CN105650642A - 一种可形成低速区的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可形成低速区的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器，该喷嘴包括内层圆筒、外层圆筒和M层波浪结构，M层波浪结构夹设于内层圆筒和外层圆筒之间，其沿圆筒四周的径向依次排列，相邻两层波浪结构之间以及波浪结构与内层圆筒、外层圆筒之间形成斜流通道，该斜流通道由波浪结构的底端向顶端延伸，并与轴向具有一定角度，反应流体经斜流通道喷出后，同时沿轴向和圆周方向旋转运动，在该沿圆周方向旋转运动的作用下产生第一低速区，可以防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高了燃烧的稳定性、完全性和效率。

Description

一种可形成低速区的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器

技术领域

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种可形成低速区的喷嘴和喷嘴阵列，其特别适用于燃气轮机、锅炉、化工炉等各种工业燃烧器。

背景技术

燃气轮机由于单机体积小和输出功率大等特点，广泛应用于电力、航空、石油化工等行业。由于能源危机和环境恶化，急需发展高效清洁燃烧室，要求燃烧室具有点火可靠、燃烧稳定、效率高及低排放等特性。当前我国环境污染问题十分严重，发展燃气轮机清洁燃烧技术十分迫切。燃气轮机厂商已经开发了多种清洁燃烧技术，如贫预混燃烧技术、稀相预混预蒸发技术、贫油直喷技术以及催化燃烧技术等，这些技术虽然可以有效降低污染物的排放，但都面临燃烧不稳定的问题。如美国通用公司开发的一种用于液体燃料燃烧的径向分级燃烧技术，可以有效降低一氧化氮排放。但是，由于主火焰稳定在剪切层的低速边沿，剪切层低速区域附近会产生周期性的涡脱落，在稳定点附近易产生振荡，在非设计工况运行时易发生燃烧不稳定现象。

与燃气轮机燃烧器类似，其它各类工业燃烧器也面临着稳定燃烧与降低污染物排放的矛盾，因此，如何在不降低污染物排放的情况下尽可能提高燃烧稳定性，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种可形成低速区的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。

(二)技术方案

本发明提供的一种可形成低速区的喷嘴，其包括内层圆筒10、外层圆筒20和M层波浪结构30，其中，M层波浪结构30夹设于内层圆筒10和外层圆筒20之间，其沿圆筒四周的径向依次排列，相邻两层波浪结构30之间以及波浪结构30与内层圆筒10、外层圆筒20之间形成斜流通道31，该斜流通道31由波浪结构的底端向顶端延伸，并与轴向具有一定角度；反应流体经斜流通道31喷出后，同时沿轴向和圆周方向旋转运动，在该沿圆周方向旋转运动的作用下产生第一低速区，其中，1≤M≤100。

优选地，M层波浪结构30中的至少一层波浪结构30还包括钝体34，该钝体34为环形结构，其沿圆周方向贯穿波浪结构30；反应流体经斜流通道31喷出后，在该钝体34的作用下产生第二低速区。

优选地，波浪结构30由沿径向起伏的N个波峰32和N个波谷33沿周向相间排列而成，相邻两层波浪结构的波峰和波谷之间、最外层波浪结构30与外层圆筒20之间以及最内层波浪结构30与内层圆筒10之间形成斜流通道31，其中，2≤N≤1000。

优选地，M层波浪结构30中的至少一层波浪结构30还包括支撑圆筒37，该支撑圆筒的顶端与波浪结构的波峰和波谷的底端连接，相邻支撑圆筒37之间形成引流通道，引流通道与波浪结构形成的斜流通道连通，最内层支撑圆筒37与内层圆筒的下部之间形成内侧流道35，该内侧流道35与最内层波浪结构30和内层圆筒20形成的斜流通道31连通，最外层支撑圆筒37与外层圆筒的下部之间形成外侧流道36，该外层流道35与最外层波浪结构30和外层圆筒20形成斜流通道31连通。

优选地，M层波浪结构30形成的斜流通道31与轴向的夹角被调节，反应流体沿圆周方向旋转运动的轨迹被改变，反应流体流场速率随之变化，火焰燃烧速率与反应流体流场速率实现匹配。

优选地，钝体的数量和截面尺寸被调节，第二低速区的数量和尺寸被改变，火焰燃烧速率与反应流体流场速率实现匹配。

优选地，空气和燃料分别由不同的引流通道流入斜流通道31，由斜流通道31喷出的空气和燃料充分掺混。

优选地，支撑圆筒的顶端与波浪结构波峰和波谷底端的厚度相同，支撑圆筒的厚度由其顶端至底端逐渐增大。

本发明还提供了一种可形成低速区的喷嘴阵列，其包括上述喷嘴中的任意一种；其中，该喷嘴阵列为圆形阵列，该圆形阵列包括P圈喷嘴，每圈喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100；或者，该喷嘴阵列为矩形阵列，该矩形阵列包括P行喷嘴，每行喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100。

