CN118129189A

CN118129189A - 无活塞燃烧器

Info

Publication number: CN118129189A
Application number: CN202410387950.8A
Authority: CN
Inventors: 蒂莫·艾瑞玛; 海基·萨米能
Original assignee: Finno Energy Oy
Current assignee: Finno Energy Oy
Priority date: 2019-06-09
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2024-06-04
Also published as: CN114207356A; EP3980693B1; US20220252005A1; CN114207356B; WO2020249862A1; EP4286673A3; EP4286673A2; EP3980693A1

Abstract

公开了一种无活塞燃烧器(100)。该无活塞燃烧器包括用于空气和燃料的至少一个输入通道(33、34、43、44、63)、输出通道(15)和第一燃烧室(10)。至少一个输入通道(33、34、43、44、63)是由阀(31、32、41、42、61)控制的。所述至少一个输入通道(33、34、43、44、63)中的一个或更多个输入通道具有偏心对准，该偏心对准被配置成产生偏心输入空气流，从而在第一燃烧室(10)内形成燃料‑空气混合物的自保持流型(91、92)。

Description

无活塞燃烧器

本申请是申请日为2020年06月08日、申请号为2020800541472(PCT/FI2020/050398)、发明名称为“控制无活塞燃烧器中的爆燃燃烧过程的方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及燃烧器并且尤其涉及无活塞燃烧器。

背景技术

燃气涡轮机燃烧系统常规地以稳定且连续的方式运行。压缩机向燃烧器提供连续的空气流。在燃烧器内，燃料被添加到空气流中，并随之被点火。由于需要驱动助燃空气通过燃烧器，因此燃烧室的总压力损失约为3-5％。压力损失表现为涡轮机入口处的压力降低，减损了涡轮机生成机械功率的能力，因此降低了燃气涡轮机的总热效率。

燃气涡轮机公司在提高效率方面付出了很多努力，以减少燃料消耗和二氧化碳(CO2)排放；用于提高燃气涡轮机效率的主要方法是通过以下来进行：通过增加总压力比并通过有针对性的冷却来实现较高的涡轮机入口温度，以及通过开发对高温环境具有较高耐性的材料，此外通过优化压缩机和涡轮机部件的空气动力学效率。

新的且雄心勃勃的中长期目标已经确立，以满足减轻会造成气候改变的排放的需求。燃气涡轮机效率提高的递增式发展开始呈现收益递减的渐近式发展，并且可能表明需要寻找发电和效率提高的替代性方法。为了提高燃气涡轮机的总体竞争力，必须找到一种技术，该技术绕过常规燃气涡轮机工艺所受到的设计限制并使得能够在效率方面产生阶跃变化。

人们普遍认识到，通过使用能够增大在同一时间时的温度和工作流体的压力的燃烧器取代常规燃气涡轮机的燃烧器，在效率方面的阶跃变化是可能的。该原理称为恒定体积燃烧或压力增益燃烧。这种过程的已知理想化是汉弗莱循环以及阿特金森循环。众所周知，基于严格的热力学原理，这种热引入模式优于普通燃气涡轮机中使用的布雷顿或焦耳式循环。如果两个循环都从相同状态开始热引入，则由通过使用压力增益燃烧系统来减少由熵产积分表示的不可逆效能损失，为效率提高提供了坚实的基础。因此，更多的工作潜力被引入涡轮机，表现为涡轮机可用的总压力比增大。

由于其众所周知的热力学优势，压力增益燃烧已经被研究了数十年。许多有成就的公司和研究机构在努力寻找可行的方案。最近，有多种方法试图利用压力增益燃烧的潜力，其中大多数试图运用爆轰，但没有真正的突破。通常，失败是由于压力增益不足，或机械无法承受爆轰的破坏性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种消除或减轻本发明的背景技术段落中所公开的缺点的装置。本发明的目的是通过无活塞燃烧器来实现的，该无活塞燃烧器在根据本发明的一些实施方式中公开。本发明的优选实施方式在本发明的另一些实施方式中公开。

本发明基于燃烧室中输入物的偏心对准的构思，该对准可以在无活塞燃烧器中产生自保持流型。

本发明的装置的优点是在燃烧器内产生流型并且即使在开放输出的情况下压力也可以升高。通过本发明的优化了热释放速度的装置，可以实现显著的压力增益。

附图说明

下面将参考附图通过优选实施方式较详细地描述本发明，其中

图1例示了无活塞燃烧器的一实施方式；

图2A至图2D例示了燃烧系统的示例；

图3例示了第一燃烧室的一实施方式的俯视图；

图4例示了第一燃烧室的一实施方式的仰视图；

图5例示了无活塞燃烧器的一实施方式内的流分量；以及

图6和图7是无活塞燃烧器的时序图的示例。

具体实施方式

参照图1和图3至图5，无活塞燃烧器100包括第一燃烧室10、第二燃烧室11和优选地预燃烧室12。优选地，预燃烧室12在第一燃烧室10的周向部或壁上形成腔或突出部。优选地，预燃烧室12的容积至多是第一燃烧室10的容积的10％。在一实施方式中，预燃烧室具有半开放构造，其中从将预燃烧室与第一燃烧室连接的开口，可以看到预燃烧室12的内壁中的每个点。预燃烧室优选地包括用于将预燃烧室内的燃料-空气混合物点火的点火装置64。点火装置可以是例如火花塞或微波、等离子或激光点火系统。在一实施方式中，预燃烧室12可以是根据现有技术的内燃活塞发动机已知的预燃室或火炬点火装置。

