具有流动分配部件的燃烧器的制作方法

本发明大体上涉及用在热水器和锅炉中的燃烧器，且更具体地涉及结合此燃烧器使用来提供遍及燃烧器的燃料和空气混合物的改善的压力分布的流动分配部件。
背景技术：
：用于热水器和锅炉的一个公知的架构是用在lochinvarllc(本发明的受让人)生产的一系列热水器中的，如，其power-fin®热水器和锅炉。此类热水器的总体构造可类似于例如授予vallett等人的美国专利号4,793,800或授予baese等人的美国专利号6,694,926中公开的构造。此类热水器使用大体上圆柱形的燃烧器，其同心地收纳在翅片管的圆形阵列内。此类热水器使用预混风机来将空气和气体的混合物供应至圆柱形燃烧器。设计此热水器中遇到的一个问题在于期望提供遍及燃烧器的燃料和空气混合物的平衡的均匀流动，且特别是避免可引起进入燃烧器中的逆燃的燃烧器中的任何负压区域。技术实现要素：在一实施方案中，预混燃烧器设备包括具有大体上圆柱形的燃烧器表面的燃烧器，燃烧器具有中心轴线，且具有燃烧器的一端处的大体上圆形的燃烧器。燃烧器入口具有入口直径。流动分配部件布置成将燃料和空气混合物流分配到燃烧器中。流动分配部件包括构造成阻挡燃料和空气混合物流沿轴向在中心进入燃烧器的闭合的轴向中心部分。流动分配部件还包括从闭合轴向中心部分沿径向向外延伸的多个导叶。导叶构造成生成燃料和空气混合物的旋流，其流过导叶进入燃烧器中。封闭轴向中心部分可为盘形，且可具有范围从内径的大约百分之10到大约百分之20的盘直径。燃烧器入口可限定大体上垂直于燃烧器中心轴线的入口平面，且导叶中的每个均可定向成与入口平面成范围从大约30度到大约60度的导叶角。导叶中的每个均可为平面。导叶中的每个均可为大体上三角形。导叶中的每个均可具有范围从入口直径的大约百分之40到大约百分之45的径向长度。导叶阵列可包括至少12个且不大于20个导叶，其围绕燃烧器的中心轴线大致等距沿周向间隔开。流动分配部件可包括成型的一体式的片，导叶分别大体上为三角形，具有两个自由侧和一个附接侧，附接侧大体上关于燃烧器的中心轴线沿径向延伸。流动分配部件可具有燃烧器入口的截面面积的大约百分之50到大约百分之70的范围的总开放面积。流动分配部件可包括从封闭的轴向中心部分向外延伸的多个辐条，导叶中的每个均附接至辐条中的一个。流动分配部件可包括连接至辐条的径向外端的径向外平面凸缘，凸缘构造成安装流动分配部件。该设备可进一步包括构造成将燃料和空气混合物提供至燃烧器入口的风机，风机具有风机出口，风机出口具有一风机出口截面面积，其中，燃烧器入口具有大于风机出口截面面积的入口截面面积。导叶可构造成使得燃烧器入口附近和下游的螺旋流型防止火焰流回到燃烧器入口附近的燃烧器中。燃烧器设备可与热水器组合使用，热水器与燃烧器成换热关系。在另一实施方案中，提供了一种用于操作燃烧器的方法，包括：(a)将入口流空气混合物提供至燃烧器的入口，入口大体上是圆形；(b)阻挡入口的轴向中心部分，且从而防止入口流沿轴向在中心流入入口；以及(c)在流穿过轴向中心部分与燃烧器入口的直径之间的环形区域时，使入口流成旋涡，且产生螺旋流型，使得避免在燃烧器入口附近的燃烧器中的负压。该方法可进一步包括：步骤(a)中燃烧器是具有圆柱形燃烧器表面且具有一定轴向长度的圆柱形燃烧器，以及在步骤(c)中螺旋流型沿燃烧器的整个长度延伸。螺旋流型可引起燃料和空气混合物沿燃烧器的整个长度以大致均匀的速度流出燃烧器表面。螺旋流型可避免在沿燃烧器的整个长度的任何位置处产生负压。燃烧器可在超过1.0mmbtu/hr的输出下操作。步骤(a)的入口流可由具有风机出口的风机提供，该风机出口具有的出口截面面积小于燃烧器入口的入口截面面积。