CN105841185A - 斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构 - Google Patents

Abstract

斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构，在燃烧区的下端外围设置有环形空气腔，环形空气腔的上端靠接设置环形烟气腔，所述环形空气腔上设置空气入口，所述环形烟气腔上设置烟气出口；环形烟气腔和燃烧区的外围之间构成空气-烟气换热腔，空气-烟气换热腔内沿圆周方向等间隔设置有N块（20≦N≦32，N为偶数）具有一定旋扭角度的换热旋流板，相邻换热旋流板之间构成交替设置的空气流道和烟气流道，不仅使得空气和烟气的换热更为充分均匀，大大提高了换热效率，而且使得预热后的空气能迅速地流入到空气旋流器；由于气路布置合理巧妙，因此减小了空气在空气流道以及烟气在烟气流道中流动时的流动阻力，使得外燃系统的进、排气高效稳定。

Description

斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构

技术领域

本发明涉及一种斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构。

背景技术

伴随着全球性的能源危机和环境危机，斯特林发动机由于其热效率高、污染小以及能源适应性强等优势已经越来越受到重视。空气预热结构作为斯特林发动机外燃系统的重要组成部分，是斯特林发动机的主要高温热交换结构，它可充分利用高温烟气的余热加热助燃空气，使斯特林发动机外燃系统的效率大幅度提高，从而提高斯特林发动机的整机效率。此外，空气预热结构还可以使外燃系统的燃烧更充分更清洁。而进排气结构则关系到斯特林发动机的高效、可靠性运行，其中进气结构引导助燃空气经空气预热结构顺利进入燃烧区，排气结构则对排出的燃烧烟气导向，引导燃烧烟气经空气预热结构顺利进入排气出口，迅速排入大气。为此，为斯特林发动机设计一种结构紧凑、换热效率高、气路布置合理巧妙的外燃系统的进排气及空气预热结构非常有意义。

发明内容

本发明旨在于为斯特林发动机的外燃系统提供一种结构紧凑、换热效率高、气路布置合理巧妙的进排气及空气预热结构。

为实现本发明的目的，拟采用以下技术方案：

斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构，包括燃烧区，该燃烧区为斯特林发动机外燃系统中用于混合气燃烧的空腔，所述燃烧区的下端外围设置有环形空气腔，环形空气腔的上端靠接设置环形烟气腔，所述环形空气腔上沿圆周方向对称设置有两个空气入口，所述环形烟气腔上沿圆周方向对称设置有两个烟气出口；所述环形烟气腔的内侧面相对环形空气腔的内侧面外移一定距离；

所述环形烟气腔的外围覆有第一保温石棉层，环形烟气腔的上端覆盖有绝热防护罩，绝热防护罩内填充有第二保温石棉层，所述燃烧区的上端覆盖有空气-烟气隔离罩，所述绝热防护罩的下端和空气-烟气隔离罩的上端之间设置有可使空气旋流进入燃烧区的空气旋流器；

所述环形烟气腔和燃烧区的外围之间构成空气-烟气换热腔，空气-烟气换热腔内沿圆周方向等间隔设置有N块由耐热材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的换热旋流板, 20≦N≦32，N为偶数，相邻换热旋流板之间构成空气流道或者烟气流道，所述空气流道和烟气流道交替设置，于是空气流道具有N/2个，烟气流道也具有N/2个；各个所述烟气流道的内侧面上端开设有一个上部燃烧烟气开口，烟气流道的内侧面构成燃烧区的外侧面，也即燃烧区的外侧面上部开设有N/2个上部燃烧烟气开口，各个所述烟气流道的外侧面下端开设有一个下部燃烧烟气开口，下部燃烧烟气开口与位于烟气流道外侧的所述环形烟气腔的内侧面贯通；

各个所述空气流道的底端面外侧开设有一个底部预热空气开口，底部预热空气开口与位于空气流道下端的所述环形空气腔的上端面贯通，各个所述空气流道的顶端面开设有一个顶部预热空气开口，从顶部预热空气开口出来的空气经绝热防护罩和空气-烟气隔离罩之间的空间进入所述空气旋流器，空气旋流器用于使空气旋流，从而提升空气进入燃烧室的进气效果；

空气从环形空气腔的两个空气入口进入后，沿底部预热空气开口进入空气-烟气换热腔的各个空气流道，并由空气流道的顶部预热空气开口流出，烟气从烟气流道的上部燃烧烟气开口进入空气-烟气换热腔的各个烟气流道，并从烟气流道的下部燃烧烟气开口流出至环形烟气腔，最后从环形烟气腔的两个烟气出口流出；在空气-烟气换热腔内空气流道内的空气和相邻两侧的烟气流道内的烟气均能进行换热，大大提高了空气和烟气的换热效率；

