CN105674263A - 一种具有掺混稳燃结构喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有掺混稳燃结构喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器，其包括环形掺混稳燃结构和中间掺混稳燃结构，并形成有相互缠绕的气流通道，使得燃料和空气经气流通道流出喷嘴后，能够充分掺混，提高了燃烧的完全性，降低了污染物的排放；相互缠绕的气流通道使得在喷嘴出口的中心轴附近产生第一低速区，该第一低速区可防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高了燃烧的稳定性；扩张型通道使得燃料和空气流经其中的气流通道时，气流速度不断减小，进一步加强了第一低速区的作用和效果；支撑筒和支撑板的导流作用使得燃料和空气流速更平稳、流场更稳定，可进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。

Description

一种具有掺混稳燃结构喷嘴、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，尤其涉及一种具有掺混稳燃结构喷嘴和喷嘴阵列，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。作为燃烧器的重要部件，喷嘴对燃烧稳定、燃烧效率、燃烧完全性和污染物排放有重要影响，因此，采用何种结构的喷嘴来达到燃烧稳定、效率高、燃烧完全和低排放的要求，成为本领域亟待研究的课题。

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，本发明提供了一种具有掺混稳燃结构喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。

(二)技术方案

本发明提供了一种具有掺混稳燃结构的喷嘴，包括：内层圆筒10、外层圆筒20、M层环形掺混稳燃结构30，1≤M≤100，其中，所述M层环形掺混稳燃结构30夹设于所述内层圆筒10和所述外层圆筒20之间，沿圆筒径向四周依次排列，相邻环形掺混稳燃结构30之间、最内层环形掺混稳燃结构与内层圆筒10之间以及最外层环形掺混稳燃结构与外层圆筒20之间形成M+1层气流通道；所述环形掺混稳燃结构两侧的气流通道分别沿圆筒圆周的不同方向突出，使得所述环形掺混稳燃结构两侧的气流通道相互缠绕。

优选地，所述环形掺混稳燃结构30由N个沿圆筒圆周方向排列的、横截面为“S”型的、沿圆筒轴向的流体出口方向尺寸渐扩的结构首尾相接而成；所述M+1层气流通道中的每个气流通道均包括N个气流子通道34、35，每个环形掺混稳燃结构两侧的气流子通道34、35分别沿顺时针方向和逆时针方向突出，形成整体上相互缠绕的气流通道，其中，2≤N≤1000。

优选地，所述内层圆筒靠近流体出口一侧的外壁沿圆筒径向向内倾斜一定角度，所述外层圆筒靠近流体出口一侧沿圆筒径向向外倾斜一定角度，使得所述内层圆筒和所述外层圆筒的靠近流体出口一侧之间形成第一扩张型通道50。

优选地，所述环形掺混稳燃结构靠近流体入口一侧还包括支撑筒31，相邻支撑筒31之间形成引流通道，所述引流通道与环形掺混稳燃结构30形成的气流通道连通，最内层支撑筒与内层圆筒之间形成内侧流道32，所述内侧流道32与最内层环形掺混稳燃结构和内层圆筒形成的气流通道连通，最外层支撑筒与外层圆筒之间形成外侧流道33，所述外侧流道33与最外层环形掺混稳燃结构和外层圆筒20形成的气流通道连通。

优选地，还包括：中间掺混稳燃结构40，所述中间掺混稳燃结构40设置于内层圆筒的腔体内，并与内层圆筒的内壁形成气流通道。

优选地，所述中间掺混稳燃结构40为横截面为“S”型的、沿圆筒轴向的流体出口方向尺寸渐扩的结构，其两侧的气流通道分别沿顺时针方向和逆时针方向突出，从而形成相互缠绕的气流通道。

优选地，所述内层圆筒靠近流体出口一侧的内壁沿圆筒径向向外倾斜一定角度，使得所述内层圆筒靠近流体出口一侧形成第二扩张型通道51。

优选地，所述中间掺混稳燃结构靠近流体入口一侧还包括支撑板43，所述支撑板43与所述内层圆筒的内壁之间形成第一内层通道41和第二内层通道42，所述第一内层通道41和所述第二内层通道42分别与所述中间掺混稳燃结构40和所述内层圆筒形成的气流通道连通。

本发明还提供了一种喷嘴阵列，其包括多个上述任一所述的具有掺混稳燃结构的喷嘴；其中，该喷嘴阵列为圆形阵列，所述圆形阵列包括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，所述矩形阵列包括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，其包括上述任一所述的具有掺混稳燃结构的喷嘴，或上述喷嘴阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的具有掺混稳燃结构喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：

