CN110741205B - 燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种燃料燃烧器包括管，该管从第一端延伸到第二端并且具有外表面和限定中心通道的内表面。中心通道在第一端处被供应有在管的上游预混合的空气和可燃烧燃料的混合物。第二端由端壁以流体密封的方式封闭。管包括流体导引结构用于将预混合的混合物从中心通道径向向外导引到管的外部，使得预混合的混合物沿着管的外部绕中心轴线径向地旋转。

Description

燃烧器

相关申请

本申请要求2016年11月22日提交的美国申请No. 15/358,221的权益，所述美国申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种燃料燃烧器，并且特定地涉及一种用于加热器具或气体涡轮发动机的燃烧器，该燃烧器在燃烧空气或者空气和燃料的组合上赋予离心力。

背景技术

气体涡轮机，也被称为喷气发动机，是从燃烧气体的流动中汲取能量的旋转式发动机。它们具有联接到下游涡轮的上游压缩机，在该上游压缩机和该下游涡轮之间具有燃烧腔室。有许多不同变型的气体涡轮机，但是它们全都使用相同的基本原理。

喷气式飞行器通常由涡轮喷气发动机或涡扇发动机驱动。涡轮喷气发动机是通过以下方式工作的气体涡轮发动机：利用入口和压缩机来将空气压缩、将燃料与压缩空气混合、在燃烧器中使混合物燃烧、以及然后使热的高压气体穿过涡轮和喷嘴。压缩机由涡轮供以动力，涡轮从穿过它的膨胀气体中汲取能量。发动机将燃料中的能量转化成排气中的动能，从而产生推力。由入口摄取的所有空气都穿过压缩机、燃烧器和涡轮。

涡扇发动机非常类似于涡轮喷气机，除了它还包含在压缩机区段前面的风扇之外。和压缩机一样，风扇也由发动机的涡轮区段供以动力。不同于涡轮喷气机，由风扇加速的流中的一些旁通绕过燃烧器并且通过喷嘴排出。旁通流的速率较低，但是质量较高，从而使由风扇产生的推力比由芯产生的推力更有效。涡扇发动机在次音速下通常比涡轮喷气机更高效，但是它们具有更大的前部区域，该前部区域在较高速度时生成更大的拖曳。

涡轮螺旋桨发动机是从热的排出喷气汲取功来使旋转轴转动的喷气发动机衍生品，该旋转轴的转动然后用于使螺旋桨旋转以产生附加的推力。涡轮螺旋桨发动机通常在低速（此时螺旋桨效率是高的）下具有比涡轮喷气机或涡扇发动机更好的性能，但是在高速下变得噪声增大并且效率变低。

涡轮轴发动机非常类似于涡轮螺旋桨发动机，不同之处在于排气中的几乎所有能量都被汲取来使旋转轴旋转。涡轮轴发动机用于固定的动力生成设备以及其他应用。

与气体涡轮发动机（尤其是在飞行器中）相关联的一个问题是熄火的可能性，熄火当火焰在燃烧腔室内熄灭时发生。熄火的原因之一是，燃烧器内的火焰前缘的不稳定。由于在飞行期间发动机故障显然是有问题的，因此建构一种气体涡轮发动机使得熄火的可能性降低将是有利的。对于固定的动力生成系统，需要减少排放，主要是NO_x，以便满足更新、更严厉的清洁空气需求。

此外，各种类型的动力燃烧器已经使用多年。“喷嘴混合”或“枪式”燃烧器是以某种方式分别地喷射燃料和空气以便提供稳定的火焰而没有带端口的火焰保持器部件的那些燃烧器。其他类型的动力燃烧器使用将燃料和空气预混合、然后将燃料-空气混合物递送到带端口的燃烧器“头”的某种方法。这些“头”或“罐”能够由多种材料制成，包括穿孔金属板、编织金属线、编织陶瓷纤维等。火焰稳定性，也称为火焰保持，是制造具有宽的操作范围并且能够在高的主充气水平下运行的燃烧器的关键。对于受益于调制的器具而言，期望宽的操作范围，其中热输出根据需求而变化。高的主充气水平对于降低NO_x排放是有效的，但往往会负面地影响火焰稳定性并潜在地增加一氧化碳（CO）的产量。高的主充气（也称为过量空气）水平也降低了器具效率。本领域中需要一种燃料燃烧器，其在保持火焰稳定性的同时减少NO_x的产量。甚至更期望的是在低的过量空气水平下操作的同时产生非常低的NO_x水平的燃烧器。

发明内容

本发明提供了能够在喷气发动机以及其他加热/燃烧器应用（诸如，加热器具或气体涡轮发动机）中使用的一种新的且改进的燃烧方法以及一种燃烧器（室）（combustor）或燃烧器（burner）。

根据本发明的一个方面，燃料燃烧器包括管，该管从第一端延伸到第二端并且具有外表面和限定中心通道的内表面。中心通道在第一端处被供应有在管的上游预混合的空气和可燃烧燃料的混合物。第二端由端壁以流体密封的方式封闭。管包括流体导引结构以用于将预混合的混合物从中心通道径向向外导引到管的外部，使得预混合的混合物沿着管的外部绕中心轴线径向地旋转。

根据本发明的另一个方面，燃料燃烧器包括外管，该外管沿着中心轴线从第一端延伸到第二端。外管包括外表面和限定通道的内表面。外管包括流体导引结构，该流体导引结构具有多个开口和与每个开口相关联的引导件。内管从第一端延伸到第二端并且定位在外管的通道内。内管包括外表面和限定中心通道的内表面。流体通道被限定在内管的外表面和外管的内表面之间。中心通道被供应有在内管的上游预混合的空气和可燃烧燃料的混合物。内管具有流体导引结构以用于将预混合的混合物从中心通道径向向外导引到流体通道，使得预混合的混合物在流体通道内绕中心径向地旋转。外管上的流体导引结构被供应有预混合的混合物并将预混合的混合物径向向内导引到流体通道，以与来自内管上的流体导引结构的预混合的混合物混合。第一端壁以流体密封的方式封闭内管的第二端。第二端壁以流体密封的方式将内管的第一端固定到外管，使得内管上的流体导引结构提供从中心通道到流体通道的唯一流体路径。

通过结合附图阅读以下详细描述，本发明的附加特征和进一步理解将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的一个方面的在喷气发动机中使用的燃烧器的示意图；

