专利名称：多板式燃烧器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用多个板而提高输出功率的脉冲燃烧器。
背景技术：
脉冲燃烧器是一种这样的装置，其中空气和燃油的混合物最初通过一个喷烧器而点燃。被点燃的气体迅速膨胀，压力和温度随着迅速上升。所导致的压力波运动到该装置的下方，将燃烧后的气体排出到废气区域中。在该装置的内壁上产生热交换，使气体冷却，并提高在压力波通过后压力下降的速度。这种由于气体扩张的压力下降连同由于内壁热交换而产生的冷却使得燃烧室内的压力下降到低于大气压力的水平(即，负压)，从而允许新的气体被吸入到燃烧室内。废气气流停止运动，部分气体离开板，部分回流到燃烧室内。废气区域中的气流回流并压缩新的空气和气体混合物，此时燃烧室内的温度依然很高，点火再次发生。这种脉冲燃烧室主要被用作为热水锅炉、热水器、或低压和高压蒸汽锅炉。
美国专利No.4,968,244描述了一种脉冲燃烧器，该燃烧室具有一个放射状废气室和一个连接到燃烧室的汽化器，用于将燃料混合物的预定分配量喷入到燃烧室内。废气室外壳的设计包含在燃烧室内各一侧上的内板和外板。废气室在内板上具有经过车加工的螺旋冷却液沟槽，所述沟槽被外板覆盖，形成冷却液通道。使用两块焊接在一起的板并且在板上车加工出螺旋沟槽，使得结构变得复杂和昂贵。此外，在盘和板之间的焊接的快速加热和冷却应力使得该装置容易受冷却液泄露的影响。最后，汽化器的复杂设计也增加了该装置的成本。此外，这种设计的工作被限制为可能超出受控水平的高气体压力，使得该装置不适用于某些领域，如住宅领域。
PCT申请No.WO97/20171描述了一种脉冲燃烧器，该燃烧室具有一个由废气室包围的中央燃烧室，其中燃烧室和废气室的一部分形成在螺旋冷却液管道的两个间隔开的内壁之间。形成上述的内壁的冷却液管道提供了更多的热交换区域，同时又相当地简化了燃烧室的结构。一个燃油喷嘴位于燃烧室的入口上，燃烧室内还有一个靠近该喷嘴的火花发生器，用于在起动时点燃进入脉冲燃烧室的燃料。
燃烧室半径的限制和排气尾管半径的限制导致脉冲燃烧器获得的总功率(BTU产热量)受到限制。因此，所需的燃烧室应可升级的，以获得高的输出功率。
本发明的一个目的是提供一种具有可升级的输出功率的脉冲燃烧器。
本发明的另一个目的是为脉冲燃烧器提供一种改良的喷烧器，从而提供可升级的输出功率。
发明内容
本发明由一个脉冲燃烧器组成，包含两个隔开的外板，其中外板具有平坦的外部区域、在平坦区域内的锥形区域和中心毂，其中外板的锥形区域之间的体积限定了一个燃烧室。该脉冲燃烧室进一步包含多个位于外板之间的中间板，这些中间板相互隔开，从而在中间板之间以及在外板和相邻的中间板之间形成尾管区域，另外还有一个固定在中心毂中的一个上的喷烧器，该喷烧器可用于点燃燃烧室内的燃料/空气混合物。外板和中间板具有螺旋冷却液通道，用于传送冷却流体，以冷却在板间流动、通过尾管区域的膨胀气体。
优选地，中间板被隔开以提供可变的阻力，从而在每对相邻的板间产生均匀的气流。
可任选地，该脉冲燃烧器还可以包含一个安装在燃烧室内的喷烧器组件。该喷烧器组件具有一个空心的长管，在其圆柱形的表面上间隔布置多个喷嘴开口，以均衡流入中间板的所述相邻的那些和外板之间的尾管区域的气流。
本发明还包含一个用于燃烧室内的喷烧器组件，该组件包含一个长空心管，在其圆柱表面上具有多个喷嘴开口。喷烧器的一端可与一个喷烧器喷嘴连接，从而在空心管内的燃料混合物点燃时，燃烧气体均匀地围绕并沿着该空心管排出。
