流线型体和具有该流线型体的燃烧设备 【技术领域】
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分、影响流体动力学特征的流线型体以及这种流线型体的使用。本发明还涉及一种包括这种流线型体并燃烧燃料混合物的设备以及这种设备的使用。
背景技术
在不同的技术领域中使用流动体(flow bodies)或挡板以便改变流动方向或影响它们的动力学特征。例如在燃烧技术中，通过在燃料混合物流动方向上设置一偏转板而改善要在反应室内燃烧的燃料混合物的分布是公知的。专利文献WO99/24756中使用这种类型的偏转板表面，以便使要被燃烧的混合物偏离原始流入方向，使其在反应室内尽可能对称分布，从而促进燃料混合物不同成份的混合，从而获得完全和快速的燃烧。该专利文献提出一种偏转板表面，其是圆锥表面或棱锥状表面，该表面的顶点指向混合物的流入方向。
这种偏转板表面的一个缺点是由于受偏转的影响，对燃料混合物成份进行减速，由于这些成份部分地反射回流入开口内，不能获得在反应室出口方向所希望的、易燃混合物地加速均匀流动。
此外，德国专利文献DE21 53 817OS介绍了一种用于燃烧废弃材料的燃烧器，在燃烧器内，废弃材料和被逐步供应的气体一起进入燃烧腔，在燃烧腔内具有一所谓的燃烧室(hot bulb)。该燃烧室的形状是锥形的，并被设置成其顶端指向要被燃烧的混合物流入方向，其轴线与燃烧腔的轴线同轴。该燃烧室处于1200～1400℃的温度范围，并导致废弃材料内不能燃烧成份例如难以燃烧的固体颗粒燃烧。该燃烧室也可能被形成为环形。
由于上述原因，根据德国专利文献DE21 53 817OS类型的燃烧室对于燃烧腔内的流动动力学具有消极效果。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供一种适用于不同应用的对流动动力学具有正面效果的流线型体，其可以使流动平坦并控制流速。该流线型体特别适用于燃料混合物的燃烧。
利用权利要求1特征部分可以实现该目的。权利要求16提出了一种根据本发明的燃烧设备。根据本发明的燃烧设备和流线型体的使用在不同权利要求中被叙述。通过从属权利要求和说明书，本发明的优选实施例变得清楚。
根据本发明，所述流线型体的外表面至少部分地对应于对称旋转的翼剖面(airfoil)。为了本发明的目的，术语翼剖面意味着基本上对应于机翼横截面的顶表面。通过使机翼轮廓围绕其翼弦(chord)旋转，产生对称旋转的翼剖面。本发明的流线型体可以完全或部分地对应于这种类型的对称旋转的翼剖面。使流线型体的几何形状改变是非常优选的。为此目的，流线型体可以由可互换的几部分组成，以便使诸如直径或长度的几何参数适应条件变化。构造一种几何形状动力学可变的流线型体是可以想象的。
在根据本发明的完全旋转对称流线型体中，流体平行于旋转轴线流动，沿流线型体表面的流动时间是相等的。在翼剖面上具有两个临界点(stagnation point)，其中，前临界点位于钝端，后临界点位于翼剖面的尖后端。在流动中优选采用这种方式设置流线型体，即后临界点位于下游位置。
与没有设置流线型体的流速相比，在这种类型的布置中，在从前临界点向后临界点流动期间，流速增加。通过对称布置，可以使由翼剖面轮廓产生的提升力抵销。
此外，本发明上述旋转对称流线型体可以被用于产生层流。由于旋转对称，从前临界点前进的流体颗粒同时到达轮廓后边缘的后临界点。同时，与没有设置流线型体相比，由于翼剖面顶面(吸引侧)的压力下降，流速被增加。
通过使用本发明的流线型体而获得的流速增加可以被用于产生吸引作用，以便沿流动方向对流体和/或被流体携带的颗粒进行加速，和/或将流体和/或颗粒吸入流动中(通过将它们吸入)。例如用于被上述吸引作用自动吸入流动中的固体颗粒的输送开口可以被设置在上游。