该方法可进一步包括以与燃烧器成换热关系的换热器加热水的步骤。本领域的技术人员在连同附图考虑时阅读以下公开内容时将更容易理解本发明的许多目的、特征和优点。附图说明图1为热水器设备的示意图。图2为图1中的热水器设备的放大示意性截面视图。图3为结合图1和2的热水器设备使用的预混风机和圆柱形燃烧器的透视图。图4为图4中的风机和燃烧器组件的侧立面视图。图5为沿图4中的线5-5截取的截面视图，示出了具有处于燃烧器设备的入口处的流动分配部件的燃烧器设备的截面。图6为图5中的流动分配部件的平面视图。图7为沿图6的线7-7截取的流动分配部件的截面视图。图8为图6的流动分配部件的顶部透视图。图9为从图7的右手侧的圆形部分内的图6的流动分配部件的外安装凸缘部分的放大截面视图。图10为示出流动分配部件下游的螺旋流型的燃烧器的示意性截面视图。图11a为在没有压力分配部件的情况下测试燃烧器内的压力分布的测试机构的示意性立面视图。图11b为图11a的测试机构的示意性底视图，示出了燃烧器入口截面上叠加的风机出口截面，且示出了燃烧器入口的截面的四象限内的压力测试点的位置。图12a为利用压力分配部件来测试燃烧器内的压力分布的测试机构的示意性立面。图12b为图12a的测试机构的示意性底视图。图13为使用cfd(计算流体动力)模拟计算的没有流动分配部件的基准燃烧器的流速/压力分配的视觉描绘。图13的左侧是沿图11b中所见的风机出口的中心线112的截面。图13的右侧是沿图11b中所见的风机出口的中心线114的截面。图13的中部中的表格识别流速范围区a,b,c等。图14为使用cfd(计算流体动力)模拟计算的带有本文公开的流动分配部件的燃烧器的流速/压力分布的视觉描绘。图14的左侧是沿图11b中所见的风机出口的中心线112的截面。图14的右侧是沿图11b中所见的风机出口的中心线114的截面。图14的中部中的表格识别流速范围区a,b,c等。图15为使用cfd(计算流体动力)模拟计算的具有替代本文公开的封闭中心的开放中心的流动分配部件的相当的燃烧器的流速/压力分布的视觉描绘。图15的左侧是沿图11b中所见的风机出口的中心线112的截面。图15的右侧是沿图11b中所见的风机出口的中心线114的截面。图15的中部中的表格识别流速范围区a,b,c等。具体实施方式现在参看附图，且具体参看图1，热水器或锅炉设备被示出，且大体上由数字10标明。如本文使用的术语热水器是指用于加热水的设备，包括蒸汽锅炉和实际上不使水"沸腾"的热水器两者。本论述的大部分将设备10称为锅炉10，但将理解的是，该描述同样适用于不使水沸腾的热水器。锅炉10包括换热器12，其具有水侧14，水侧14具有水入口16和水出口18。换热器12的总体构造可类似于例如授予vallett等人的美国专利号4,793,800或授予baese等人的美国专利号6,694,926中公开的，其细节通过引用并入本文中。换热器可为多程交换器，其具有布置成圆形图案的多个翅片管，其中燃烧器同心地位于翅片管的圆形图案内。在图2中，换热器12示出具有由多个垂直地定向的翅片管24连接的上集管20和下集管20。本文公开的燃烧器设备还可结合换热器的其它布置来使用。燃烧器26同心地收纳在翅片管24的圆形阵列内。燃烧器26与换热器12可操作地关联，以用于加热容纳在换热器12的水侧14中的水。在各个翅片管24内，水从燃烧器26接收热，其直接发射到翅片管24的外翅片上。燃烧器26为称为预混燃烧器的类型，预混燃烧器焚烧燃烧空气和燃料气体的之前混合的混合物。在图1中所示的系统中，文氏管28提供成用于混合燃烧空气和燃料气体。其它类型的混合装置可用于替换文氏管28。空气供应管30提供燃烧空气至文氏管28。