(1)内层圆筒和外层圆筒之间具有环形掺混稳燃结构，环形掺混稳燃结构具有相互缠绕的气流通道，使得燃料和空气经气流通道流出喷嘴后，能够充分掺混，提高了燃烧的完全性，降低了污染物的排放；

(2)相互缠绕的气流通道使得燃料和空气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；

(3)内层圆筒和外层圆筒的靠近流体出口一侧之间形成第一扩张型通道，使得燃料和空气流经其中的气流通道时，气流速度不断减小，进一步加强了上述第一低速区的作用和效果，使得火焰燃烧速率与反应流体流场速率更加均衡，进一步提高了燃烧的稳定性；

(4)环形掺混稳燃结构还具有支撑筒，支撑筒的导流作用使得燃料和空气流速更平稳、流场更稳定，可进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率；

(5)内层圆筒内腔还具有中间掺混稳燃结构，中间掺混稳燃结构具有相互缠绕的气流通道，使得燃料和空气经气流通道流出喷嘴后，能够充分掺混，提高了燃烧的完全性，降低了污染物的排放；

(6)中间掺混稳燃结构的相互缠绕的气流通道使得燃料和空气在喷嘴出口的中心轴近产生第二低速区，该第二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；

(7)内层圆筒内壁靠近流体出口一侧之间形成第二扩张型通道，使得燃料和空气流经其中的气流通道时，气流速度不断减小，进一步加强了上述第二低速区的作用和效果，使得火焰燃烧速率与反应流体流场速率更加均衡，进一步提高了燃烧的稳定性；

(8)中间掺混稳燃结构还具有支撑板，支撑板的导流作用使得燃料和空气流速更平稳、流场更稳定，可进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。

附图说明

图1为本发明实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴的三维图；

图2为图1所示喷嘴的流体入口方向三维图；

图3为图1所示喷嘴通道示意图；

图4为环形掺混稳燃结构的三维示意图；

图5为环形掺混稳燃结构的另一个角度的三维示意图；

图6为中部掺混稳燃器结构的三维示意图。

【符号说明】

10-内层圆筒；20-外层圆筒；

30-环形掺混稳燃结构；31-支撑筒；32-内侧流道；33-外侧流道；34、35-气流子通道；

40-中间掺混稳燃结构；41-第一内层通道；42-第二内层通道；43-支撑板；

50-第一扩张型通道；51-第二扩张型通道。

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1-6所示，本发明第一实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，其包括内层圆筒10、外层圆筒20、M层环形掺混稳燃结构30，M层环形掺混稳燃结构30夹设于内层圆筒10和外层圆筒20之间，沿圆筒径向四周依次排列，相邻环形掺混稳燃结构30之间、最内层环形掺混稳燃结构与内层圆筒10之间以及最外层环形掺混稳燃结构与外层圆筒20之间形成M+1层气流通道，环形掺混稳燃结构两侧的气流通道分别沿圆筒圆周的不同方向突出，使得环形掺混稳燃结构两侧的气流通道相互缠绕，其中，1≤M≤100。在图1和图2中，所述M取1。

优选地，环形掺混稳燃结构30由N个沿圆筒圆周方向排列的、横截面为“S”型的、沿圆筒轴向的流体出口方向尺寸渐扩的结构首尾相接而成，上述M+1层气流通道中的每个气流通道均包括N个气流子通道34、35，每个环形掺混稳燃结构两侧的气流子通道34、35分别沿顺时针方向和逆时针方向突出，形成整体上相互缠绕的气流通道，其中，2≤N≤1000。

优选地，环形掺混稳燃结构30加工方式可以为整体挤压成型、整体铸造、或整体车铣；也可以是分块挤压成型、分块铸造或分块车铣，然后焊接成一体。

优选地，内层圆筒10与外层圆筒20可同轴设置，二者的轴线也可平行设置，所述圆筒径向，指的是内层圆筒的径向和/或外层圆筒的径向；所述圆筒圆周方向指的是内层圆筒的圆周方向和/或外层圆筒的圆周方向；所述圆筒轴向指的是内层圆筒的轴向和/或外层圆筒的轴向。

优选地，内层圆筒与外层圆筒的流体出口端沿圆筒轴向对齐设置，进一步地，环形掺混稳燃结构的流体出口端沿圆筒轴向与内层圆筒与外层圆筒的流体出口端对齐，或者，向流体入口端方向与内层圆筒与外层圆筒的流体出口端错开一定距离，例如1mm～1000mm。

