CN105452769B - 旋流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种旋流器，根据本发明的一实施例的旋流器包括：壳体；引燃器主体，布置于所述壳体的内部；以及多个叶片，沿着所述引燃器主体的周围布置，所述叶片的至少一部分与所述引燃器主体的端部相比进一步向下游侧突出。

Description

旋流器
技术领域
本发明涉及一种旋流器。
背景技术
旋流器(Swirler)被用作压力喷雾燃油器或者高压气流喷雾燃油器的火焰稳定器，其起到利用旋转的叶片使流入燃烧器的空气产生旋流的作用。这种旋流器通过令流入燃烧器的空气以及燃料的混合气体在中心部形成负压，从而形成可着火的低速高温循环区域。
旋流器有轴流式旋流器(axial flow swirler)以及径流式旋流器(radial flowswirler)。
图1示出轴流式旋流器的一个示例，其是轴流式旋流器的概略的局部剖面立体图。图2是图1中的轴流式旋流器的剖面图，以对称轴为基准而示出了单片。参照图1以及图2，轴流式旋流器10具有多个叶片(vane)12，所述多个叶片12布置在燃烧器50的上游侧，并且布置在进入燃烧器50的炉膛51的空气GA的路径上。多个叶片12以辐射状布置在引燃器主体(pilot body)15的周围，并且相对空气GA的进入路径倾斜预定角度，从而起到转换流入燃烧器50的炉膛51的空气的方向的作用。所以，空气以及与空气混合的燃料在引起涡流的同时流入燃烧器。
这种轴流式旋流器的优点为结构简单并制造容易，但是因为流体流速没有多大改变而只改变方向，所以空气和燃料之间的混合性能有时会不足。
图3示出径流式旋流器的示例图，以径流式旋流器的对称轴为基准概略地示出了一侧的剖面。径流式旋流器20与轴流式旋流器10相同地，布置在燃烧器50的上游侧，并且具有引燃器主体25和与引燃器主体25结合的多个叶片22。但是，径流式旋流器20与轴流式旋流器10的不同之处在于，空气GA沿半径方向流入，该空气的方向以及流速借助于叶片22产生急剧的变化，然后流入燃烧器50的炉膛51。
如上文所述，径流式旋流器因流入的空气的流速变化急剧，因此在空气和燃料的混合方面有着优点，但是相比轴流式旋流器，其缺点在于，制造难度高；难以控制流体的流动。
发明内容
技术问题
根据本发明的一方面，其主要目的在于提供一种空气和燃料的混合性能以及稳定火焰的性能优秀，压力的下降少，制造以及维修容易的旋流器。
技术方案
根据本发明的一实施例的旋流器包括：壳体；引燃器主体，布置于所述壳体的内部；以及多个叶片，沿着所述引燃器主体的周围布置，所述叶片的至少一部分与所述引燃器主体的端部相比进一步向下游侧突出。
有益效果
根据本发明的一方面的旋流器的优点在于，空气和燃料的混合性能以及稳定火焰的性能优秀，压力的下降少，并且制造以及维修容易。
附图说明
图1是现有轴流式旋流器的局部剖面立体图。
图2是以图1中的轴流式旋流器的对称轴为基准，概略地示出一侧的剖面的图。
图3是以现有径流式旋流器的对称轴为基准，概略地示出一侧的剖面的图。
图4是根据本发明的一实施例的旋流器的概略的局部剖面立体图。
图5是概略地示出图4中的旋流器的内部结构的局部剖面图。
图6是概略地示出在引燃器主体的前面观察图4中的旋流器的引燃器主体结合叶片时的形态的图。
图7是概略地示出在引燃器主体的侧面观察图4中的旋流器的引燃器主体结合叶片时的形态的图。
图8是概略地示出图4中的旋流器的内部中的局部的图。
图9是概略地示出图4中的旋流器的流入口侧的图。
图10是概略地示出形成于图4的旋流器的内部的通道的图。