该空心长管可以是圆柱形的，在其圆柱表面的长度方向上延伸着多个放射状相隔的长狭槽，并包含在其长度上具有喷嘴开口的多个长喷嘴组件。这些喷嘴组件具有一个与喷嘴开口连通的压力通风口，每个喷嘴组件在相应的狭槽上方固定在该圆柱体的外表面上。
本发明的结构和工作方法，以及其他目的和优点，将会从以下结合附图的详细说明中变得更加清楚图1A是一个不带喷烧器组件的多板式燃烧器组件的正视横截面图；图1B是一个带有喷烧器组件的多板式燃烧器组件的正视横截面图；图2A是一个带有中心毂的外板的正视图；图2B是一个带有中心毂的外板的侧视图；图3A是一个中间板的正视图；图3B是图3A的中间板的左视图；图4A是由5块板组成的装配好的脉冲燃烧器的侧视图；图4B是板分隔组件的细节视图；图5A是一个喷烧器喷嘴的端视图；
图5B是图5A的喷烧器喷嘴的部分侧视图；图6A是用于形成喷烧器的圆柱体的透视图；图6B是图6A的喷烧器的侧视图；图7A是用于形成喷烧器的一个喷嘴件的透视图；图7B是图7A的喷嘴件的侧视图；图7C是图7A的喷嘴件的仰视图；图8A是一个喷烧器组件的剖视图；图8B是沿线段A-A剖开的视图；图8C是沿线段B-B剖开的视图；图9是用在喷烧器组件中的一个锥形件的部分剖侧视图。
具体实施例方式
对照图1A，该多板式脉冲燃烧器组件具有5块盘状板或盘管23，24，26，28和30，这些盘管被一个螺母螺栓组件(图中没有显示)固定在平行的方向上。一个喷烧器12通过第一盘管或板23的中心孔。一个火焰扩张器76被安装在最后一个盘管30的中心。在两组相邻的盘管(23，24)，(24，26)，(26，28)，(28，30)之间分别有尾管区域40，41，42和43，这些区域分别具有间隙d1，d2，d3，和d4。每个外部盘管23和30都分别具有一个相对应的中心锥形区域74和14。
在工作过程中，空气和燃气混合物进入到喷烧器12中，部分混合物经过孔34。一个点火棒或火花塞72点燃该混合物，产生向火焰扩张器76快速扩张的火焰。燃烧在燃烧室70的内部以循环的方式发生。空气/燃气混合物的燃烧使燃烧室70的压力突然增大，从而产生压力波。该压力波放射状地向外传播，并朝着盘管23，24，26，28和30的周边、通过尾管区域40，41，42和43传送废气产物。气体状的废气物的突然扩张，连同在盘管23，24，26，28和30的内壁通过热交换而产生的冷却，在燃烧室70的内部产生低压。这种低压使得到达盘管23，24，26，28和30周边的压力波瞬间停止。部分燃气被排放到燃烧器10周围的大气环境中，而部分以稀疏波的形式返回到燃烧室内。同时，由于燃烧室内的低压，一股新的空气/燃气混合物被吸入到燃烧室70内。返回波对这股新空气/燃气混合物进行预压缩。由于燃烧室内的温度依然很高，因此不需要火花塞的点火，新的空气/燃气混合物被点燃，燃烧循环重复。
一个双板燃烧器的产热量被限制在大约600,000BTU。不能够简单地扩大燃烧室的体积以增加产热量。通过在两块外部板23和30之间加入一个或多个板，研究发现这可以提高产热量。但是，为了最大化热分布，必须平衡流入到每个尾管中的燃气。可以调整板间的间隔，从而使流入到每个尾管区域内的燃气量相等。这会使得尾管区域在越靠近火焰扩张器的地方变得越窄。
如图1A所示的r/R比对于适当的燃烧是很重要的。若燃烧室70的体积过大，燃烧的效率就会变得较低，或者燃烧根本不能发生。若间隙过大，燃气的速度就会降低。在使用三个中间板之后，调整尾管的这种方法就会变得不切实际。其中一个解决方案是使用一个能够均匀分布火焰的喷烧器，从而控制废气的流动，而不是依赖于例如板间距的因素。
