斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構的制作方法
【專利摘要】斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構，在燃燒區的下端外圍設置有環形空氣腔，環形空氣腔的上端靠接設置環形煙氣腔，所述環形空氣腔上設置空氣入口，所述環形煙氣腔上設置煙氣出口；環形煙氣腔和燃燒區的外圍之間構成空氣-煙氣換熱腔，空氣-煙氣換熱腔內沿圓周方向等間隔設置有N塊（20≦N≦32，N為偶數）具有一定旋扭角度的換熱旋流板，相鄰換熱旋流板之間構成交替設置的空氣流道和煙氣流道，不僅使得空氣和煙氣的換熱更為充分均勻，大大提高了換熱效率，而且使得預熱后的空氣能迅速地流入到空氣旋流器；由于氣路布置合理巧妙，因此減小了空氣在空氣流道以及煙氣在煙氣流道中流動時的流動阻力，使得外燃系統的進、排氣高效穩定。
【專利說明】
斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構。
【背景技術】
[0002]伴隨著全球性的能源危機和環境危機，斯特林發動機由于其熱效率高、污染小以及能源適應性強等優勢已經越來越受到重視。空氣預熱結構作為斯特林發動機外燃系統的重要組成部分，是斯特林發動機的主要高溫熱交換結構，它可充分利用高溫煙氣的余熱加熱助燃空氣，使斯特林發動機外燃系統的效率大幅度提高，從而提高斯特林發動機的整機效率。此外，空氣預熱結構還可以使外燃系統的燃燒更充分更清潔。而進排氣結構則關系到斯特林發動機的高效、可靠性運行，其中進氣結構引導助燃空氣經空氣預熱結構順利進入燃燒區，排氣結構則對排出的燃燒煙氣導向，引導燃燒煙氣經空氣預熱結構順利進入排氣出口，迅速排入大氣。為此，為斯特林發動機設計一種結構緊湊、換熱效率高、氣路布置合理巧妙的外燃系統的進排氣及空氣預熱結構非常有意義。
【發明內容】
[0003]本發明旨在于為斯特林發動機的外燃系統提供一種結構緊湊、換熱效率高、氣路布置合理巧妙的進排氣及空氣預熱結構。
[0004]為實現本發明的目的，擬采用以下技術方案:
斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構，包括燃燒區，該燃燒區為斯特林發動機外燃系統中用于混合氣燃燒的空腔，所述燃燒區的下端外圍設置有環形空氣腔，環形空氣腔的上端靠接設置環形煙氣腔，所述環形空氣腔上沿圓周方向對稱設置有兩個空氣入口，所述環形煙氣腔上沿圓周方向對稱設置有兩個煙氣出口；所述環形煙氣腔的內側面相對環形空氣腔的內側面外移一定距離；
所述環形煙氣腔的外圍覆有第一保溫石棉層，環形煙氣腔的上端覆蓋有絕熱防護罩，絕熱防護罩內填充有第二保溫石棉層，所述燃燒區的上端覆蓋有空氣-煙氣隔離罩，所述絕熱防護罩的下端和空氣-煙氣隔離罩的上端之間設置有可使空氣旋流進入燃燒區的空氣旋流器；
所述環形煙氣腔和燃燒區的外圍之間構成空氣-煙氣換熱腔，空氣-煙氣換熱腔內沿圓周方向等間隔設置有N塊由耐熱材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的換熱旋流板，20SNS 32，N為偶數，相鄰換熱旋流板之間構成空氣流道或者煙氣流道，所述空氣流道和煙氣流道交替設置，于是空氣流道具有N/2個，煙氣流道也具有N/2個;各個所述煙氣流道的內側面上端開設有一個上部燃燒煙氣開口，煙氣流道的內側面構成燃燒區的外側面，也即燃燒區的外側面上部開設有N/2個上部燃燒煙氣開口，各個所述煙氣流道的外側面下端開設有一個下部燃燒煙氣開口，下部燃燒煙氣開口與位于煙氣流道外側的所述環形煙氣腔的內側面貫通；