图11是概略地示出图4中的旋流器的内部形状的图，用于以一个叶片为主，说明叶片的形状。
图12是概略地示出图4的旋流器的流出口侧的流体的流动的图。
最佳实施方式
根据本发明的一实施例的旋流器包括：壳体；引燃器主体，布置于所述壳体的内部；以及多个叶片，沿着所述引燃器主体的周围布置，所述叶片的至少一部分与所述引燃器主体的端部相比进一步向下游侧突出。
所述壳体具有入口部、出口部，以及在所述入口部和所述出口部之间的内径扩张的扩张部。
并且，所述叶片可以具有相对所述引燃器主体的长度方向倾斜地布置的倾斜部，所述倾斜部可布置在所述扩张部的内部。
而且，设所述叶片的、和所述壳体相邻的边角与所述旋流器的中心轴的方向之间的夹角为α；所述叶片与所述旋流器的中心轴之间的倾斜角为β；所述旋流器的中心轴方向与所述叶片的、所述旋流器的流出口侧的边角之间的角度为θ，则α、β、θ可以满足以下数学式，
[数学式]
0°<α<90°、30°<β<60°、30°<θ<60°。
并且，所述旋流器可以包括多个喷雾装置，所述喷雾装置结合于所述壳体，并且将液态的燃料喷射至所述叶片之间的通道。
并且，所述旋流器可以包括气体注入部，所述气体注入部布置于所述壳体的流入部，将气态的燃料喷射至所述叶片之间的通道。
具体实施方式
以下，参照附图对根据本发明的部分实施例的旋流器进行说明。为了说明的便利，在以下附图中可能夸大、省略或者缩小示出部分构成要素。并且，在多个附图中，被赋予相同附图符号的结构意味着实质上相同的结构，所以可以省略其重复说明。
图4是根据本发明的一实施例的旋流器的概略的局部剖面立体图，图5是概略地示出图4中的旋流器的内部结构的局部剖面图。
参照图4以及图5，根据本发明的一实施例的旋流器100具有：壳体110、引燃器(pilot)主体150，多个叶片120、喷雾装置(atomizer)160以及气体注入部170。
壳体110划分内部空间并与燃烧器(未示出)连通。壳体110具有流入空气的流入部以及流出空气的流出部，流入到流入部的空气经过固定于壳体110的内部的叶片120之间而改变方向，经过炉膛51而流出并流入连接到旋流器100的下游的燃烧器。
引燃器主体150用于点燃空气/燃料的混合气体，维持火焰旺盛，并且所述引燃器主体150以从壳体110的内部空间向旋流器100的中心轴方向延伸的方式形成。在引燃器主体150的燃烧器侧的端部布置有引燃器喷雾装置152、气体引燃器154以及点火器156。引燃器喷雾装置152用于将液态的燃料喷射至燃烧炉膛内，气体引燃器154用于将气态的燃料喷射至燃烧器的燃烧炉膛内。如上文所述，可以利用引燃器喷雾装置152以及气体引燃器154而分别将液态或者气态的燃料适当地喷射至燃烧炉膛内，从而可以有效地维持燃烧器内部的火焰。气体引燃器154可以形成有多个气体喷出口，其中一部分可以形成于引燃器主体150的平端部，其他一部分可以沿着引燃器主体150的平端部周围等间距地布置。气体引燃器154的个数以及位置不限于此，并且可以多样地改变。点火器156用于点火，以产生空气/燃料混合气体的燃烧反应。引燃器主体150的燃烧器侧的端部可以倾斜地形成。
叶片120沿着引燃器主体150的周围等间距地布置，并且可以相对空气GA的流入方向倾斜地形成，以改变流入的空气GA的流向，
图6以及图7是为了说明叶片120结合于引燃器主体150的形态而概略地示出分别在引燃器主体150的正面及侧面观察的一个叶片120结合于引燃器主体150形态的图。