对照图1B，该多板式脉冲燃烧器10由也如图2a和2b所示的两个外部板或盘管23和30组成。一个不锈钢浇铸的中心毂11被安装在板或盘管30的中心开口上，另有一个环形毂16被安装在板或盘管23的中心开口上。另外，也可以使用车加工(沟槽)的管来替代该浇铸的中心毂11。若使用管，就会把一个不锈钢板焊接到每个管上，所得的组合在本文被称为“扩张器毂”。为了说明，“毂”应同时指浇铸的毂和车加工的管。
在每个毂11和16周围缠绕的分别是形成板或盘管30和23的一个不锈钢管。在这两个盘管30和23之间布置有三个中间板24，26和28，中间板均由不带有如图3a和3b所示的毂的不锈钢旋管组成。所有这些盘管23，24，26，28和30通过四个不锈钢定位架或连杆以及调整螺母组件38(同样如图4b所示)而被布置在平行的位置上，以预定的距离相隔。
在两个毂11和16之间包含的体积连同盘管23和30的锥形部分14和74之间的体积一起限定了燃烧器10的“燃烧室”。在每对盘管之间包含的体积40，41，42和43被称为包含该体积的两个盘管之间的“尾管”。喷烧器是一个中心圆柱形的不锈钢管18构成，该不锈钢管18在其圆柱表面周围放射状地间隔布置狭槽17(见图6A和6B)。在每个狭槽上固定有一个喷嘴组件20(见图7A，7B和7C)，每个组件具有多个喷嘴开口21。一个锥体22被布置在钢管18中相对喷嘴狭槽17的对面，其末端相对扩张器毂而言更靠近喷烧器毂。一种难熔的材料46包围着与狭槽17相邻的钢管18。毂16包围该难熔材料46，并具有一个短螺旋槽，在其周围形成了板或盘管23的不锈钢旋管。通过管32的一个锥形部分而连接到钢管18开口端上的是一个喷烧器喷嘴12。燃烧器10通过螺纹拧紧到毂16的螺栓44而被安装在一个机架(没有显示)的前面板48上。
对照图2A和2B，板或盘管30具有一个中心毂11，一个锥形部分14，一个位于盘管30外围的冷却水入口25和一个加热水出口40。
对照图3A和3B，由盘管24所代表的平的盘管基本上都相同，并具有一个宽的开口，一个位于外围的冷却水入口31和一个靠近盘管24中心的热水出口52。
对照图4A和4B，装配好的燃烧器10的一个外部视图显示出一个带有螺母的螺栓，定位架38被用于支持板或盘管23，24，26，28和30，使它们相互平行。
对照图5A和5B，喷烧器喷嘴12具有多个放射状间隔分布的孔34，这些孔允许被火花塞(没有显示)点燃的燃料-空气混和物经过。燃料-空气混和物的其中一大部分经过喷烧器组件64的中心。
如图6A和6B所示的不锈钢柱体18在其圆柱表面上具有多个放射状间隔分布的狭槽17，一个开口端13和一个封闭端15。
在图7A，7B和7C上，喷嘴片或组件20是一个细长金属块，具有与圆柱体18上的狭槽17的形状相匹配的凹槽19，并在该凹槽19的每一侧上，具有规则间隔的一列从凹槽19的内部延伸到外部的横向的间隔孔21。喷嘴片20被焊接到圆柱体18上，在狭槽17上方。
图8A，8B和8C上的喷烧器组件形成了发生燃烧的燃烧室，并由柱形不锈钢内室18、固定于其上的喷嘴组件20和装配在一个难熔材料58的衬套之上的毂16所组成。一个锥体22装配在柱体18内，该锥体22的底部与柱体18的末端15平行对准。与点火器54、火焰传感器52和导向管道56的连接都由难熔材料58形成。如图9所示，锥形结构62为抛物线形状，而非锥体形状。
在工作过程中，水在周边进入每个盘管23，24，26，28和30并在中心或中心附近流出，从而允许进行逆流热交换。