各個所述空氣流道的底端面外側開設有一個底部預熱空氣開口，底部預熱空氣開口與位于空氣流道下端的所述環形空氣腔的上端面貫通，各個所述空氣流道的頂端面開設有一個頂部預熱空氣開口，從頂部預熱空氣開口出來的空氣經絕熱防護罩和空氣-煙氣隔離罩之間的空間進入所述空氣旋流器，空氣旋流器用于使空氣旋流，從而提升空氣進入燃燒室的進氣效果；
空氣從環形空氣腔的兩個空氣入口進入后，沿底部預熱空氣開口進入空氣-煙氣換熱腔的各個空氣流道，并由空氣流道的頂部預熱空氣開口流出，煙氣從煙氣流道的上部燃燒煙氣開口進入空氣-煙氣換熱腔的各個煙氣流道，并從煙氣流道的下部燃燒煙氣開口流出至環形煙氣腔，最后從環形煙氣腔的兩個煙氣出口流出；在空氣-煙氣換熱腔內空氣流道內的空氣和相鄰兩側的煙氣流道內的煙氣均能進行換熱，大大提高了空氣和煙氣的換熱效率；
由于各個換熱旋流板本身斜置且具有一定的旋扭角度，相對于豎向設置的直的換熱旋流板而言，不僅可以增加空氣和煙氣流動時的擾動，使得空氣和煙氣的換熱更為充分均勻，而且可以使預熱后的空氣從頂部預熱空氣開口流出時具有一定的切向速度，從而使得預熱后的空氣更迅速地流入到空氣旋流器；
所述絕熱防護罩與其連接結構采用螺釘固定的方式連接，所述空氣-煙氣隔離罩與其連接結構采用焊接方式連接，所述絕熱防護罩、空氣旋流器以及空氣-煙氣隔離罩之間采用焊接方式連接，所述換熱旋流板與其連接部分采用密封焊接方式連接。
[0005]進一步，所述空氣流道的底部預熱空氣開口和頂部預熱空氣開口的形狀均為扇形，且頂部預熱空氣開口的面積較大，各個空氣流道的底部預熱空氣開口和頂部預熱空氣開口的相鄰部分密封設置。
[0006]進一步，所述空氣-煙氣換熱腔內沿圓周方向等間隔設置有24塊由耐熱材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的換熱旋流板。
[0007]進一步，所述環形空氣腔上的兩個空氣入口的軸線和環形煙氣腔上的兩個煙氣出口的軸線位于同一豎向平面內。
[0008]本發明的有益效果是:首先，此斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構由于沿圓周方向等間隔設置了 N塊(20SNS32，N為偶數)換熱旋流板，從而形成交替設置的空氣流道和煙氣流道，于是空氣可以通過換熱旋流板與相鄰兩側的煙氣均進行換熱，大大提高了換熱效率;其次，由于換熱旋流板本身斜置且旋扭了一定的角度，一方面增加了空氣和煙氣流動時的擾動，使得空氣和煙氣的換熱更加充分均勻，另一方面使得預熱后的空氣從頂部預熱空氣開口流出時具有一定的朝向空氣旋流器的切向速度，從而使預熱后的空氣更迅速地流入到空氣旋流器;再次，由于空氣和煙氣的氣路布置合理巧妙，因此減小了空氣在空氣流道以及煙氣在煙氣流道中流動時的流動阻力，使得外燃系統的進氣、排氣高效穩定;最后，此斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構結可在高溫環境下長時間可靠穩定地工作，并顯示出高溫煙氣以及低溫空氣之間良好的密封性能。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明實施例的整體結構示意圖。
[0010]圖2為本發明實施例沿圓周方向的部分截斷結構圖；
圖3為本發明實施例的頂部預熱空氣開口和底部預熱空氣開口相對環形空氣腔的俯視位置圖；
圖4為本發明實施例的換熱旋流板的結構示意圖；
圖5為本發明實施例的絕熱防護罩的結構示意圖；