参照图6以及图7，引燃器主体150具有圆筒形状的气缸部151、以及位于气缸部151的端部，并且倾斜地形成的倾斜端部153。并且，叶片120包括：底座部122，结合于引燃器主体150的气缸部151，并向引燃器主体150的长度方向延伸；倾斜部124，从底座部122延伸并相对于引燃器主体150的长度方向，即旋流器的中心轴，倾斜β角度。倾斜部124结合于引燃器主体150的倾斜端部153。并且，参照图6可知，叶片120的倾斜部124和引燃器主体150的接触位置LT位于气缸形状的虚拟引燃器主体159的切线上。其中，所述虚拟引燃器主体159位于引燃器主体150的内侧。其他叶片120也以相同的方式结合于引燃器主体150。叶片120的倾斜部124向前置炉膛51的方向从引燃器主体150突出。所以，多个叶片的倾斜部之间划分有空间104。
喷雾装置160是将液态的燃料变成微小的液滴状态并喷射到流入空气GA以混合流入到旋流器100的空气GA和液态的燃料的装置。图8是从流体出口侧观察本实施例的旋流器100的图，并且是将壳体110截成一半以使喷雾装置160的布置更明显的图。参照图8，喷雾装置160沿着壳体110的外侧周围等间距地布置，并且布置在叶片之间，以通过叶片120之间的通道将燃料喷雾。并且，喷雾装置160可以不与壳体110的外侧面垂直而倾斜地布置。
气体注入部170用于混合流入旋流器100的空气和气态的燃料。图9是概略地示出在本实施例的旋流器100的空气入口部侧配置气体注入部170的图。气体注入部170布置在叶片120之间，通过形成于叶片120之间的通道注入燃料气体。气体注入部170可以在叶片120侧具有多个气体喷嘴(因为位置问题，无法从图9中看到)以注入燃料气体。气体注入部170可以在每个叶片120之间各布置一个，也可以在每个叶片120之间各布置多个。并且，气体注入部170可以与叶片120重叠地设置，或者直接设置于叶片120上。
然后，对本实施例的旋流器100的内部结构进行具体的说明。图10中为了使壳体110内部的流入空气GA的通道更清楚而省略了叶片120的一部分示出，图11只选择性地示出了一个叶片120以使叶片120的形状更清楚。
参照图10以及图11，旋流器100具有空气流入的入口部112和出口部114，并且在入口部112和出口部114之间具有扩张部113，所述扩张部113以内径扩大的形态向外侧突出。
其中，扩张部113包括：第一倾斜部1131，从入口部112倾斜地扩张；平坦部1132，从第一倾斜部1131以没有倾斜的圆筒形状形成；第二倾斜部1133，从平坦部1132延伸，并以内径缩小的形态形成倾斜。在第二倾斜部1133连接有出口部114，并且出口部114可以形成为趋向下游侧时内径略微增加或者维持不变的形态。
第一倾斜部1131从引燃器主体150的倾斜端部153的起始位置附近延伸至引燃器主体150的倾斜端部153的末端位置附近。叶片120主要布置在第一倾斜部1131的内侧空间并占据第一倾斜部1131的内部空间，减少通道的有效截面积，所以第一倾斜部1131的内侧空间相比入口部112更加扩张。因此，从入口部112延伸至第一倾斜部1131的通道的有效截面积可以维持在相似水平。即，图10的用A示出的部分的通道有效截面积与图10的用B示出的部分的通道的截面积可能实质上相似。并且，如果假设形成于第一倾斜部1131之间的通道的截面积为B，则A以及B可以具有实质上相似的大小。另外，旋流器的出口或者用A示出的部分对应于确保安全的逆燃(flash back)的临界位置。
与第一倾斜部1131连接而连续地形成有平坦部1132、第二倾斜部1133。平坦部1132可以提供能够设置喷雾装置160的空间。喷雾装置160可以将液态的燃料喷雾而混合流入空气GA与燃料。