第一燃烧室可以具有异形壁部段13，用于对准一个或更多个输入阀诸如第一输入阀21、第二输入阀31或第五输入阀41。在图1中，异形壁部段13用于对准第五输入阀41。通路14将第一燃烧室10连接到第二燃烧室。流体诸如空气、排放气体和燃料可以自由地流动穿过第一燃烧室和第二燃烧室之间的通路14。穿过通路的流体流优选地不受任何阀控制。排放气体和任何其他余留流体穿过输出通道15离开无活塞燃烧器，该输出通道优选地与第二燃烧室11连接。在一实施方式中，无活塞燃烧器100仅包括一个燃烧室，即第一燃烧室10，并且通路14被输出通道15代替。通路14和输出通道15的大小、形状和定位也是用于控制无活塞燃烧器内的流的重要手段。例如，在图4所示的实施方式中，通路14被定位为与入口和输入阀不对称，并且通路具有肾形横截面。通常，与第一输入阀21、第三输入阀22、第二输入阀31、第四输入阀32、第五输入阀41、第六输入阀42相比，通路14的不对称定位被发现是优选的。

在输出通道15与第二燃烧室11连接的情况下，输出通道15优选地被定位为与通路14相反，使得来自通路14的流被引导远离输出通道15。这种流方向阻碍了从通路14到输出通道15的流，从而在第二燃烧室中产生第三流分量93并且允许任何余留燃料在第二燃烧室11中燃烧。将输出通道15对准与第三流分量93的方向相反的方向还阻碍了穿过输出通道15离开第二燃烧室11的流，但同时降低了扫气效率。优选地，第二燃烧室11没有任何燃料输入物并且第二燃烧室的目的仅是在富含空气的环境中燃烧任何余留的燃料。第二燃烧室使得能够提高燃烧率、改善压力增益能力并且可以用于减少NOx的排放。

第一燃烧室10优选地包括：具有微小偏差部诸如第一输入阀21、第二输入阀31、第五输入阀41、第七输入阀61的球形内壁；预燃烧室12；异形壁部段13；和通路14。在一实施方式中，第一燃烧室10包括：具有微小偏差部诸如第一输入阀21、第二输入阀31、第五输入阀41、第七输入阀61的环形内壁；预燃烧室12；异形壁部段13；和通路14。在一实施方式中，第一燃烧室10包括：具有微小偏差部诸如第一输入阀21、第二输入阀31、第五输入阀41、第七输入阀61的柱形内壁；预燃烧室12；异形壁部段13；和通路14。第二燃烧室11优选地包括：具有微小偏差部诸如通路14的球形内壁；和输出通道15。在一实施方式中，第二燃烧室11包括：具有微小偏差部诸如通路14的环形内壁；和输出通道15。在一实施方式中，第二燃烧室11包括：具有微小偏差部诸如通路14的柱形内壁；和输出通道15。

一些第一入口23、第二入口33、第五入口43通向第一燃烧室，并且入口由第一输入阀21、第二输入阀31、第五输入阀41控制。由第一输入阀21控制的第一入口23可以用于对第一燃烧室10和第二燃烧室11进行扫气。可以通过第一入口23提供流动经过第一燃烧室和第二燃烧室的空气的输入流，从而对无活塞燃烧器100进行扫气。扫气使用空气填充燃烧室，同时迫使排放气体进入输出通道15。第一入口23和第一输入阀21的定位和对准被设计成促进无活塞燃烧器的扫气。第一燃烧室还可以包括由第三输入阀22控制的第三入口24，用于相同的功能。第三入口和第三输入阀的定位和对准与第一入口和第一输入阀的定位和对准类似，此外，第三入口和第三输入阀被定位和对准为相对于彼此对称或不对称。不对称的定位和对准均增加了调整第一燃烧室内的流的可能性。

由第二输入阀31控制的第二入口33可以用于将空气、燃料或空气-燃料混合物输入到第一燃烧室10。第二入口33和第二输入阀31被定位和对准以产生进入第一燃烧室10的第一流分量91。优选地，第二入口33和第二输入阀31被定位和对准以产生偏心流，即被引导从第一燃烧室的中心偏离一定距离的流。优选地，第二入口33和第二输入阀31也被定位和对准，以在从通路14偏离一定距离处或在具有单燃烧室的无活塞燃烧器的情况下从输出通道15偏离一定距离处产生偏心流。第一燃烧室还可以包括由第四输入阀32控制的第四入口34，用于相同的功能。第四入口和第四输入阀的定位和对准可以类似于第二入口和第二输入阀，但是阀的大小不同——或者反之亦然。这可以在第一燃烧室中形成第二流分量92。优选地，此外，第四入口和第四输入阀被定位和对准为相对于彼此对称或不对称。不对称的定位和对准均增加了调整第一燃烧室内的流的可能性。在入口和输入阀的数量最小化的实施方式中，第二入口和输入阀，或者第二入口和输入阀以及第四入口和输入阀两者也可以提供用于扫气的空气，并且在这种情况下可以省略第一入口和输入阀以及第三入口和输入阀。