本发明的旋转对称流线型体的另一种用途是被用作撞击面，特别适用于携带固体颗粒和/或液体颗粒的流动流体。
术语流体意味着气态或液态介质或气态和液态介质的混合物。这种类型的流体可以携带固体或液体聚合状态的颗粒。例如是由包含高粘度(液体)成份或难以燃烧的固体成份的可燃流体组成的燃料混合物。携带雾化的液体和/或固体颗粒的可燃气体也可以被用作燃料混合物。
当携带固体和/或液体颗粒的流体遇见本发明的旋转对称流线型体时，根据流速和撞击，颗粒被偏转。这可使液滴或携带在流体内的高粘性的颗粒雾化(atomise)和破裂，或使固体颗粒破裂。然而也可以使用这种效果进行分离。例如沿径向偏转的颗粒可以粘附在壁(或类似物体上)上，并因而与其它的流体流分离。
本发明的流线型体可以被用作热交换器。如果流动中具有温度梯度，使用本发明的由将热量传导到流线型体内(或其表面上)的材料制成的流线型体将开始热流动，也就是热量从流线型体较热部分流到较冷部分。
例如在燃烧工序中，在本发明的流线型体的后临界点后面的区域内产生火焰，在燃烧期间，从后临界点向前临界点方向，本发明的流线型体被加热，因而撞击前临界点的燃料混合物被预热。在燃烧工序中使用本发明的流线型体可以获得将在下文详述的优点。
所述流线型体的另一种用途是流动调节器。通过收缩流体的流动区域，流动调节器调节流体流量和流体流速。在普通阀中，利用被设置在流动区域内的阀体实现上述目的。然而所述收缩经常导致在阀体内产生旋涡，从而难以准确地测量和控制流量和流速。此外，在各种应用中，希望在阀后产生层流。
本发明旋转对称流线型体可以被用作流动调节器内的阀体，这样设置流线型体，其旋转轴线平行于流动方向，其锐利的后边缘下游在横截面缩小的阀输出线的前方。这样选择流线型体的直径，从而适应所述输出线的直径，通过使本发明的流线型体沿流动方向移动，阀输出线的横截面可以被不同方式覆盖，从而控制流入所述输出线的流体的流量和流速。为了封闭所述输出线，推动所述流线型体，直到其与阀输出线接触为止。流过本发明的流线型体的流动是层流，允许满意地测量流动数量并最佳调整流速。
本发明流线型体的一种用途是可以被用于燃烧工序，此时，该流线型体的优点可以得到充分的发挥，其中，流过混合和反应腔的燃料混合物被燃烧，本发明流线型体被设置成其主轴线在所述腔内并沿流动方向。
为了优化功能，使用钝部作为流线型体的前临界点，使用轮廓的锐利后边缘作为流线型体的后临界点。一方面，能够使用旋转对称流动体，其旋转轴线平行于混合和反应腔的主轴线或与混合和反应腔的主轴线重合。然而也可以使用两个或多个这种流线型体的半体或元件(分离表面或边缘大致沿旋转轴线)，将所述流线型体的半体安装在腔壁上，围绕腔壁分布。
当采用这种方式使用流线型体时，获得下述优选效果。
1)当可以包含液体、气态和固体成份的燃料混合物撞击流线型体时，发生偏转，从而促进要被燃烧的个体成份的混合，当撞击时，液体成份雾化，固体成份破裂。这样首先在流线型体的前部产生湍流。整体上可以增加燃料成份的驻留时间，促进它们在腔内的混合。
2)同时，沿着流线型体，流动在下游变得均匀。在流线型体的区域内，混合物被加速，流线型体附近的速度矢量平行延伸，它们的大小随着径向空间的增加而增加，以便再次朝向外边界(也就是腔壁)减少。整体上，围绕流线型体流动之后，获得层流。在混合和反应腔的出口，燃料混合物被点燃，靠近出口出现火焰。基本上没有出现燃料混合物或燃烧产物逆着出口方向发生回流(reflux)，以便阻止火焰回流。本发明的流线型体使燃料混合物向出口的流动加速，从而燃烧产物通过出口高速(接近或高于音速)离开混合和反应腔，导致吸气作用，有助于燃料混合物成份输送进入所述腔内。