圖中:1、燃燒區；2、環形空氣腔;3、環形煙氣腔;4、空氣入口；5、煙氣出口；6、第一保溫石棉層;7、絕熱防護罩;8、第二保溫石棉層;9、空氣-煙氣隔離罩；10、空氣旋流器；11、空氣-煙氣換熱腔；12、換熱旋流板；13、空氣流道；14、煙氣流道；15、上部燃燒煙氣開口； 16、下部燃燒煙氣開口； 17、底部預熱空氣開口； 18、頂部預熱空氣開口。
【具體實施方式】
[0011]下面結合附圖以及實施例來進一步說明本發明的技術方案，但不構成對本發明的限定。
[0012]如圖1所示，斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構，包括燃燒區I，該燃燒區I為斯特林發動機外燃系統中用于混合氣燃燒的空腔，所述燃燒區I的下端外圍設置有環形空氣腔2，環形空氣腔2的上端靠接設置環形煙氣腔3，所述環形空氣腔2上沿圓周方向對稱設置有兩個空氣入口4，所述環形煙氣腔3上沿圓周方向對稱設置有兩個煙氣出口5，圖1中環形空氣腔2上的兩個空氣入口 4的軸線和環形煙氣腔3上的兩個煙氣出口 5的軸線位于同一豎向平面內；所述環形煙氣腔3的內側面相對環形空氣腔2的內側面外移一定距離以在該距離處開設下文的底部預熱空氣開口 17;
所述環形煙氣腔3的外圍覆有第一保溫石棉層6，環形煙氣腔3的上端覆蓋有絕熱防護罩7，絕熱防護罩7內填充有第二保溫石棉層8，第一保溫石棉層6和第二保溫石棉層8用以隔絕高溫煙氣的熱量，所述燃燒區I的上端覆蓋有空氣-煙氣隔離罩9，所述絕熱防護罩7的下端和空氣-煙氣隔離罩9的上端之間設置有可使空氣旋流進入燃燒區I內的空氣旋流器10;所述絕熱防護罩7與其連接結構采用螺釘固定的方式連接，所述空氣-煙氣隔離罩9與其連接結構采用焊接方式連接，所述絕熱防護罩7、空氣旋流器10以及空氣-煙氣隔離罩9之間采用焊接方式連接。
[0013]如圖1、圖2所示，圖2為本發明實施例沿圓周方向的部分截斷結構圖，所述環形煙氣腔3和燃燒區I的外圍之間構成空氣-煙氣換熱腔11，空氣-煙氣換熱腔11內沿圓周方向等間隔設置有24塊由耐熱材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的換熱旋流板12，換熱旋流板12的結構如圖4所示，換熱旋流板12與其連接部分采用密封焊接方式連接，相鄰換熱旋流板12之間構成空氣流道13或者煙氣流道14，所述空氣流道13和煙氣流道14交替設置，于是空氣流道13具有12個，煙氣流道14也具有12個;各個所述煙氣流道14的內側面上端開設有一個上部燃燒煙氣開口 15，煙氣流道14的內側面構成燃燒區I的外側面，也即燃燒區I的外側面上部開設有12個上部燃燒煙氣開口 15，各個所述煙氣流道14的外側面下端開設有一個下部燃燒煙氣開口 16，下部燃燒煙氣開口 16與位于煙氣流道14外側的所述環形煙氣腔3的內側面貫通；圖2中示出了兩個空氣流道13和兩個煙氣流道14，其中，近處的煙氣流道14只示出了位于煙氣流道14的外側面下端的下部燃燒煙氣開口 16，上部燃燒煙氣開口 15未示出，遠處的煙氣流道14只示出了位于煙氣流道14的內側面上端的上部燃燒煙氣開口 15，下部燃燒煙氣開口 16未示出；本發明中的換熱旋流板12也可以是范圍在20到32之間(包括20和32)的其他偶數個； 各個所述空氣流道13的底端面外側開設有一個底部預熱空氣開口 17，底部預熱空氣開口 17與位于空氣流道13下端的所述環形空氣腔2的上端面貫通，各個所述空氣流道13的頂端面開設有一個頂部預熱空氣開口 18，從頂部預熱空氣開口 18出來的空氣經絕熱防護罩7和空氣-煙氣隔離罩9之間的空間進入所述空氣旋流器10，空氣旋流器10用于使空氣旋流，從而提升空氣進入燃燒室I的進氣效果；圖2中，近處的空氣流道13只示出了位于空氣流道13的底端面外側的底部預熱空氣開口 17，頂部預熱空氣開口 18未示出，遠處的空氣流道13只示出了位于空氣流道13的頂端面上端的頂部預熱空氣開口 18，底部預熱空氣開口 17未示出；