气体供应管线32将燃料气体提供至文氏管28。气体控制阀33设置在供应管线32中，以用于调节进入文氏管28的气体量。气体控制阀33包括一体的截断阀。截断阀35也可设置在供应管线32中。为了提供燃烧器26的可变输出操作，可变流动的风机34在风机流速范围内的受控风机流速下将预混的燃烧空气和燃料气体输送至燃烧器26。风机34可由变频驱动电机36驱动。作为备选，具有脉宽调制驱动器的变速电机可用于驱动风机34。气体管线32将连接至常规燃料气体供应源(未示出)如市政气体管线，其中适合的压力调节器等用于控制供应至文氏管28的气体的压力。气体控制阀33优选是用于在与进入文氏管28的流速成比例的可变气体速率下提供燃料气体至文氏管28的比例气体阀，以便在风机34操作的流速范围上保持预定的空气与燃料比。点火模块40控制与燃烧器26相关联的电动点火器42。来自燃烧器26的燃烧气体经由连接至排出气体烟道46的燃烧气体出口44离开锅炉10。水入口16和出口18可连接至加热系统的流动回路38。泵39可使水循环穿过流动回路38，且因此穿过换热器12的水侧14。多个温度传感器位于锅炉设备10各处，包括水入口16处的传感器t1、水出口18处的传感器t2，以及排出气体出口44处的传感器t3。风机至燃烧器的过渡管48可将风机出口50连接至燃烧器入口52。流动分配部件54可位于燃烧器入口52处。如图3-5中最佳可见，燃烧器26具有大体上围绕燃烧器中心轴线58同心地设置的大体上圆柱形的燃烧器外表面56。燃烧器入口52是位于燃烧器26的上端处的大体上圆形的燃烧器入口52。燃烧器入口52具有入口直径60。燃烧器具有从燃烧器入口52到燃烧器底部64的长度62。在所示实施方案中，燃烧器26的圆柱形外表面56以有孔材料覆盖，例如，如线网、织造线织物、陶瓷材料等，其大体上由图3和4中所示的有孔材料66的斑块指出。将理解的是，整个圆柱形外表面56将由这样的有孔材料66构成。在所示实施方案中，燃烧器26的底部64是闭合的非多孔底部。因此，如图2中示意性所示，大体上径向向外延伸的凸缘68将形成在燃烧器26的圆柱形外表面56上，且将加热周围的换热器管24。风机34的风机出口50具有可大体上为矩形的风机出口，且具有可小于燃烧器26的圆形入口52的圆形入口截面面积的风机出口截面面积。这可通过查看在图5的截面视图中最佳看到的风机到燃烧器的过渡管48的扩散放大截面，以及通过查看下文所述的图11b中所见的叠加的矩形风机出口截面和风机入口截面来最佳认识到。当使用预混风机如风机34来将燃料和空气混合物供应至圆柱形燃烧器入口52时，在没有流动分配部件54的情况下，流出风机34且进入燃烧器入口52的燃料和空气混合物的高速流可引起燃烧器52的入口处的负压区，且在其下游的短距离内，其可导致将火焰推回燃烧器26。另外，穿过其截面离开风机出口50的速度轮廓在穿过风机出口50的整个截面面积的情况中通常是不均匀且不等的，这可导致燃烧器26的不均匀加载。此外，从风机出口50穿过燃烧器26的高速流可在正常运行状态下引起热水器设备10的噪音操作。该问题可在风机出口50截面大致小于燃烧器入口52截面的布置中更严重。但是，可存在引起进入燃烧器入口52的不等速度轮廓的其它起因，例如，风机34内的离心效果引起的不等分布，或风机34与燃烧器26之间的导通引起的流动干扰。本文所述的流动分配部件54可用于任何适合的情形，包括风机出口50的截面大于燃烧器入口52的截面的布置。流动分配部件54提供成分解离开风机出口50的燃料和空气混合物的流型，且在燃料和空气混合物从燃烧器入口52朝燃烧器底部64向下流过燃烧器26时，将此燃料和空气混合物改道成螺旋流型106(见图10)。