本发明还提供了一种燃烧器，其包括上述喷嘴中的任意一种，或者上述喷嘴阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的可形成低速区的喷嘴具有以下有益效果：

(1)在波浪结构的作用下，喷嘴出口的中心轴附近产生第一低速区，其可以防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高了燃烧的稳定性、完全性和效率；

(2)波浪结构结构简单、易于加工；

(3)在钝体的作用下，喷嘴出口的与钝体对应位置产生第二低速区，其可以进一步防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高了燃烧的稳定性、完全性和效率；

(4)钝体增加了波浪结构的强度、减小了波浪结构的振动，降低了噪声，减小了波浪热变形；

(5)钝体的存在，可以采用厚度较薄的波浪结构，减小了波浪结构对斜流通道的阻塞，进而减小了气体流动损失，进一步提高了燃烧效率；

(6)支撑圆筒起到导流作用，使得反应流体流速更平稳、流场更稳定，可进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率；

(7)空气和燃料可在喷嘴附近充分掺混，有助于进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率；

(8)支撑圆筒厚度可变，实现了厚度的平滑过渡，并满足了支撑圆筒的强度要求，减少了支撑圆筒的材料用量，减轻了喷组的重量。

附图说明

图1为本发明实施例的具有一层波浪结构的可形成低速区的喷嘴的结构示意图；

图2为图1所示可形成低速区的喷嘴的半剖平面图；

图3为图1所示可形成低速区的喷嘴的半剖三维轮廓图；

图4为图1所示可形成低速区的喷嘴略去内层圆筒和外层圆筒的半剖三维轮廓图；

图5为本发明实施例的具有两层波浪结构的可形成低速区的喷嘴的纵剖面图；

图6为本发明第四实施例的由可形成低速区的喷嘴组成的圆形阵列示意图。

【符号说明】

10-内层圆筒；20-外层圆筒；

30-波浪结构；31-斜流通道；32-波峰；33-波谷；34-钝体；35-内侧流道；36-外侧流道；37-支撑圆筒；38-第一层波浪结构；39-第二层波浪结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1-5所示，本发明第一实施例的可形成低速区的喷嘴，其包括内层圆筒10、外层圆筒20和M层波浪结构30，波浪结构30呈环形波浪带状，M层波浪结构30夹设于内层圆筒10和外层圆筒20之间，沿圆筒四周的径向依次排列，在相邻两层波浪结构30之间以及波浪结构30与内层圆筒10和外层圆筒20之间形成斜流通道31，该斜流通道31由波浪结构的底端向顶端延伸，并与轴向具有一定角度，其中，1≤M≤100。在图1-4中，所述M取1，在图5中，所述M取2。

波浪结构30由沿径向起伏的N个波峰32和N个波谷33沿周向相间排列而成，相邻两层波浪结构30的波峰和波谷之间形成斜流通道31，最外层波浪结构30与外层圆筒20形成斜流通道31，最内层波浪结构30与内层圆筒10也形成斜流通道31，其中，2≤N≤1000。

优选地，M层波浪结构30的径向宽度可以全部相同，也可以部分相同，也可以各不相同，如在图5中，第一层波浪结构38的径向宽度小于第二层波浪结构39的径向宽度；M层波浪结构30波峰和波谷的数量可以全部相同，也可以部分相同，也可以各不相同；M层波浪结构30波峰和波谷的宽度可以全部相同，也可以部分相同，也可以各不相同。

优选地，M层波浪结构30形成的斜流通道31与轴向的夹角可以全部相同，也可以部分相同，也可以各不相同；斜流通道31与轴向的夹角范围为-90°至0°(斜流通道旋转方向为逆时针旋转)和0°至90°(斜流通道旋转方向为顺时针旋转)，进一步地，优选为30°至60°和-30°至-60°。如在图5中，第一波浪结构和第二波浪结构的斜流通道的旋转方向可以同为顺时针旋转、同为逆时针旋转、也可以一个顺时针旋转另一个逆时针旋转。

