斯特林发动机用无焰燃烧室的制作方法

本实用新型涉及斯特林发动机技术领域，尤其关于一种斯特林发动机用无焰燃烧室。

背景技术：

斯特林发动机(Stirling Engine)是一种利用外部能源加热的闭式回热循环发动机，它具有效率高、噪音低、污染小以及能源适应性广等特点。燃烧室是斯特林发动机的重要组成部分，其功能为合理组织燃烧与换热，燃烧室的效率和可靠性对斯特林发动机的性能有着重要的影响。

目前采用液体燃料的斯特林发动机燃烧室存在温度分布不均匀，局部温度过高，火焰长度过长等问题。因此，需要采用更为先进的燃烧技术进一步提高斯特林发动机燃烧室的效率和可靠性。

无焰燃烧(Flameless Combustion)技术是一种新的燃烧技术，实现无焰燃烧时燃烧室内没有局部火焰存在，无焰燃烧模式相对于传统燃烧模式具有许多优势，如燃烧温度分布均匀、排放更低、辐射换热增强和燃烧噪音极低，无焰燃烧的这些特点特别适合于应用在斯特林发动机燃烧室。

因此，有效解决目前斯特林发动机燃烧室面临的问题，将大幅提高斯特林发动机燃烧室效率和可靠性。本申请设计的一种斯特林发动机用无焰燃烧室及实施方法

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种斯特林发动机用无焰燃烧室，能够显著提高燃烧室温度的均匀性，降低传热过程不可逆损失，提高斯特林发动机燃烧系统效率，并降低燃烧室火焰峰值温度，避免火焰直接冲刷热腔顶部，同时可以解决火焰峰值温度过高带来的加热器积灰，提高零部件寿命，保证燃烧系统效率长期运行稳定。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种斯特林发动机用无焰燃烧室，包括燃烧室壳体、燃烧器和换热器，

所述的壳体由分离的上壳体和下壳体两部分组成，且在壳体的顶部设置有排气管，而在壳体的底部设置有一换热器筒体；下壳体与换热器筒体的顶部连成一体；

所述换热器筒体的顶部、下壳体和上壳体形成燃烧室空间；

在所述换热器筒体下端设置斯特林发动机的热腔，换热器筒体的顶部将燃烧室和斯特林发动机的热腔隔离开；

在所述壳体内由上而下依次设有用于将氧化剂与液体燃料混合燃烧的燃烧器，以及用于将燃烧产生的烟气进行热量交换的换热器；

所述燃烧器由喷油器、进气管组件、混合管和旋流器构成；所述进气管组件设置在所述喷油器的外侧与所述排气管的内侧之间，用于氧化剂的进入；所述混合管设置在所述喷油器的外侧，且位于所述进气管组件下方，用于将氧化剂与燃烧产生的烟气进行混合；所述旋流器设置在所述混合管的内壁与所述喷油器的外壁之间；

所述换热器包括一圈倒U型布置的换热管，所述换热管的一端与斯特林发动机的热腔连通，另一端与回热器连通，形成循环的工质系统。

本技术方案中，设置的燃烧器中间的喷油器将液体燃料雾化为细小的颗粒，经过蒸发后与套设在喷油器外侧的进气管组件进入的氧化剂经过混合管进行混合，形成可燃混合器，可燃混合气的温度高于液体燃料的着火点，在燃烧区实现无焰燃烧，能够提高斯特林发动机燃烧系统效率，并降低燃烧室火焰峰值温度，避免火焰直接冲刷热腔顶部。同时通过设置换热器，将燃烧产生的烟气进行热量交换，流经换热管后的烟气一部分高温烟气流出燃烧室，一部分经过被卷吸进混合管，实现对氧化剂进行稀释、加热，重新参与到燃烧中，形成稳定的无焰燃烧，这样能够保证燃烧室温度的均匀性，降低传热过程不可逆损失，还能解决火焰峰值温度过高带来的加热器积灰，提高零部件寿命，保证燃烧系统效率长期运行稳定。

