CN1016265B - 燃烧装置 - Google Patents

Abstract

燃烧含两种可溶成分组成的可燃混合物的燃烧装置，有一个燃室机体、第一种成分输入件和第二种成分输入件以及一个燃气排气口。第一输入件是个注射管，在其朝排气口的终端有个后轴向孔，另一端有个前轴向孔，两孔间有个狭窄点和至少一个斜孔道，斜孔道径向地朝中心轴线斜向设置，指向后孔，从机体通向狭窄点，或在前孔一方通到狭窄点前面，流入机体的部分第二种成分经斜孔道流至狭窄点，与经前孔流入的第一种成分混合，在后孔内燃烧，并由此孔流入机体。

Description

本发明是一种燃烧装置，燃烧一种含有两种可溶成分的可燃混合物。

谈到燃烧过程，正如现代内燃机上的燃烧过程一样，可以分为封闭式的系统和开启式的系统。封闭式系统指的是一种封闭式的燃烧室，在室内，燃料和氧化剂同时输入、燃烧，并然后燃烧气体的膨胀进行机械传动工作或产生热量。

若开启式系统，则燃料和氧化剂在一个燃室内燃烧，燃烧气体作为射流从燃室的一个出口排出，这种气体射流可以作为飞机，航天机或透平上的驱动机构来使用，也可以用它作诸如加热等其它目的。

使用开启式系统，其燃料和氧化剂流入燃室的流速很高，对点火性能会产生不利影响，燃料和气化剂的易燃混合比范围将随着流速和燃室压力的增高而缩小。

如果不能遵循燃料和氧化剂之间的必要的易燃混合比，那么就会变成所谓的熄火，焰峰会中断，媒质会不经燃烧流经燃室。要是燃料本身极不均匀，那么不采用价格昂贵的辅助结构和辅助方法要遵循这一易燃范围是不可能的;要是燃料燃烧极快或甚至爆燃，如氢气那样，那么，在流速较快，燃室压力相应较高的情况下，易燃范围将变得极小。这种热影响可能已导致易燃范围位移，结果变成熄火。

如果低配比混合物燃烧发热有利，那么在要燃烧的媒质流速较高、燃室压力相应很高的情况下，同样会产生一个很小的易燃范围，即使在这里熄火的危险也很大。为了达到高热有效系数，在开启式系统上不得不使用一种相当昂贵的、带预燃室和阀门的结构。

解决点火问题的另一个办法是使混合物过浓， 远远超出化学计量平衡，但这将会使得热有效系数较差，采用催化剂补救办法是会很贵的，可能也会破坏环境。

在US-pS3733165中对一种燃烧液体燃料的燃烧装置作了说明，它是使用氧气和空气作为氧化剂的。使用这种燃烧装置是设法把氧气的使用与少量火焰容积配合，以达到尽量充分的燃烧，使由于采用纯氧而可能达到的高温不至于因大量火焰容积重又降低。为此，用一个纯氧喷嘴，经中心管，在它周围较大的一个导管中输入燃料，紧挨着喷嘴前，一小部分燃料经斜孔道进入氧气预燃室，在那里与氧气涡流一起，然后在预燃室内与少量高热火焰一起燃烧，由于高热火焰使其周围的绝大部分燃料得以充分气化，在一个同轴围绕燃料管的第三根管子里输入燃烧空气，然后连同气化的、部分雾化的以及反应性强的燃料一起燃烧。上述这种燃烧装置中的、用燃烧空气的主燃料是在一个经喷嘴口发射出的平面上进行的，在这个平面上，气化燃料和空气这两个反应组分同时从喷嘴流出，这时候，现存氧化剂-纯氧和空气-的总量，从化学计量看，存量还很充足。这一燃烧装置对低于化学计量的燃烧，即对低配比混合物的燃料中产生的问题，尤其是在高流速时产生的问题是不予处理的。

