示出了與本實用新型相關的部分，它們并不代表其作為產品的實際結構。另外，以使圖面簡潔便于理解，在有些圖中具有相同結構或功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個，或僅標出了其中的一個。在本文中，“一個”不僅表示“僅此一個”，也可以表示“多于一個”的情形。

在本實用新型的斯特林發動機用無焰燃燒室實施例一中，參看圖1-4所示，一種斯特林發動機用無焰燃燒室，包括燃燒室殼體100、燃燒器200和換熱器300，其中，殼體100由分離的上殼體101和下殼體102兩部分組成，且在殼體100的頂部，也就是上殼體101上設置有排氣管104，而在殼體100的底部，也就是下殼體102底部設置有一換熱器筒體103；下殼體102與換熱器筒體103的頂部連成一體。換熱器筒體103的頂部、下殼體102和上殼體101形成燃燒空間。其中，換熱器筒體103下部為斯特林發動機的熱腔403，換熱器筒體103的頂部將燃燒室和斯特林發動機的熱腔403隔離開。

參看圖1所示，具體的，在設置的殼體100內由上而下依次設有用于將氧化劑001與液體燃料002混合燃燒的燃燒器200，以及用于將燃燒產生的煙氣004進行熱量交換的換熱器300，換熱器300由一圈縱向布置的換熱管束構成。換熱管的一端與斯特林發動機的熱腔403連通，另一端與斯特林發動機的回熱器(圖中未標示)連通，工質在管換熱管中流動，從燃燒室401吸收熱量，形成一個循環的工質系統。

設置的燃燒器200主要由噴油器210、進氣管組件220、混合管230和旋流器240構成。實際安裝時，將進氣管組件220設置在噴油器210的外側與排氣管104的內側之間，用于氧化劑001的進入，且進氣管組件220與排氣管104內壁之間構成排氣通道。混合管230設置在噴油器210的外側，且位于進氣管組件220下方，用于將從進氣管組件220中進入的氧化劑001與燃燒產生的煙氣004進行混合；而旋流器240設置在混合管230的內壁與噴油器210的外壁之間，旋流器240使混合氣在燃燒區402內形成回流，與引入的煙氣004進行混合，進一步降低混合氣中氧化劑001的濃度，到達無焰燃燒的條件。

在本實用新型的斯特林發動機用無焰燃燒室實施例一中，參看圖1、2所示，設置的進氣管組件220包括了一套設在噴油器210外側的進氣總管221A，進氣總管221A的下端內部與噴油器210外壁之間設置一隔熱套221C，且在隔熱套221C與進氣總管221A內壁之間開設一用于氧化劑001通過的氧化劑噴嘴221B。通過設置的隔熱套221C可以實現對噴油器210的保護，避免溫度過高對噴油器210造成損壞，影響其使用壽命。

在本實用新型的斯特林發動機用無焰燃燒室本實施例一中，再次參看圖2所示，設置的噴油器210具體的包括依次連接的進油管211，油嘴接體212和燃油噴嘴213，為了避免噴油器210外側設置的混合管230中流經的高溫煙氣004對噴油器210造成影響，因此，本申請中將隔離套的底端向下延伸，見圖3A所示，同時為提高隔熱套221C的連接穩定性，進一步的在油嘴連接體的外壁上設置一向外凸出的第一凸臺，第一凸臺的上表面用于與隔熱套221C的底端端面接觸，而第一凸臺的下表面用于與旋流器240連接。這樣通過設置的第一凸臺有限地限制隔熱套221C的設置位置，且使得隔熱套221C發揮最優的效果。

在本實用新型的斯特林發動機用無焰燃燒室本實施例二中，參看圖3B所示，與實施例一相比，優選地，將氧化劑噴嘴221B的數量設置為4～6個，每個氧化劑001噴嘴的直徑為0.8～1.2mm，且4～6個氧化劑001噴嘴以進氣總管221A的中心軸線為圓心徑向分布形成一分布圓，分布圓直徑d與混合管230直徑的D₁的比值d/D₁＝0.75～0.9。這樣可以保證有足夠的氧化劑001的量從進氣總管221A總流入混合管230中，并與混合管230中卷吸入的煙氣004進行混合，提高混合效果。

在本實用新型的斯特林發動機用無焰燃燒室本實施例三中，參看圖4所示，具體的設置的混合管230從上而下依次由導流段231A、混合段、擴壓段233組合構成。其中，導流段231A是沿混合段向外(即朝向殼體100內壁)擴張設置成一弧形狀，這樣可以通過弧形狀的導流段231A將經過換熱器300進行熱量交換后的上升煙氣導向至混合段內，使其與從氧化劑噴嘴221B中流入的氧化劑進行混合。而設置的混合段由從上至下連接的接收段，上混合管，用于設置旋流器240的旋流段，以及下混合管段連接構成，目的使是的煙氣004被從燃油噴嘴213噴出的高速氣流卷吸，經過導流段231A，進入接收段231B，在上混合管段232A內進行動量、能量和質量的傳遞，進入旋流段232B的旋流器240，在旋流器240的作用高溫混合氣003在燃燒區402內形成回流，進一步降低混合氣中氧氣的濃度，到達無焰燃燒的條件。

