CN107023833A - 一种n级阶梯整流通道结构的喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种N级阶梯整流通道结构的喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器，所述喷嘴包括轴对称筒状外壁以及设置于所述外壁内的轴对称的第N，N‑1，……，1级阶梯整流通道结构，所述外壁与所述第N，N‑1，……，1级阶梯整流通道结构共轴，N级阶梯整流通道结构的喷嘴在N‑1级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上形成。

Description

一种N级阶梯整流通道结构的喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器

技术领域

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种N级阶梯整流通道结构的喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器，其特别适用于燃气轮机、锅炉、化工炉等各种工业和民用燃烧器。

背景技术

工业生产如冶炼、石化、制药、造纸及采矿等行业会产生大量有害气体和低热值气体，这些气体直接排放到大气中会严重污染环境，而且还浪费了能源。如果将这些气体燃烧利用，不但减小了环境污染和节约能源。当前我国环境污染问题十分严重，发展相关清洁燃烧技术十分迫切。此外，航空发动机、发电用燃气轮机、舰船用燃气轮机也都需要燃烧器。燃烧器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。随着3D打印技术的日益完善，燃气轮机巨头如通用、西门子都在大力发展基于3D打印技术的新型喷嘴设计方法。

因而，亟需开发一种基于3D打印加工技术的掺混效果好、回火裕度宽、燃烧稳定、污染物排放低的新型喷嘴及其燃烧器。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种N级阶梯整流通道结构的喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器。

本发明一方面提供一种N级阶梯整流通道结构的喷嘴，包括轴对称筒状外壁以及设置于所述外壁内的轴对称的第N，N-1，……，1级阶梯整流通道结构，所述外壁与所述第N，N-1，……，1级阶梯整流通道结构共轴，在所述喷嘴的经过对称轴的轴向截面中：对于一级阶梯整流通道结构的喷嘴，所述外壁由喷嘴入口至喷嘴出口方向包括顺序连接的第一外壁平直段、第一外壁扩张段、第二外壁平直段、第二外壁扩张段以及第三外壁平直段，第1级阶梯整流通道结构为筒状结构，包括由喷嘴入口至喷嘴出口方向包括顺序连接的第一级阶梯整流通道结构的第一筒壁平直段、筒壁扩张段、第二筒壁平直段、筒壁收缩段以及第三筒壁平直段，所述第一级阶梯整流通道结构的第一筒壁平直段、筒壁扩张段、第二筒壁平直段、筒壁收缩段以及第三筒壁平直段分别与所述外壁的第一外壁平直段、第一外壁扩张段、第二外壁平直段、第二外壁扩张段以及第三外壁平直段处于相同轴向位置，N级阶梯整流通道结构的喷嘴在N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上形成，N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增外壁扩张段及新增外壁平直段，第N-1，N-2，……，1级梯整流通道结构的环管壁或筒壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增环管壁或筒壁扩张段及新增环管壁或筒壁平直段，第N级阶梯整流通道结构包括2^N-2个管截面为镜像结构的环管状结构，分别设置在N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^N-2个环形间隔流道处，每一管截面为镜像结构的且上下部均断开的环管状结构包括第N级阶梯整流通道结构沿喷嘴入口至喷嘴出口方向上顺序设置的第一环管壁平直段、环管壁扩张段、第二环管壁平直段、环管壁收缩段以及第三环管壁平直段，所述第N级阶梯整流通道结构的环管壁收缩段及环管壁扩张段分别与第N-1，N-2，……，1级阶梯整流通道结构的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个收缩段以及外壁从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个扩张段处于相同轴向位置，所述第N级阶梯整流通道结构的第三环管壁平直段、第二环管壁平直段及第一环管壁平直段分别与第N-1，N-2，……，1级阶梯整流通道结构及外壁的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前三个平直段处于相同轴向位置，其中N≥2，N为正整数。

优选地，旋流器叶片设置在相邻的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^N-1个环形间隔流道中的至少一个内，呈环形排布，在相对于与轴垂直的面平行于轴偏转一定角度，旋流器页片与轴向夹角0°＜θ＜90°。