因此，本发明的任务是：创造一种燃烧装置，它能燃烧一种带可溶氧化剂的可溶燃料，使用这一装置可避免由于低配比混合物而出现的点火问题。

为解决本发明的上述目的，本发明提供了一种燃烧装置，这种燃烧装置燃烧一种可燃混合物，这种混合物含有两种可溶成分，其中至少有一种成分可高压或高速输入，这种装置有一个带燃室的机体、供输入和混合第一种成分和第二种成分的构件、一个燃烧气体的排气口、一个朝排气口方向伸入燃室机体并带一用以输入第一种成分的轴向孔的注射管、一个在轴向孔中的狭窄点以及至少一个径向地朝中心轴线斜向设置而从燃室机体的内室以其内终端指向轴向孔的斜孔道，通过斜孔道一部分流入燃室机体的第二种成分流入轴向孔而与第一种成分混合，其特征是：所述的燃室机体较注射管伸入燃室机体的部分长，所述的注射管在其朝向排气口的一端具有一较大的后轴向孔，在其背向排气口的一端具有一较窄的前轴向孔，在两孔之间有一狭窄点，还具有以其内终端朝向后轴向孔通向狭窄点或在其附近通向前轴向孔的总截面可变的斜孔道，混合物作为高配比高着火性混合物大部分在后轴向孔内燃烧，从而加热后轴向孔的内壁，再由此进入燃室机体的后部以与第二种成分的其余部分混合而作完全的燃烧。

注射管的优点是由一个带后轴向孔的基本部件和一个带前轴向孔的、在基本部件内能轴向运动的共轴注射针所组成，同时，通过注射针的轴向运动，斜孔道总横截面是可变更的。

如果注射管内燃烧的能量很充分，那么在注射管外壳上配上散热片对完善发明可能是必要的，这样，发散到沿注射管外侧流动的第二种成分即氧化剂上的热量就比较高。

如果燃室机体是前面开启式，譬如像冲压式空气喷气发动机那样，那么在进一步完善发明时，注射管必须是折角折挠或弧形弯曲形成。

在燃烧装置的特殊造形方面，这种机体是一个圆柱形燃室机体，带一个顶端部件，这一顶端部件有一个中心孔，用以紧夹注射管，孔周围安装喷口，作为第二种成分的输入装置。

在本发明的独特外形方面，注射管是由一种催化物质组成，或配备一种催化物质。

在样图中，本发明的实施例是以透视描述、部分剖面描述来显示的，附图有：

图1带一个燃室机体和一个注射管的燃烧装置;

图2无注射管的燃烧装置（见图1）;

图3一个不可调节的注射管;

图4一个可调节的注射管;

图4A对可调节注射管的解体描述（见图4）

图4B带开启式斜孔道的可调注射管（见图4）

图4C带几乎是封闭式斜孔道的可调注射管（见图4）;

图5一个带散热片的注射管和

图6一个带折角挠曲注射管的燃室相体。

图1对带燃室机体1和注射管2的燃烧装置作了透视描述、部分剖面描述。燃烧机体1是在燃室压力高、或流入速度快的情况下用作燃烧一种带可溶氧化剂的可溶燃料。“可溶物质”是指气体或乳剂、溶液混合物或具有可溶性能的带固体颗粒的气体等全部溶液。譬如作为一种实施例，在图1和图 2中对带圆盘状顶端部分11的圆柱形燃室机体1作了描述，这一顶端部分11配备一个中心孔12（见图2），用来紧夹注射管2，孔周围装有若干个喷嘴13，作为可燃混合物的第二种成分的输入构件，譬如喷嘴131-136在图2中清晰可见，但喷嘴13的数量及位状并不具有重要发明意义。燃烧气体从燃室机体内，经排气口15以射束状曳出。

图3描述的注射管2是用作可燃混合物第一种成分的输入构件，在其朝排气口15方向的后终端上有一个后轴向孔21，在其离排气口15的终端上有一个较狭窄的前轴向孔22，两孔（21，22）之间有一个狭窄点23，此外，还有若干个斜孔道241，242，径向地朝中心轴线i斜向设置，其卷角为α。指向前轴向孔22，从燃室内室通向狭窄点23，或在后轴向孔21方面通到紧靠狭窄点23的前面。一部分流入燃室机体的第二种成分，经斜孔道241，242流入狭窄点23，或流到紧挨着狭窄点的前面，在那里与流经后轴向孔22的第一种成分混合，并在后轴向孔21中燃烧。由于斜孔道241，242形成一个带注射轴i的尖角α，所以经斜孔道241，242流向狭窄点23的第二种成分对经前轴向孔22流进的第一种成分起着一种抽引作用。全部斜孔道241、242的横截面面积与前轴向孔的横截面面积一起比狭窄点23的横截面面积大，因此，斜孔道241，242即使全部或局部汇入狭窄点23，那时候，全部斜孔道241，242的横截面面积也不加算进狭窄点23的横截面面积。