优选地，所述进气管组件包括套设在所述喷油器外侧的进气总管，所述进气总管的下端内壁与所述喷油器外壁之间设置一隔热套，所述隔热套与所述进气总管内壁之间开设一用于氧化剂通过的氧化剂喷嘴。

本技术方案中，设置的进气总管主要是用于氧化剂的进入，进入后通过隔热套与进气管内壁之间设置的氧化剂喷嘴，将氧化剂输入至混合管内，有效地控制了氧化剂的量，提高最终的混合效果。同时设置的隔热套能够将喷油器和进气总管进行隔离，避免温度过高影响喷油嘴的使用寿命。

优选地，所述喷油器包括依次连接的进油管，油嘴接体和燃油喷嘴；

所述油嘴接体的外壁上设置一向外凸出的第一凸台，所述第一凸台的上表面与所述隔热套的底端端面接触，所述第一凸台的下表面与所述旋流器连接。

本技术方案中，设置的油嘴接体外壁上设置一第一凸台，利用第一凸台实现对隔热套的限定，提高隔热套的安装稳定性。

优选地，所述氧化剂喷嘴的数量为4～6个，每个所述氧化剂喷嘴的直径为0.8～1.2mm，且4～6个所述氧化剂喷嘴以所述进气总管的中心轴线为圆心径向分布形成一分布圆，所述分布圆直径d与混合管直径的D₁的比值d/D₁＝0.75～0.9。

本技术方案中，将氧化剂喷嘴的数量设置在4～6个，且每个的直径在0.8～1.2mm。目的是保证有足够烟气量，进一步的提高混合效果。

优选地，所述混合管从上而下依次由导流段、混合段、扩压段组合构成，且所述混合管通过若干个连接片与所述壳体的内壁进行连接，若干个所述连接片径向分布在所述混合管的外壁上。

本技术方案中，设置的混合管由用于将烟气导入的导流段，将高温烟气和氧化剂进行混合的混合段，以及扩压段，能够保证气流的角度与喷油器喷出来的液体燃料的雾化锥角相匹配。同时通过设置的连接片实现混合管与壳体的连接。

优选地，所述混合段的内壁上设置一向内凸出的第二凸台，所述第二凸台用于支撑所述旋流器；

和/或；

所述混合段的长度L与所述混合段的直径D₂的比L/D₂＝0.8～1.2；

和/或；

所述扩压段远离所述混合段的一端向外扩张，且扩张角度在5～10度；

和/或；

所述氧化剂喷嘴的顶部为入口，底部为出口；所述氧化剂喷嘴的出口至所述混合段的入口之间的距离大于0.7D₁。

优选地，所述旋流器为轴向旋流器，旋流数Sn>0.6。

本技术方案中，设置的旋流器优选为轴向旋流器，不仅结构简单，分离效果好，更优的是实用性强。

优选地，所述换热管为倒U型结构，所述U型结构的换热管靠近所述壳体内壁一侧为翅片侧，相对的一侧为管侧；所述翅片侧的换热管与回热器连通，管侧的换热管与斯特林发动机热腔连通，且翅片侧上换热管上布置翅片，翅片与换热管焊接在一起，以提高远离燃烧室中心的换热管的换热效果。

本技术方案中，将换热管设置为U型结构，且在U型结构的换热管的翅片侧上设置的翅片，提高内外侧换热的均匀性，提高换热器的性能。

本实用新型提供的一种斯特林发动机用无焰燃烧室与现有技术相比，本实用新型能够带来以下至少一项有益效果：

1、本实用新型利用混合管与进气总管组成引射器和旋流器进行配合，实现了斯特林发动机内的无焰燃烧，提高了燃烧室温度分布的均匀性，提高燃烧系统效率。同时通过喷油器将液体燃料从中间喷出，以及旋流器将氧化剂与高温烟气混合后四周喷出，从降低了火焰峰值温度，避免了火焰直接冲刷斯特林发动机热腔的顶部，省去在壳体内设置挡焰板，从而彻底解决加热管积灰的问题。