该螺旋流型106在燃烧器入口52附近和下游不远的燃烧器的颈部处产生向外的压力，且还遍及整个燃烧器长度62，因此遍及燃烧器26的整个长度地引起燃料和空气混合物在相等或大致相等的火焰速度下离开燃烧器26，因此消除了负压区。此外，流动分配部件54可消除风机速度轮廓对燃烧器平衡的影响。风机34的出口50处的固有不等速度轮廓通过导致平衡燃烧器24的流动分配部件54被改道成螺旋流型106。最后，通过分解离开风机出口50的流型，流动分配部件54减小了在正常操作期间的热水器10的燃烧系统的噪音水平。流动分配部件54的一优选构造在图6-9中更详细示出。流动分配部件54包括封闭轴向中心部分70，其构造成阻挡燃料和空气混合物流沿燃烧器轴线58在轴向中心进入燃烧器26。流动分配部件54进一步包括从封闭轴向中心部分70沿径向向外延伸的多个导叶72。导叶72构造成生成流过导叶72进入燃烧器26的燃料和空气混合物的旋流106。如图6中最佳所示，封闭的轴向中心部分70大体上是盘形，且具有入口直径60的大约百分之10到大约百分之20的范围中的盘直径74。如图5中所见，燃烧器入口52可描述为限定大体上垂直于燃烧器纵轴线58的入口平面76。导叶中的每个72均可描述为以图7中最佳示出的导叶角78来定向。导叶角78可在大约30度到大约60度的范围中，且更优选可在大约35度到大约45度的范围中。将认识到的是，对于平面导叶72，导叶78是导叶72的平面与平面76入口之间的角。如图7中所示的角78仅为示意性的，且并未准确绘出两个平面之间的角。在所示的实施方案中，导叶72中的每个均可描述为大体上为平面，且大体上为三角形。然而，将认识到的是，导叶72也可弯曲。在图6-9中所示的实施方案中，流动分配部件64包括成型的一体的材料片，如，冲压的钢。如图6和7中所识别出的那样，导叶72分别大体上是三角形，具有两个自由侧80和82和一个附接侧84。附接侧84可描述为关于燃烧器26的中心轴线58大体上沿径向延伸，且可描述为限定导叶72的径向长度86。径向长度86优选在入口直径60的百分之40到百分之45的范围中。在图6-8中所示的实施方案中，流动分配部件54包括十四个导叶72，其布置成围绕燃烧器26的中心轴线58大致等距沿周向间隔开的阵列。导叶的阵列优选包括至少十二个且不大于二十个导叶72。流动分配部件54包括从封闭的轴向中心部分70沿径向向外延伸至环形外凸缘部分90的多个辐条88。将认识到的是，在图7的视图中，封闭的轴向中心部分70、辐条88和凸缘部分90大体上是平面，且导叶72沿其固定侧84从该平面折叠。导叶72中的每个均可描述为在导叶72的附接侧84处附接到辐条88中的一个上。流动分配部件54可描述为具有平面或其截面面积中的多个三角形开口，其中各个开口均限定为附接侧84与径向开口边缘92和外开口边缘94之间的矩形开口。流动分配部件54的总开放面积优选在圆形燃烧器入口52的截面面积的大约百分之50到大约百分之70的范围中。将认识到的是，该开放区域的有效性也取决于导叶角78。流动分配部件54也可具有形成在其上的径向向外上翻的环形壁96，其以有助于流动分配部件54在燃烧器设备26的入口52中的放置和保持。实例流动分配部件54的一实例具有7.727英寸的外径98。封闭的轴向中心部分70具有1.0英寸的盘直径74。十四个导叶72中的各个均具有3.16英寸的径向长度86。第一自由侧80中的各个和对应的外开口边缘94均具有1.25英寸的长度。这提供了具有燃烧器入口52的截面面积的大约百分之58的总开口区域。导叶72为大约40度的导叶角78。刚才所述的流动分配部件54设计成与设计用于以4.0btu/hr的最大额定能力的热输出的燃烧器26一同使用。