可燃混合物的点火是在燃室机体内用点火探测器3进行的。对此，在燃烧装置的点火阶段内，用仅仅微弱压力或仅仅缓慢流速，将可燃混合物的两种成分送入燃室机体，点火后，火焰射至两个轴向孔道21，22之间的狭窄点23前折回，而不是越过狭窄点出去。可燃混合物的两种成分先是在狭窄点23处混合，因为在前轴向孔22内的狭窄点23的前面没有易燃混合物，在开启式燃烧装置上，譬如说在燃室机体1内的燃烧压力为4巴，那么第二种成分空气以5巴至6巴的压力，通过喷嘴13输入燃室机体内，第一种成分燃料则以0.6巴的压力输入注射管2，燃烧的反压或不均匀现象，即使压力差异悬殊，也不会发生。

出于技术上和经济上的考虑，作为低配比混合物的第二种成分，如空气，如果过剩，那么尤其是燃烧装置的燃烧性能很重要。使用注射管2的作用是，即使在燃室机体1内改变压力和流速，关于混合物易燃性方面的燃烧性能不会改变，只有在改变注射管安置（如图4B和图4C描述的那样）的情况下才受影响。因此，通过对斜孔道241，242的扩大和缩小可以影响在注射管2内的燃烧。如果只是通过抑入燃室机体1的空心针（带喷嘴或不带喷嘴）将第一种成分输入燃室机体1，那么，上面所描述的将燃烧装置的燃烧性能与混合物的低配比率的脱钩现象是不存在的，这里可能会导致产生降低易燃性的低配比混合物。

后轴向孔含有一种多油脂混合物，因为较大一部分第二种成分从注射管2的外部流过，只有较少一部分经斜孔道241，242流入注射管2的第二种成分与注射管2中的第一种成分起反应，在注射管2外部的、并沿着它流过去的那部分第二种成分起着套管气流的作用，并以此阻止注射管2的热气从燃烧系统流失。这种套管气流会减缓从注射管2流出的高温管芯气流向燃室机体1的外墙传热，因为对热损失来说，只有套管气流和外墙之间极微小温度落差才是决定性的。这样，持留在燃室气体中的能量更多些，总的燃烧效应系数更好些。在注射管2的后轴向孔21内燃烧的时候，经斜孔道241，242，243，244进入注射管2的那部分第二种成分与经前轴向孔22流入的第一种成分起反应，但是燃烧时，由于种种原因，未燃尽的残余部分可能由注射管2进入燃室机体1，随后，在管芯气流到其周围的套管气流的边缘区，套管气流中的第二种成分（不是经斜孔道241，244进入注射管的）和第一种成分的未燃尽残余部分（经注射管2进入燃室机体1的）之间会产生反应。在下列情况下，可能会产生第一种成分的未燃尽残余部分：

-如果一种或两种成分不均匀。

在这种情况上，后轴向孔21的燃烧，会随着一种或两种成分的组成变化而变化，如果燃料不均匀，则要调整成分的容积比，使肯定在易燃范围内的混合物，即使其成分的能含量极少，也能在后轴向孔21内燃烧，另一方面，这意味着，如果第一种成分的能含量很高，它也不会完全和经斜道孔241-244进入注射管2的第二种成分起反应。

-另一种情况是，第二种成分的未燃尽残余部分也可能由于压力或流速（其后果又是压力）的改 变而产生，这种压力和流速的改变，其进一步的后果是第一种成分的能量密度发生变化。如果借以输入成分的流速或压力有波动，那么，当注射管2的后轴向孔21内发生反应时，同样可能产生未燃尽残余部分。

-如果在注射管2的后轴向孔内的燃烧反应速度很小，以致成分流经后轴向孔21的时间不够一次充分的反应，那么，这也可能产生未燃尽残余部分。譬如，这一点在缓缓燃烧的乳剂是可以想像的。在这种情况下，注射管2的结构，尤其是后轴向孔21的长度对燃尽有着根本性的影响。

在离开注射管2的后轴向孔21时，第一种成分的未燃尽残余部分，温度很高，以致马上会与套管气流中的第二种成分起反应。

如果一种或两种燃料成分很不均匀，那么能优化调整注射管25中两种成分的混合比是很必要的。此外，图4，图4A所描述的注射管25是由基本部件26所组成的，这一基本部件有后轴向孔21和一支在基本部件26中可轴向移动的，带前轴向孔22的共轴注射针27。由于注射针27在基本部件26中的轴向移动，斜孔道243，244的全部横截面是可以变更的。