由第五输入阀41控制的第五入口43可以用于将空气、燃料或空气-燃料混合物输入到第一燃烧室10。输入以高速射流的形式提供。射流的初始速度为至少0.1马赫，优选地为至少0.2马赫。第五入口43和第五输入阀41被定位和对准，以产生或增强进入第一燃烧室10的第二流分量92，或者以增加第一燃烧室中的湍流。第二流分量与第一流分量91不平行。优选地，第五入口43和第五输入阀41被定位和对准以产生偏心流，即被引导从第一燃烧室的中心偏离一定距离的流。优选地，第五入口43和第五输入阀41也被定位和对准，以在从通路14偏离一定距离处或在具有单燃烧室的无活塞燃烧器的情况下从输出通道15偏离一定距离处产生偏心流。优选地，第五入口43和第五输入阀41被定位在第一燃烧室10的异形壁部段13上。异形壁部段可以是例如平面壁部段或具有与第一燃烧室的大部分不同的曲率的壁部段。第一燃烧室还可以包括由第六输入阀42控制的第六入口44，用于相同的功能。第六入口和第六输入阀的定位和对准与第五入口和第五输入阀的定位和对准类似，此外，第六入口和第六输入阀被定位和对准为相对于彼此对称或不对称。不对称的定位和对准均增加了调整第一燃烧室内的流的可能性。优选地，第五输入阀41和第六输入阀43均被定位在异形壁部段13上，并且第五入口43与第一燃烧室的中心线50的距离51与第六入口44与第一燃烧室的中心线50的距离52不同。第五和第六入口通道可以是空气通道，并且第五和第六输入阀可以是空气阀。

一般来说，入口通道和输入阀以及其他开口和通道的对准、定位、大小和形状提供了广泛的参数组以控制无活塞燃烧器内的流。例如，对于相同的输入，使用成组的两个不同大小的阀而不是单个阀使得可以在两个阀之间自由调整流速，并且该功能可以用于在无活塞燃烧器内形成期望的流型。具体细节的变化取决于燃烧器的大小、形状和期望输出，并且还取决于燃烧器的所用燃料和期望操作频率。得到这些设计方案和追求的目标后的本领域技术人员能够根据本公开内容的权利要求来设计无活塞燃烧器。

图2A至图2D公开了系统的四个不同示例，其中无活塞燃烧器100用于生成电能。

参考图2A，为低压压缩机121提供空气输入101。低压压缩机与低压涡轮机120和低压发电机125具有公共轴122。低压压缩机的输出123流向冷却压缩空气的第一热交换器140。经冷却的压缩空气是高压压缩机111的输入109。高压压缩机与高压涡轮机110和高压发电机115具有公共轴112。高压压缩机111的输出被划分成无活塞燃烧器100的输入113和高压旁通流114。可以使用本公开内容中呈现的无活塞燃烧器100的任何实施方式。无活塞燃烧器使用高压空气输入和燃料输入以产生输出116，该输出被引导至高压涡轮机110，该高压涡轮机使轴112旋转，该轴又使高压发电机115旋转以生成电能。

高压涡轮机的输出119被引导至低压涡轮机120，该低压涡轮机使轴122旋转，该轴又使低压发电机125旋转以生成电能。低压发电机的输出139被引导至第二热交换器141，该第二热交换器从输出139移除热，并且经冷却的输出流143通过排放从系统释放。在一实施方式中，可以将来自外部热源的流布置到第二热交换器、第一热交换器或者以并联或串联方式的第二热交换器和第一热交换器两者。

来自高压压缩机111的高压旁通流114被划分成第一热交换器140的输入117和通向第二热交换器141的流118。该划分可以是受控制的，例如使用一个或更多个阀，或者是不受控制的，即基于压力差。在第一热交换器140中使用从低压压缩机121的输出123中提取的热将第一热交换器的输入117加热。第一热交换器140的经加热的输出142与通向第二热交换器141的流118合并，从而形成通向第二热交换器141的输入149。第二热交换器使用从低压涡轮机120的输出139中提取的热来加热输入149。第二热交换器141的经加热的输出129被引导到辅助涡轮机130，该辅助涡轮机通过轴132使辅助发电机135旋转。

可选地，来自外部源的第一输入102可以与高压旁通流114合并。第一输入102可以与高压旁通流114一起被引导至第一热交换器、第二热交换器或者第一热交换器和第二热交换器两者。外部源优选地是外燃发动机的涡轮增压器的废气门的输出，但也可以利用其他高温、高压源。

参考图2B，为低压压缩机221提供空气输入201。低压压缩机与低压涡轮机220和低压发电机225具有公共轴222。低压压缩机的输出223流向冷却压缩空气的第一热交换器240。经冷却的压缩空气是高压压缩机211的输入209。高压压缩机与高压涡轮机210和高压发电机215具有公共轴212。高压压缩机211的输出被划分成无活塞燃烧器100的输入213和高压旁通流214。可以使用本公开内容中呈现的无活塞燃烧器100的任何实施方式。无活塞燃烧器使用高压空气输入和燃料输入以产生输出216，该输出被引导至高压涡轮机210，该高压涡轮机使轴212旋转，该轴又使高压发电机215旋转以生成电能。

高压涡轮机的输出219被引导至低压涡轮机220，该低压涡轮机使轴222旋转，该轴又使低压发电机225旋转以生成电能。低压发电机的输出通过排放从系统释放。

来自高压压缩机211的高压旁通流214被引导到第一热交换器240的输入217中。可选地，来自外部源的输入202可以与高压旁通流214合并。外部源优选地是外燃发动机的涡轮增压器的废气门的输出，但也可以利用其他高温、高压源。可选地与输入202合并的高压旁通流214是第一热交换器的输入217，在第一热交换器240中使用从低压压缩机221的输出223中提取的热将该第一热交换器的输入加热。第一热交换器240的经加热的输出242被引导到辅助涡轮机230，该辅助涡轮机通过轴232使辅助发电机235旋转。