大体上，设备10可描述为具有超过1.0mmbtu/hr的最大额定能力的热输出。对于设计成具有4.0btu/hr的最大额定能力的燃烧器26而言，入口流100在燃烧器26的入口52处可具有在低火下为10.4ft/sec和高火下为52.2ft/sec的流速。示例性流动分配部件54经测试来比较具有和没有流动分配部件两者的燃烧器中的压力分布。图11a为燃烧器26的示意性立面视图，列出了从其入口52到其底部64沿燃烧器的长度的六个轴向测试位置1到6。燃烧器26具有40英寸的长度62，以及7.8英寸的入口直径60。图11b为燃烧器26的示意性底部视图，在燃烧器的截面上叠加地示出了风机出口50的位置。风机出口50具有3.6英寸的沿中心线112的宽度，以及6.7英寸的沿中心线114的长度。图11b中还示出了燃烧器截面的四象限中的压力检测管的位置。压力检测管靠近圆柱形燃烧器的内表面插入穿过燃烧器底部64，以便测量燃烧器壁附近的燃烧器26中的空气压力。压力检测管110a-d是可沿纵向移动的，以便使其开口端位于图11a中看到的测试高度1-6中的期望的一个处。压力检测管的位置还对应于风机出口50的定向。压力检测管110a和110d与横过矩形出口50的截面的宽度的中心线112对准，且压力检测管110b和110c与横过矩形出口50的截面的长度的中心线114对准。测试通过利用在5500rpm下操作的风机34将空气吹入燃烧器26且测量沿燃烧器26的长度的六个不同高度1-6中的各个处的截面的四象限中的空气压力来执行。数据显示在以下表i中，其中压力数据显示为"英寸水"。表i高度位置离燃烧器入口的距离(英寸)压力检测管110d压力检测管110c压力检测管110b压力检测管110a13.25-0.022.200.850.3425.750.292.901.701.20313.751.203.001.501.80421.501.502.601.501.70528.751.602.101.301.60635.751.501.801.201.40如表i中所见，很低的压力为在高度位置1和2处的压力检测管110d所经受，且为在高度位置1处的压力检测管110a所经受。这些位置对应于出口50的宽度中心线112，且它们是可发生火焰回流到燃烧器中的位置。另外，燃烧器入口52附近的任何选择的高度位置的四象限中很缺少压力数据的一致性。图12a和12b类似于图11a和11b，但适用于测试带有按照上文所述的实例构造的流动分配部件54的燃烧器26。注意，在压力检测管110d和110a的象限中，其中在图11a和11b的测试中观察低压问题，附加的高度测试位置1.1-1.5加入燃烧器26的上部分中，以进一步探索压力分布。使用流动分布部件54的测试结果可见于以下的表ii中：表ii高度位置离燃烧器入口的距离(英寸)压力检测管110d压力检测管110c压力检测管110b压力检测管110a13.252.901.501.702.101.13.752.00nana2.201.24.251.60nana2.401.34.751.90nana2.301.45.251.90nana2.201.55.752.20nana2.30213.751.401.501.801.20321.501.201.101.101.10428.750.970.970.900.97535.750.720.840.750.76将注意，与表i相比，在燃烧器入口52附近存在高更多的压力，且没有负压区。另外，在使用流动分布部件54的情况下，相比于表i的数据，对于任何给定的高度位置，存在横过四象限的好更多的截面压力一致性。cfd模拟图13-15代表cfd(计算流体动力)模拟。图13代表基准模拟，其针对没有流动分配部件54的燃烧器26而完成。