图2A是沿着图1的线2A-2A截取的剖视图；

图2B是沿着图1的线2B-2B截取的剖视图；

图3A是根据本发明的优选实施例构造的流体导引结构的一部分的放大图；

图3B是沿着线3B-3B截取的图3A的剖视图；

图4A至图4D是根据本发明的替代性流体导引结构的多个部分的放大图；

图5是根据本发明的另一个方面的在喷气发动机中使用的替代性燃烧器的示意图；

图6A是沿着图5的线6A-6A截取的剖视图；

图7是根据本发明的另一个方面的在喷气发动机中使用的替代性燃烧器的示意图；

图8A是沿着图7的线8A-8A截取的剖视图；

图8B是沿着图7的线8B-8B截取的剖视图；

图9是根据本发明的另一个方面的在喷气发动机中使用的替代性燃烧器的示意图；

图10是沿着图9的线10-10截取的剖视图；

图11是沿着图10的线11-11截取的剖视图；

图12A是根据本发明的另一个方面的用于器具的燃烧器的示意图；

图12B是图12A的燃烧器的后视图；

图12C是沿着图12B的线12C-12C截取的剖视图；

图12D是在使用中的图12A的燃烧器的示意图；

图13A是根据本发明的另一个方面的用于器具的燃烧器的示意图；以及

图13B是沿着图13A的线13B-13B截取的剖视图。

具体实施方式

本发明涉及一种燃料燃烧器，并且特定地涉及一种用于加热器具、气体涡轮发动机或喷气发动机的燃烧器，该燃烧器在燃烧空气或者空气和燃料的组合上赋予离心力。虽然一些附图总体上描绘了涡轮喷气型发动机并且说明书描述了本发明在喷气发动机中的使用，但是普通技术人员将了解，本文中所描述的本发明的燃烧器也适合在上文所描述的任何发动机变体中使用。

图1至图2B图示了根据本发明的实施例的在喷气发动机200中使用的燃烧器240。如图1中所示，喷气发动机200沿着轴线202延伸，并且包括沿着该轴线从第一端212延伸到第二端214的壳体210。壳体210的壁216限定内部通道218，该内部通道沿着壳体的长度延伸。涡轮220、压缩机230以及至少一个燃烧器240定位在壳体210的通道218内并且沿着轴线202。压缩机230包括轴或连接构件232，该轴或连接构件将压缩机连接到涡轮220使得连接构件与涡轮一起旋转。燃烧器240轴向定位在涡轮220和压缩机230之间。

如图2A至图2B中所示，燃烧器240包括外管242和内管244，所述外管和内管关于中心轴线241彼此同心并且固定到彼此和壳体210。燃烧器240的中心轴线241能够与发动机202的轴线202同轴，或者能够与发动机的轴线间隔开（未示出）。连接构件232延伸穿过内管244，并且轴密封件233设置在连接构件和内管之间以防止流体在连接构件和内管之间穿过直接进入涡轮220中。

外管242和内管244之间的空间限定了用于接收燃料和空气的流体通道274。外管242的周边包括流体导引结构248以用于将流体径向向内导引到流体通道274。更具体地，流体导引结构248被构造成在从燃烧器240的中心轴线241偏移的方向上并且沿着相对于外管242的内表面的法线（未示出）成角度的路径将流体导引到流体通道274。

内管244的周边包括流体导引结构252以用于将流体从内管的内部250径向向外导引到流体通道274中。更具体地，流体导引结构252被构造成在从燃烧器240的中心轴线241偏移的方向上并且沿着相对于内管244的外表面的法线（未示出）成角度的路径将流体导引到流体通道274中。流体导引结构248、252能够在相同的总体方向上导引它们的相应的流体。流体导引结构248、252能够包括与翼片或引导件相关联的一系列开口以用于以期望的方式导引流体（图3A至图4D）。

喷气发动机200还包括一个或多个管状燃料供应构件254，所述管状燃料供应构件延伸到燃烧器240的流体通道274中或者以其他方式与该流体通道直接流体连通并且从该通道径向向外延伸、穿过壳体210的壁216并到达壳体外面的燃料源（未示出）。燃料供应构件254由此将燃料直接递送到流体通道274，如大体上由箭头F1指示的。虽然图1至图2B中图示了六个燃料供应构件254彼此径向等距离间隔开，但是将了解，根据本发明能够设置任何数目的展现任何间距构型的燃料供应构件。

环形壁251（见图2B）固定到外管242和内管244的更接近压缩机230的端部，以便以流体密封方式密封流体通道274的一端。壁251设有接收燃料供应构件254的端部的开口253，以在燃料供应构件和流体通道274之间建立直接流体路径。

在操作中，空气在壳体210的第一端212处沿大体上由箭头D2（图2A）指示的方向进入压缩机230，并且作为压缩空气离开压缩机。离开压缩机230的压缩空气中的一些直接流动到内管244的内部250中，如大体上由箭头D3指示的，并且穿过内管244中的流体导引结构252进入流体通道274中。压缩空气中的一些还流动到在外管242和壳体212的壁216之间的周边环形空间277，在该周边环形空间中，压缩空气中的一些流动通过外管中的流体导引结构248并且进入流体通道274中，如大体上由箭头D4指示的。固定到外管242和内管244的更接近涡轮220的端部并且在外管和壳体210的壁216之间的壁255防止压缩空气D4在没有首先穿过燃烧器240的情况下进入涡轮。

压缩空气D3、D4与经由燃料供应构件254喷射到燃烧器240中的燃料F1混合。由于环形壁251阻塞流体通道274的与压缩机230相邻的端部，因此燃料F1通过燃料供应构件254被直接导引到流体通道274中。因此，燃烧器240的流体导引结构248、252仅控制进入流体通道274中的压缩空气D4、D3的流动，使得压缩空气与来自燃料供应构件254的燃料F1在流体通道274内以期望的方式混合。更具体地，当周边空气D4穿过外管242中的流体导引结构248并且进入流体通道274中时，空气与离开燃料供应构件254的燃料F1混合。由于流体导引结构248的构型，压缩空气D4当它进入流体通道274时绕燃烧器240的中心轴线241被赋予离心力。涡旋空气D4与燃料F1混合，以在流体通道274内并且绕燃烧器240的中心轴线241产生涡旋空气/燃料混合物。

