CN109058977A - 一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置 - Google Patents

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夏智勋
陈显河
张家瑞
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    • F23B1/00—Combustion apparatus using only lump fuel
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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Abstract

本发明涉及一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置，包括预燃烧室和补燃室，所述预燃烧室中包括4个圆周均布的铝颗粒入口、1个点火启动入口以及4个周向均布的水蒸气入口。水蒸气切向进入预燃烧室形成漩涡流动，铝颗粒沿轴向进入预燃烧室后在水蒸气带动下也形成漩涡流动，铝颗粒初始点火成功后在预燃烧室内形成稳态高温区促使后续铝颗粒点火成功。所述补燃室布置有若干个圆周均布的水喷嘴，未完全燃烧的铝颗粒进入补燃室后与水喷嘴喷入的液态水进行补充燃烧，同时在补燃室后部加入大量的水来增加补燃室内燃气流量及降低补燃室温度，从而得到我们需要的高温高压混合燃气进行做功。本发明可实现铝颗粒持续稳定燃烧，且具有结构简单、成本低、铝颗粒燃烧效率高等特点。

Description

一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置
技术领域
本发明涉及一种用于水下航行器动力系统的燃烧装置，具体涉及一种采用铝和水燃烧而产生动力的双燃烧室装置。
背景技术
目前，水下航行器的动力系统中，动力电池实际比能量不高，而且由于理论比能量较低，实际比能量上升空间有限；燃料电池和半燃料电池有较高理论比能量，但燃料电池造价偏高、反应/启动性能差、氢气储存带来很大的消极质量等限制了其在水下动力系统中的使用，而半燃料电池使用过程中需要复杂的辅助循环系统以及浓度保持装置，且电池输出功率较小。热动力系统中水冲压发动机利用高能水反应金属燃料与外部海水反应产生推力，具有能量密度高、比冲大、结构简单且可靠性高等特点，但其输出功率大，工作时间短，因此限制了其应用范围。目前研究表明，铝/水反应体积能量密度达到11374Wh/L，说明其具有非常高的体积能量密度，当铝/水燃烧能量转换效率为2.6％时水下航行器的航程与使用锂电池相同，当转换效率为26％时，航程可达到使用锂电池的10倍。根据研究结果，铝/水反应的动力系统体积能量密度可达传统锂电池的8倍以上。而铝/水反应的动力系统的关键技术在于铝/水是否能够持续稳定高效燃烧。早期有学者提出了铝/水燃烧涡流燃烧器以及铝棒形式的燃烧器，但并未有铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现铝颗粒与水高效掺混燃烧的双燃烧室装置，解决基于铝颗粒和水燃烧的水下动力系统中铝颗粒的持续稳定燃烧的问题。
本发明的铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置，包括预燃烧室Ⅰ和补燃室Ⅱ，预燃烧室Ⅰ与补燃室Ⅱ相连；其特征在于，
所述预燃烧室Ⅰ包括：前端盖1、前圆筒段2，前圆筒段2与前端盖1形成的圆柱空间为预燃烧室Ⅰ；
所述前端盖1设置有1个点火入口5与四个铝颗粒入口6，其中所述铝颗粒入口6分别设置在前端盖1上的四个位置，四个位置的径向分别为0.3至0.8倍前圆筒段2的内半径，四个位置以圆心为中点均布分布，所述点火入口5位于前端盖1上，径向位置为0.6至0.8倍前圆筒段2的内径且位于两个铝颗粒入口6之间；
所述前圆筒段2上布置了4个且周向均布的水蒸气入口7，所述水蒸气入口7与前圆筒段2相切从而使得水蒸气切向进入预燃烧室Ⅰ；
所述补燃室Ⅱ包括：后圆筒段3、后端盖4；后圆筒段3与后端盖4形成的圆柱空间为补燃室Ⅱ；
所述后圆筒段3上周向均布了两组每组4个水喷嘴8，第一组靠近预燃烧室Ⅰ，目的是使得铝颗粒充分燃烧，第二组靠近后端盖4，目的是产生大量的高温水蒸气同时降低燃烧室温度，所述水喷嘴8采用压力旋流雾化喷嘴，可在市场上购买得到；
所述后端盖4中心位置布置有喷管9，目的是根据喷管喉径的大小来控制燃烧室内的压强。
为了保证铝颗粒在燃烧室内充分燃烧，从水蒸气入口7进入的水流量与铝颗粒入口6进入的铝流量比值取1:1，此外，第一组水喷嘴8的水流量与铝颗粒入口6进入的铝流量比值取1:1，第二组水喷嘴8的水流量与铝颗粒入口6进入的铝流量比值为3:1，总的水流量与铝颗粒流量比值为5:1。实际使用过程中可调节水流量与铝颗粒流量的比值以便提高铝颗粒的燃烧效率；
所述水蒸气入口7有4个，周向均布于前圆筒段2上；
所述预燃烧室Ⅰ直径大于或等于补燃室Ⅱ直径，以保证水蒸气进入燃烧室后能够形成漩涡流动。实际使用过程中可通过调节铝颗粒入口6与水蒸气入口7位置以及铝颗粒粒径来提高铝颗粒的燃烧效率；
所述补燃室Ⅱ布置有若干个圆周均布的水喷嘴，未完全燃烧的铝颗粒进入补燃室后与水喷嘴喷入的液态水进行补充燃烧，同时在补燃室后部加入大量的水来增加补燃室内燃气流量及降低补燃室温度，从而得到我们需要的高温高压混合燃气进行做功；
所述预燃烧室Ⅰ目的在于促使铝颗粒点火成功并部分燃烧，所述补燃室Ⅱ目的在于铝颗粒补充燃烧，同时增加燃气流量与降低燃气温度。所述预燃烧室Ⅰ中的铝颗粒在旋流水蒸气的作用下形成漩涡运动在所述预燃烧室Ⅰ中形成旋流区，铝颗粒在旋流区内点火并燃烧。所述补燃室Ⅱ中通入适量的冷水增加了水的含量，对铝颗粒进行补燃。通过数值模拟可得的铝颗粒燃烧效率在90％以上。所述预燃烧室Ⅰ与补燃室Ⅱ中间连通，预燃烧室Ⅰ中的燃气旋转进入补燃室Ⅱ内。
本发明可以实现铝颗粒的持续稳定燃烧；同时采用双燃烧室以及轴向进铝方式可以降低整个装置的壁面温度从而降低热防护需求；此外，本发明还具有结构简单、成本低、铝颗粒燃烧效率高等特点。本发明可应用于水下动力系统中的铝/水燃烧器，同时在制氢以及发电场也具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置的立体图，
图2为本发明的一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置的主视图，
图3为本发明的一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置A-A截面剖视图，
图4为本发明的一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置B-B截面剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1至图4所示，本发明的铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置由前端盖1、前圆筒段2、后圆筒段3与后端盖4构成，其中前圆筒段2与前端盖1形成的圆柱空间为预燃烧室Ⅰ，后圆筒段3与后端盖4形成的圆柱空间为补燃室Ⅱ。点火入口5与铝颗粒入口6位于前端盖1上，水蒸气入口7周向均布于前圆筒段2上，水喷嘴8均布于后圆筒段3上。如图3所示，四个水蒸气入口7中通入高温水蒸气，温度为750K，切向进入预燃烧室Ⅰ并形成漩涡流动；如图1所示，四个均布于前端盖1的铝颗粒入口6通入铝颗粒进入预燃烧室Ⅰ，铝颗粒在高温水蒸气形成的漩涡流动中也作漩涡流动，同时，在点火入口5瞬时通入高温气体，使得铝颗粒点火成功并参与燃烧。由于预燃烧室中铝颗粒并未完全燃烧，铝颗粒在预燃烧室Ⅰ内点火成功后往补燃室Ⅱ方向运动并进入补燃室Ⅱ。在补燃室Ⅱ入口附近，四个周向均布的水喷嘴8喷入适量的液态水，使得补燃室Ⅱ内水含量增加，促使铝颗粒完全燃烧，同时在靠近后端盖4位置，四个周向均布的水喷嘴继续喷入适量的液态水，目的是增加补燃室Ⅱ内燃气流量以及降低补燃室Ⅱ温度，从而得到我们需要的高温高压混合燃气进行做功。
如图4所示，后端盖4内部含有喷管9，其作用是根据喷管9喉径的大小来控制燃烧室内的压强；
为了提高铝颗粒燃烧效率，可以适当的改变水蒸汽的流量以及增加水蒸气入口7管径从而降低预燃烧室Ⅰ内气流的旋流速度，增加铝颗粒驻留时间从而提高铝颗粒燃烧效率；此外，可以通过调节第一组水喷嘴8喷入的水流量来提高铝颗粒燃烧效率，同时还可根据该流量来降低补燃室Ⅱ温度，降低热防护需求。
本发明中并未涵盖燃烧的热防护特性，理论上可以采用水冷的方法来进行热防护，而高温水蒸气则可通过壁面换热得到。