由于各个换热旋流板本身斜置且具有一定的旋扭角度，相对于竖向设置的直的换热旋流板而言，不仅可以增加空气和烟气流动时的扰动，使得空气和烟气的换热更为充分均匀，而且可以使预热后的空气从顶部预热空气开口流出时具有一定的切向速度，从而使得预热后的空气更迅速地流入到空气旋流器；

所述绝热防护罩与其连接结构采用螺钉固定的方式连接，所述空气-烟气隔离罩与其连接结构采用焊接方式连接，所述绝热防护罩、空气旋流器以及空气-烟气隔离罩之间采用焊接方式连接，所述换热旋流板与其连接部分采用密封焊接方式连接。

进一步，所述空气流道的底部预热空气开口和顶部预热空气开口的形状均为扇形，且顶部预热空气开口的面积较大，各个空气流道的底部预热空气开口和顶部预热空气开口的相邻部分密封设置。

进一步，所述空气-烟气换热腔内沿圆周方向等间隔设置有24块由耐热材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的换热旋流板。

进一步，所述环形空气腔上的两个空气入口的轴线和环形烟气腔上的两个烟气出口的轴线位于同一竖向平面内。

本发明的有益效果是：首先，此斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构由于沿圆周方向等间隔设置了N块（20≦N≦32，N为偶数）换热旋流板，从而形成交替设置的空气流道和烟气流道，于是空气可以通过换热旋流板与相邻两侧的烟气均进行换热，大大提高了换热效率；其次，由于换热旋流板本身斜置且旋扭了一定的角度，一方面增加了空气和烟气流动时的扰动，使得空气和烟气的换热更加充分均匀，另一方面使得预热后的空气从顶部预热空气开口流出时具有一定的朝向空气旋流器的切向速度，从而使预热后的空气更迅速地流入到空气旋流器；再次，由于空气和烟气的气路布置合理巧妙，因此减小了空气在空气流道以及烟气在烟气流道中流动时的流动阻力，使得外燃系统的进气、排气高效稳定；最后，此斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构结可在高温环境下长时间可靠稳定地工作，并显示出高温烟气以及低温空气之间良好的密封性能。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例沿圆周方向的部分截断结构图；

图3为本发明实施例的顶部预热空气开口和底部预热空气开口相对环形空气腔的俯视位置图；

图4为本发明实施例的换热旋流板的结构示意图；

图5为本发明实施例的绝热防护罩的结构示意图；

图中：1、燃烧区；2、环形空气腔；3、环形烟气腔；4、空气入口；5、烟气出口；6、第一保温石棉层；7、绝热防护罩；8、第二保温石棉层；9、空气-烟气隔离罩；10、空气旋流器；11、空气-烟气换热腔；12、换热旋流板；13、空气流道；14、烟气流道；15、上部燃烧烟气开口；16、下部燃烧烟气开口；17、底部预热空气开口；18、顶部预热空气开口。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例来进一步说明本发明的技术方案，但不构成对本发明的限定。

如图1所示，斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构，包括燃烧区1，该燃烧区1为斯特林发动机外燃系统中用于混合气燃烧的空腔，所述燃烧区1的下端外围设置有环形空气腔2，环形空气腔2的上端靠接设置环形烟气腔3，所述环形空气腔2上沿圆周方向对称设置有两个空气入口4，所述环形烟气腔3上沿圆周方向对称设置有两个烟气出口5，图1中环形空气腔2上的两个空气入口4的轴线和环形烟气腔3上的两个烟气出口5的轴线位于同一竖向平面内；所述环形烟气腔3的内侧面相对环形空气腔2的内侧面外移一定距离以在该距离处开设下文的底部预热空气开口17；

所述环形烟气腔3的外围覆有第一保温石棉层6，环形烟气腔3的上端覆盖有绝热防护罩7，绝热防护罩7内填充有第二保温石棉层8，第一保温石棉层6和第二保温石棉层8用以隔绝高温烟气的热量，所述燃烧区1的上端覆盖有空气-烟气隔离罩9，所述绝热防护罩7的下端和空气-烟气隔离罩9的上端之间设置有可使空气旋流进入燃烧区1内的空气旋流器10；所述绝热防护罩7与其连接结构采用螺钉固定的方式连接，所述空气-烟气隔离罩9与其连接结构采用焊接方式连接，所述绝热防护罩7、空气旋流器10以及空气-烟气隔离罩9之间采用焊接方式连接。