优选地，波浪结构的截面曲线可以为折线、正弦波形、三角波形、方波形、带倒圆角的方波形、一边为圆弧的方波形。

优选地，内层圆筒10和外层圆筒20可同心设置，二者的轴线也可以偏离一定距离；内层圆筒10、外层圆筒20和波浪结构30的顶端可以对齐，也可以错开一定距离。

优选地，该可形成低速区的喷嘴由陶瓷、石英玻璃、不锈钢、耐高温合金中的至少一种材料制成，其可以是整体铸造成型或者整体车铣加工，也可以分块加工然后焊接在一起。

优选地，该可形成低速区的喷嘴的反应流体可以是空气、燃气、空气与燃气混合物、空气与燃油混合物、空气与煤粉混合物。

本发明第一实施例的可形成低速区的喷嘴，参与燃烧反应的反应流体进入内层圆筒下部和外层圆筒下部之间的通道，并进入斜流通道31，最后由波浪结构波谷和波峰的顶端流出喷嘴。反应流体经过斜流通道31时，在斜流通道31的作用下，反应流体沿轴向运动向喷嘴外侧流动，同时还会沿圆周方向旋转运动，当反应流体流出喷嘴后，在该周向旋转的反应流体作用下，在喷嘴出口的中心轴附近产生第一低速区，该第一低速区使得火焰燃烧速率与反应流体流场速率均衡，防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高了燃烧的稳定性，该第一低速区还使得未燃烧完全的反应流体回流，回流的反应流体继续参与燃烧，提高了燃烧的完全性和效率。进一步地，通过调节斜流通道31与轴向的角度，可以改变反应流体沿圆周方向旋转运动的轨迹，反应流体流场速率随之变化，以便更好地实现火焰燃烧速率与反应流体流场速率的匹配。

本发明第二实施例的可形成低速区的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。在该可形成低速区的喷嘴中，M层波浪结构30中的至少一层波浪结构30包括钝体34，该钝体34为环形结构，其沿圆周方向贯穿波浪结构30。

优选地，钝体截面形状可以为三角形、四边形、多边形、圆形、椭圆形。

优选地，M层波浪结构30均包括钝体34或部分包括钝体34，进一步地，最外层和/或最内层波浪结构30包括钝体34，或者，每隔一层的波浪结构30包括钝体34。各层波浪结构30的钝体截面尺寸可相同，也可不同。

本发明第二实施例的可形成低速区的喷嘴，除可在喷嘴出口的中心轴附近产生第一低速区外，反应流体经过斜流通道31时，在该钝体34的作用下，可在喷嘴出口与该钝体34对应位置产生第二低速区，该第二低速区可以进一步防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高燃烧的稳定性，该第二低速区进一步使得未燃烧完全的反应流体回流，提高燃烧的完全性和效率。进一步地，通过调节钝体的数量和钝体的截面尺寸，可以改变第二低速区的数量和尺寸，以便更好地实现火焰燃烧速率与反应流体流场速率的匹配。进一步地，该钝体34还可以增加波浪结构的强度、减小波浪结构的振动，在该钝体34的作用下，可以采用厚度较薄的波浪结构30，减小波浪结构30对斜流通道31的阻塞，进而减小气体流动损失，进一步提高燃烧效率。

本发明第三实施例的可形成低速区的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。该可形成低速区的喷嘴，M层波浪结构30中的至少一层波浪结构30还包括支撑圆筒37，该支撑圆筒的顶端与波浪结构的波峰和波谷的底端连接，相邻支撑圆筒37之间形成引流通道，波浪结构30的引流通道与其斜流通道连通，最内层支撑圆筒37与内层圆筒的下部之间形成内侧流道35，该内侧流道35与最内层波浪结构30和内层圆筒20形成的斜流通道31连通，最外层支撑圆筒37与外层圆筒的下部之间形成外侧流道36，该外层流道与最外层波浪结构30和外层圆筒20形成斜流通道31连通。

本发明第三实施例的可形成低速区的喷嘴，该支撑圆筒37起到导流作用，参与燃烧反应的反应流体可分别流入支撑圆筒两侧的引流通道以及内侧流道35和外侧流道36，并由引流通道、内侧流道35和外侧流道36进入斜流通道31，使得由斜流通道31喷出的反应流体流速更平稳、流场更稳定，可进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。进一步地，当空气和燃料分别由不同的引流通道流入时，由各层波浪结构30喷出的空气和燃料在喷嘴附近充分掺混，有助于进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。

如在图1-4中，当空气和燃料分别由内侧流道35(或外侧流道36)和外侧流道36(或内侧流道35)流入时，空气由波浪结构30与内层圆筒10之间的斜流通道31流出(或波浪结构30与外层圆筒20之间的斜流通道31流出)，燃料由波浪结构30与外层圆筒20之间的斜流通道31流出(或波浪结构30与内层圆筒10之间的斜流通道31流出)，使得空气和燃料在喷嘴附近充分掺混，有助于进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。

优选地，支撑圆筒厚度沿轴向变化，支撑圆筒的顶端与波浪结构波峰和波谷底端的厚度相同，其厚度由其顶端至底端逐渐增大，实现厚度的平滑过渡以及满足支撑圆筒的强度要求，减少支撑圆筒的材料用量，减轻了喷组的重量。

本发明第四实施例提供了一种可形成低速区的喷嘴阵列，其包括多个上述任一实施例所述的喷嘴。

其中，该喷嘴阵列为圆形阵列，该圆形阵列包括P圈喷嘴，每圈喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100。如在图6中，P取2，第一圈喷嘴数量为1，第二圈喷嘴数量为8.