一股空气和燃气混合物通过喷烧器喷嘴12，经过连接器32和进入柱体18内部的燃烧室70内，而进入到喷烧器组件10中。从被安装在喷烧器12内的点火棒或火花塞72产生的火花点燃该混合物。
尽管燃烧循环一般是比较可靠的，但是对于该脉冲燃烧器的正常功能来说，也是有多个重要的设计参数。第一个参数是废气的速度。必须对该速度进行控制，使得燃烧室内的低压会在燃烧产物到达给定盘管的周边的精确瞬时发生。若废气的速度过低，那么废气就不能够被排出到燃烧器10外的大气环境中。一定质量和体积的废气就会滞留在尾管和燃烧室70内。这些废气的存在将会减少进入燃烧室70的新鲜空气/燃气混合物的体积。因此，取决于在第一个循环中滞留的废气量，由于“堵塞”效应就会使得第二个循环不能发生，或者产生一个不洁的或不完全的燃烧。由于不洁的燃烧增加了滞留在尾管和燃烧室内的废气量，因此这种堵塞效应最终会发生。
若废气的速度过快，那么大部分废气或者全部废气将被排出到大气环境中。在这种情况下，就不会有足够的废气回流，因而不能产生对空气/燃气混合物进行预压缩的稀疏波。没有了预压缩，新鲜的空气/燃气混合物就不能被点燃，燃烧就不会发生。
还有两个参数分别是燃烧室的体积和尾管的体积(燃气的质量)，这反映到锅炉/热水器的理想容量。燃烧室70的深度和半径限定了它的体积。相同，所有板23，24，26，28和30的平面部分之间的间隙及其半径限定了尾管的体积。因此，这些半径和深度或间隙尺寸控制着燃烧室70和尾管的体积。
对于燃烧室70的尺寸，存在一些可操作的限制，以防止为获得所需的体积而任意改变其半径和深度。例如，若为了使半径最小化而增大深度，在一定的最佳值的范围外，该扩张器毂会作用为一个“吸热设备”。从喷烧器中产生的火焰不能在相邻盘管上(热交换器的锥形部分)充分扩散，从而减少从火焰到水的热传递。此外，扩张器毂的高温会产生高浓度的氮氧化物，使该装置不适宜于多种用途。
相反，若该深度低于一定的最佳值，废气的理想膨胀就不能够发生，从而引起堵塞效应。另外，也会发生火焰撞击(与扩张器毂接触)，引起不洁燃烧，并在废气中产生高含量的一氧化碳，在大多数法规和审批机构的规定下，这是不允许的。这两种效应使燃烧器变得不能用。
对于板23，24，26，28和30，半径R有一个最小值，在低于这个最小值的情况下，就不能为热传递提供足够的面积。因此，两个相邻的盘管之间的间隙就不能以更小的半径为代价而增大(为了保持一个恒定的体积)。相同，该间隙的间距也具有其上限值，在这个上限值之外，就不能使废气和板表面充分接触，从而使燃烧热量不能传递到盘管23，24，26，28和30的水中。相反，若间隙距离过小，废气的速度就会在板上产生振动效应，从而产生不想要的噪声，并有可能使燃烧器的部件损坏。另外，有更多的废气逃逸到大气环境中，导致不能有足够的废气以稀疏波的形式回流以继续燃烧过程。
由于上述的影响，燃烧室70的半径和深度，以及板23，24，26，28和30的半径和间隙距离，必须受到谨慎的控制，以便保证完善的脉冲燃烧器。
当板的总数增加超过2个，除了上述需要注意的设计参数之外，第三个主要特征在燃烧室70的整个工作中也起到很重要的作用。这个特征是在连续的盘管23，24，26，28和30之间的废气的最佳和均匀分布。关于这种均匀的气体分布，有三个主要的参数影响燃烧器的性能。
首先，与电流或任何流体相似，废气会趋于在最小阻力的通道通过。第二，火焰温度沿着火焰的长度(与燃烧室的轴线平行)变化。也就是说，火焰尖端的温度比火焰核的温度高。因此，包围火焰的废气和空气会沿着火焰的长度方向、以至在燃烧室70的深度方向上具有不同的温度。最后，由于火焰的方向，火焰运动(火焰的方向)的自然趋势是朝着它的尖端，因而朝着盘管23，24，26，28和30之间的最后一个间隙。