同样，压缩空气D3进入内管244的内部250并且穿过内管244的燃料导引结构252并进入流体通道274中，由此绕燃烧器240的中心轴线241在压缩空气D3上赋予离心力。涡旋空气D3与燃料F1混合，以在流体通道274内并且绕燃烧器240的中心轴线241产生附加的涡旋空气/燃料混合物。由燃料F1和压缩空气D3形成的混合物与由燃料F1和压缩空气D4形成的混合物在流体通道274内混合并且变得不能区分。

由于流体导引结构248、252分别围绕外管242和内管244的整个周边延伸，因此流体通道274内的集合性空气/燃料混合物大体上被迫在由箭头R（图2B）指示的单个方向上流动，该单个方向横向于燃烧器240的中心轴线241。将了解，流体导引结构248、252能够将相应的空气/燃料混合物在相同方向上，例如相对于中心轴线241顺时针，在流体通道274内导引。因此，流体通道274内的空气/燃料混合物经历相对于燃烧器240的中心轴线241并且在流体通道274内的旋转、螺旋形效应。旋转的、成螺旋形的空气/燃料混合物由点火装置（未示出）点燃以将燃烧器240点着，所述点火装置为本领域众所周知的任意多种类型并且被定位在任意多个适当位置中。例如，壁251能够设有开口（未示出），点火器延伸穿过所述开口。火焰检验装置（未示出）能够定位在任意多个适当位置中以检测火焰的存在。

由于从压缩机230和燃料供应构件254连续供应空气和燃料到燃烧器240，在该通道内的先前空气/燃料混合物完全燃烧之前，随后的成螺旋形的空气/燃料混合物在流体通道274内产生，使得成螺旋形的空气/燃料混合物在流体通道内变成被径向分层。通道274中的空气燃料混合物的涡旋或旋转提供了燃料与空气的完全混合，由此改进燃烧。赋予给燃料空气混合物的涡旋模式有助于燃烧稳定性，且因此降低熄火的机会。

如图2A至图2B中所示，来自点燃的空气/燃料混合物的燃烧产物绕燃烧器240的中心轴线241以及喷气发动机200的轴线202旋转而离开燃烧器240，如大体上由箭头R2指示的。空气/燃料混合物的燃烧产物在提升的压力和速度下离开燃烧器240并且穿过涡轮220，由此在涡轮上赋予旋转，如大体上由箭头R3指示的。涡轮220进而在大体上由箭头T指示的方向上将燃烧产物导引出喷气发动机200，以将推力提供给飞行器。由于连接构件232将涡轮220旋转地连接到压缩机230，因此旋转的涡轮驱动压缩机。

根据本发明，流体导引结构248、252中的每一个能够具有适合于分别将旋转赋予给压缩空气D4、D3的任何构型，以与燃料F1并且在流体通道274内形成绕燃烧器240的中心轴线241涡旋的空气/燃料混合物。图3A至图3B图示了内管244的流体导引结构252的一种构型，并且普通技术人员将了解，外管242的流体导引结构248能够具有与流体导引结构252类似的构造。替代地，流体导引结构248和252能够是不类似的（未示出）。在任何情况下，流体导引结构248被构造成将流体径向向内导引，而流体导引结构252被构造成将流体径向向外导引。

如图3A至图3B中所示，流体导引结构252包括内管244中的多个开口284，用于允许压缩空气D3从内管的中心通道250径向向外穿行到流体通道274。开口284中的每一个从内表面282到外表面280完全延伸穿过内管244。每个开口284能够具有任何形状，诸如矩形、正方形、圆形、三角形等。开口284能够都具有相同形状或不同形状。开口284沿着内管244的周边，即，围绕内管244的圆周，彼此对准以形成环状环。开口284的一个或多个环状环能够定位成沿着内管244的长度彼此相邻或彼此间隔开。每个环能够具有任何数目的开口284。相邻环中的开口284能够彼此对准或者能够彼此偏移。内管244中的开口284的尺寸、形状、构型和对准由流动通过这些开口的压缩空气D3的期望流动和性能特性支配。虽然开口284被图示为以预定模式沿着内管244布置，但是将了解，开口能够沿着内管随机地定位（未示出）。

每个开口284包括对应的流体导引突起或引导件286以用于将穿过相关联的开口的压缩空气D3径向向外并且在从燃烧器240的中心轴线241偏移的方向（即，不与中心轴线相交的方向）上导引到流体通道274中。引导件286在内管244的内表面282和/或外表面280（未示出）上形成，或者一体地附接到内管244的内表面282和/或外表面280。每个引导件286相对于内管244的外表面280以一定角度（图3b中示出）延伸。引导件286能够相对于内管244的外表面280以相同角度或以不同角度延伸。每个引导件286相对于轴线287以α2处指示的角度延伸，该轴线垂直于内管244的外表面280延伸。

由于外管242上的流体导引结构248能够类似于内管244上的流体导引结构252形成，因此本领域普通技术人员将了解，与流体导引结构248相关联的引导件和开口（未示出）将穿过外管的压缩空气D4径向向内并且在从燃烧器240的中心轴线241偏移的方向上朝向中心通道274导引。类似于内管244上的流体导引结构252，外管242上的流体导引结构248的引导件能够在外管的内表面和/或外表面中形成，或者一体地附接到外管的内表面和/或外表面（未示出）。在所图示的实施例中，流体导引结构248、252在相同的总体方向上导引相关联的进入的压缩空气D4、D3，使得组合的空气/燃料混合物在流体通道274内围绕燃烧器240的中心轴线241在相同的总体方向上涡旋。

图4A至图4D图示了根据本发明的内管244中的流体导引结构252的替代性构型。流体导引结构252a至252d将进入的压缩空气D3径向向外并且在下述方向上导引到流体通道274中，该方向：1)从中心轴线241偏移，并且2)相对于内管244的外表面280的法线成角度，使得压缩空气与燃料F1混合以在中心通道274内形成空气/燃料混合物，该空气/燃料混合物展现围绕中心轴线的涡旋、旋转路径，同时相对于中心轴线变成被径向分层。流体导引结构中的开口能够沿着内管244随机地定位，或者能够以由期望的流动和性能标准支配的任何预定模式布置。