3)最终，当被这样使用时，由于流线型体从最接近燃烧火焰的后临界点开始向前临界点方向被加热，本发明的流线型体被用作热交换器。在持久操作时，流线型体可以被用作对进入的燃料混合物成份进行预热的热交换器，这有助于液体成份的雾化和蒸发、固体成份的破裂和升华、燃料混合物的预热，从而减少难以燃烧的高粘性成份的粘度。因而增加了燃烧速度，有助于混合物中难以燃烧成份的充分燃烧，显著地增加了燃烧器的性能(热输出)，从而更多的燃料可以同时被燃烧。
理想情况是，旋转对称流线型体被这样设置，其旋转轴线沿着反应腔的轴线，后临界点(轮廓的锐利后边)朝向所述腔的出口，最好使之靠近出口，同时通过改变流线型体的位置，还可以调整出口区域所形成的限制，从而将流线型体用作流动调节器。
例如通过薄保持带，流线型体可以被保持在腔壁(圆柱形)上。最好采用这样的断面结构，从而流线型体的个别元件可以被更换，以便优化燃烧工序。例如流线型体可以被划分成前、中间和后部，同时通过改变这些部分，几何形状参数可以变化。为了测量燃烧工序参数和流线型体自身的特性，利用上述保持带，传感器和测量线可以被设置在流线型体上或内，便利于进入混合和反应腔内。
使用本发明的用于燃烧燃料混合物的设备可以实现上述优点。所述设备包括混合和反应腔以及流线型体，所述流线型体被这样设置，其主轴线在所述腔内沿着流动方向。基本上，流线型体的形状可以被自由选择，也就是具有简单的圆柱形状。
如果上述燃烧设备包括混合和反应腔，最好所述混合和反应腔向下游逐渐变小，然后横截面再次变宽，从而颈部构成具有最小横截面的点。沿这种类型几何结构的流动方向，流线型体可以被方便地设置在颈部的前方。已经证明，下述几何形状最为优选，也就是所述混合和反应腔具有圆柱形下部分，接近该下部分的是圆锥形部分，该圆锥形部分接近具有双曲线形状的头部，所述头部具有变宽的横截面，终止于出口。与设置在混合和反应腔内的流线型体一起，根据不同成份燃料的燃烧需要，特别是高粘性成份，这种类型设备可以用于实现对所有燃烧参数的优化调节。
上述设备适用作燃烧器，也就是对设置在下游的体积进行加热，或适用于产生推力的推进装置。
【附图说明】
下文将结合附图所示实施例详细介绍本发明。
图1显示根据本发明的具有旋转对称形状的流线型体；
图2显示作为本发明流线型体的几何形状的基础的翼剖面(airfoil)；
图3显示根据本发明的流线型体在混合和反应腔内燃烧工序内的使用；
图4显示在燃烧过程期间在图3所示的混合和反应腔内流体流的轨迹；
图5是类似于图4的视图；
图6显示图4和5所示混合和反应腔的颈部内的马赫数值(Machnumber)；
图7显示图4和5所示混合和反应腔上部内的速度矢量；
图8是类似于图7的视图，分辨率更高。
【具体实施方式】
图1在三维视图中显示了根据本发明的具有两个临界点(stagnationpoints)2和3的流线型体1。该流线型体1在形状上旋转对称，在该示例中基本上对应于一种对称的旋转翼剖面，从射流点的角度出发，一种优选布置是这样的，即临界点2被用作前临界点，临界点3被用作后临界点，也就是从前临界点2向后临界点3流动。
图2显示了一种翼剖面15的示例，该翼剖面15具有顶面侧11、底侧12、前临界点2和后临界点3、轮廓弦(profile chord)13和中心线14，例如当这种类型翼剖面15围绕轮廓弦13旋转时，产生图1所示的根据本发明的流线型体1的表面。从图2可以看到，当翼剖面旋转时，由于几何形状，仅仅顶面11是重要的，所以通过使翼剖面的顶面侧11(或翼剖面的横截面)围绕轮廓弦13旋转，可以产生旋转对称的流线型体。