因此，废气的最高速度将通过相邻尾管区域43的最后一个间隙。因此，最大的压力降也在该间隙里产生。这个压力降沿着火焰的长度方向即从尖端到焰核而减小。因此，废气速度沿着火焰的长度方向以致沿着燃烧室70的深度方向而有所不同。
因此，中间板24，26和28必须被平行布置，且横过燃烧室70的轴线，从而通过废气而使得均匀相等的热量通过每个间隙40，41，42和43传播。另外，废气还必须具有理想的速度，以允许如上所述的最佳的热传递、振动和低噪声的工作过程。
对照图5，一系列的环形喷嘴环绕一个短的圆柱体的内圆周钻孔。空气和燃气的混合物通过这些喷嘴而进入喷烧器10中，并由一个火柱(没有显示)点燃。这些喷烧器产生的火焰沿着一条带有椭圆外形的直道运动，所述的直道的长轴与圆柱体18的轴线平行。
为了能够在燃烧产物(废气)和流过盘管23，24，26，28和30的水之间获得最大的热传递，必须对沿火焰长度的火焰温度损失以及通过连续间隙的变化压力降进行补偿。在一种多盘管的结构中，热分布的自然趋势是朝向最后一个盘管30以及通过最后两个盘管28和30之间的间隙。为了能够获得最大热传递，以及对应的高效率和冷凝效果，废气必须在这些间隙间或连续盘管间的尾管区域40，41，42和43内均匀分布。为了不对热交换器添加任何外部元件而达到这个目的，必须通过在每个间隙或尾管区域中创造适当的流动阻力而控制燃气的流动。对于最简单的情况，流动阻力沿着火焰的长度方向即从尖端到焰核而增大。在不使用喷烧器的情况下，这可以通过调整最后一个盘管(它保持着扩张器毂)的锥形部分的斜面设计、并确定连续盘管间的间隙的最佳间距而实现。这些间隙的间距值是通过利用涉及火焰传播速度、沿火焰长度的温度梯度和废气速度的一系列流体动力学标准和方程而确定的。
II具体设计的圆柱形喷烧器的使用为了最小化盘管间的间隙和最后一块盘管的锥形部分的斜面对热分布的影响，可以使用另外一种喷烧器。这种喷烧器包含三个主要部件一个不锈钢圆柱体(图6)，一个不锈钢锥体(图9)，以及六个不锈钢喷嘴组件(图7)。沿着圆柱体的横轴方向有六个切口，长度与喷嘴片的长度相等。每个喷嘴片被焊接在每个切口的顶端。锥体被安装在圆柱体内，从而使其环形端与圆柱体的一端在同一平面上，而其锥形端靠近圆柱体的另一端，空气和燃气混合物通过这一端而进入到圆柱体内(图8)。狭槽和喷嘴片的数目可以调整，但应相等。
每个喷嘴片具有多个预定轮廓的预定孔，最基本的轮廓是一系列的等间距、等尺寸的孔。在每个喷嘴片上的孔的布置、每个喷嘴片的长度、喷嘴外形和锥体形状决定着通过圆柱体的火焰的速度和分布。结果是火焰从圆柱体表面上均匀地喷射或分布，通过这些喷嘴，进入热交换器的连续间隙内。
该喷烧器通过一个法兰而被安装在喷烧器毂上(图8)，并被连接到一个鼓风机上，空气/燃气混合物通过该鼓风机而从喷烧器中流过。空气/燃气混合物被火柱或点火器产生的火花点燃而燃烧。通过喷嘴片的火焰被放射状地向外喷射，经过燃烧器的连续间隙。圆柱体的长度取决于燃烧室的深度并与燃烧室的深度成比例。
虽然结合了图例实施例而对本发明进行说明，但这些说明并不构成任何限制性的意义。对于在本领域中的熟练技术人员，通过参考本说明，可以获得图例实施例的各种改动以及本发明的其他实施例。因此，可以认为所附的权利要求将覆盖了在本发明范围之内的任何这种改动或实施例。
权利要求