图4A至图4D图示了根据本发明的流体导引结构252、248的替代构型，所述流体导引结构能够在相应的管244、242的内表面和/或外表面上形成，或者一体地附接到相应的管244、242的内表面和/或外表面。更具体地，流体导引结构248、252中的任一个都能够展现图4A至图4D中所示的构型中的任一个。在优选的实施例中，流体导引结构248将进入的压缩空气D4径向向内并且在下述方向上导引到流体通道274中，该方向：1)从中心轴线241偏移，并且2)相对于外管242的内表面的法线（未示出）成角度，使得压缩空气与燃料F1混合以形成空气/燃料混合物，该空气/燃料混合物展现在中心通道274内并且围绕中心轴线的涡旋、旋转路径。同样，流体导引结构252将进入的压缩空气D3径向向外并且在下述方向上导引到流体通道274中，该方向：1)从中心轴线241偏移，并且2)相对于内管244的外表面280的法线（未示出）成角度，使得压缩空气与燃料F1混合以形成空气/燃料混合物，该空气/燃料混合物展现在中心通道274内并且围绕中心轴线的涡旋、旋转路径。在每种情况下，流体导引结构248、252中的开口能够沿着相应的管242、244随机地定位，或者能够以由期望的流动和性能标准支配的任何预定模式布置。

在图4A中，流体导引结构252a包括多个引导件286a，所述多个引导件限定内管244a中的开口284a。引导件286a布置成一系列排，所述一系列排围绕内管244a的周边延伸。环形排沿着内管244a的长度定位成彼此接近。相邻排的引导件286a能够彼此径向偏移，或者能够彼此径向对准（未示出）。每个排中的引导件286a能够彼此类似或不类似。引导件286a在从中心轴线241偏移并且相对于轴线287a（其垂直于内管244a的外表面280a延伸）成角度α2的径向向内的方向上导引穿过开口284a的压缩空气D3。如果一排内的引导件286a围绕内管244a的周边彼此完全或部分对准，则离开该排中的每一个引导件的压缩空气D3进一步被同一排中的（一个或多个）相邻引导件在从中心轴线241偏移的方向上导引。

在图4B中，内管244b形成为一系列阶状物，每个阶状物包括第一构件283和基本上垂直于第一构件延伸的第二构件285以形成L形阶状物。每个阶状物的第二构件285包括多个开口284b用于在从中心轴线241偏移并且相对于垂直于内管244b的外表面280b延伸的轴线（未示出）成角度的方向上导引压缩空气D3。特定地，每个第二构件285中的开口284b将压缩空气D3跨越邻接阶状物的第一构件283导引以将旋转赋予给压缩空气，且因此绕中心轴线241赋予给流体通道274内的空气/燃料混合物。

在图4C中，流体导引结构252c包括多个开口284c，所述多个开口从内管244c的内表面282c延伸到外表面280c。开口284c相对于轴线287c以一定角度延伸穿过内管244c，该轴线垂直于内管244c的外表面280c并且穿过燃烧器240的中心轴线241延伸。内管244c中的开口284c在从中心轴线241偏移并且相对于轴线287c成一定角度的方向上导引压缩空气D3且因此导引流体通道274内的空气/燃料混合物，以便绕中心轴线将旋转赋予给流体通道内的空气/燃料混合物。

在图4D中，流体导引结构252d由一系列弓形的重叠板330形成，这些板相互合作以形成内管244d。每个板330具有波纹轮廓，该波纹轮廓包括峰332和谷334。板330彼此纵向并且径向偏移，使得一个板330的峰332被间隔在相邻板的峰之间。在这种构型中，板的峰332和谷334产生通道336，压缩空气D3被导引穿过该通道。每个板330在基本上平行于邻接弓形板延伸的方向上导引压缩空气D3，以将旋转赋予给压缩空气且因此绕中心轴线241赋予给流体通道274内的空气/燃料混合物。由此在从燃烧器240的中心轴线241偏移并且相对于垂直于板330延伸的轴线（未示出）成角度的方向上导引流体通道274内的空气/燃料混合物。

图5至图6A图示了根据本发明的另一个实施例的喷气发动机200a。与图1至图2B中的特征相同的图5至图6A中的特征具有与图1至图2B相同的附图标记，而不类似于图1至图2B中的特征的图5至图6A中的特征被给予了后缀“a”。图5至图6A图示了喷气发动机200a，其类似于图1至图2B的喷气发动机200。在图5至图6A的喷气发动机200a中，经由燃料管254a递送的燃料在被喷射到区域274中之前与空气部分地混合。部分地预混合的燃料由参考字符F3指示，并且如在图6A中最佳地看到的，燃料管254a穿过预混合腔室254'。如在图6A中最佳地看到的，预混合腔室254'通过端口（未具体地示出）来接收由参考字符D5指示的压缩机空气，该端口形成在预混合腔室254'中。穿过腔室的燃料与进入的空气流（D5）混合并且被喷射到区域274，在该区域处燃料与通过分别形成在构件244、242中（也见图2B）的端口252、248递送的附加的空气D4、D3混合。

图6A中所示的喷气发动机燃烧器的运行基本类似于图2A中所示的燃烧器，除了燃料在被喷射到区域274中之前与一些空气预混合之外。图2B中所示的燃料与空气的移动模式同样适用于图6A中所示的燃烧器。然而，在图5至图6A的喷气发动机200a中，由燃料供应构件254a递送的燃料在被排放到腔室274中之前与进入的压缩空气D5部分地预混合。这种部分燃料混合物还与被喷射穿过相应的流体导引结构252和248并且进入流体通道/燃烧腔室274'的压缩空气D3和D4混合，在该流体通道/燃烧腔室处完全混合的燃料充量被点燃和燃烧。

流体导引结构252允许通道250内的空气D3被径向向外导引到流体通道274中，并且流体导引结构248允许外管242外面的区域277中的空气D4被径向向内导引到流体通道274中。流体导引结构248、252中的任一个或两者能够具有图3A至图4D中所图示的构型中的任一个。

压缩空气D3、D4与来自燃料供应构件254a的部分燃料混合物F3混合，以在流体通道274内形成空气/燃料混合物，该空气/燃料混合物围绕燃烧器240a的轴线241涡旋。由于流体导引结构248的构型，压缩空气D4当它进入流体通道274中时绕燃烧器240a的轴线241被赋予离心力。同样，压缩空气D3进入内管244的内部250并且然后穿过内管244的导引结构252且进入流体通道274中，由此绕燃烧器240a的轴线241在空气/燃料混合物上赋予离心力。