本发明第一实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，参与燃烧反应的燃料和空气分别由不同的气流通道流入喷嘴，由于气流通道相互缠绕，使得燃料和空气经气流通道流出喷嘴后，能够充分掺混，提高了燃烧的完全性，降低了污染物的排放；并且，相互缠绕的气流通道使得燃料和空气沿喷嘴轴向喷嘴外侧流动时，同时还会沿圆周方向旋转运动，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。

如图3所示，本发明第二实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，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。

该具有掺混稳燃结构的喷嘴，内层圆筒靠近流体出口一侧的外壁沿圆筒径向向内倾斜一定角度，外层圆筒靠近流体出口一侧沿圆筒径向向外倾斜一定角度，使得内层圆筒和外层圆筒的靠近流体出口一侧之间形成第一扩张型通道50。

优选地，内层圆筒外壁和外层圆筒的倾斜角度与环形掺混稳燃结构沿圆筒轴向的流体出口方向尺寸渐扩的程度匹配，使得内层圆筒的外壁与最内层环形掺混稳燃结构相贴合，外层圆筒的内壁与最外层环形掺混稳燃结构相贴合。

本发明第二实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，由于内层圆筒和外层圆筒的靠近流体出口一侧之间形成第一扩张型通道50，其流通面积不断扩大，从而使得燃料和空气流经其中的气流通道时，气流速度不断减小，进一步加强了上述第一低速区的作用和效果，使得火焰燃烧速率与反应流体流场速率更加均衡，进一步提高了燃烧的稳定性。

如图2、图4和图5所示，本发明第三实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，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。

该具有掺混稳燃结构的喷嘴，环形掺混稳燃结构靠近流体入口一侧还包括支撑筒31，相邻支撑筒31之间形成引流通道，该引流通道与环形掺混稳燃结构30形成的气流通道连通，最内层支撑筒与内层圆筒之间形成内侧流道32，该内侧流道32与最内层环形掺混稳燃结构和内层圆筒形成的气流通道连通，最外层支撑筒与外层圆筒之间形成外侧流道33，该外侧流道33与最外层环形掺混稳燃结构和外层圆筒20形成的气流通道连通。

优选地，支撑筒横截面形状为圆环形或多边环形。

本发明第三实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，支撑筒31起到导流作用，使得燃料和空气流速更平稳、流场更稳定，可进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。

如图1、图2和图6所示，本发明第四实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，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。

该具有掺混稳燃结构的喷嘴，还包括一中间掺混稳燃结构40，该中间掺混稳燃结构40设置于内层圆筒的腔体内，并与内层圆筒的内壁形成气流通道。

优选地，中间掺混稳燃结构40为横截面为“S”型的、沿圆筒轴向的流体出口方向尺寸渐扩的结构，其两侧的气流通道分别沿顺时针方向和逆时针方向突出，从而形成相互缠绕的气流通道。

优选地，中间掺混稳燃结构的流体出口端沿圆筒轴向与内层圆筒的流体出口端对齐，或者，向流体入口端方向与内层圆筒的流体出口端错开一定距离，例如1mm～1000mm。

本发明第四实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，参与燃烧反应的燃料和空气还可分别由中间掺混稳燃结构40与内层圆筒10形成的气流通道流入喷嘴，由于气流通道相互缠绕，使得燃料和空气经该气流通道流出喷嘴后，能够充分掺混，提高了燃烧的完全性，降低了污染物的排放；并且，相互缠绕的气流通道使得燃料和空气沿喷嘴轴向喷嘴外侧流动时，同时还会沿圆周方向旋转运动，在喷嘴出口的中心轴附近产生第二低速区，该第二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。

如图3所示，本发明第五实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，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。

该具有掺混稳燃结构的喷嘴，内层圆筒靠近流体出口一侧的内壁沿圆筒径向向外倾斜一定角度，使得内层圆筒靠近流体出口一侧形成第二扩张型通道51。

优选地，内层圆筒内壁的倾斜角度与中间掺混稳燃结构40沿圆筒轴向的流体出口方向尺寸渐扩的程度匹配，使得内层圆筒的内壁与中间掺混稳燃结构40相贴合。

本发明第五实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，由于内层圆筒的第二扩张型通道51，其流通面积不断扩大，从而使得燃料和空气流经其中的气流通道时，气流速度不断减小，进一步加强了上述第二低速区的作用和效果，使得火焰燃烧速率与反应流体流场速率更加均衡，进二步提高了燃烧的稳定性。

如图2和图6所示，本发明第六实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，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。

该具有掺混稳燃结构的喷嘴，中间掺混稳燃结构靠近流体入口一侧还包括支撑板43，支撑板43与内层圆筒的内壁之间形成第一内层通道41和第二内层通道42，第一内层通道41和第二内层通道42分别与中间掺混稳燃结构40和内层圆筒形成的气流通道连通。