由此，随意改变两个成分在后轴向孔21中燃烧时的混合比是可能的。图4A对基本部件26和注射针27作了一个解体说明。如，通过基本部件26和注射针27之间的螺纹（图中未加以说明）可以对基本部件26中的注射针27进行一次清晰的分辨。

在图4B，4C中，对注射管25作了说明，上面标有注射针27的两个极限值位置。在图4B中，斜孔道243，244是完全开启的，而在图4C中几乎是封闭的。如果在同一个注射管25中燃烧不同的成分，那么在由一种燃料更替另一种燃料时，只须对注射针27按事先规定的方式作改变或重新调整。

在附图中只是对两组斜孔道241，242及243，244各自作了说明，显然，斜孔道的数量不仅仅限于这个数量，而是可以备置很多斜孔道，以满足输入足够的第二种成分或空间等同分配的需要。

图5对注射管2作了说明，管外壳有散热片28，散热片28的数量及几何图形应按情况决定。

最后，图6是一个前面开启式的燃室机体4，机体内置入注射管2。通过轴肩29，也输入第一种成分，像圆弧截面一样，轴肩29也可以是弯曲的。这样，带可变横截面的斜孔道243，244的注射管25是可以使用的。

为改进燃烧，注射管2可由一种催化材料组成，或配置一种催化材料。

相关符号清单

1    燃室机体

11    顶端部件

12    中心孔

13    喷嘴

131-136    喷嘴

14    前面开启式燃室机体

15    排气口

2    注射管

21    后轴向孔

22    前轴向孔

23    狭窄点

241，242    带稳定横截面的斜孔道

243，244    带可变横截面的斜孔道

25    带斜孔道可变横截面的注射管

26    基本部件

27    注射针

28    散热片

3    点火探测器

Claims (8)

1、一种燃烧装置，这种燃烧装置燃烧一种可燃混合物，这种混合物含有两种可溶成分，其中至少有一种成分可高压或高速输入，这种装置有一个带燃室的机体(1)、供输入和混合第一种成分和第二种成分的构件、一个燃烧气体的排气口(15)、一个朝排气口(15)方向伸入燃室机体(1)并带一用以输入第一种成分的轴向孔(21，22)的注射管(2)、一个在轴向孔(21，22)中的狭窄点(23)以及至少一个径向地朝中心轴线(i)斜向设置而从燃室机体(1)的内室以其内终端指向轴向孔(21，22)的斜孔道(241，242；243，244)，通过斜孔道一部分流入燃室机体(1)的第二种成分流入轴向孔(21，22)而与第一种成分混合，其特征是：所述的燃室机体(1)较注射管(2)伸入燃室机体(1)的部分长，所述的注射管(2)在其朝向排气口(15)的一端具有一较大的后轴向孔(21)，在其背向排气口(15)的一端具有一较窄的前轴向孔(22)，在两孔(21，22)之间有一狭窄点(23)、还具有以其内终端朝向后轴向孔(21)通向狭窄点(23)或在其附近通向前轴向孔(22)的总截面可变的斜孔道(241，242；243，244)，混合物作为高配比高看火性混合物大部分在后轴向孔(21)内燃烧，从而加热后轴向孔(21)的内壁，再由此进入燃室机体(1)的后部与第二种成分的其余部分混合而作完全的燃烧。

2、按权利要求1所述的燃烧装置，其特征为：所述的注射管（25）是由一个带后轴向孔（21）的基本部件和一个带前轴向孔（22）的、在基本部件内能轴向运动的共轴注射针（27）组成，同时，通过注射针（27）的轴向运动，斜孔道（243，244）的总横截面是可以变更的。

3、按权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征为：所述的注射管（22）在其扩大表层的外壳上有散热片（28）。

4、按权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征为：所述的注射管（2）是折角绕曲形成的。

5、按权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征为：所述的注射管（2）是弧形弯曲形成的。

6、按权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征为：燃室机体（1）带一个顶端部件（11），该顶端部件（11）有一个中心孔（12），用以紧夹注射管（2），中心孔周围安装若干喷嘴（131-136）作为第二种成分的输入装置。

7、按权利要求1或2燃烧装置，其特征为：所述的注射管（2）是由一种催化物质所组成。

8、按权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征为：所述的注射管（2）配备一种催化物质。

Images