参考图2C，为低压压缩机321提供空气输入301。低压压缩机与低压涡轮机320和低压发电机325具有公共轴322。低压压缩机的输出是高压压缩机311的输入309。高压压缩机与高压涡轮机310和高压发电机315具有公共轴312。高压压缩机311的输出被划分成无活塞燃烧器100的输入313和高压旁通流314。可以使用本公开内容中呈现的无活塞燃烧器100的任何实施方式。无活塞燃烧器使用高压空气输入和燃料输入以产生输出316，该输出被引导至高压涡轮机310，该高压涡轮机使轴312旋转，该轴又使高压发电机315旋转以生成电能。

高压涡轮机的输出319被引导至低压涡轮机320，该低压涡轮机使轴322旋转，该轴又使低压发电机325旋转以生成电能。低压发电机的输出339被引导至第二热交换器341，该第二热交换器从输出339移除热，并且经冷却的输出流343通过排放从系统释放。在一实施方式中，可以将来自外部热源的流布置到第二热交换器。

来自高压压缩机311的高压旁通流314被引导至第二热交换器341。可选地，来自外部源的输入302可以与高压旁通流314合并。外部源优选地是外燃发动机的涡轮增压器的废气门的输出，但也可以利用其他高温、高压源。可选地与输入302合并的高压旁通流314是第二热交换器341的输入349。第二热交换器使用从低压涡轮机320的输出339中提取的热来加热输入349。第二热交换器341的经加热的输出329被引导到辅助涡轮机330，该辅助涡轮机通过轴332使辅助发电机335旋转。

参考图2D，来自外部源诸如外燃发动机的涡轮增压器的高压输入402是无活塞燃烧器100的输入。可以使用本公开内容中呈现的无活塞燃烧器100的任何实施方式。无活塞燃烧器使用高压输入402和燃料输入以产生输出416，该输出被引导至高压涡轮机410，该高压涡轮机使轴412旋转，该轴又使高压发电机415旋转以生成电能。

高压涡轮机的输出419被引导至低压涡轮机420，该低压涡轮机使轴422旋转，该轴又使低压发电机425旋转以生成电能。低压发电机的输出439通过排放从系统释放。

在图2A至图2D的系统中，第一热交换器和第二热交换器中的每一者可以是单个热交换器或者是以串联或并联方式连接的两个或更多个热交换器。类似地，来自外部涡轮增压器的废气门的第一输入102、第二输入202、第三输入302、第四输入402也可以是直接来自外部涡轮增压器的输入。

本发明的一方面是无活塞燃烧器100(也称为“燃烧器”)，包括：用于空气和燃料的至少一个输入通道(对应于第二入口33、第四入口34、第五入口43、第六入口44、第七入口63)；输出通道15；和第一燃烧室10。在本发明的一实施方式中，燃烧器是爆燃燃烧器，其中避免了爆轰燃烧。所述至少一个输入通道由阀(第二输入阀31、第四输入阀32、第五输入阀41、第六输入阀42、第七输入阀61)控制。在本发明的一实施方式中，输出通道15始终向第一燃烧室10开放。另外，至少一个输入通道中的一个或更多个输入通道具有偏心对准，该偏心对准被配置成产生偏心输入空气流，在第一燃烧室10内形成燃料-空气混合物的自保持流型(对应于第一流分量91、第二流分量92)。

在一实施方式中，燃料在至少一个输入通道中的一个或更多个输入通道内与空气混合以产生燃料-空气混合物。

优选地，至少一个输入通道中的两个或更多个输入通道具有偏心对准，该偏心对准被配置成产生偏心输入空气流，在第一燃烧室10内形成燃料-空气混合物的自保持流型。在一实施方式中，自保持流型优选地包括合并的旋流和滚流。在一实施方式中，旋流由一个输入通道引发，并且滚流由另一输入通道引发。

在本发明的实施方式中，偏心输入流具有至少0.1且至多0.3的比率e/r，其中e是第一燃烧室的中心与至少一个输入通道中的一个或更多个输入通道的对准线之间的距离51、52，并且其中r是燃烧室的中心与第一燃烧室的外壁的内表面之间的距离53。

在本发明的一实施方式中，第一燃烧室10的几何形状有利于通过第一燃烧室的内部形状来维持合并的旋流和滚流，该内部形状至少基本上是以下中之一：环形、球形和柱形。

在本发明的一实施方式中，无活塞燃烧器还包括由空气阀控制并具有偏心对准的空气通道，该空气通道被配置成将空气或燃料-空气混合物供应到燃烧室中以用于在第一燃烧室内维持合并的旋流和滚流。

在本发明的一实施方式中，燃烧器包括预燃烧室12，该预燃烧室的容积小于第一燃烧室。预燃烧室12在第一燃烧室10的周向部上形成腔或突出部。优选地，预燃烧室的容积至多是第一燃烧室的容积的10％。在一实施方式中，预燃烧室具有半开放构造，其中从将预燃烧室与第一燃烧室连接的开口，可以看到预燃烧室的内壁中的每个点。

在一实施方式中，通路14将第一燃烧室10连接到第二燃烧室11，并且输出通道15与第二燃烧室连接。优选地，通路14被配置成在第一燃烧室和第二燃烧室之间始终开放。燃烧器被配置成产生使得能够使用开放通路的流型，但当然也可以使用阀控制的通路。在一实施方式中，第二燃烧室11的容积大于第一燃烧室，但小于第一燃烧室10的容积的三倍。在一实施方式中，第二燃烧室11的容积小于第一燃烧室，但大于第一燃烧室10的容积的25％。在一实施方式中，第二燃烧室11的容积大于第一燃烧室的四分之一，但小于第一燃烧室10的容积的三倍。