优选地，支撑板横截面形状为四边形、多边形或圆弧形。

本发明第六实施例的具有掺混稳燃结构的喷嘴，支撑板43起到导流作用，使得燃料和空气流速更平稳、流场更稳定，可进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。

本发明第七实施例提供了一种喷嘴阵列，其包括多个上述任一实施例所述的具有掺混稳燃结构的喷嘴。

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。

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、Q≤100。

本发明第八实施例提供了一种燃烧器，其包括上述第一至六实施例中任一实施例所述的具有掺混稳燃结构喷嘴，或第七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具有掺混稳燃结构喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器有了清楚的认识。

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)环形掺混稳燃结构和中间掺混稳燃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，本发明的一种具有掺混稳燃结构喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器可用于航空、化工、发电、冶金等领域，能够使燃料和空气充分掺混，提高了燃烧的完全性，降低了污染物的排放；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；使得燃料和空气流速更平稳、流场更稳定，可进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。

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)

1.一种具有掺混稳燃结构的喷嘴，其特征在于，包括：内层圆筒(10)、外层圆筒(20)、M层环形掺混稳燃结构(30)，1≤M≤100，其中，

所述M层环形掺混稳燃结构(30)夹设于所述内层圆筒(10)和所述外层圆筒(20)之间，沿圆筒径向四周依次排列，相邻环形掺混稳燃结构(30)之间、最内层环形掺混稳燃结构与内层圆筒(10)之间以及最外层环形掺混稳燃结构与外层圆筒(20)之间形成M+1层气流通道；

所述环形掺混稳燃结构两侧的气流通道分别沿圆筒圆周的不同方向突出，使得所述环形掺混稳燃结构两侧的气流通道相互缠绕。

2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述环形掺混稳燃结构(30)由N个沿圆筒圆周方向排列的、横截面为“S”型的、沿圆筒轴向的流体出口方向尺寸渐扩的结构首尾相接而成；

所述M+1层气流通道中的每个气流通道均包括N个气流子通道(34)、(35)，每个环形掺混稳燃结构两侧的气流子通道(34)、(35)分别沿顺时针方向和逆时针方向突出，形成整体上相互缠绕的气流通道，其中，2≤N≤1000。

3.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述内层圆筒靠近流体出口一侧的外壁沿圆筒径向向内倾斜一定角度，所述外层圆筒靠近流体出口一侧沿圆筒径向向外倾斜一定角度，使得所述内层圆筒和所述外层圆筒的靠近流体出口一侧之间形成第一扩张型通道(50)。

4.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述环形掺混稳燃结构靠近流体入口一侧还包括支撑筒(31)，相邻支撑筒(31)之间形成引流通道，所述引流通道与环形掺混稳燃结构(30)形成的气流通道连通，最内层支撑筒与内层圆筒之间形成内侧流道(32)，所述内侧流道(32)与最内层环形掺混稳燃结构和内层圆筒形成的气流通道连通，最外层支撑筒与外层圆筒之间形成外侧流道(33)，所述外侧流道(33)与最外层环形掺混稳燃结构和外层圆筒(20)形成的气流通道连通。

5.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，还包括：

中间掺混稳燃结构(40)，所述中间掺混稳燃结构(40)设置于内层圆筒的腔体内，并与内层圆筒的内壁形成气流通道。

6.如权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述中间掺混稳燃结构(40)为横截面为“S”型的、沿圆筒轴向的流体出口方向尺寸渐扩的结构，其两侧的气流通道分别沿顺时针方向和逆时针方向突出，从而形成相互缠绕的气流通道。

7.如权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述内层圆筒靠近流体出口一侧的内壁沿圆筒径向向外倾斜一定角度，使得所述内层圆筒靠近流体出口一侧形成第二扩张型通道(51)。

8.如权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述中间掺混稳燃结构靠近流体入口一侧还包括支撑板(43)，所述支撑板(43)与所述内层圆筒的内壁之间形成第一内层通道(41)和第二内层通道(42)，所述第一内层通道(41)和所述第二内层通道(42)分别与所述中间掺混稳燃结构(40)和所述内层圆筒形成的气流通道连通。

9.一种喷嘴阵列，其包括多个权利要求1-8中任一权利要求所述的具有掺混稳燃结构的喷嘴；

其中，该喷嘴阵列为圆形阵列，所述圆形阵列包括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，所述矩形阵列包括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，其包括权利要求1-8中任一权利要求所述的具有掺混稳燃结构的喷嘴，或权利要求9所述的喷嘴阵列。