Claims (6)

1.一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置，包括预燃烧室Ⅰ和补燃室Ⅱ，预燃烧室Ⅰ与补燃室Ⅱ相连；其特征在于，
所述预燃烧室Ⅰ包括：前端盖(1)、前圆筒段(2)，前圆筒段(2)与前端盖(1)形成的圆柱空间为预燃烧室Ⅰ；
所述补燃室Ⅱ包括：后圆筒段(3)、后端盖(4)；后圆筒段(3)与后端盖(4)形成的圆柱空间为补燃室Ⅱ；
所述前端盖(1)设置有1个点火入口(5)与四个铝颗粒入口(6)，
所述前圆筒段(2)上布置了水蒸气入口(7)，所述水蒸气入口(7)与前圆筒段(2)相切从而使得水蒸气切向进入预燃烧室Ⅰ；
所述后圆筒段(3)上周向均布了两组每组4个水喷嘴(8)，第一组靠近预燃烧室Ⅰ，目的是使得铝颗粒充分燃烧，第二组靠近后端盖(4)，目的是产生大量的高温水蒸气同时降低燃烧室温度；
所述后端盖(4)中心位置布置有喷管(9)，根据喷管喉径的大小来控制燃烧室内的压强。
2.根据权利要求1所述的一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置，其特征在于，所述铝颗粒入口(6)分别设置在前端盖(1)上的四个位置，四个位置的径向分别为0.3至0.8倍前圆筒段(2)的内半径，四个位置以圆心为中点均布分布。
3.根据权利要求1所述的一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置，其特征在于，所述点火入口(5)位于前端盖(1)上，径向位置为0.6至0.8倍前圆筒段(2)的内径且位于两个铝颗粒入口(6)之间。
4.根据权利要求1所述的一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置，其特征在于，所述水喷嘴(8)采用压力旋流雾化喷嘴。
5.根据权利要求1所述的一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置，其特征在于，所述预燃烧室Ⅰ内径大于或等于补燃室Ⅱ内径。
6.根据权利要求1所述的一种铝颗粒和水燃烧的双燃烧室装置，其特征在于，所述水蒸气入口(7)有4个，周向均布于前圆筒段(2)上。
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