CN105910136B - 一种可调节喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调节喷嘴，包括：内层圆筒、外层圆筒、外筒套管和N层外层波浪结构，N层外层波浪结构夹设于内层圆筒和外层圆筒之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻外层波浪结构之间、外层波浪结构与内层圆筒和外层圆筒之间形成气流通道，所述外筒套管套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，实现工作模式的切换和火焰位置的调节。

Description

一种可调节喷嘴、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，尤其涉及一种可调节喷嘴和喷嘴阵列，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。

扩散燃烧优点是运行中不会产生回火现象、安全系数高、运行稳定可靠、此外还有点火较为容易、热负荷调节方面、热负荷可调范围较广等优点，缺点是燃烧时仅靠扩散作用使空气与燃气相互接触发生化学反应，因此扩散式燃烧器的火焰长度较长、单位容积的放热强度不高。预混燃烧的优点是可以通过贫预混燃烧、稀相预混预蒸发等技术降低污染物排放，由于燃料与氧化剂的预先混合，燃烧反应受混合时间尺度的影响基本可以忽略，大幅度提高了燃烧反应速度以及火焰传播速度，缺点是火焰稳定性较差、回火会带来安全隐患问题，特别是燃料火焰传播速度快时回火问题更加突出，如燃烧氢气或富氢燃料。

因而，亟需一种兼备扩散燃烧和预混燃烧优点的燃烧器。

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调节喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。

(二)技术方案

本发明提供了一种可调节喷嘴，包括：内层圆筒12、外层圆筒11、外筒套管15和N层外层波浪结构30；其中，所述N层外层波浪结构30夹设于内层圆筒12和外层圆筒11之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻外层波浪结构之间、外层波浪结构与内层圆筒12和外层圆筒11之间形成气流通道，所述外筒套管15套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，实现工作模式的切换和火焰位置的调节，其中，1≤N≤100。

本发明还提供了一种喷嘴阵列，包括多个可调节喷嘴，其中，所述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，所述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，其包括多个可调节喷嘴，或者喷嘴阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的可调节喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：

(1)外筒套管套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，可以在扩散燃烧模式、过渡燃烧模式和预混燃烧模式之间切换，并调节火焰的位置，可以充分利用不同模式的优点，而尽量避免不同模式的缺点，可以适用于各种工况和燃料，提高了燃烧性能；

(2)通过步进电机、螺杆和控制器等实现自动切换工作模式和自动调节火焰位置，提高了模式切换和火焰位置调节的准确性和反应速度，无需人工干预，进一步提高了可调节喷嘴的性能；

(3)中心锥体可以抑制流动分离、提高燃料和空气掺混效果、减小流动损失，提高喷嘴燃烧效率；

(4)内层波浪结构为直通道波浪结构，外层波浪结构为旋流波浪结构，可以防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高燃烧的稳定性，同时降低了NO_x的生成，减小流动损失、防止发生回火。

附图说明

图1为本发明实施例的可调节喷嘴的三维图；

图2为图1所示可调节喷嘴的俯视图；

图3为图1所示可调节喷嘴的半剖示意图；

图4为图3中外层波浪结构三维示意图；

图5为本发明实施例的过渡燃烧模式的半剖示意图；

图6为本发明实施例的过渡燃烧模式的另一半剖示意图；

图7为本发明实施例的过渡燃烧模式的又一半剖示意图；

图8为本发明实施例的可调节喷嘴的又一半剖示意图；

图9为图8中内层波浪结构三维示意图。

【符号说明】

11-外层圆筒；12-内层圆筒；13-内层波浪结构外侧流道；14-内层波浪结构内侧流道；15-外筒套管；

20-内层波浪结构；21-波峰；22-波谷；23-斜流通道；24-支撑圆筒；

30-外层波浪结构；31-直流通道；

41-步进电机；42-螺杆；

51-中心锥体；52-第一进气结构；53-第一气体入口；54-第二进气结构；55-第二气体入口；56-第三进气结构；57-第三气体入口；

61-控制输出端；62-状态输入端；63-控制器；64-火焰监测装置。

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至图9所示，本发明第一实施例的可调节喷嘴，其包括内层圆筒12、外层圆筒11、外筒套管15和N层外层波浪结构30，N层外层波浪结构30夹设于内层圆筒12和外层圆筒11之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻外层波浪结构之间、外层波浪结构30与内层圆筒12和外层圆筒11之间形成气流通道，外筒套管15套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，实现工作模式的切换和火焰位置的调节，其中，1≤N≤100。在图1至图3、图5至图8中，所述N取1。