第二倾斜部1133可以延伸至与叶片120的端部侧对应的位置，并且其内侧的通道以截面积逐渐缩小的形态形成。即，在第二倾斜部1133的内侧形成有图10的C部分。如上文所述，在C部分中，因为通道的截面积减少，因此可以使从叶片120脱离的空气/燃料的混合气体得到加速。
如图10以及图11所示，假设叶片120中和壳体110相邻的边角1241与所述旋流器的中心轴的半径方向的夹角为α；叶片120相对于旋流器的中心轴的倾斜角为β；旋流器100的中心轴SC方向与叶片120的旋流器100的流出口侧的边角1242之间的角度为θ，则α、β、θ满足以下条件。
0°<α<90°、30°<β<60°、30°<θ<60°
更具体地，可以设置为：α约为30°，β约为45°，θ约为45°。α、β、θ的优选范围可以在10°以内的范围内变化。
根据如上文所述地设计的壳体110以及叶片120，图10中示出的C区域以及与α、θ对应的叶片120的倾斜角，通过叶片120的流体产生向半径方向的流速，并表现出与通过径流式旋流器的形态相似的流动。即，通过叶片120的流体向半径方向也形成流速，所以其混合特性得到改善。
并且，因为截面积减少的C区域，叶片120的下游侧端部d和叶片的与引燃器主体150相邻的端部e的、流体倾斜的脱离速度引起速度偏差，这种速度偏差可能会引起涡流的形成，所以可以进一步促进空气与燃料的混合。因而流入到旋流器100的空气GA与从喷雾装置喷雾的燃料GF可以有效地进行混合，据此可以增加炉膛内部火焰的稳定性。
另外，可以通过改变叶片120的倾斜角度，即图10以及图11中用β和θ表示的部分，以及叶片120的厚度来调节旋流器100的出口面积(swirler exit area)。旋流器100的出口面积也可以被自由炉膛的直径、图6中示出的虚拟引燃器主体159或者引燃器主体150的设计直径所控制。
图12概略地示出了本实施例中的旋流器100的流体出口侧，并且示出了通过了叶片120的空气/燃料混合气体GM的移动路径。如图12所示，通过了叶片120的流体，即空气/燃料的混合气体GM的移动路径改变为旋流器100的中心部，即引燃器主体150的方向。因此，受空气/燃料混合气体的脱离角度以及图10的C区域的影响而形成的轴向的旋流因叶片120的倾斜角β而具有与径流式旋流器引起的旋流相似形态的流动并流入燃烧器。即，本实施例的旋流器具有与轴流式旋流器相似的形态，所以其优点为：容易控制空气/燃料混合气体的流动并制造简单，并且可以与径流式旋流器相同地引起大的流速变化，从而可以有效地提高空气和燃料的混合性能。
如果通过改变根据本发明的一实施例的旋流器100的内部结构的同时模拟流体的轴向速度，则可以获知在叶片120的倾斜角度较小的情况下，产生的速度以及流体的再循环(recirculation)较弱。并且，可以获知在叶片120的倾斜角度变得更大的情况下，具有形成较强的流体再循环区域的优点，但是该循环区域距引燃器主体150较远，例如，在适宜地将叶片120的倾斜角度θ设定为45°，并且β设定为45°的情况下，流体的再循环以及速度变得非常出色。
另外，如果通过改变根据本发明的一实施例的旋流器100的内部结构的同时模拟当量比(equivalence ratio)值，可知在流体的脱离角度小的情况下，其混合特性略微低。并且，在叶片120的倾斜角度较大的情况下，与引燃器主体150相邻的部分表现出优秀的混合特性，但是也有可能在燃烧器的中心部形成空泡区域(CV)，例如，在适宜地将叶片120的倾斜角度θ设定为45°，并且β设定为45°的情况下，空气和燃料的混合将非常顺畅。如上文所述，在本实施例的情形下，从一系列的数值分析可知，例如当θ为45°、β为45°时，旋流器100形成较强的再循环区域，流体的速度处于适当水平，并发挥出优秀的空气和燃料的混合性能。