1.一种脉冲燃烧器，包含a)两个隔开的外板，所述外板具有平坦的外部区域，在平坦区域内的锥形区域，以及中心毂，其中所述板的锥形区域之间的体积限定了一个燃烧室；b)位于所述的外板之间的多个中间板，所述的多个中间板相互隔开，从而在多个中间板之间以及在所述外板和相邻的那些中间板之间形成尾管区域；c)一个喷烧器，连接在所述毂的一个上，所述的喷烧器可用于点燃在所述的燃烧室内的燃料/空气混合物，其中，所述的外板和中间板具有螺旋冷却液通道，用于传送冷却流体，以冷却在所述板间流动通过所述尾管区域的膨胀气体。
2.根据权利要求1的脉冲燃烧器，其中所述的中间板相互间隔以便在每组相邻的板之间对气体的流动产生相等的阻力。
3.根据权利要求1的脉冲燃烧器，其中所述板为环形。
4.根据权利要求1的脉冲燃烧器，其中每个所述板由螺旋盘绕的空心不锈钢管制造。
5.根据权利要求1的脉冲燃烧器，包括一个火焰扩张器，该火焰扩张器被安装在所述的燃烧室内、在固定到与所述喷烧器相对的一个外板的毂的内侧上，该火焰扩张器可用于引导点燃的气体在所述的外板和中间板之间流动。
6.根据权利要求1的脉冲燃烧器，包括一个喷烧器组件，该组件被安装在所述的燃烧室内，具有一个长空心管，在其圆柱体表面周围间隔分布有多个喷嘴开口，以便使燃气均衡流入到所述相邻中间板和外板之间的尾管区域中。
7.根据权利要求6的脉冲燃烧器，其中所述的喷烧器组件进一步包括一个安装在所述的长空心管内的抛物线锥体，所述的抛物线锥体的一个圆形端与所述的空心长管的一端平齐。
8.根据权利要求1的脉冲燃烧器，包括一个在边缘处通向所述的冷却液通道的入口和一个中心附近的所述的冷却液通道的出口，从而使冷却液以点燃气体流动的相反方向而流经所述的尾管区域。
9.根据权利要求6的脉冲燃烧器，其中所述的空心长管是圆柱形的，并具有多个放射状间隔分布的狭槽，所述狭槽沿圆柱表面的长度方向延伸，并包括多个细长喷嘴组件，在该细长喷嘴组件的长度方向上具有多个喷嘴开口，所述的喷嘴组件具有一个连通所述的喷嘴开口的压力通风腔，每个喷嘴组件在一个相应的狭槽上方固定在所述的圆柱体的外表面上。
10.一种在燃烧室内使用的喷烧器组件，包含a)一个长空心管，沿着其圆柱表面具有多个喷嘴开口；b)一个安装在所述的长空心管内的抛物线锥体，所述的抛物线锥体的一个圆形端与所述的空心长管的一端平齐，其中所述的空心管可与一个喷烧器喷嘴连接，从而当燃料混合物在所述的空心管内点燃时，点燃气体均匀地在所述的空心管周围并沿着所述的空心管排出。
11.根据权利要求10的喷烧器组件，其中所述的空心长管是圆柱形的，并具有多个放射状间隔分布的狭槽，所述狭槽沿圆柱表面的长度方向延伸，并包括多个细长喷嘴组件，在该细长喷嘴组件的长度方向上具有多个喷嘴开口，所述的喷嘴组件具有一个连通所述的喷嘴开口的压力通风腔，每个喷嘴组件在一个相应的狭槽上方固定在所述的圆柱体外表面上。
全文摘要
本发明由一个脉冲燃烧器组成，包含两个隔开的外板，其中外板具有平坦的外部区域、在平坦区域内的锥形区域和中心毂，其中所述板的锥形区域之间的体积限定了一个燃烧室。该脉冲燃烧室进一步包含多个位于外板之间的中间板，这些中间板相互间隔从而在中间板之间以及在外板和相邻的中间板之间形成尾管区域，另外还有一个连接在毂上的喷烧器，该喷烧器可用于点燃燃烧室内的燃料/空气混合物。外板和中间板具有螺旋冷却液通道，用于传送冷却流体，以冷却在板间流动通过尾管区域的膨胀气体。本发明进一步包含一个在燃烧室内使用的喷烧器组件。
文档编号F23M5/08GK1720414SQ200380104681
公开日2006年1月11日 申请日期2003年10月1日 优先权日2002年10月1日
发明者梅尔扎德·莫瓦萨吉 申请人:动力技术工业有限公司