优选地，内层圆筒12与外层圆筒11可同轴设置，二者的轴线也可平行设置，所述外筒套管15套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，指的是外筒套管15可沿内层圆筒的轴向和/或外层圆筒的轴向移动。

优选地，通过手动方式实现外筒套管15沿圆筒轴向的移动；外筒套管15与外层圆筒11外壁采用螺纹连接，在外筒套管上安装有手柄，通过旋转外筒套管可以手动调节外筒套管的轴向位置。

本发明第一实施例的可调节喷嘴，喷嘴运行后，外筒套管15位于图3所示的下限位置，燃料和空气分别经由不同的气流通道后由喷嘴喷出，在喷嘴出口附近燃烧，火焰根部位于外层波浪结构出口端，火焰位置处于下限位置，此时喷嘴工作于扩散燃烧模式，扩散燃烧容易点火、燃烧稳定，但火焰长度较长，燃烧完全性较差。

其中，所述下限位置指的是外筒套管出口端与外层圆筒出口端在轴向对齐。

接着，外筒套管15沿圆筒轴向向流体出口方向移动，喷嘴工作于过渡燃烧模式，火焰根部位于外筒套管出口端，火焰位置随着外筒套管的移动而被调节；如图5至图7所示，过渡燃烧模式下外筒套管15处于不同的位置。

当火焰出现轻微不稳定状态或外筒套管15到达上限位置，气流通道中的燃料和空气在气流通道出口附近掺混，并由喷嘴喷出，在喷嘴出口附近燃烧，火焰根部位于外筒套管出口端，火焰位置随着外筒套管的移动而被调节至第一位置；此时喷嘴工作于预混燃烧模式，以提高燃烧反应速度、火焰传播速度以及燃烧完全性。

其中，所述上限位置指的是外筒套管出口端与外层圆筒出口端在轴向错开10mm-1000mm。

当火焰不稳定状态加剧或出现回火现象时，外筒套管15沿圆筒轴向向流体入口方向移动，直到火焰处于稳定状态或外筒套管15到达下限位置，火焰根部位于外筒套管出口端，火焰位置随着外筒套管的移动而被调节至第二位置。当喷嘴停止运行时，若外筒套管15未处于下限位置，则外筒套管15继续沿圆筒轴向向流体入口方向移动，直到外筒套管15处于下限位置，如此实现了扩散燃烧模式、过渡燃烧模式和预混燃烧模式的切换，以及火焰位置的调节。

由此可见，本发明第一实施例的可调节喷嘴，可以根据燃烧情况在扩散燃烧模式、过渡燃烧模式和预混燃烧模式之间切换，并调节火焰的位置，可以充分利用不同模式的优点，而尽量避免不同模式的缺点，可以适用于各种工况和燃料，极大地提高了燃烧性能。

本发明第二实施例的可调节喷嘴，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。

该可调节喷嘴还包括步进电机41和螺杆42，步进电机41驱动螺杆42旋转，螺杆42连接外筒套管15，步进电机41和螺杆42共同带动外筒套管15沿圆筒轴向移动。

本发明第二实施例的可调节喷嘴，可以根据燃烧情况利用步进电机41和螺杆42实现外筒套管15沿圆筒轴向移动，完成工作模式的切换和火焰位置的调节。

本发明第三实施例的可调节喷嘴，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。

该可调节喷嘴还包括火焰监测装置64和控制器63，控制器的状态输入端62连接火焰监测装置64，其控制输出端61连接步进电机41，火焰监测装置64监测火焰燃烧情况，根据燃烧情况向控制器63发送监测信号，控制器63根据监测信号生成控制信号，并发送给步进电机41，步进电机41根据控制信号驱动螺杆42旋转，实现外筒套管15沿圆筒轴向移动，完成工作模式的切换和火焰位置的调节。

其中，该控制器63优选为单片机；火焰监测装置64为现有产品，火焰稳定性判定方法可以是基于压力波动测量、或者是基于图像分析处理、或者是基于气体成分测试等现有技术手段，这些细节超出了本发明范围，这里不再赘述。

本发明第三实施例的双工作模式喷嘴，基于火焰监测装置64和控制器63，实现了自动切换工作模式和自动调节火焰位置，提高了模式切换和火焰位置调节的准确性和反应速度，无需人工干预，进一步提高了可调节喷嘴的性能。