如图1、图2所示，图2为本发明实施例沿圆周方向的部分截断结构图，所述环形烟气腔3和燃烧区1的外围之间构成空气-烟气换热腔11，空气-烟气换热腔11内沿圆周方向等间隔设置有24块由耐热材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的换热旋流板12，换热旋流板12的结构如图4所示，换热旋流板12与其连接部分采用密封焊接方式连接，相邻换热旋流板12之间构成空气流道13或者烟气流道14，所述空气流道13和烟气流道14交替设置，于是空气流道13具有12个，烟气流道14也具有12个；各个所述烟气流道14的内侧面上端开设有一个上部燃烧烟气开口15，烟气流道14的内侧面构成燃烧区1的外侧面，也即燃烧区1的外侧面上部开设有12个上部燃烧烟气开口15，各个所述烟气流道14的外侧面下端开设有一个下部燃烧烟气开口16，下部燃烧烟气开口16与位于烟气流道14外侧的所述环形烟气腔3的内侧面贯通；图2中示出了两个空气流道13和两个烟气流道14，其中，近处的烟气流道14只示出了位于烟气流道14的外侧面下端的下部燃烧烟气开口16，上部燃烧烟气开口15未示出，远处的烟气流道14只示出了位于烟气流道14的内侧面上端的上部燃烧烟气开口15，下部燃烧烟气开口16未示出；本发明中的换热旋流板12也可以是范围在20到32之间(包括20和32)的其他偶数个；

各个所述空气流道13的底端面外侧开设有一个底部预热空气开口17，底部预热空气开口17与位于空气流道13下端的所述环形空气腔2的上端面贯通，各个所述空气流道13的顶端面开设有一个顶部预热空气开口18，从顶部预热空气开口18出来的空气经绝热防护罩7和空气-烟气隔离罩9之间的空间进入所述空气旋流器10，空气旋流器10用于使空气旋流，从而提升空气进入燃烧室1的进气效果；图2中，近处的空气流道13只示出了位于空气流道13的底端面外侧的底部预热空气开口17，顶部预热空气开口18未示出，远处的空气流道13只示出了位于空气流道13的顶端面上端的顶部预热空气开口18，底部预热空气开口17未示出；

如图2、图3所示，所述空气流道13的底部预热空气开口17和顶部预热空气开口18的形状均为扇形，且顶部预热空气开口18的面积较大，各个空气流道13的底部预热空气开口17和顶部预热空气开口18的相邻部分密封设置。

本实施例斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构的工作方式如下：鼓风机将新鲜空气经两个空气入口4送入到环形空气腔2，新鲜空气由环形空气腔2经底部预热空气开口17进入到空气-烟气换热腔11的空气流道13，而燃烧区1内的高温烟气经上部燃烧烟气开口15进入到空气-烟气换热腔11的烟气流道14，然后空气流道13内的空气与相邻两侧烟气流道14内的烟气在流动过程中通过带有一定旋扭角度的换热旋流板12充分扰动并进行换热，换热后的预热空气再从顶部预热空气开口18流出并以一定的切向速度快速流入到空气旋流器10，经空气旋流器10进入燃烧区1，并与燃烧区1喷入的燃料形成均匀混合气，再经点火系统点火燃烧。而在烟气流道14内和相邻两个空气流道13换热后的烟气温度则有所下降，再经下部燃烧烟气开口16进入到环形烟气腔3，并从环形烟气腔3上的两个烟气出口5排入到大气。

本实施例中，在空气-烟气换热腔11内空气流道13内的空气和相邻两侧的烟气流道14内的烟气均能进行换热，大大提高了空气和烟气的换热效率；由于各个换热旋流板12本身斜置且旋扭了一定的角度，相对于竖向设置的直的换热旋流板而言，不仅可以增加空气和烟气流动时的扰动，使得空气和烟气的换热更为充分均匀，而且可以使预热后的空气从顶部预热空气开口18流出时具有一定的切向速度，从而使得预热后的空气更迅速地流入到空气旋流器10。

此外，由于环形空气腔2（环形空气腔2的上端面与底部预热空气开口17贯通）、顶部预热空气开口18（开设在空气流道13的顶端面的外侧且较大面积设计）、空气流道13、换热旋流板12（斜置具有一定的旋扭角度）、空气旋流器10的位置设计，使得空气的气路设计合理巧妙；由于上部燃烧烟气开口15（开设在烟气流道14的内侧面的上端）、烟气流道14、下部燃烧烟气开口16（开设在烟气流道14的外侧面的下端）、环形烟气腔3（环形烟气腔3的内侧面与下部燃烧烟气开口16贯通）的位置设计，使得烟气的气路设计合理巧妙，因此能减小空气在空气流道13以及烟气在烟气流道14中流动时的流动阻力，使得外燃系统的进气、排气高效稳定。