在一实施方式中，输出通道15将第一燃烧室连接到压力波充电器。优选地，输出通道被配置成在第一燃烧室和压力波充电器之间始终开放，即压力波充电器代替本公开内容的一些实施方式中提出的第二燃烧室11。无活塞燃烧器被配置成产生使得能够使用开放输出通道15的流型，但是当然也可以使用阀控制的输出通道。

在本发明的一实施方式中，无活塞燃烧器包括：仅用于空气的至少一个输入通道(对应于第一入口23、第三入口24)；用于可以包括燃料的空气的至少一个输入通道(对应于第二入口33、第四入口34、第五入口43、第六入口44)；和用于可以包含空气的燃料的至少一个输入通道(对应于第二入口33、第四入口34、第五入口43、第六入口44、第七入口63)。无活塞燃烧器(100)优选地还包括至少一个空气输入通道(对应于第五入口43、第六入口44)，该空气输入通道被配置成输入初始空气速度为至少0.2马赫的空气射流。

例如，燃烧系统包括：单个无活塞燃烧器100；和压缩空气源诸如压缩机111；以及涡轮机110，该涡轮机被配置成从燃烧器接收燃烧产物并通过使发电机115旋转来生成电能。

作为另一示例，燃烧系统包括：一个或更多个无活塞燃烧器；和压缩空气源诸如压缩机；以及涡轮机，该涡轮机被配置成从燃烧器接收燃烧产物并通过使发电机旋转来生成电能。来自压缩机输出的部分空气被引导至燃烧器以冷却燃烧器。所述部分空气由燃烧器加热，并且该系统被配置成将经加热的空气流引导至涡轮机或辅助涡轮机，该涡轮机或辅助涡轮机被配置成操作压缩机或发电机或辅助发电机。

在一实施方式中，燃烧系统被配置成将来自涡轮机的流引导至热交换器。所述热交换器将来自外部热源的热和/或从来自涡轮机的经加热的空气流中释放的热转移到来自压缩机的流或空气中。由热交换器加热的该流被引导至涡轮机或辅助涡轮机，该涡轮机或辅助涡轮机被配置成操作压缩机或发电机或辅助发电机。可以使用一个或更多个阀以受控的方式将水或蒸汽或者水和蒸汽两者引入到所述来自压缩机的经加热的流。所述一个或更多个阀可以是例如旋转阀或电控阀。在一实施方式中，通往涡轮机或辅助涡轮机的经加热的空气流可以被配置成流动经过狭窄的通路。

无活塞燃烧器通常也可以采用以下方法，在该方法中，空气和燃料输入物到燃烧室的时序被用于引发和维持具有两个流分量的流型，以在无活塞燃烧器中实现快速爆燃燃烧。本公开内容的无活塞燃烧器100的实施方式也可以用于该方法中。

该方法的优点是在燃烧器内维持流型(对应于第一流分量91、第二流分量92、第三流分量93)并且即使在开放输出的情况下压力也可以升高。通过使用该方法来优化热释放速度，可以在燃烧过程中实现显著的压力增益。

现在参考图6，公开了时序图的示例。该图示出了每个输入阀的时间段(timeslot，时隙、时段)，每个输入阀在每个循环内于相应时间段中被打开和关闭。无活塞燃烧器的一个工作循环被划分为从0到1000个时间单位，并且图6示出了从0个单位开始到1000个时间单位结束的单个循环，该1000个时间单位标记为参考点600。

在图6中，第一输入阀的时间段601从参考点之前750个单位开始并在参考点处结束。第一输入阀21可以用于例如输入空气以用于对无活塞燃烧器进行扫气。第二输入阀的时间段602从参考点之前450个时间单位开始并在参考点处结束。第二输入阀31可以用于例如输入燃料和空气。图6没有示出第三输入阀22的时间段，但是在一实施方式中，第三输入阀22也用于像第一输入阀21一样使用空气对无活塞燃烧器进行扫气，并且第三输入阀可以使用与用于第一输入阀类似的时间段。图6没有示出第四输入阀32的时间段，但在一实施方式中，第四输入阀32也用于像第二输入阀31一样输入燃料和空气，并且第四输入阀32可以使用与用于第二输入阀31类似的时间段。

第五输入阀41的时间段605从参考点之前170个时间单位开始并在参考点之后100个时间单位结束。第五输入阀41可以用于输入例如燃料和空气。最后，示出了用于点火的时间段610，该时间段从参考点之前70个时间单位开始并在参考点600之后60个时间单位结束。点火发生在时间段610内。

现在参考图7，其中公开了时序图的另一示例。该图示出了每个输入阀的时间段，每个输入阀在相应时间段内的每个循环中被打开和关闭。无活塞燃烧器的一个工作循环被划分为从0到1000个时间单位，并且图7示出了从0个单位开始到1000个时间单位结束的单个循环，该1000个时间单位标记为参考点600。

在图7中，第一输入阀的时间段601从参考点之前750个单位开始并在参考点处结束。第一输入阀21可以用于例如输入空气以用于对无活塞燃烧器进行扫气。第二输入阀31的时间段602从参考点之前450个时间单位开始并在参考点处结束。第二输入阀31可以用于例如输入燃料和空气。图7没有示出第三输入阀22的时间段，但是在一实施方式中，第三输入阀也用于像第一输入阀一样使用空气对无活塞燃烧器进行扫气，并且第三输入阀可以使用与用于第一输入阀类似的时间段。图7没有示出第四输入阀32的时间段，但在一实施方式中，第四输入阀32也用于像第二输入阀31一样输入燃料和空气，并且第四输入阀32可以使用与用于第二输入阀31类似的时间段。