本发明第四实施例的可调节喷嘴，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。

内层圆筒12内还设置有M层内层波浪结构20，相邻内层波浪结构之间、内层波浪结构20与内层圆筒12之间形成气流通道，其中，1≤M≤100。在图8中，所述M取1。

内层波浪结构20为直通道波浪结构，外层波浪结构30为旋流波浪结构，相邻直通道波浪结构之间、最外层直通道波浪结构与内层圆筒12之间形成的气流通道为直流通道31，相邻旋流波浪结构之间、最内层旋流波浪结构与内层圆筒12之间、最外层旋流波浪结构与外层圆筒11之间形成的气流通道为斜流通道23，该斜流通道23由旋流波浪结构的底端向顶端延伸、并与轴向具有一预设角度。

如图4和图9所示，优选地，内层波浪结构20和外层波浪结构30为沿径向起伏的K个波峰21和K个波谷22沿周向相间排列而成的环形结构，相邻两层内层波浪结构的波峰21和波谷22之间、最外层的内层波浪结构与内层圆筒12之间形成直流通道31；相邻两层外层波浪结构的波峰21和波谷22之间、最内层的外层波浪结构与内层圆筒12之间以及最外层外层波浪结构与外层圆筒11之间形成斜流通道23，其中，2≤K≤1000。

优选地，内层波浪结构和外层波浪结构的入口端截面形状可以为圆环形或多边环形；内层波浪结构和外层波浪结构的出口端截面形状可以为正弦波形、方波形、三角波形、带有圆形倒角的方波形；内层波浪结构和外层波浪结构的引导线为直线或曲线。内层波浪结构和外层波浪结构的加工方式可以为整体3D打印、挤压成型、整体铸造、整体车铣；或者分块挤压成型、分块铸造、分块车铣，然后焊接成一体。

优选地，在斜流通道旋转方向为逆时针旋转情况下，斜流通道23与轴向的夹角范围为-90°至0°，优选为-30°至-60°；或斜流通道旋转方向为顺时针旋转情况下，斜流通道23与轴向的夹角范围为0°至90°，优选为30°至60°。

本发明第四实施例的可调节喷嘴，流经斜流通道的燃料和空气，在斜流通道的作用下，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，当燃料和空气流出喷嘴后，在该周向旋转的作用下，在喷嘴出口流体扩张并在中心轴附近产生低速区，该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；流经直流通道的燃料和空气，由于未受到旋流作用，在喷嘴出口依然保持轴向运动而不产生涡破碎和强回流区，减少了燃烧反应物在高温区的驻留时间，降低了NO_x生成，同时还可以减小流动损失、防止发生回火。

本发明第五实施例的可调节喷嘴，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。

如图8所示，最内层内层波浪结构内还设置中心锥体51，该中心锥体出口端为圆锥体，内层圆筒12和中心锥体51沿流体出口方向突出于内层波浪结构20。

本发明第五实施例的可调节喷嘴，中心锥体的圆锥体出口端可以抑制由内层圆筒12和中心锥体51之间的气流通道喷出的燃料和空气的流动分离、提高燃料和空气掺混效果、减小流动损失，提高喷嘴燃烧效率。

本发明第六实施例的可调节喷嘴，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。

内层波浪结构20还包括支撑圆筒24，该支撑圆筒的顶端与内层波浪结构的波峰和波谷的底端连接，相邻支撑圆筒之间、最内层支撑圆筒与中心锥体51之间、最外层支撑圆筒与内层圆筒12之间形成引流通道，该引流通道与内层波浪结构形成的直流通道连通。

外层波浪结构30还包括支撑圆筒24，该支撑圆筒的顶端与外层波浪结构的波峰和波谷的底端连接，最内层支撑圆筒与内层圆筒12之间、最外层支撑圆筒与外层圆筒11之间形成引流通道，该引流通道与外层波浪结构形成的斜流通道连通。

如图8所示，支撑圆筒24与中心锥体51、内层圆筒12之间形成内层波浪结构外侧流道13和内层波浪结构内侧流道14。

本发明第六实施例的集成等离子激励器的喷嘴，支撑圆筒起到导流作用，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。

本发明第七实施例的可调节喷嘴，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。

外层圆筒底端连接盘状的第一进气结构52，第一进气结构的底面开有多个第一气体入口53，燃料或空气由第一气体入口进入气流通道；外层波浪结构的支撑圆筒底端连接盘状的第二进气结构54，第二进气结构的底面开有多个第二气体入口55，燃料或空气由第二气体入口进入气流通道；内层圆筒底端连接盘状的第三进气结构56，第三进气结构的底面开有多个第三气体入口57，燃料或空气由第三气体入口进入气流通道。