以上所述的具体实施例仅仅是对本发明的技术构思作举例说明，应当指出，在不脱离本发明的技术构思的情况下，相关技术人员可对所描述的具体实施例做相应的修改和润饰，与该技术相似的结构方式及实施例均属本发明所保护的范围。

Claims (4)

1.斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构，包括燃烧区，该燃烧区为斯特林发动机外燃系统中用于混合气燃烧的空腔，所述燃烧区的下端外围设置有环形空气腔，环形空气腔的上端靠接设置环形烟气腔，所述环形空气腔上沿圆周方向对称设置有两个空气入口，所述环形烟气腔上沿圆周方向对称设置有两个烟气出口；所述环形烟气腔的内侧面相对环形空气腔的内侧面外移一定距离；

所述环形烟气腔的外围覆有第一保温石棉层，环形烟气腔的上端覆盖有绝热防护罩，绝热防护罩内填充有第二保温石棉层，所述燃烧区的上端覆盖有空气-烟气隔离罩，所述绝热防护罩的下端和空气-烟气隔离罩的上端之间设置有可使空气旋流进入燃烧区的空气旋流器；

所述环形烟气腔和燃烧区的外围之间构成空气-烟气换热腔，空气-烟气换热腔内沿圆周方向等间隔设置有N块由耐热材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的换热旋流板, 20≦N≦32，N为偶数，相邻换热旋流板之间构成空气流道或者烟气流道，所述空气流道和烟气流道交替设置，于是空气流道具有N/2个，烟气流道也具有N/2个；各个所述烟气流道的内侧面上端开设有一个上部燃烧烟气开口，烟气流道的内侧面构成燃烧区的外侧面，也即燃烧区的外侧面上部开设有N/2个上部燃烧烟气开口，各个所述烟气流道的外侧面下端开设有一个下部燃烧烟气开口，下部燃烧烟气开口与位于烟气流道外侧的所述环形烟气腔的内侧面贯通；

各个所述空气流道的底端面外侧开设有一个底部预热空气开口，底部预热空气开口与位于空气流道下端的所述环形空气腔的上端面贯通，各个所述空气流道的顶端面开设有一个顶部预热空气开口，从顶部预热空气开口出来的空气经绝热防护罩和空气-烟气隔离罩之间的空间进入所述空气旋流器，空气旋流器用于使空气旋流，从而提升空气进入燃烧室的进气效果；

空气从环形空气腔的两个空气入口进入后，沿底部预热空气开口进入空气-烟气换热腔的各个空气流道，并由空气流道的顶部预热空气开口流出，烟气从烟气流道的上部燃烧烟气开口进入空气-烟气换热腔的各个烟气流道，并从烟气流道的下部燃烧烟气开口流出至环形烟气腔，最后从环形烟气腔的两个烟气出口流出；在空气-烟气换热腔内空气流道内的空气和相邻两侧的烟气流道内的烟气均能进行换热，大大提高了空气和烟气的换热效率；

由于各个换热旋流板本身斜置且具有一定的旋扭角度，相对于竖向设置的直的换热旋流板而言，不仅可以增加空气和烟气流动时的扰动，使得空气和烟气的换热更为充分均匀，而且可以使预热后的空气从顶部预热空气开口流出时具有一定的切向速度，从而使得预热后的空气更迅速地流入到空气旋流器；

所述绝热防护罩与其连接结构采用螺钉固定的方式连接，所述空气-烟气隔离罩与其连接结构采用焊接方式连接，所述绝热防护罩、空气旋流器以及空气-烟气隔离罩之间采用焊接方式连接，所述换热旋流板与其连接部分采用密封焊接方式连接。

2.如权利要求1所述的斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构，其特征在于：所述空气流道的底部预热空气开口和顶部预热空气开口的形状均为扇形，且顶部预热空气开口的面积较大，各个空气流道的底部预热空气开口和顶部预热空气开口的相邻部分密封设置。

3.如权利要求1或2所述的斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构，其特征在于：所述空气-烟气换热腔内沿圆周方向等间隔设置有24块由耐热材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的换热旋流板。

4.如权利要求3所述的斯特林发动机外燃系统的进排气及空气预热结构，其特征在于：所述环形空气腔上的两个空气入口的轴线和环形烟气腔上的两个烟气出口的轴线位于同一竖向平面内。