如圖2、圖3所示，所述空氣流道13的底部預熱空氣開口 17和頂部預熱空氣開口 18的形狀均為扇形，且頂部預熱空氣開口 18的面積較大，各個空氣流道13的底部預熱空氣開口 17和頂部預熱空氣開口 18的相鄰部分密封設置。
[0014]本實施例斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構的工作方式如下:鼓風機將新鮮空氣經兩個空氣入口 4送入到環形空氣腔2，新鮮空氣由環形空氣腔2經底部預熱空氣開口 17進入到空氣-煙氣換熱腔11的空氣流道13，而燃燒區I內的高溫煙氣經上部燃燒煙氣開口 15進入到空氣-煙氣換熱腔11的煙氣流道14，然后空氣流道13內的空氣與相鄰兩側煙氣流道14內的煙氣在流動過程中通過帶有一定旋扭角度的換熱旋流板12充分擾動并進行換熱，換熱后的預熱空氣再從頂部預熱空氣開口 18流出并以一定的切向速度快速流入到空氣旋流器10，經空氣旋流器10進入燃燒區1，并與燃燒區I噴入的燃料形成均勻混合氣，再經點火系統點火燃燒。而在煙氣流道14內和相鄰兩個空氣流道13換熱后的煙氣溫度則有所下降，再經下部燃燒煙氣開口 16進入到環形煙氣腔3，并從環形煙氣腔3上的兩個煙氣出口 5排入到大氣。
[0015]本實施例中，在空氣-煙氣換熱腔11內空氣流道13內的空氣和相鄰兩側的煙氣流道14內的煙氣均能進行換熱，大大提高了空氣和煙氣的換熱效率；由于各個換熱旋流板12本身斜置且旋扭了一定的角度，相對于豎向設置的直的換熱旋流板而言，不僅可以增加空氣和煙氣流動時的擾動，使得空氣和煙氣的換熱更為充分均勻，而且可以使預熱后的空氣從頂部預熱空氣開口 18流出時具有一定的切向速度，從而使得預熱后的空氣更迅速地流入到空氣旋流器10。
[0016]此外，由于環形空氣腔2(環形空氣腔2的上端面與底部預熱空氣開口 17貫通)、頂部預熱空氣開口 18(開設在空氣流道13的頂端面的外側且較大面積設計)、空氣流道13、換熱旋流板12(斜置具有一定的旋扭角度)、空氣旋流器10的位置設計，使得空氣的氣路設計合理巧妙；由于上部燃燒煙氣開口 15(開設在煙氣流道14的內側面的上端)、煙氣流道14、下部燃燒煙氣開口 16(開設在煙氣流道14的外側面的下端)、環形煙氣腔3(環形煙氣腔3的內側面與下部燃燒煙氣開口 16貫通)的位置設計，使得煙氣的氣路設計合理巧妙，因此能減小空氣在空氣流道13以及煙氣在煙氣流道14中流動時的流動阻力，使得外燃系統的進氣、排氣高效穩定。
[0017]以上所述的具體實施例僅僅是對本發明的技術構思作舉例說明，應當指出，在不脫離本發明的技術構思的情況下，相關技術人員可對所描述的具體實施例做相應的修改和潤飾，與該技術相似的結構方式及實施例均屬本發明所保護的范圍。
【主權項】