本领域普通技术人员将了解，空气与燃料的混合物在流体通道中形成并且被赋予离心力，该离心力导致流体通道274内的空气/燃料混合物围绕燃烧器的中心轴线旋转或成螺旋形，因此使燃烧改进和稳定。

图7至图8图示了根据本发明的另一个实施例的喷气发动机200b。与图1至图2B或图5至图6A中的特征相同的图7至图8中的特征具有与图1至图2B或图5至图6A相同的附图标记，而不类似于图1至图2B中的特征的图7至图8中的特征被给予了后缀“b”。类似于图1至图2B的喷气发动机200，壁251b固定到燃烧器240b的更接近压缩机230的端部，并且壁255b固定到燃烧器的更接近涡轮220的端部。然而，在图7至图8的喷气发动机200b中，燃料F4在燃烧器的上游喷射并且在进入燃烧器240b之前与压缩空气D4'完全混合。

图7至图8的喷气发动机200b包括固定到壳体210的流体混合元件290，用于将压缩空气D4'和离开燃料供应构件254b的燃料F4预混合使得空气与燃料在进入燃烧器240b之前完全混合。流体混合元件290沿着喷气发动机200b的轴线202定位在燃料供应构件254b和燃烧器240b之间，并且包括外部元件292和内部元件294，它们定位成彼此同心以及与连接构件232同心。外部元件292是环形的并且具有大致截头圆锥形构型，该构型在朝向燃烧器240b延伸的方向上，即，如图8观察的向左，径向向内成锥形。内部元件294定位在外部元件292的内部，并且固定到外部元件或与外部元件一体地形成。压缩机/涡轮连接构件232延伸穿过内部元件294中的大体上由参考字符294a指示的开口。

环形间隙296在内部元件294和外部元件292之间延伸，并且在朝向燃烧器240b延伸的方向上向内成锥形，即，间隙沿着轴线202的横截面面积在朝向燃烧器的方向上减小。流体混合元件290被构造成使得来自压缩机的压缩空气D4'以及离开燃料供应构件254b的燃料F4必须穿过混合元件中的间隙296以便到达燃烧器240b。由于间隙296的横截面面积沿着流体混合元件290的长度而减小，因此压缩空气D4'和燃料F4随着空气和燃料行进穿过流体混合元件而变得混合在一起。空气D4'和燃料F4作为完全预混合的混合物（在图8中大体上被指示为M）离开流体混合元件290。虽然流体混合元件290被图示为具有特定构造，但是普通技术人员将了解，能够使用被构造成将压缩空气D4'和燃料F4混合以形成完全预混合的混合物M（其进入燃烧器240b以被点燃）的任何一种或多种结构。

混合物M沿着两个不同路径进入燃烧器240b。混合物M中的一些流动到区域277，即在壳体210的壁216和外管242之间的燃烧器240b的外部，在该区域处混合物M中的一些被外管242的流体导引结构248径向向内导引到流体通道274中。混合物M的剩余部分流动到内管244的内部250中，在该内部处混合物M的剩余部分被内管的流体导引结构252径向向外导引到流体通道274中。流体导引结构248、252导致集合性混合物M以类似于图2B中所图示的方式围绕燃烧器240b的轴线241在流体通道274内涡旋。然后，混合物M在流体通道274内通过点火源（未示出）被点火，并且点燃的混合物的燃烧产物以大体上由箭头R2指示的方式从燃烧器240b朝向涡轮220排出，以便以所描述的方式驱动涡轮。

图9至图11图示了根据本发明的另一个方面的喷气发动机200c。在图9至图11的喷气发动机200c中，多个燃烧器240c绕喷气发动机的中心轴线202布置。燃烧器240c中的每一个能够构成图1至图2B的非预混合燃烧器240、图5至图6B的部分预混合燃烧器240a或者图7至图8的完全预混合燃烧器240b或者它们的改型。与图1至图8中的特征相同的图9至图11中的特征具有与图1至图8相同的附图标记，而不类似于图1至图8中的特征的图9至图11中的特征被给予了后缀“c”。

如图9中所示，压缩机230和涡轮220定位在壳体210内、在燃烧器240c的相对侧上。燃烧器240c优选地彼此轴向对准并且绕喷气发动机200c的轴线202径向间隔开（图9）。虽然图9至图11中图示了五个燃烧器240c，但是将了解，根据本发明能够设置更多或更少的燃烧器。此外，燃烧器240c能够绕中心轴线202对称地或非对称地间隔开。燃烧器240c能够基本上平行于彼此和轴线202延伸，或者能够相对于彼此和/或所述轴线以一定角度延伸。壁270设置在壳体210的壁212和燃烧器240c之间以及所述燃烧器之间，以确保流体仅流动到燃烧器中，即不围绕燃烧器或者在燃烧器和壳体的壁之间流动。还优选地设置另一个壁272以防止空气或燃料/空气旁通绕过燃烧器。壁270、272还能够用作用于燃烧器240c的安装板或支撑件。

燃烧器240c与燃烧器240、240a、240b的不同之处在于没有使用内管。燃烧器的外管242'具有流体导引结构248，使得将空气和燃料的混合物从流体通道277'径向向内导引穿过流体导引结构进入内部274'中。在这种构型中，每个燃烧器240c包括具有连续表面的坚固的外壁297，使得没有流体径向穿过它。盖251c设置在每个燃烧器240c上以流体地密封管242的更接近涡轮200的上游端，使得空气和/或燃料/空气混合物不能轴向地进入燃烧器240c的通道274'，即空气和/或燃料混合物必须径向向内穿过流体导引结构248'并进入内部通道274'中。环形通道277'的下游端由盖257a密封，这确保所有空气（或燃料-空气混合物）行进到燃烧通道274'中。

离开压缩机230的空气被分布在燃烧器240c之中。空气与由燃料管254c递送的燃料混合，并且最终在内部燃烧腔室274'中涡旋和燃烧。图10中图示了用于将燃料喷射到燃烧器240c中的若干种方法和设备。燃料管254c用实线示出，在实线构型中，燃料喷射到燃烧器240c的上游，在所述上游处燃料与由压缩机230递送的空气完全混合，如结合图7、图8A和图8B描述的。然后，这种完全混合的燃料/空气充量进入区域277'，并且经由形成在管状构件242'中的端口248而行进到燃烧通道274'中。如之前所解释的，这些端口布置成导致燃料/空气混合物在燃烧通道274'中旋转。