优选地，所述旋流器叶片呈多个共轴的环状排布，相邻环状上的旋流器叶片的偏转反向相反。

优选地，外圈旋流器叶片与轴向夹角θ_外的绝对值大于内圈旋流器叶片与轴向夹角θ_内的绝对值。

优选地，所述第1，2……，N级阶梯整流通道结构本身的流道中设置网孔板。

优选地，所述第1级阶梯整流通道结构本身的流道中设置整流球，第2，3……，N级阶梯整流通道结构本身的流道以及所述环形间隔流道中的至少一个流道中设置整流环。

优选地，所述整流球截面为圆形或椭圆形，所述整流环截面为圆形或椭圆形。

优选地，所述外壁和/或第i级阶梯整流通道结构的相邻各段之间包括圆弧倒角，i＝1，2，3，……，N。

本发明另一方面提供一种喷嘴阵列，包括至少一个前述的喷嘴，呈圆形阵列或矩形阵列排布。

本发明再一方面提供一种燃烧器，包括至少一个前述的喷嘴或喷嘴阵列。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

阶梯形扩张流道可以降低流速，有助于稳定燃烧；带有环形和球形整流结构的流道内流动均匀、稳定，有助于消除火焰中的热斑，可以使燃烧稳定、降低污染物排放；

设置特定角度的旋流叶片防止回火及熄火；

设置网孔板用来调节湍流度和流量；

设置整流球和整流环防止火焰出现局部热斑和振荡，有助于降低污染物排放和稳定燃烧。

附图说明

图1为本发明实施例二级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明实施例一级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图；

图4为图3的侧视图；

图5为本发明实施例三级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图；

图6为图5的侧视图；

图7为本发明另一实施例二级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图；

图8为本发明又一实施例二级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图；

图9为在图8中安装椭球形和椭环形整流结构的半剖立体图。

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。

分形是对自相似图形和结构的总称，是自然界中蕴含的普适规律。本发明方法按分形理论设计整流通道，整流通道为多级阶梯形。

本发明实施例提供一种多级阶梯整流通道结构的喷嘴，该喷嘴为兼具内外掺混区的预混燃烧喷嘴。

请参考图1和图2，分别为本发明实施例二级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图及侧视图，包括外壁1和作为第1级阶梯整流通道结构的中间圆筒2，在外壁1和中间圆筒2之间的环形间隔流道出口附近布置2个阶梯形管壁形成第2级阶梯整流通道结构3，这两个阶梯形管壁的剖面曲线结构相同、互为镜像。内圈旋流叶片4位于中间圆筒2与阶梯形管壁之间；外国旋流叶片5位于外壁1与阶梯形管壁之间，优选，内圈旋流叶片4和外圈旋流叶片5的倾斜方向相反，这样它们使流体旋转的方向相反，更有助于稳定燃烧。

下面说明多级阶梯整流通道结构的喷嘴的构造方式，N级阶梯整流通道结构的喷嘴在N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上形成，请参考图3和图4，分别为一级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图及侧视图。一级阶梯整流通道结构的喷嘴包外壁和作为第1级阶梯整流通道结构的中间圆筒2，如附图3所示，外壁1和中间圆筒2的剖面线均由5条线段构成，相邻线段之间带有圆弧倒角。外壁剖面线呈现阶梯扩张形，流道扩张可以降低流体速度，有助于稳定燃烧。外壁1有两个扩张段外壁第一扩张段1_2和外壁第二扩张段1_4，这两个扩张段通过3个平直段——外壁第一平直段1_1、外壁第二平直段1_3、外壁第三平直段1_5连接起来。中间圆筒呈现先扩张后收缩的形状，中间圆筒的3个平直段——中间圆筒第一平直段2_1、中间圆筒第二平直段2_3、中间圆筒第三平直段2_5与外壁的3个平直段处于同一轴向位置，构成3个平直流道，中间圆筒扩张段2_2与外壁第一扩张段1_2处于同一轴向位置，构成倾斜流道；中间圆筒收缩段2_4与外壁第二扩张段1_4处于同一轴向位置，构成扩张形流道。

对比图2和图4，可见，二级阶梯整流通道结构的喷嘴在一级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上构造完成，二级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁1和中间圆筒2比一级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁1和中间圆筒2的剖面线增加了2段，其中，外壁剖面线增加了扩张段和平直段，中间圆筒剖面线增加了收缩段和平直段。外壁和中间圆筒增加的2段剖面线与其上游的3段剖面线之间构成了环形间隔流道，在其中设置第2级阶梯整流通道结构3，该第2级阶梯整流通道结构3为管截面为镜像结构的环管状结构，其截面如图2中所示，与图4中所示的第1级阶梯整流通道结构的中间圆筒的截面相似，剖面线亦包括5段结构。