1.斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構，包括燃燒區，該燃燒區為斯特林發動機外燃系統中用于混合氣燃燒的空腔，所述燃燒區的下端外圍設置有環形空氣腔，環形空氣腔的上端靠接設置環形煙氣腔，所述環形空氣腔上沿圓周方向對稱設置有兩個空氣入口，所述環形煙氣腔上沿圓周方向對稱設置有兩個煙氣出口；所述環形煙氣腔的內側面相對環形空氣腔的內側面外移一定距離； 所述環形煙氣腔的外圍覆有第一保溫石棉層，環形煙氣腔的上端覆蓋有絕熱防護罩，絕熱防護罩內填充有第二保溫石棉層，所述燃燒區的上端覆蓋有空氣-煙氣隔離罩，所述絕熱防護罩的下端和空氣-煙氣隔離罩的上端之間設置有可使空氣旋流進入燃燒區的空氣旋流器； 所述環形煙氣腔和燃燒區的外圍之間構成空氣-煙氣換熱腔，空氣-煙氣換熱腔內沿圓周方向等間隔設置有N塊由耐熱材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的換熱旋流板，20SNS 32，N為偶數，相鄰換熱旋流板之間構成空氣流道或者煙氣流道，所述空氣流道和煙氣流道交替設置，于是空氣流道具有N/2個，煙氣流道也具有N/2個;各個所述煙氣流道的內側面上端開設有一個上部燃燒煙氣開口，煙氣流道的內側面構成燃燒區的外側面，也即燃燒區的外側面上部開設有N/2個上部燃燒煙氣開口，各個所述煙氣流道的外側面下端開設有一個下部燃燒煙氣開口，下部燃燒煙氣開口與位于煙氣流道外側的所述環形煙氣腔的內側面貫通； 各個所述空氣流道的底端面外側開設有一個底部預熱空氣開口，底部預熱空氣開口與位于空氣流道下端的所述環形空氣腔的上端面貫通，各個所述空氣流道的頂端面開設有一個頂部預熱空氣開口，從頂部預熱空氣開口出來的空氣經絕熱防護罩和空氣-煙氣隔離罩之間的空間進入所述空氣旋流器，空氣旋流器用于使空氣旋流，從而提升空氣進入燃燒室的進氣效果； 空氣從環形空氣腔的兩個空氣入口進入后，沿底部預熱空氣開口進入空氣-煙氣換熱腔的各個空氣流道，并由空氣流道的頂部預熱空氣開口流出，煙氣從煙氣流道的上部燃燒煙氣開口進入空氣-煙氣換熱腔的各個煙氣流道，并從煙氣流道的下部燃燒煙氣開口流出至環形煙氣腔，最后從環形煙氣腔的兩個煙氣出口流出；在空氣-煙氣換熱腔內空氣流道內的空氣和相鄰兩側的煙氣流道內的煙氣均能進行換熱，大大提高了空氣和煙氣的換熱效率； 由于各個換熱旋流板本身斜置且具有一定的旋扭角度，相對于豎向設置的直的換熱旋流板而言，不僅可以增加空氣和煙氣流動時的擾動，使得空氣和煙氣的換熱更為充分均勻，而且可以使預熱后的空氣從頂部預熱空氣開口流出時具有一定的切向速度，從而使得預熱后的空氣更迅速地流入到空氣旋流器； 所述絕熱防護罩與其連接結構采用螺釘固定的方式連接，所述空氣-煙氣隔離罩與其連接結構采用焊接方式連接，所述絕熱防護罩、空氣旋流器以及空氣-煙氣隔離罩之間采用焊接方式連接，所述換熱旋流板與其連接部分采用密封焊接方式連接。2.如權利要求1所述的斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構，其特征在于:所述空氣流道的底部預熱空氣開口和頂部預熱空氣開口的形狀均為扇形，且頂部預熱空氣開口的面積較大，各個空氣流道的底部預熱空氣開口和頂部預熱空氣開口的相鄰部分密封設置。3.如權利要求1或2所述的斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構，其特征在于:所述空氣-煙氣換熱腔內沿圓周方向等間隔設置有24塊由耐熱材料制作的斜置且具有一定旋扭角度的換熱旋流板。4.如權利要求3所述的斯特林發動機外燃系統的進排氣及空氣預熱結構，其特征在于:所述環形空氣腔上的兩個空氣入口的軸線和環形煙氣腔上的兩個煙氣出口的軸線位于同一豎向平面內。
【文檔編號】F23L15/00GK105841185SQ201510949540
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月18日
【發明人】熊樹生, 孫亞博, 毛彬滔, 宋洪健, 鄭宜坤, 黃曉波
【申請人】浙江大學