在替代性实施例中，每个燃烧器240c利用结合图5和图6A所描述的燃料/空气递送系统。燃料管254c'包括预混合腔室254″。在这种构型中，由燃料管254c'递送的燃料与由预混合腔室254″从压缩机230接收的空气部分地混合。这种部分燃料混合物穿过盖251c被喷射到腔室274'中，在该腔室中所述部分燃料混合物与压缩机空气D6完全混合，所述压缩空气经由通道277'、然后经由形成在管状构件242'中的端口248进入腔室274'。

在又一替代性实施例中，燃烧器240c利用结合图1和图2A所描述的燃料/空气递送系统。在这种构造中，燃料经由燃料管254c直接喷射到燃烧通道274'中，该燃料管的下游端延伸穿过盖251c。喷射的燃料与通过管状构件242'和252递送的涡旋空气混合。

在所有这些实施例中，每个燃烧器240c的管构件242'的内部274'内的点火器（未示出）将涡旋空气/燃料混合物点燃。涡旋燃烧产物共同地离开燃烧器240c并且穿过涡轮220，从而导致涡轮旋转以及燃烧产物从喷气发动机200c排出。

图12A至图12D图示了根据本发明的另一个方面的燃烧器或燃料燃烧器340。燃烧器340能够用于工业、家用和商用加热器具中，诸如例如热水器、锅炉、炉子等。燃烧器340包括外管342和内管344，所述外管和内管关于中心轴线341彼此同心。参考图12C，外管342从第一端345延伸到第二端347，并且限定内部或中心通道349。内管344从第一端333延伸到第二端335，并且限定内部或中心通道350以用于接收可燃烧燃料和空气的预混合的混合物。可燃烧燃料能够是液体（例如，雾化的或汽化的）或气体。

外管342和内管344之间的空间限定了流体通道374。内管342的周边包括流体导引结构352以用于将流体从中心通道350径向向外导引到流体通道374。外管342的周边包括流体导引结构348以用于将流体径向向内导引到流体通道374。流体导引结构348、352能够构成上述流体导引结构中的任一者或其组合（参见图3A至图4D）。

环形壁351固定到外管342和内管344的第一端333、345。壁351包括环形基部353和从基部延伸的一对环形凸缘355、357。凸缘355以流体密封的方式固定到内管344的第一端333。凸缘357以流体密封的方式固定到外管342的第一端345。因此，壁351以流体密封的方式密封流体通道374的一端。另一个壁360固定到内管344的第二端335，并以流体密封的方式密封内管的第二端。

外管342和内管344定位在从第一端382延伸到第二端384的壳体380中。壳体380以轴线341为中心，并且限定内部386以用于接收外管342和内管344。端壁或板390固定到壳体380的第二端384和外管342的第二端347，以将壳体固定到外管。壁390以流体密封的方式固定到外管342，并且其尺寸设计成使得壳体380、外管342和内管344是同心的。

进一步参考图12D，携带可燃烧燃料和空气的完全预混合的混合物（由参考字符F5指示）的一个或多个供应构件400定位在外管342和内管344的上游。供应构件400大体上与中心通道350对准并朝向该中心通道延伸，以在供应构件和中心通道之间建立直接的流体路径。供应构件400能够朝向壳体380轴向地延伸进入其中（如图所示）或径向向内延伸穿过壳体，例如具有类似于图1至图2A中的燃料供应构件254的L形构型（未示出）。在任何情况下，供应构件400都将预混合的混合物F5递送到壳体380的内部386。

由于燃料燃烧器340的构型，预混合的混合物F5被分成两个预混合部分F6、F7，这两个预混合部分采用从壳体380的内部386到流体通道374的不同流动路径。预混合部分F6在内管344的第一端333处流入中心通道350中。端壁360防止预混合部分F6除了穿过流体导引结构352以外离开内管344的第二端335。因此，预混合部分F6径向向外穿过流体导引结构352被导引到流体通道374中。当这发生时，流体导引结构352在预混合部分F6上赋予离心力，使得该预混合部分在流动通过流体通道374的同时绕燃烧器340的轴线341涡旋。

同时，预混合部分F7流动到壳体380和外管342之间的径向空间。此时，流体导引结构348将预混合部分F7径向向内导引到流体通道374中。端壁390防止预混合部分F7除了穿过流体导引结构348之外离开壳体380的第二端384。由于流体导引结构348的构型，预混合部分F7当它径向向内进入流体通道374中时绕燃烧器340的轴线341被赋予离心力。

因此，很明显，预混合的混合物F5沿多个流动路径流动——一部分F6径向向外流动通过流体导引结构348，并且一部分F7径向向内流动通过流体导引结构352）——以到达流体通道374。预混合的混合物F5的预混合部分F6、F7在流体通道374内重新组合，并且共同地围绕燃烧器340的轴线341并在内管342和外管344之间涡旋。

燃烧器340具体地被构造成将通过其的流体流动限制到已经描述的那样。除了上述壁360、390之外，端壁351也防止预混合部分F6、F7和由其产生的任何火焰穿过内管342和外管344的第一端333、345离开流体通道374。因此，预混合的混合物F5只能通过穿过相应的流体导引结构352和348来进入流体通道374。

也就是说，来自点燃的空气/燃料混合物的燃烧产物在流体通道374内并且绕燃烧器340的中心轴线341旋转而离开燃烧器340，如大体上由图12D中的箭头R3指示的。旋转的、成螺旋形的空气/燃料混合物R3由点火装置（未示出）点燃以将燃烧器340点着，所述点火装置为本领域众所周知的任意多种类型并且被定位在任意多个适当位置中。例如，壁351能够设有开口（未示出），点火器延伸穿过所述开口。火焰检验装置（未示出）能够定位在任意多个适当位置中以检测火焰的存在。

将了解，根据本发明，图12A至图12D的燃烧器340能够以与使用燃烧器240、240a、240b相同的方式使用，因此能够接收完全预混合的混合物或部分预混合的混合物以及附加的空气。