图5和图6分别为三级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图及侧视图，其外壁和中间圆筒剖面有9段直线，可见对于N级阶梯整流通道结构的喷嘴，其外壁和中间圆筒剖面直线数量为2N+3。对比图2和图6，可见三级阶梯整流通道结构的喷嘴为在二级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上形成，在二级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁上向喷嘴出口方向延伸新增一扩张段和一平直段构成三级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁，在二级阶梯整流通道结构的喷嘴的第1级阶梯整流通道结构(即中间圆筒)和第2级阶梯整流通道结构3向喷嘴出口方向延伸新增一收缩段和一平直段形成三级阶梯整流通道结构的喷嘴的第1及第2级阶梯整流通道结构，并在外壁、第1级阶梯整流通道结构及第2级阶梯整流通道结构3之间的2个环形间隔流道处设置第3级阶梯整流通道结构6，其为2个管截面为镜像结构的环管状结构，其截面如图6中所示，与图4中所示的第1级阶梯整流通道结构的中间圆筒的截面相似，剖面线亦包括5段结构。

依照前述规律，对于N级阶梯整流通道结构的喷嘴，其在N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上形成，N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增外壁扩张段及新增外壁平直段，第N-1，N-2，……，1级梯整流通道结构的环管壁或筒壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增环管壁或筒壁扩张段及新增环管壁或筒壁平直段，第N级阶梯整流通道结构包括2^N-2个管截面为镜像结构的环管状结构，分别设置在N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^N-2个环形间隔流道处，每一管截面为镜像结构的且上下部均断开的环管状结构包括第N级阶梯整流通道结构沿喷嘴入口至喷嘴出口方向上顺序设置的第一环管壁平直段、环管壁扩张段、第二环管壁平直段、环管壁收缩段以及第三环管壁平直段，所述第N级阶梯整流通道结构的环管壁收缩段及环管壁扩张段分别与第N-1，N-2，……，1级阶梯整流通道结构的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个收缩段以及外壁从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个扩张段处于相同轴向位置，所述第N级阶梯整流通道结构的第三环管壁平直段、第二环管壁平直段及第一环管壁平直段分别与第N-1，N-2，……，1级阶梯整流通道结构及外壁的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前三个平直段处于相同轴向位置，其中N≥2，N为正整数。

下面分析喷嘴出口处流道的数目，图4中一级阶梯整流通道结构的喷嘴有2个出口；图2中二级阶梯整流通道结构的喷嘴有4个出口；图6中三级阶梯整流通道结构的喷嘴有8个出口。喷嘴出口数目分布规律符合规律2^N，其中N为喷嘴的阶梯整流通道结构级数。

本实施例中，优选N＝3，即采用图5及图6所示的三级阶梯整流通道结构的喷嘴。

在本实施例中，请参见图5及图6，在中间圆筒外的间隔流道内布置4圈旋流器叶片，优选地，相邻圈旋流器叶片的偏转方向(即叶片安装角的正负)相反，这样相邻旋流器叶片使流体旋转的方向相反，更有助于稳定燃烧。旋流叶片与喷嘴轴线夹角θ介于0～±90°，优选地，外圈旋流叶片与喷嘴轴线夹角θ_外的绝对值大于内圈旋流叶片与喷嘴轴线夹角θ_内的绝对值，采用该种设计可以使中轴附近旋流强度小、外围旋流强度大，由于回火易发生在火焰的中部、吹熄首先往往发生在火焰的外围，这样设计既可以有效防止回火也可以防止熄火。

本发明另一实施例还提供一喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述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。

请参见图7，本实施例较上一实施例不同在于，在没有布置旋流叶片的流道中布置圆形网孔板7或环形网孔板8来调节流速，例如，圆形网孔板7或环形网孔板8设置在各级阶梯整流通道结构本身的流道中，可以对燃烧进行更加精细的调控。

本发明又一实施例还提供一种喷嘴，请参见图8，本实施例较上述实施例不同在于，通过在没有布置旋流叶片的流道内设置整流结构使流动更加均匀平稳，具体而言，在喷嘴中间圆筒内即第1级阶梯整流通道结构本体的流道设置整流圆球9、在其他各级阶梯整流通道结构本身的流道或环形间隔流道中设置整流圆环10，可以使这些流道内的流动更加均匀稳定，这样可以防止火焰出现局部热斑和振荡，有助于降低污染物排放和稳定燃烧。

整流圆环和整流球体位于扩张形流道和其下游的平直流道内，优选迎风面一部分位于扩张形流道内、背风面一部分位于平直流道内。这样可以使流道内的流动更加均匀稳定，有利于稳定燃烧，防止火焰中出现热斑，降低污染物排放。