第五输入阀41的时间段605从参考点之前170个时间单位开始并在参考点之后100个时间单位结束。第五输入阀41可以用于输入例如燃料和空气。第七输入阀61的时间段607从参考点之前160个时间单位开始并在参考点之后65个时间单位结束。第七输入阀61可以用于例如将燃料和空气输入到例如点火区域，诸如预燃烧室12。最后，示出了用于点火的时间段610，该时间段从参考点之前70个时间单位开始并在参考点600之后60个时间单位结束。点火发生在时间段610内。

结合图1至图5描述的输入阀的限定和目的同样可以应用于图6和图7的时序图。本申请中公开的时序可以用于结合图1至图5描述的无活塞燃烧器中。

本发明的一方面是一种控制无活塞燃烧器中的爆燃燃烧过程的方法。燃烧过程由重复的工作循环构成，该重复的工作循环被划分为同样长的时间单位，例如从0到1000个时间单位。对时间单位的划分是人为的，并且可以使用任意数量的时间单位来划分单个循环。

该方法包括以下步骤：打开第一输入阀21并将空气引入无活塞燃烧器100的第一燃烧室10。该空气输入的目的是从无活塞燃烧器将先前循环的燃烧产物扫气。第一输入阀优选地最早在参考点600之前750个时间单位处打开，并且优选地最迟在参考点600处关闭。在一实施方式中，第一输入阀可以是单个第一输入阀21或成组阀，诸如两个或更多个阀的组合。成组阀之间的大小、形状和其他物理特性可能变化，也可能不变化。可以单独调整成组阀中的阀之间的时序。

取决于阀的数量、阀的物理特性和无活塞燃烧器的大部分特性，第一输入阀21可以最早在参考点600之前600、680或800个时间单位处打开。

参考点600是第二输入阀31的关闭事件。参考点可以是循环中的任何其他限定点。参考点仅仅是锚点，所有事件的时序都与之相关。

该方法还包括以下步骤：在打开第一输入阀21并将空气引入燃烧器之后打开第二输入阀31。经由第二输入阀的空气输入由此优选地在第一燃烧室10内引发具有第一流分量91的流型。第二输入阀优选地最早在参考点之前450个时间单位处打开并在参考点处关闭。如上所述，第二输入阀的关闭事件限定了参考点。在一实施方式中，第二输入阀可以是单个第二输入阀31或成组阀，诸如两个或更多个阀的组合。成组阀之间的大小、形状和其他物理特性可能变化，也可能不变化。可以单独调整成组阀中的阀之间的时序。

取决于阀的数量、阀的物理特性和无活塞燃烧器的大部分特性，第二输入阀31可以最早在参考点之前300、350或400个时间单位处打开。

该方法还包括以下步骤：在打开第二输入阀31并将空气引入燃烧器之后打开第五输入阀41。第五输入阀的空气输入相对于经过第二输入阀的输入成非平行角度，从而在燃烧器内形成流型的第二流分量，以用于增大燃烧传播的速度。第五输入阀优选地最早在参考点之前170个时间单位处打开，并且第五输入阀优选地最迟在参考点之后100个时间单位处关闭。在一实施方式中，第五输入阀41可以是单个阀或成组阀，诸如两个或多个阀的组合，诸如第五输入阀41和第六输入阀42。成组阀之间的大小、形状和其他物理特性可能变化，也可能不变化。可以单独调整成组阀中的阀之间的时序。

取决于阀的数量、阀的物理特性和燃烧器的大部分特性，第五输入阀可以最早在参考点之前150、160或200个时间单位处打开。

该方法还包括以下步骤：在第一输入阀21打开之后，从任何输入阀开口引入燃料，其中燃料被混合到空气中，形成在流型内流动的燃料-空气混合物。优选地，通过第二输入阀31、第四输入阀32、第五输入阀41、第六输入阀42、第七输入阀61、或它们的任意组合、或甚至所有的输入阀来输入燃料-空气混合物，以用于代替纯空气输入。

该方法还包括以下步骤：将无活塞燃烧器内的燃料-空气混合物点火，从而增加无活塞燃烧器内的压力。点火优选地最早在参考点之前40单位处进行，以及优选地最迟在参考点之后60单位处进行。

在本发明的一实施方式中，该方法还包括以下步骤：打开第七输入阀61并将燃料-空气混合物引入点火区域。点火区域是燃烧器内的空间，所述点火步骤在该空间中发生，并且附加的燃料-空气混合物输入有利于点火燃烧器的全部内容物。优选地，点火装置是如本公开内容中所公开的预燃烧室12。第七输入阀61优选地最早在参考点之前160个时间单位处打开并且优选地最迟在参考点之后65单位处关闭。在一实施方式中，第七输入阀可以是单个阀或成组阀，诸如两个或更多个阀的组合。成组阀之间的大小、形状和其他物理特性可能变化，也可能不变化。可以单独调整成组阀中的阀之间的时序。

取决于阀的数量、阀的物理特性和燃烧器的大部分特性，第七输入阀可以最早在参考点之前150、160或200个时间单位处打开。

在本发明的一实施方式中，第二输入阀31、第五输入阀41或它们两者具有偏心对准，产生偏心输入空气流，用于在燃烧器内引发和维持燃料-空气混合物的流型。偏心对准意味着输入被引导成偏离中心，即被引导成错过燃烧器的中心点。偏心对准连同燃烧器的形状可以在燃烧器内形成流型(对应于第一流分量91、第二流分量92)。

在本发明的一实施方式中，第一流分量91是旋流，并且第二流分量92是滚流。在一实施方式中，第一流分量是滚流，并且第二流分量是旋流。在一实施方式中，第一流分量和第二流分量是彼此之间不平行的两个涡流。