2、本实用新型中通过设置的换热器，能够满足对燃烧产生的烟气进行热量交换，保证燃烧室温度分布的均匀性，提高换热效率。

3、本实用新型中通过设置的隔热套，实现喷油嘴与进气总管和混合管之间的隔热，避免温度过高影响喷油嘴的使用寿命，满足提高零部件寿命，保证燃烧系统效率长期运行稳定。

4、本实用新型中将氧化剂喷嘴的数量，以及直径和径向分布形成的分布圆的直径大小均做了一定限定，能够满足足够烟气量进入燃烧区，提高混合效果，进而提高斯特林发动机燃烧系统效率。

5、本实用新型中通过喷油器的油嘴连接体外壁上设置的第一凸台和混合管的混合段内壁上设置的第二凸台，实现旋流器的固定，可以提高运行时结构的稳定性。同时设置的旋流器将混合的烟气在燃烧区内形成回流，进一步降低混合气中氧化剂的浓度，到达无焰燃烧的条件。

6、本实用新型中设置的混合管主要由导流段、混合段、扩压段组合构成；混合管内烟气和氧化剂进行动量、能量和质量的传递，提高氧化剂温度，降低氧气浓度，提供无焰燃烧高温低氧条件，同时通过扩压段保证气流的角度与喷油器喷出来的液体燃料的雾化锥角相匹配，使得混合效果达到最佳。

7、本实用新型的实施方法操不仅操作方便，效果较佳，更优的是利用燃烧产生的烟气对可燃混合气的氧气浓度进行引射稀释，达到控制燃烧温度的目的，同时也提高了废气余热利用，有效地避免传热过程中能量的损失。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种斯特林发动机用无焰燃烧室的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本实用新型的斯特林发动机无焰燃烧室的结构示意图；

图2为本实用新型的斯特林发动机无焰燃烧室中燃烧器的结构示意图；

图3A为图2中喷油嘴与隔热套连接的结构图；

图3B为图2中喷油嘴与隔热套连接的俯视图；

图4为图2中混合管与旋流器连接的结构示意图。

附图标号说明：

001氧化剂，002液体燃料，003高温混合气，004烟气；

100壳体，101上壳体，102下壳体，103换热器筒体，103A上换热器筒体，103B下换热器筒体，103C内圈孔，103D外圈孔，104排气管；

200燃烧器，210喷油器，211进油管，212油嘴接体，213燃油喷嘴；220进气管组件，221A进气总管，221B氧化剂喷嘴，221C隔热套；230混合管，231A导流段，231B接收段，232A上混合管段，232B旋流段，232C下混合管段，233扩压段，234连接片；240旋流器；

300换热器，301翅片侧，302管侧；

401燃烧室，402燃烧区，403热腔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，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。

在本实用新型的斯特林发动机用无焰燃烧室实施例一中，参看图1-4所示，一种斯特林发动机用无焰燃烧室，包括燃烧室壳体100、燃烧器200和换热器300，其中，壳体100由分离的上壳体101和下壳体102两部分组成，且在壳体100的顶部，也就是上壳体101上设置有排气管104，而在壳体100的底部，也就是下壳体102底部设置有一换热器筒体103；下壳体102与换热器筒体103的顶部连成一体。换热器筒体103的顶部、下壳体102和上壳体101形成燃烧空间。其中，换热器筒体103下部为斯特林发动机的热腔403，换热器筒体103的顶部将燃烧室和斯特林发动机的热腔403隔离开。

参看图1所示，具体的，在设置的壳体100内由上而下依次设有用于将氧化剂001与液体燃料002混合燃烧的燃烧器200，以及用于将燃烧产生的烟气004进行热量交换的换热器300，换热器300由一圈纵向布置的换热管束构成。换热管的一端与斯特林发动机的热腔403连通，另一端与斯特林发动机的回热器(图中未标示)连通，工质在管换热管中流动，从燃烧室401吸收热量，形成一个循环的工质系统。