本发明第八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可调节喷嘴。

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。

本发明第九实施例提供了一种燃烧器，其包括上述第一至七实施例中任一实施例所述的可调节喷嘴，或第八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调节喷嘴、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)波浪结构和中心锥体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，本发明的一种可调节喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器，可以在扩散燃烧模式、过渡燃烧模式和预混燃烧模式之间切换，并调节火焰的位置，可以充分利用不同模式的优点，而尽量避免不同模式的缺点，可以适用于各种工况和燃料，提高了燃烧性能；实现自动切换工作模式和自动调节火焰位置，提高了模式切换和火焰位置调节的准确性和反应速度，无需人工干预，进一步提高了可调节喷嘴的性能；外层波浪结构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，同时内层波浪结构减少了燃烧反应物在高温区的驻留时间，降低了NOx生成，减小流动损失、防止发生回火；中心锥体抑制流动分离，提高燃料和空气掺混效果、减小流动损失，提高喷嘴燃烧效率；支撑圆筒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 (8)

1.一种可调节喷嘴，其特征在于，包括：内层圆筒(12)、外层圆筒(11)、外筒套管(15)和N层外层波浪结构(30)；其中，

所述N层外层波浪结构(30)夹设于内层圆筒(12)和外层圆筒(11)之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻外层波浪结构之间、外层波浪结构与内层圆筒(12)和外层圆筒(11)之间形成气流通道，所述外筒套管(15)套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，实现工作模式的切换和火焰位置的调节，其中，1≤N≤100；所述内层圆筒内还设置有M层内层波浪结构(20)；所述内层波浪结构(20)为直通道波浪结构，所述外层波浪结构(30)为旋流波浪结构；

还包括：步进电机(41)和螺杆(42)，所述步进电机(41)驱动螺杆(42)旋转，所述螺杆(42)连接外筒套管(15)，所述步进电机(41)和螺杆(42)共同带动外筒套管(15)沿圆筒轴向移动；

还包括：火焰监测装置(64)和控制器(63)，所述控制器的状态输入端(62)连接火焰监测装置(64)，其控制输出端(61)连接步进电机(41)，所述火焰监测装置(64)监测火焰燃烧情况，并向控制器(63)发送监测信号，所述控制器(63)根据监测信号生成控制信号，并发送给步进电机(41)，所述步进电机(41)根据控制信号驱动螺杆(42)旋转，实现外筒套管(15)沿圆筒轴向移动，完成工作模式的切换和火焰位置的调节。

2.如权利要求1所述的可调节喷嘴，其特征在于，相邻内层波浪结构之间、内层波浪结构与内层圆筒(12)之间形成气流通道，其中，1≤M≤100。

3.如权利要求2所述的可调节喷嘴，其特征在于，所述内层波浪结构(20)和外层波浪结构(30)为沿径向起伏的K个波峰(21)和K个波谷(22)沿周向相间排列而成的环形结构，其中，2≤K≤1000。

4.如权利要求3所述的可调节喷嘴，其特征在于，相邻直通道波浪结构之间、最外层直通道波浪结构与内层圆筒(12)之间形成的气流通道为直流通道(31)；

相邻旋流波浪结构之间、最内层旋流波浪结构与内层圆筒(12)之间、最外层旋流波浪结构与外层圆筒(11)之间形成的气流通道为斜流通道(23)，斜流通道(23)由旋流波浪结构的底端向顶端延伸、并与轴向具有一预设角度。

5.如权利要求1所述的可调节喷嘴，其特征在于，最内层内层波浪结构内还设置中心锥体(51)，所述中心锥体出口端为圆锥体，所述内层圆筒(12)和中心锥体(51)沿流体出口方向突出于内层波浪结构。

6.如权利要求5所述的可调节喷嘴，其特征在于，所述内层波浪结构还包括支撑圆筒(24)，所述支撑圆筒的顶端与内层波浪结构的底端连接，相邻支撑圆筒之间、最内层支撑圆筒与中心锥体(51)之间、最外层支撑圆筒与内层圆筒(12)之间形成引流通道，所述引流通道与内层波浪结构形成的气流连通；

所述外层波浪结构还包括支撑圆筒(24)，所述支撑圆筒的顶端与外层波浪结构的底端连接，最内层支撑圆筒与内层圆筒(12)之间、最外层支撑圆筒与外层圆筒(11)之间形成引流通道，所述引流通道与外层波浪结构形成的气流通道连通。

7.一种喷嘴阵列，其特征在于，包括多个权利要求1至6中任一项权利要求所述的可调节喷嘴，其中，

所述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，

所述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。

8.一种燃烧器，其特征在于，其包括权利要求1-6中任一项权利要求所述的可调节喷嘴，或者权利要求7所述的喷嘴阵列。