在本发明的一实施方式中，燃烧器的几何形状有利于维持合并的旋流和滚流。这是通过燃烧器的内部形状来实现的，该内部形状至少基本上是以下中之一：环形、球形和柱形。

在本发明的一实施方式中，无活塞燃烧器具有始终开放的输出通道15。燃烧器内的流型使得能够使用持续开放的输出通道15。当然，也可以使用用输出阀控制的输出通道，但这不是必需的，并且会造成较复杂的方案。

表1至3中公开了基于原型测试或模拟的阀时序的成组示例。

本公开内容的第二方面是控制无活塞燃烧器中的爆燃燃烧过程的方法。第二方面涉及控制无活塞燃烧器中的爆燃燃烧过程。

因此，第二方面的目的是提供这样一种方法，该方法消除或减轻以上缺点。本发明的目的是通过这样一种方法实现的，该方法由以下实施方式A中所述的内容表征。第二方面的优选实施方式在以下实施方式B-K中公开。

第二方面基于以下构思：安排空气和燃料输入物到燃烧器的时序(timing)，以引发和维持具有两个流分量的流型(flow pattern：流动模式、流动型式)，从而在无活塞燃烧器中实现快速爆燃燃烧。

本发明的第二方面的方法的优点是在燃烧器内维持流型并且即使在开放输出的情况下压力也可以升高。通过使用第二方面的方法来优化热释放速度，可以在燃烧过程中实现显著的压力增益。

本公开内容的第二方面的实施方式：

A.一种控制无活塞燃烧器100中爆燃燃烧过程的方法，所述燃烧过程由重复工作循环构成，所述重复工作循环被划分成等长的从0到1000个时间单位，所述方法包括以下步骤：

打开第一输入阀21，将空气引入所述无活塞燃烧器，从而对先前循环的燃烧产物进行扫气；

在打开所述第一输入阀21之后打开第二输入阀31，将空气引入所述燃烧器100中，从而在所述燃烧器内引发具有第一流分量91的流型，所述第二输入阀31最早在参考点600之前450个时间单位处打开并在所述参考点处关闭；

在打开所述第二输入阀31之后打开第五输入阀41，将空气以相对于经过所述第二输入阀31的输入成非平行的角度引入所述无活塞燃烧器中，从而在所述无活塞燃烧器内形成所述流型的第二流分量92以用于增大燃烧传播的速度，所述第五输入阀41最早在参考点之前170个时间单位处打开，并最迟在所述参考点之后100个时间单位处关闭；

在所述第一输入阀21打开之后，从任何输入阀开口引入燃料，其中，燃料混合到空气中，形成在所述流型91、92内流动的燃料-空气混合物；以及

对所述无活塞燃烧器内的燃料-空气混合物进行点火，以便增大所述无活塞燃烧器内的压力，其中，点火最早在所述参考点之前70个单位处进行，并且最迟在所述参考点之后60个单位处进行，

其中，所述参考点是所述第二输入阀31的关闭事件。

B.根据实施方式A所述的方法，其中，所述方法还包括打开第七输入阀61并将燃料-空气混合物引入点火区域中，所述第七输入阀61最早在所述参考点600之前160个时间单位处打开，并最迟在所述参考点之后65个单位处关闭。

C.根据实施方式A或B所述的方法，其中，所述第二输入阀31和所述第五输入阀41中的一者或更多者具有偏心对准，产生偏心输入空气流，用于在所述无活塞燃烧器内引发和维持燃料-空气混合物的流型。

D.根据实施方式A至C中任一项所述的方法，其中，所述第一流分量91为旋流以及所述第二流分量92为滚流，或者，所述第一流分量91为滚流以及所述第二流分量92为旋流。

E.根据权利要求D所述的方法，其中，所述无活塞燃烧器100的几何形状有利于通过所述无活塞燃烧器的内部形状来维持合并的旋流和滚流，所述内部形状至少基本上是以下中之一：环形、球形和柱形。

F.根据权利要求A至E中任一项所述的方法，其中，所述无活塞燃烧器具有始终开放的输出通道15。

G.根据权利要求A至F中任一项所述的方法，其中，所述第一输入阀21在每个工作循环中打开达至少300个时间单位。

H.根据权利要求A至G中任一项所述的方法，其中，所述第二输入阀31在每个工作循环中打开达至少200个时间单位。

I.根据权利要求A至H中任一项所述的方法，其中，所述第五输入阀41在每个工作循环中打开达至少50个时间单位并且至多150个时间单位。

J.根据权利要求A至I中任一项所述的方法，其中，所述第一输入阀21最早在参考点之前750个时间单位处打开并且最迟在所述参考点处关闭。

K.根据权利要求A至J中任一项所述的方法，其中，所述空气-燃料混合物的燃烧持续达一工作循环的至少10个时间单位并且至多100个时间单位。

对于本领域技术人员来说将明显的是，随着技术的进步，可以以不同的方式实施本发明构思。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