图3显示了本发明的利用上述流线型体1燃烧燃料的设备的优选实施例。图3显示了混合和反应腔4，混合和反应腔4的下部5是圆柱形状，其向部分6锥形地逐渐变小，混合和反应腔4的横截面在颈部9最小，从颈部9向上向头部7方向尺寸再次增加。混合和反应腔4的头部7的形状是双曲面形。附图标记8表示混合和反应腔4的出口。在腔4的底部是供应线5，用于供应要被燃烧的诸如气态和或液体和/或固体燃料、空气和/或额外的或不同的氧化剂和可能的水或其它添加剂。
所示实施例的燃烧设备被具体用作具有多种工业用途的燃烧器(加热炉，融化诸如金属或玻璃的材料，使水或其它液体蒸发)。本发明设备的另一种用途是用作用于产生推力的动力装置，为此，可以使用一类似于图3所示实施例的设备，不同之处在于，该设备的腔4的底部必须被整体或部分地移走，从而允许流过该设备的内部。一种可能性是使用它作为诸如空气或水的流体内的动力装置。
燃料混合物的组分在压力下被首先送入腔4的内部并在腔4内点燃。有关燃烧工序的详细情况可以参考本申请人的专利申请文件WO99/24756。
由于混合和反应腔4内的流动条件，实际燃烧火焰被形成在出口8的附近，腔内的流动条件必须被这样设计，从而一方面阻止火焰熄灭，另一方面阻止火焰吹回腔的内部。用于调整和控制腔4内流动条件的理想仪器是根据本发明的流线型体1。利用保持带和/或引导带，将流线型体1固定地或可移动地结合在腔4内，最好流线型体1可以沿颈9的方向沿腔4的主轴线移动。
图4显示了在混合和反应腔4操作期间所形成的颗粒流。轨迹10清楚地显示在腔4的下圆柱形部分5内产生湍流，其中个别轨迹表述返回腔4底部的路径。所述湍流有益于燃烧工序，由于它导致燃料混合物成份在腔4内更充分的混合和更长的驻留时间，从而有助于完全燃烧。
此外，如图4清楚地所示，沿朝向腔4的锥形部分6的方向产生更有次序的流动，所述流动变成沿本发明的流线型体1的层状流动，同时本发明的流线型体1的轮廓沿流动方向继续。
在流线型体1的后临界点3，在图4所示实施例中，后临界点3被虚拟地设置在腔4的颈部9，从而通过出口8，经过腔4的头部7，产生离开腔4的整体上均匀的流动。
应该指出的是，利用示例中模型颗粒的轨迹，图4显示流体和/或被流体携带的颗粒的流动图案。
图5是一个类似于图4的视图，图5使用不同的三维视图。在图5中使用与图4相同的附图标记，相同的元件用相同的附图标记表示。
图6显示图4和5所示混合和反应腔的上部，显示了腔4的颈部9内的速度分布条件。显示了在燃烧工序期间，腔4的头部7和颈部9内马赫数值的分布。在该示例中温度大约为1300℃，用不同的灰色色调显示马赫数值也就是音速的倍数。灰色色调意味着原始颜色信息丧失，必须用言词描述更换：图中清楚地显示，围绕腔4颈部9的更深颜色的套筒表示混合物的流出已经超过音速的区域。图中左侧的条形(bar)表示位于1.0～1.5倍音速之间的数值。在图6中低于音速的数值用均匀的灰色显示。靠近颈部9设置的流线型体1被清楚地显示。马赫数值的分布情况如下：在套筒底部深色边缘以1.0开始，马赫数值连续地增加到1.5，灰色颜色精确地对应于图左端边缘所示的条形。再次用深色部分表示数值1.5，马赫数值再次下降到1.0，在套筒的较短部分内产生这种下降，从而得到在图左端边缘内所示的相反分布的条形。
利用本发明的流线型体1与腔4的几何形状相互作用，实现超音速。腔4的头部7和颈部9在形状上是双曲线形并与锥形部分6相连，这种几何形状导致向出口8快速地加速流动，所述流动被本发明的流线型体1进一步加速，在流线型体1的表面上，压力下降，导致流速增加。
最后，图7和8显示在燃烧工序期间在混合和反应腔的上部内以及流线型体1上的速度矢量的分布，同时图8用大比例详细地显示，在图8中没有显示流线型体1整体的旋转对称形状，而是以120°被切去。
流线型体1的轮廓如何在流动中连续是清楚的，其在流线型体1和腔4的壁之间完全均匀地向颈部9延伸。
适合本发明流线型体1的材料可以是诸如(ODS)Ni合金或陶瓷合金或陶瓷涂层等特别适于燃烧工序的材料。