在本實施例三中，設置的混合管230主要是通過若干個連接片234與殼體100的內壁進行連接。實際安裝時，是將若干個連接片234徑向分布在混合管230的外壁上，這樣可以保證連接的穩定性，還可以使得燃燒產生的煙氣004能夠上升后從相鄰的連接片234之間的繼續上升，進而實現滿足一部分煙氣004從排氣管104中排出，而另一部分煙氣004被再次卷吸入混合管230中與氧化劑001進行混合。應說明的是，本申請中的連接片234具體的是一端與殼體100的內壁連接，另一端與弧形狀的導流段231A的端部(即靠近殼體100的內壁一側)進行連接。

在上述三個實施例中，優選地，在混合段的內壁上設置一向內凸出的第二凸臺，通過設置的第二凸臺可以實現對旋流器240的支撐。本申請中，具體的將旋流器240卡設在第一凸臺和第二凸臺之間，進一步的提高連接的穩定性。

在上述三個實施例中，優選地，將混合段的長度L(即圖4上下方向上)與混合段(即為圓形柱)的直徑D₂的比L/D₂＝0.8～1.2，可以有效地提高混合段中高溫煙氣004與氧化劑001的混合效果。

在上述三個實施例中，優選地，將擴壓段233遠離混合段的一端向外擴張，且擴張角度設置在5～10度。

在上述三個實施例中，優選地，具體的將氧化劑001噴嘴的頂部為氧化劑001噴嘴入口，底部為氧化劑001噴嘴出口；將氧化劑001噴嘴出口至混合段的入口(與導流段231A連接處，見圖4所示)之間的距離大于0.7D₁。

在本實用新型的斯特林發動機用無焰燃燒室本實施例四中，在上述實施例的基礎上做改進，改進之處在于，將設置的旋流器240優選為軸向旋流器240，且旋流數Sn>0.6，有效地降低混合氣中氧氣的濃度，到達無焰燃燒的條件。

在本實用新型的斯特林發動機用無焰燃燒室本實施例五中，在上述實施例的基礎上做改進，改進之處在于，將設置的換熱管設置為U型結構，U型結構的換熱管靠近殼體100內壁一側為翅片側301，相對的一側，也就是靠近燃燒室401中心的一側，為管側302。具體的，將翅片側301的換熱管底端與回熱器連通，管側302的換熱管底端與斯特林發動機熱腔403連通，且翅片側301上換熱管上布置多個翅片，目的是提高遠離燃燒室401中心的換熱管的換熱效果，盡量是換熱器300的內外換熱效果均勻。見圖1所示，實施安裝時，在換熱器筒體103的空腔的腔壁頂部開設一圈內圈孔103C，內圈孔103C用于與管側302的換熱管連接；同時在空腔的腔壁與換熱器筒體103內壁的連接壁上開設一圈外圈孔103D，外圈孔103D用于翅片側301的底端穿過與回熱器連通。

當然上述的實施例作為一個具體的實施例使用時，其中，為了方便安裝，將殼體100設置成由上殼體101和下殼體102連接構成，且將排氣管104設置在上殼體101上，而下殼體102的下端與換熱器筒體103連接。這樣可以在實際安裝時，將殼體100內的燃燒器200和換熱器300安裝完后，在將上殼體101和下殼體102，以及換熱器筒體103連接即可。具體的連接方式有多種，本申請中可以優選地采用焊接的方式連接，也可以采用螺栓連接的方式連接。

當然在其他的一個具體的實施例中，進一步的可以將換熱器筒體103設置成由上換熱器筒體103A和下換熱器筒體103B連接構成。應說明的是，上換熱器筒體103A和下換熱器筒體103B具體的連接方式有多種，本申請中可以優選地采用焊接的方式連接。也可以整體鑄造或鍛造，再整體機加工的方式。

在本實用新型中還提供了一種實施方法，應用前述實施的斯特林發動機用無焰燃燒室401進行實施的方法，包括以下步驟：

氧化劑001從進氣管組件220進入，煙氣004卷吸入混合管230內進行混合，經混合的氣體流過旋流器240在殼體100內的燃燒區402內形成回流；

液體燃料002從噴油器210進入，經過蒸發后與流過旋流器240的混合氣體進行混合，形成可燃混合氣，可燃混合氣在燃燒區402進行無焰燃燒，燃燒產生的煙氣004經過換熱器300進行熱量交換，交換后的煙氣004一部分從排氣管104流出殼體100，另一部分被卷吸進混合管230與從進氣管組件220進入的氧化劑001進行混合。

在本實施方法中，能夠保證經過換熱器300進行熱量交換后的煙氣004溫度在1000K以上，卷吸進混合管230的煙氣004由導流板進行卷吸，并與從進氣管組件220進入的氧化劑001進行混合稀釋。

本實用新型中應說明的是，通入的氧化劑001為純氧，空氣，或者純氧與二氧化碳、氮氣的混合物；液體燃料002為柴油、航空煤油、二甲醚其中之一，兩者或三者的混合物。

應當說明的是，上述實施例均可根據需要自由組合。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。