本申请的发明人将这种形态的旋流器100应用于不同规格的燃烧器而对其进行了计算流体分析。数值分析的条件如下。
表1
[Table 1]
如上表所示，在将根据本实施例的旋流器应用于燃烧器的情况下，在低输出以及高输出燃烧器中都能发挥优秀的性能。
即，在以10MWe的规格制造根据本发明的一实施例的旋流器的情况下，如果观察针对轴向速度(axial velocity)、当量比(equivalent Ratio)、温度、NOx-dry的分布以及温度路径线(temperature path line)的模拟结果，可知如果将本实施例的旋流器应用于燃烧器，则在多个方面发挥优秀的性能。
并且，当制造与220MWe的高输出燃烧器适配的根据本发明的一实施例的旋流器100时，如果观察针对轴向速度(axial velocity)、当量比(equivalent Ratio)、温度、NOx-dry的分布以及温度路径线(temperature path line)的模拟结果，可知本实施例的旋流器即使被应用于高输出燃烧器，也可以在多个方面发挥优秀的性能。
以上，对根据本发明的一实施例的旋流器进行了说明，但是本发明不限于此且可以以多样的形态实现。
例如，在上述实施例的说明中，配备有喷雾装置160以及气体注入部170而一同使用了液态以及气态的燃料，但是可以只使用液态或者气态燃料中的任意一个。
并且，虽然说明为引燃器主体150也形成有喷雾装置和气体注入部，以稳定火焰，但是引燃器主体可以不具有喷雾装置或者气体注入部中的任意一个。
并且，在上述实施例的说明中，在壳体110形成有扩张部113，但是壳体110可以不具有扩张部。在此情况下，壳体110整体上可以形成为圆筒形状。
并且，在上述实施例的说明中，叶片120由底座部121和倾斜部123形成，但是叶片可以只由倾斜部形成而没有底座部。
除此之外，可以以多样的形态实现本发明。
产业上的可利用性
本发明可以用于旋流器的制造以及应用。

Claims (4)

1.一种旋流器，其特征在于，包括：
壳体；
引燃器主体，布置于所述壳体的内部；以及
多个叶片，沿着所述引燃器主体的周围布置，
所述叶片的至少一部分与所述引燃器主体的端部相比进一步向下游侧突出，
所述壳体具有入口部、出口部，并在所述入口部和所述出口部之间具有的内径扩张的扩张部，
所述扩张部包括：第一倾斜部，从所述入口部倾斜地扩张；平坦部，从所述第一倾斜部以没有倾斜的圆筒形状形成；第二倾斜部，从所述平坦部延伸，并以内径缩小的形态形成倾斜，且延伸至与所述叶片的端部侧对应的位置而形成，
在所述平坦部设置有多个喷雾装置，所述多个喷雾装置将液态的燃料喷射至所述叶片之间的通道。
2.如权利要求1所述的旋流器，其特征在于，
所述叶片具有相对所述引燃器主体的长度方向倾斜地布置的倾斜部，
所述倾斜部被布置在所述扩张部的内部。
3.如权利要求1所述的旋流器，其特征在于，
设所述叶片中和所述壳体相邻的边角与所述旋流器的中心轴的半径方向之间的夹角为α；所述叶片相对于所述旋流器的中心轴之间的倾斜角为β；所述旋流器的中心轴方向与所述叶片的、所述旋流器的流出口侧的边角之间的角度为θ，则α、β、θ满足以下数学式，
[数学式]
0°<α<90°、30°<β<60°、30°<θ<60°。
4.如权利要求1所述的旋流器，其特征在于，还包括：
气体注入部，布置于所述壳体的流入部，将气态的燃料喷射至所述叶片之间的通道。
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