图13A至图13B图示了根据本发明的另一个方面的燃烧器或燃料燃烧器410。燃烧器410构成外部涡旋燃烧器，其能够用于工业、家用和商用加热器具中，诸如例如热水器、锅炉、炉子等。更具体地，燃烧器410以简单、廉价且有效的方式产生绕其外部和沿着其外部的涡旋的、成螺旋形的和/或旋转的火焰。

燃烧器410包括管444，该管沿着中心轴线441从第一端433延伸到第二端435。管444包括内表面446和外表面448，该内表面限定内部或中心通道450。管444的第一端433包括凸缘470以用于将燃烧器410固定到例如器具的一部分。壁460固定到管444的第二端435，从而以流体密封的方式密封中心通道450的一端。在该示例中，燃烧器410不包括外管或壳体，因此，管444限定燃烧器410的外部和内部两者。

管444的周边包括流体导引结构452以用于将流体从中心通道450径向向外导引到与外表面448和流体导引结构452相邻并在它们的径向向外处的位置，即在管的外部或外面。流体导引结构452能够构成上述流体导引结构中的任一者或其组合（见图3A至图4D）。

如图13B中所示，中心通道450被构造成接收可燃烧燃料和空气的预混合的混合物。可燃烧燃料能够是液体（例如，雾化的或汽化的）或气体。为此，携带可燃烧燃料和空气的完全预混合的混合物（由参考字符F8指示）的一个或多个供应构件480定位在管444的上游。供应构件480大体上与中心通道450对准并朝向该中心通道延伸，以在供应构件和中心通道之间建立直接的流体路径。供应构件480朝向管444轴向地延伸和/或延伸到管444中，并将预混合的混合物F8递送到中心通道450。

预混合的混合物F8在管444的第一端433处流入中心通道450中。端壁460防止预混合的混合物F8除了穿过流体导引结构352以外离开管444的第二端435。因此，预混合的混合物F8径向向外穿过流体导引结构452被导引到管外部。当这发生时，流体导引结构452在预混合的混合物F8上赋予离心力，使得预混合部分在绕管外部流动的同时绕燃烧器840的轴线441涡旋。

来自点燃的空气/燃料混合物的燃烧产物围绕管444的外部绕燃烧器340的中心轴线441旋转而离开燃烧器440，如大体上由图13B中的箭头R4指示的。为此，旋转的、成螺旋形的空气/燃料混合物R4由点火装置（未示出）点燃以将燃烧器440点着，所述点火装置为本领域众所周知的任意多种类型并且被定位在任意多个适当位置中。火焰检验装置（未示出）能够定位在任意多个适当位置中以检测火焰的存在。点燃的空气/燃料混合物R4被引导到例如加热器具的热交换管中。

出于若干原因，本发明的燃烧器比常规燃烧器（室）或燃烧器有利。不同于常规燃烧器（其中火焰主要是通过来自火焰的分子热传导以及分子自由基扩散而传播到反应物（即，空气/燃料混合物）的接近流中），本发明的燃烧器促成通过由于与进入的空气/燃料混合物重叠和互相混合的高速外焰的对流和辐射的附加的热传递。进入的空气/燃料混合物被预加热同时火焰区域被冷却，这有利地帮助减少NO_x。当空气/燃料混合物在内管内被点燃时，外焰有利地与内管的内表面完全间隔开，并且当空气/燃料混合物在流体通道内被点燃时，外焰有利地与内管的外表面完全间隔开。

还通过重叠和互相混合的外焰迫使自由基进入到进入的反应物流中。反应物的混合物中自由基的存在使点火温度降低并且允许燃料在低于正常温度下燃烧。它还帮助显著增加火焰速度，这缩短了反应时间，由此附加地减少NO_x的形成，同时显著改进火焰稳定性/火焰保持性。改进的稳定性和火焰保持性降低了熄火的机会。

由于本发明的燃烧器的优越的火焰保持性/稳定性，它能够在非常高的燃烧负载下运行。高负载允许燃烧器以稳定的“提升火焰”模式（即，火焰与燃烧器表面间隔开）运行。火焰以这种方式的提升是期望的，因为不直接加热燃烧器表面，由此使这些表面保持在较低温度下并且使燃烧器的可用寿命延长。对于给定的应用，高的燃烧负载还允许使用更小的、节省空间的并且更低成本的燃烧器。此外，由于如上文所讨论的优越的火焰保持性，本发明的燃烧器还能够在非常高水平的过量空气下清洁地（低CO）运行，其产生的NO_x含量远低于利用常规燃烧器可实现的NO_x含量。

已详细图示和描述了本发明的优选实施例。然而，本发明将不被认为是受限于所公开的精确构造。例如，将理解，通过将固定到内管和外管的壁251c（图10中示出）构造成可沿着喷气发动机的轴线移动，上文所描述的燃烧器中的任一者都能够包括“可变容积”的燃烧腔室，例如流体通道。这样的构造将通过使燃烧腔室容积与所需要的功率输出匹配而允许最佳燃烧性能。

已结合喷气发动机应用详细描述了本发明。本领域技术人员将认识到，本发明的原理能够被应用于在加热器具（诸如，热水箱、炉子和锅炉）中使用的燃烧器。本领域技术人员将认识到，所公开的燃烧器构型能够适于在所指明的加热应用中使用。对于一些应用，燃烧器将被构造为动力燃烧器，其中鼓风机或适当的装置将迫使空气进入燃烧器，在该燃烧器中空气将与适当的液体燃料（诸如，燃油）或者气体燃料（诸如，天然气或丙烷）混合。

本发明所涉及的领域中的技术人员能够想到本发明的各种改型、改进和使用，并且意图是由此涵盖落入所附权利要求的精神或范围内的所有这样的改型、改进和使用。

Claims (27)

1.一种燃料燃烧器，其包括：

管，所述管沿着中心轴线从第一端延伸到第二端并且具有外表面和限定中心通道的内表面，所述中心通道在所述第一端处被供应有在所述管的上游预混合的空气和可燃烧燃料的混合物，所述第二端由端壁以流体密封的方式封闭，所述端壁与所述中心轴线相交，所述管具有流体导引结构以用于将预混合的混合物从所述中心通道径向向外导引到所述管的外部，使得所述预混合的混合物沿着所述管的外部绕所述中心轴线径向地旋转。