其中该喷嘴阵列为矩形阵列，该矩形阵列包括P行喷嘴，每行喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、O≤100。

本发明第五实施例提供了一种燃烧器，其包括上述第一至三实施例中任一实施例所述的喷嘴，或第四实施例所述的喷嘴阵列。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的可形成低速区的喷组有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)波浪结构还可以选用其他结构；

(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明的一种可形成低速区的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器可用于航空、化工、发电、冶金等领域，能够解决燃烧不稳定性问题，同时可以提高燃烧效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可形成低速区的喷嘴，其特征在于，其包括内层圆筒(10)、外层圆筒(20)和M层波浪结构(30)，其中，

M层波浪结构(30)夹设于内层圆筒(10)和外层圆筒(20)之间，其沿圆筒四周的径向依次排列，相邻两层波浪结构(30)之间以及波浪结构(30)与内层圆筒(10)、外层圆筒(20)之间形成斜流通道(31)，该斜流通道(31)由波浪结构的底端向顶端延伸，并与轴向具有一定角度；

反应流体经斜流通道(31)喷出后，同时沿轴向和圆周方向旋转运动，在该沿圆周方向旋转运动的作用下产生第一低速区，其中，1≤M≤100。

2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，M层波浪结构(30)中的至少一层波浪结构(30)还包括钝体(34)，该钝体(34)为环形结构，其沿圆周方向贯穿波浪结构(30)；反应流体经斜流通道(31)喷出后，在该钝体(34)的作用下产生第二低速区。

3.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，波浪结构(30)由沿径向起伏的N个波峰(32)和N个波谷(33)沿周向相间排列而成，相邻两层波浪结构的波峰和波谷之间、最外层波浪结构(30)与外层圆筒(20)之间以及最内层波浪结构(30)与内层圆筒(10)之间形成斜流通道(31)，其中，2≤N≤1000。

4.如权利要求3所述的喷嘴，其特征在于，M层波浪结构(30)中的至少一层波浪结构(30)还包括支撑圆筒(37)，该支撑圆筒的顶端与波浪结构的波峰和波谷的底端连接，相邻支撑圆筒(37)之间形成引流通道，引流通道与波浪结构形成的斜流通道连通，最内层支撑圆筒(37)与内层圆筒的下部之间形成内侧流道(35)，该内侧流道(35)与最内层波浪结构(30)和内层圆筒(20)形成的斜流通道(31)连通，最外层支撑圆筒(37)与外层圆筒的下部之间形成外侧流道(36)，该外层流道(35)与最外层波浪结构(30)和外层圆筒(20)形成斜流通道(31)连通。

5.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，M层波浪结构(30)形成的斜流通道(31)与轴向的夹角被调节，反应流体沿圆周方向旋转运动的轨迹被改变，反应流体流场速率随之变化，火焰燃烧速率与反应流体流场速率实现匹配。

6.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，钝体的数量和截面尺寸被调节，第二低速区的数量和尺寸被改变，火焰燃烧速率与反应流体流场速率实现匹配。

7.如权利要求4所述的喷嘴，其特征在于，空气和燃料分别由不同的引流通道流入斜流通道(31)，由斜流通道(31)喷出的空气和燃料充分掺混。

8.如权利要求4所述的喷嘴，其特征在于，支撑圆筒的顶端与波浪结构波峰和波谷底端的厚度相同，支撑圆筒的厚度由其顶端至底端逐渐增大。

9.一种可形成低速区的喷嘴阵列，其特征在于，其包括多个权利要求1-8中任一项权利要求所述的喷嘴；其中，

该喷嘴阵列为圆形阵列，该圆形阵列包括P圈喷嘴，每圈喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100；或者，

该喷嘴阵列为矩形阵列，该矩形阵列包括P行喷嘴，每行喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100。

10.一种燃烧器，其特征在于，其包括权利要求1-8中任一项权利要求所述的喷嘴，或者权利要求9所述的喷嘴阵列。