整流圆环和整流圆球至少有以下三个作用：

整流作用，可以使流道内流体运动更加均匀稳定；

稳定燃烧作用，在喷嘴出口附近，其尾迹的低速区可以稳定燃；

调节流量作用，改变其截面大小可以改变该流道的流量。

整流结构其截面形状可以为圆形、椭圆形、多边形，优选为椭圆形，请参考图9，为椭圆形截面。椭圆剖面的两端分别伸入流道的扩张段和收缩段。

本发明再一实施例提供一喷嘴阵列，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。

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。

本发明进一步实施例提供了一种燃烧器，其包括上述实施例所述的喷嘴或喷嘴阵列。

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)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；

(2)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。

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N级阶梯整流通道结构的喷嘴，其特征在于，包括轴对称筒状外壁以及设置于所述外壁内的轴对称的第N，N-1，……，1级阶梯整流通道结构，所述外壁与所述第N，N-1，……，1级阶梯整流通道结构共轴，在所述喷嘴的经过对称轴的轴向截面中：

对于一级阶梯整流通道结构的喷嘴，所述外壁由喷嘴入口至喷嘴出口方向包括顺序连接的第一外壁平直段、第一外壁扩张段、第二外壁平直段、第二外壁扩张段以及第三外壁平直段，第1级阶梯整流通道结构为筒状结构，包括由喷嘴入口至喷嘴出口方向包括顺序连接的第一级阶梯整流通道结构的第一筒壁平直段、筒壁扩张段、第二筒壁平直段、筒壁收缩段以及第三筒壁平直段，所述第一级阶梯整流通道结构的第一筒壁平直段、筒壁扩张段、第二筒壁平直段、筒壁收缩段以及第三筒壁平直段分别与所述外壁的第一外壁平直段、第一外壁扩张段、第二外壁平直段、第二外壁扩张段以及第三外壁平直段处于相同轴向位置，

N级阶梯整流通道结构的喷嘴在N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上形成，N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增外壁扩张段及新增外壁平直段，第N-1，N-2，……，1级梯整流通道结构的环管壁或筒壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增环管壁或筒壁扩张段及新增环管壁或筒壁平直段，第N级阶梯整流通道结构包括2^N-2个管截面为镜像结构的环管状结构，分别设置在N-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^N-2个环形间隔流道处，每一管截面为镜像结构的且上下部均断开的环管状结构包括第N级阶梯整流通道结构沿喷嘴入口至喷嘴出口方向上顺序设置的第一环管壁平直段、环管壁扩张段、第二环管壁平直段、环管壁收缩段以及第三环管壁平直段，所述第N级阶梯整流通道结构的环管壁收缩段及环管壁扩张段分别与第N-1，N-2，……，1级阶梯整流通道结构的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个收缩段以及外壁从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个扩张段处于相同轴向位置，所述第N级阶梯整流通道结构的第三环管壁平直段、第二环管壁平直段及第一环管壁平直段分别与第N-1，N-2，……，1级阶梯整流通道结构及外壁的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前三个平直段处于相同轴向位置，其中N≥2，N为正整数。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，旋流器叶片设置在相邻的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^N-1个环形间隔流道中的至少一个内，呈环形排布，在相对于与轴垂直的面平行于轴偏转一定角度，旋流器页片与轴向夹角0°＜θ＜90°。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中，所述旋流器叶片呈多个共轴的环状排布，相邻环状上的旋流器叶片的偏转反向相反。

4.根据权利要求3所述的喷嘴，其中，外圈旋流器叶片与轴向夹角θ_外的绝对值大于内圈旋流器叶片与轴向夹角θ_内的绝对值。

5.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述第1，2……，N级阶梯整流通道结构本身的流道中设置网孔板。

6.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述第1级阶梯整流通道结构本身的流道中设置整流球，第2，3……，N级阶梯整流通道结构本身的流道以及所述环形间隔流道中的至少一个流道中设置整流环。

7.根据权利要求6所述的喷嘴，其中，所述整流球截面为圆形或椭圆形，所述整流环截面为圆形或椭圆形。

8.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述外壁和/或第i级阶梯整流通道结构的相邻各段之间包括圆弧倒角，i＝1，2，3，……，N。

9.一种喷嘴阵列，包括至少一个权利要求1-8任一所述的喷嘴，呈圆形阵列或矩形阵列排布。

10.一种燃烧器，包括至少一个权利要求1-8任一所述的喷嘴或权利要求9所述的喷嘴阵列。