2.根据权利要求1所述的燃料燃烧器，其中，所述流体导引结构包括多个开口和与每个开口相关联的引导件，所述引导件相对于所述内表面成角度以用于使所述预混合的混合物绕所述中心轴线旋转。

3.根据权利要求2所述的燃料燃烧器，其中，所述引导件布置成一系列排，所述一系列排围绕所述管的周边连续地延伸以环绕所述中心轴线。

4.根据权利要求1所述的燃料燃烧器，其还包括外管，所述外管具有外表面和限定用于接收所述管的通道的内表面，其中，流体通道被限定在所述管的所述外表面和所述外管的所述内表面之间，使得所述管的所述流体导引结构将所述预混合的混合物从所述中心通道径向向外导引到所述流体通道，使得所述混合物在所述管和外管之间绕所述中心轴线径向地旋转。

5.根据权利要求4所述的燃料燃烧器，其中，所述外管包括流体导引结构，所述流体导引结构具有多个开口和与每个开口相关联的引导件，所述引导件相对于所述外表面成角度以用于将所述预混合的混合物从所述外管外面径向向内导引到所述流体通道中，使得所述预混合的混合物在所述流体通道内绕所述中心轴线旋转并且与来自所述管上的所述流体导引结构的所述预混合的混合物混合。

6.根据权利要求5所述的燃料燃烧器，其中，所述引导件布置成一系列排，所述一系列排围绕所述外管的周边连续地延伸以环绕所述中心轴线。

7.根据权利要求4所述的燃料燃烧器，其中，第二端壁以流体密封的方式将所述管的所述第一端固定到所述外管，使得所述管上的所述流体导引结构提供从所述中心通道到所述流体通道的唯一流体路径。

8.根据权利要求7所述的燃料燃烧器，其中，所述第二端壁能相对于所述管和所述外管沿着所述中心轴线移动，以用于改变接收所述预混合的混合物的所述流体通道的容积。

9.根据权利要求4所述的燃料燃烧器，其还包括壳体，所述壳体限定用于接收所述管和所述外管的内部空间，板以流体密封的方式将所述外管的一端固定到所述壳体。

10.根据权利要求4所述的燃料燃烧器，其中，所述预混合的混合物在所述流体通道被径向分层。

11.根据权利要求1所述的燃料燃烧器，其中，所述燃料燃烧器在大约10%的CO₂下产生大约10 ppm的总NO_x。

12.根据权利要求4所述的燃料燃烧器，其中，所述流体导引结构围绕所述管的整个周边延伸，使得外焰与从所述外管上的所述流体导引结构进入所述流体通道的所述预混合的混合物重叠和互相混合。

13.根据权利要求12所述的燃料燃烧器，其中，所述外焰与所述管的所述外表面完全间隔开。

14.根据权利要求1所述的燃料燃烧器，其中，所述预混合的混合物能够沿着中心轴线流动。

15.一种加热器具，其包括根据权利要求1所述的燃料燃烧器。

16.一种燃料燃烧器，其包括：

外管，所述外管沿着中心轴线从第一端延伸到第二端，所述外管包括外表面和限定通道的内表面，所述外管包括流体导引结构，所述流体导引结构具有多个开口和与每个开口相关联的引导件；

内管，所述内管从第一端延伸到第二端并且定位在所述外管的所述通道内，所述内管包括外表面和限定中心通道的内表面，其中，流体通道被限定在所述内管的所述外表面和所述外管的所述内表面之间，所述中心通道被供应有在所述内管的上游预混合的空气和可燃烧燃料的混合物，所述内管具有流体导引结构以用于将所述预混合的混合物从所述中心通道径向向外导引到所述流体通道，使得所述预混合的混合物在所述内管和所述外管之间绕所述中心轴线径向地旋转，所述外管上的所述流体导引结构被供应有所述预混合的混合物并将所述预混合的混合物径向向内导引到所述流体通道，以与来自所述内管上的所述流体导引结构的所述预混合的混合物混合；

第一端壁，所述第一端壁以流体密封的方式封闭所述内管的所述第二端并且与所述中心轴线相交；以及

第二端壁，所述第二端壁以流体密封的方式将所述内管的所述第一端固定到所述外管，使得所述内管上的所述流体导引结构提供从所述中心通道到所述流体通道的唯一流体路径。

17.根据权利要求16所述的燃料燃烧器，其中，所述内管上的所述流体导引结构包括多个开口和与每个开口相关联的引导件，所述引导件相对于所述内表面成角度以用于使所述预混合的混合物绕所述中心轴线径向地旋转。

18.根据权利要求17所述的燃料燃烧器，其中，所述引导件布置成一系列排，所述一系列排围绕所述内管的周边连续地延伸以环绕所述中心轴线。

19.根据权利要求17所述的燃料燃烧器，其中，所述外管上的所述流体导引结构包括多个开口和与每个开口相关联的引导件，所述引导件相对于所述内表面成角度以用于使所述预混合的混合物绕所述中心轴线径向地旋转。

20.根据权利要求19所述的燃料燃烧器，其中，所述引导件布置成一系列排，所述一系列排围绕所述内管的周边连续地延伸以环绕所述中心轴线。

21.根据权利要求16所述的燃料燃烧器，其中，所述内管上的所述流体导引结构围绕所述内管的整个周边延伸，使得外焰与从所述外管上的所述流体导引结构进入所述流体通道的所述预混合的混合物重叠和互相混合。

22.根据权利要求16所述的燃料燃烧器，其中，所述预混合的混合物在所述流体通道被径向分层。

23.根据权利要求16所述的燃料燃烧器，其中，所述燃料燃烧器在大约10%的CO₂下产生大约10 ppm的总NO_x。

24.一种加热器具，其包括根据权利要求15所述的燃料燃烧器。

25.根据权利要求16所述的燃料燃烧器，其还包括壳体，所述壳体限定用于接收所述内管和所述外管的内部，板以流体密封的方式将所述外管的所述第二端固定到所述壳体。

26.根据权利要求16所述的燃料燃烧器，其中，所述第二端壁能相对于所述内管和所述外管沿着所述中心轴线移动，以用于改变接收所述预混合的混合物的所述流体通道的容积。

27.根据权利要求16所述的燃料燃烧器，其中，所述预混合的混合物能够沿着中心轴线流动。

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