图14代表使用流动分配部件54的燃烧器26的模拟，其具有大致类似上文针对图12a和12b的测试数据所述的实例的那些的大小。图15代表比较的cfd模拟，其针对替代具有封闭中心70而具有开放中心的改变的流动分配部件而完成。在图13中，存在沿图11b中所见的风机出口50的矩形截面的两条中心线112和114截取的两个截面。图13的左侧上的截面沿较短的中心线112截取，且图13的右侧上的截面沿较长的中心线114截取。在图13的两个截面视图之间，存在示出经计算的流体速度的区的表格，这些流体速度还对应于流体压力。因此，表示为"a"的区代表从107.732ft/s降到95.761ft/s的范围的速度。具有该范围内的速度的截面视图中的对应区域由具有字母"a"的标记线来识别。对流速b,c等的区域提供了类似的指示。通过比较所明显的是，沿轴线112比沿轴线114更缺少流速的一致性。这是因为风机出口50的截面形状与沿轴线112的燃烧器入口52之间存在较大的不连续性。如图13的左侧上的截面上可见，在i,h和g速度区域中存在具有的很低速度的显著的区域，这代表了逆燃可发生的低压或负压区域。明显的是，这些问题区域沿横过风机出口50的较窄宽度的中心线112定位。图14以类似于图13的格式表示，且代表包括具有如本文所述的封闭中心70的流动分配部件54的燃烧器26。再者，图14的左侧上的截面沿中心线112截取，且图14的右侧上的截面沿中心线114截取。在两个截面中，流速在给定截面的所有四个象限中比图13中的结果更一致。另外，燃烧器入口52附近没有低压区或负压区。最后，呈现图15以用于将具有封闭中心部分70的流动分配部件54的性能与具有相似径向导叶但替代封闭中心70而具有开放中心的流动分配部件相比较。如明显的是，存在入口52附近的很高的轴向速度流，其由入口52附近的一些相对较低速度的区域包绕。穿过各个截面，尤其是燃烧器入口52附近很缺少流速的一致性。图15中模拟的流动分配部件在邻近于燃烧器入口52的燃烧器表面附近产生很低的流速，且在某些情况下，此设计可经受火焰到燃烧器中的逆燃。操作方法操作燃烧器设备26的方法可参照图10的示意图描述为以下。燃料和空气混合物的入口流100经由风机到燃烧器的过渡管48从风机34的出口50提供至燃烧器26的入口52。入口52的轴向中心部分102被流动分配部件54的封闭轴向中心部分70阻挡，从而防止入口流100沿轴向在中心流入入口52中。这使入口流100转移穿过轴向中心部分102与燃烧器入口52的外径60之间的环形区域104。此外，导叶72在入口流100穿过导叶72时使入口流100成旋涡，因此产生了图10中的106处示意性示出的螺旋流型。螺旋流型106沿燃烧器26的整个长度62延伸。由于螺旋流型106且缺少入口52附近至燃烧器26的轴向中心流，在沿燃烧器26的整个长度62上避免了负压，特别是在燃烧器入口52附近。此外，螺旋流型106引起燃料和空气混合物沿燃烧器26的整个长度62在大致一致的速度下流出燃烧器出口表面56。导叶72充当对燃料和空气混合物的方向引导。导叶72的角78可变化，但应当足够大，以便于产生燃料和空气混合物的漩涡运动来形成螺旋流型106。在螺旋流型106的情况下，针对穿孔的燃烧器壁56提供向外的压力，这继而又提供了遍及燃烧器26的长度62的均匀且大致相等的火焰图案。因此，可看到，本发明的设备和方法容易实现所提到的目的和优点，以及本文固有的那些。尽管出于本公开内容的目的示出和描述了本发明的某些优选实施方案，但部分和步骤的布置和构造的许多变化可由本领域的技术人员制作出，这些改变涵盖在由所附权利要求限定的本发明的范围和精神内。当前第1页12