表格1示例1，基于原型。

表格2示例2，基于模拟。

表格3示例3，基于模拟。

附图标记列表

10 第一燃烧室

11 第二燃烧室

12 预燃烧室

13 异形壁部段

14 通路

15 输出通道

21第一输入阀/输入阀1

22第三输入阀/输入阀3

23 第一入口

24 第三入口

31第二输入阀/输入阀2

33第二入口

32第四输入阀/输入阀4

34第四入口

41第五输入阀/输入阀5

43第五入口

42第六输入阀/输入阀6

44 第六入口

50 中心线

51 第五入口的距离

52 第六入口的距离

53 内壁与中心之间的距离

61第七输入阀/输入阀7

63 第七入口

64 点火装置

91 第一流分量

92 第二流分量

93 第三流分量

100 无活塞燃烧器

101 空气输入

102 来自废气门的第一输入

109 高压压缩机输入

110 高压涡轮机

111 高压压缩机

112 轴

113 无活塞燃烧器的输入

114 高压旁通

115 高压发电机

116 无活塞燃烧器的输出

117 第一热交换器的输入

118 通向第二热交换器的流

119 高压涡轮机的输出

120 低压涡轮机

121 低压压缩机

122 轴

123 低压压缩机的输出

125 低压发电机

130 辅助涡轮机

132 轴

135 辅助发电机

139 低压涡轮机的输出

140 第一热交换器

141 第二热交换器

142 第一热交换器的输出

143 第二热交换器的输出

149 第二热交换器的输入

201 空气输入

202 来自废气门的第二输入

209 高压压缩机输入

210 高压涡轮机

211 高压压缩机

212 轴

213 无活塞燃烧器的输入

214 高压旁通

215 高压发电机

216 无活塞燃烧器的输出

217 第一热交换器的输入

219 高压涡轮机的输出

220 低压涡轮机

221 低压压缩机

222 轴

223 低压压缩机的输出

225 低压发电机

230 辅助涡轮机

232 轴

235 辅助发电机

240 第一热交换器

242 第一热交换器的输出

301 空气输入

302 来自废气门的第三输入

309 高压压缩机输入

310 高压涡轮机

311 高压压缩机

312 轴

313 无活塞燃烧器的输入

314 高压旁通

315 高压发电机

316 无活塞燃烧器的输出

319 高压涡轮机的输出

320 低压涡轮机

321 低压压缩机

322 轴

325 低压发电机

330 辅助涡轮机

332 轴

335 辅助发电机

339 低压涡轮机的输出

341 第二热交换器

343 第二热交换器的输出

349 第二热交换器的输入

402 来自废气门的第四输入

410 高压涡轮机

412 轴

415 高压发电机

416 无活塞燃烧器的输出

419 高压涡轮机的输出

420低压涡轮机422轴

425 低压发电机

439 低压涡轮机的输出

600 时序的参考点

601 第一输入阀的时间段

602 第二输入阀的时间段

605 第五输入阀的时间段

607 第七输入阀的时间段

610 点火的时间段。

Claims

1.一种无活塞燃烧器(100)，所述无活塞燃烧器(100)包括用于空气和燃料的至少一个输入通道(33、34、43、44、63)、输出通道(15)和第一燃烧室(10)，其中，所述至少一个输入通道是由阀(31、32、41、42、61)控制的，其特征在于，所述至少一个输入通道中的一个或更多个输入通道具有偏心对准，所述偏心对准被配置成产生偏心输入空气流，从而在所述第一燃烧室(10)内形成燃料-空气混合物的自保持流型(91、92)。

2.根据权利要求1所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述自保持流型包括第一流分量(91)和第二流分量(92)，所述第二流分量相对于所述第一流分量(91)成非平行角度，以用于增大燃烧传播的速度。

3.根据权利要求1或2所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述偏心输入流具有至少0.1且至多0.3的比率e/r，其中，e是所述第一燃烧室(10)的中心与所述至少一个输入通道(33、34、43、44、63)中的所述一个或更多个输入通道的对准线之间的距离(51、52)，并且其中，r是所述第一燃烧室的中心与所述第一燃烧室的外壁的内表面之间的距离(53)。

4.根据权利要求2或3所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述第一燃烧室(10)的几何形状有利于通过所述第一燃烧室的内部形状来维持所述第一流分量和所述第二流分量，所述内部形状基本上是以下中之一：环形、球形和柱形。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的无活塞燃烧器(100)，其中，输出通道(15)始终向所述第一燃烧室(10)开放。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述无活塞燃烧器是爆燃燃烧器。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述无活塞燃烧器还包括由空气阀(41、42)控制并具有偏心对准的空气通道(43、44)，所述空气通道被配置成将空气或燃料-空气混合物供应到所述第一燃烧室(10)中以用于在所述第一燃烧室(10)内维持所述第一流分量(91)和所述第二流分量(92)。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的无活塞燃烧器(100)，其中，燃料在所述至少一个输入通道(33、34、43、44、63)中的一个或更多个输入通道内与空气混合以产生燃料-空气混合物。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述无活塞燃烧器包括预燃烧室(12)，所述预燃烧室的容积小于所述第一燃烧室(10)的容积，其中，所述预燃烧室(12)在所述第一燃烧室(10)的周向部上形成腔。

10.根据权利要求9所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述预燃烧室(12)的容积至多是所述第一燃烧室(10)的容积的10％。

11.根据权利要求9所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述预燃烧室(12)具有半开放构造，其中，从将所述预燃烧室(12)与所述第一燃烧室(10)连接的开口，能够看到所述预燃烧室(12)的内壁中的每个点。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的无活塞燃烧器(100)，其中，通路(14)将所述第一燃烧室(10)连接至第二燃烧室(11)，以及所述第二燃烧室(11)被连接至所述输出通道(15)。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述第二燃烧室(11)的容积大于所述第一燃烧室(10)的容积的四分之一，但小于所述第一燃烧室(10)的容积的三倍。

14.根据权利要求1至11中的任一项所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述输出通道(15)将所述第一燃烧室连接到压力波充电器。

15.根据权利要求1至14中的任一项所述的无活塞燃烧器(100)，其中，所述无活塞燃烧器包括至少一个空气输入通道(43、44)，所述至少一个空气输入通道被配置成输入初始空气速度为至少0.2马赫的空气射流。