设置的燃烧器200主要由喷油器210、进气管组件220、混合管230和旋流器240构成。实际安装时，将进气管组件220设置在喷油器210的外侧与排气管104的内侧之间，用于氧化剂001的进入，且进气管组件220与排气管104内壁之间构成排气通道。混合管230设置在喷油器210的外侧，且位于进气管组件220下方，用于将从进气管组件220中进入的氧化剂001与燃烧产生的烟气004进行混合；而旋流器240设置在混合管230的内壁与喷油器210的外壁之间，旋流器240使混合气在燃烧区402内形成回流，与引入的烟气004进行混合，进一步降低混合气中氧化剂001的浓度，到达无焰燃烧的条件。

在本实用新型的斯特林发动机用无焰燃烧室实施例一中，参看图1、2所示，设置的进气管组件220包括了一套设在喷油器210外侧的进气总管221A，进气总管221A的下端内部与喷油器210外壁之间设置一隔热套221C，且在隔热套221C与进气总管221A内壁之间开设一用于氧化剂001通过的氧化剂喷嘴221B。通过设置的隔热套221C可以实现对喷油器210的保护，避免温度过高对喷油器210造成损坏，影响其使用寿命。

在本实用新型的斯特林发动机用无焰燃烧室本实施例一中，再次参看图2所示，设置的喷油器210具体的包括依次连接的进油管211，油嘴接体212和燃油喷嘴213，为了避免喷油器210外侧设置的混合管230中流经的高温烟气004对喷油器210造成影响，因此，本申请中将隔离套的底端向下延伸，见图3A所示，同时为提高隔热套221C的连接稳定性，进一步的在油嘴连接体的外壁上设置一向外凸出的第一凸台，第一凸台的上表面用于与隔热套221C的底端端面接触，而第一凸台的下表面用于与旋流器240连接。这样通过设置的第一凸台有限地限制隔热套221C的设置位置，且使得隔热套221C发挥最优的效果。

在本实用新型的斯特林发动机用无焰燃烧室本实施例二中，参看图3B所示，与实施例一相比，优选地，将氧化剂喷嘴221B的数量设置为4～6个，每个氧化剂001喷嘴的直径为0.8～1.2mm，且4～6个氧化剂001喷嘴以进气总管221A的中心轴线为圆心径向分布形成一分布圆，分布圆直径d与混合管230直径的D₁的比值d/D₁＝0.75～0.9。这样可以保证有足够的氧化剂001的量从进气总管221A总流入混合管230中，并与混合管230中卷吸入的烟气004进行混合，提高混合效果。

在本实用新型的斯特林发动机用无焰燃烧室本实施例三中，参看图4所示，具体的设置的混合管230从上而下依次由导流段231A、混合段、扩压段233组合构成。其中，导流段231A是沿混合段向外(即朝向壳体100内壁)扩张设置成一弧形状，这样可以通过弧形状的导流段231A将经过换热器300进行热量交换后的上升烟气导向至混合段内，使其与从氧化剂喷嘴221B中流入的氧化剂进行混合。而设置的混合段由从上至下连接的接收段，上混合管，用于设置旋流器240的旋流段，以及下混合管段连接构成，目的使是的烟气004被从燃油喷嘴213喷出的高速气流卷吸，经过导流段231A，进入接收段231B，在上混合管段232A内进行动量、能量和质量的传递，进入旋流段232B的旋流器240，在旋流器240的作用高温混合气003在燃烧区402内形成回流，进一步降低混合气中氧气的浓度，到达无焰燃烧的条件。

在本实施例三中，设置的混合管230主要是通过若干个连接片234与壳体100的内壁进行连接。实际安装时，是将若干个连接片234径向分布在混合管230的外壁上，这样可以保证连接的稳定性，还可以使得燃烧产生的烟气004能够上升后从相邻的连接片234之间的继续上升，进而实现满足一部分烟气004从排气管104中排出，而另一部分烟气004被再次卷吸入混合管230中与氧化剂001进行混合。应说明的是，本申请中的连接片234具体的是一端与壳体100的内壁连接，另一端与弧形状的导流段231A的端部(即靠近壳体100的内壁一侧)进行连接。

在上述三个实施例中，优选地，在混合段的内壁上设置一向内凸出的第二凸台，通过设置的第二凸台可以实现对旋流器240的支撑。本申请中，具体的将旋流器240卡设在第一凸台和第二凸台之间，进一步的提高连接的稳定性。

在上述三个实施例中，优选地，将混合段的长度L(即图4上下方向上)与混合段(即为圆形柱)的直径D₂的比L/D₂＝0.8～1.2，可以有效地提高混合段中高温烟气004与氧化剂001的混合效果。

在上述三个实施例中，优选地，将扩压段233远离混合段的一端向外扩张，且扩张角度设置在5～10度。

在上述三个实施例中，优选地，具体的将氧化剂001喷嘴的顶部为氧化剂001喷嘴入口，底部为氧化剂001喷嘴出口；将氧化剂001喷嘴出口至混合段的入口(与导流段231A连接处，见图4所示)之间的距离大于0.7D₁。

在本实用新型的斯特林发动机用无焰燃烧室本实施例四中，在上述实施例的基础上做改进，改进之处在于，将设置的旋流器240优选为轴向旋流器240，且旋流数Sn>0.6，有效地降低混合气中氧气的浓度，到达无焰燃烧的条件。

在本实用新型的斯特林发动机用无焰燃烧室本实施例五中，在上述实施例的基础上做改进，改进之处在于，将设置的换热管设置为U型结构，U型结构的换热管靠近壳体100内壁一侧为翅片侧301，相对的一侧，也就是靠近燃烧室401中心的一侧，为管侧302。具体的，将翅片侧301的换热管底端与回热器连通，管侧302的换热管底端与斯特林发动机热腔403连通，且翅片侧301上换热管上布置多个翅片，目的是提高远离燃烧室401中心的换热管的换热效果，尽量是换热器300的内外换热效果均匀。见图1所示，实施安装时，在换热器筒体103的空腔的腔壁顶部开设一圈内圈孔103C，内圈孔103C用于与管侧302的换热管连接；同时在空腔的腔壁与换热器筒体103内壁的连接壁上开设一圈外圈孔103D，外圈孔103D用于翅片侧301的底端穿过与回热器连通。

当然上述的实施例作为一个具体的实施例使用时，其中，为了方便安装，将壳体100设置成由上壳体101和下壳体102连接构成，且将排气管104设置在上壳体101上，而下壳体102的下端与换热器筒体103连接。这样可以在实际安装时，将壳体100内的燃烧器200和换热器300安装完后，在将上壳体101和下壳体102，以及换热器筒体103连接即可。具体的连接方式有多种，本申请中可以优选地采用焊接的方式连接，也可以采用螺栓连接的方式连接。

当然在其他的一个具体的实施例中，进一步的可以将换热器筒体103设置成由上换热器筒体103A和下换热器筒体103B连接构成。应说明的是，上换热器筒体103A和下换热器筒体103B具体的连接方式有多种，本申请中可以优选地采用焊接的方式连接。也可以整体铸造或锻造，再整体机加工的方式。

在本实用新型中还提供了一种实施方法，应用前述实施的斯特林发动机用无焰燃烧室401进行实施的方法，包括以下步骤：

氧化剂001从进气管组件220进入，烟气004卷吸入混合管230内进行混合，经混合的气体流过旋流器240在壳体100内的燃烧区402内形成回流；

液体燃料002从喷油器210进入，经过蒸发后与流过旋流器240的混合气体进行混合，形成可燃混合气，可燃混合气在燃烧区402进行无焰燃烧，燃烧产生的烟气004经过换热器300进行热量交换，交换后的烟气004一部分从排气管104流出壳体100，另一部分被卷吸进混合管230与从进气管组件220进入的氧化剂001进行混合。

在本实施方法中，能够保证经过换热器300进行热量交换后的烟气004温度在1000K以上，卷吸进混合管230的烟气004由导流板进行卷吸，并与从进气管组件220进入的氧化剂001进行混合稀释。

本实用新型中应说明的是，通入的氧化剂001为纯氧，空气，或者纯氧与二氧化碳、氮气的混合物；液体燃料002为柴油、航空煤油、二甲醚其中之一，两者或三者的混合物。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。