CN107023834B - 一种多尺度值班火焰的喷嘴及燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种多尺度值班火焰的喷嘴及燃烧器，所述喷嘴包括轴对称筒状外壁、及设置在所述外壁内的N级子喷嘴结构和N级燃料管结构，所述N级子喷嘴结构包括第N，N‑1，……，1级子喷嘴，所述N级燃料管结构包括第N，N‑1，……，1级燃料管，第i级燃烧管与第i级子喷嘴入口一一对应连接，所述第i级子喷嘴为筒状结构，i＝1，2，3，……，N。

Description

一种多尺度值班火焰的喷嘴及燃烧器

技术领域

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种多尺度值班火焰的喷嘴及燃烧器，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，本发明提供了一种喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器。

本发明一方面提供一种多尺度值班火焰的喷嘴，包括轴对称筒状外壁、及设置在所述外壁内的N级子喷嘴结构和N级燃料管结构，所述N级子喷嘴结构包括第N，N-1，……，1级子喷嘴，所述N级燃料管结构包括第N，N-1，……，1级燃料管，第i级燃烧管与第i级子喷嘴入口一一对应连接，所述第i级子喷嘴为筒状结构，i＝1，2，3，……，N，包括N级子喷嘴结构和N级燃料管结构的喷嘴在包括N-1级子喷嘴结构和N-1级燃料管结构的喷嘴的基础上形成，包括一级子喷嘴结构和一级燃料管结构的喷嘴的第1级燃料管位于喷嘴轴线位置，连接至第1子喷嘴入口，所述第1子喷嘴与所述喷嘴及外壁共轴，包括二级子喷嘴结构和二级燃料管结构的喷嘴由包括一级子喷嘴结构和一级燃料管结构的喷嘴的第1级燃料管分叉延伸出M个第2级燃料管，分别连接至M个第2级子喷嘴的入口，所述M个第2级子喷嘴围绕第一子喷嘴呈圆周排布，包括N级子喷嘴结构和N级燃料管结构的喷嘴，由包括N-1级子喷嘴结构和N-1级燃料管结构的喷嘴的每一个第N-1级燃料管分叉延伸出2个第N级燃料管分别向该第N-1级燃料管对应的第N-1级子喷嘴垂直远离和靠近轴的两侧，其中N≥2，M、N为正整数。

本发明另一方面提供一种燃烧器，包括至少一个前述的喷嘴。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

基于分形规律的多级值班火焰喷嘴，可以有效防止火焰被吹熄；

喷嘴外壁为阶梯扩张形，可以降低流速，使流动稳定均匀，稳定燃烧；

可以灵活调整子喷嘴出口燃料流速和旋流强度，具有燃烧稳定性好、污染物排放低等优点。

附图说明

图1为本发明一实施例包括三级子喷嘴结构和三级燃料管结构的喷嘴的半剖立体图；

图2为图1的侧视图；

图3为四级燃料管结构的立体图；

图4为本发明一实施例包括一级子喷嘴结构的喷嘴半剖立体图；

图5为图4的侧视图；

图6为本发明一实施例包括二级子喷嘴结构的喷嘴的半剖立体图；

图7为图6的侧视图；

图8为本发明另一实施例相邻级子喷嘴俯视图；

图9为本发明另一实施例喷嘴包括二级子喷嘴结构和二级燃料管结构的喷嘴的半剖立体图。

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子喷嘴结构和燃料管结构，子喷嘴结构包括多级子喷嘴，燃料管结构为多级分叉形。

本发明一实施例提供一种多尺度值班火焰的喷嘴，包括轴对称筒状外壁、及设置在所述外壁内的N级子喷嘴结构和N级燃料管结构，所述N级子喷嘴结构包括第N，N-1，……，1级子喷嘴，所述N级燃料管结构包括第N，N-1，……，1级燃料管，第i级燃烧管与第i级子喷嘴入口一一对应连接，所述第i级子喷嘴为筒状结构，i＝1，2，3，……，N。

图1为本发明一实施例包括三级子喷嘴结构和三级燃料管结构的喷嘴的半剖立体图，图2为图1的侧视图，请参考图1和图2，喷嘴包括筒状外壁10、和位于筒状外壁10内的三级子喷嘴结构和三级燃料管结构，中间圆筒11为第1级子喷嘴，其入口与第1级燃料管21相连接，并由第1级燃料管21提供燃料，第1级燃料管21位于筒状外壁10和中间圆筒11的共同的轴线上，第1级燃料管分叉延伸出M个第2级燃料管，分别连接至M个第2级子喷嘴12的入口，所述M个第2级子喷嘴围绕第一子喷嘴11呈圆周排布，本实施例中M优选为8。每一第2级燃料管分叉延伸出2个第3级燃料管分别向该第2级燃料管对应的第2级子喷嘴垂直远离和靠近轴的两侧，分别连接至两个第3级子喷嘴13的入口。

外壁10和中间圆筒11之间可以环有主旋流叶片5，中间圆筒11内设置有整流球体4。

空气与燃料的混合物进入喷嘴入口，在喷嘴出口进行预混燃烧；燃料通过多级燃料管结构进入各级子喷嘴，在各级子喷嘴出口进行扩散燃烧。喷嘴的主旋流叶片，位于喷嘴外壁与中间圆筒的第二个平直流道内。子喷嘴结构的燃料与主喷嘴的燃料可以相同也可以不同，子喷嘴燃料可以为气体也可以为液体，优选子喷嘴燃料为易燃气体，如氢气、甲烷、焦炉煤气、天然气。

图3为四级燃料管的半剖立体图，为了显示清晰，只显示燃料管，略去其它结构。燃料进入主燃料管即第1级燃料管21后，经过分叉后，进入第2级燃料管22，再进一步分叉依次进入第3级燃料管23、及第4级燃料管24。各级燃料管的每一个均与相应的各级子喷嘴的入口相连接，

第1级燃料管21连接中间圆筒即第一级子喷嘴11入口，形成第1级值班火焰；第2级燃料管22连接第2级子喷嘴12入口；第3级燃料管23连接第3级子喷嘴13入口，第4级燃料管24连接第4级子喷嘴入口，依次类推，可以扩展至N级。

燃料管结构分形规律如下，燃料主管即第1级燃料管21分叉出M个沿周向均布的第2级燃料管22优选为8根；每根第2级燃料管22分叉2根第3级燃料管23；每根第3级燃料管23分叉2根第4级燃料管24，直至第N-1级支管分叉出2根第N级支管；也就是说，对于N＞1，下一级支管数量是上一级支管数量的2倍。随着级数增加，各级燃料管直径减小且各级子喷嘴截面积减小。

下面喷嘴的多级子喷嘴结构的构造方式，包括N级子喷嘴结构的喷嘴在包括N-1级子喷嘴结构的喷嘴的基础上形成，请参考图4和图5，分别包括一级子喷嘴结构的喷嘴半剖立体图及轴向截面图，为了方便说明，图中未示出燃料管结构。包括一级子喷嘴结构的喷嘴的外壁10和中间圆筒即第1级子喷嘴11的剖面线均由5段直线构成，相邻直线之间带有圆弧倒角。喷嘴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。喷嘴外壁10有两个扩张段第一外壁扩张段10_2和第二外壁扩张段10_4，这两个扩张段通过3个平直段——第一外壁平直段10_1、第二外壁平直段10_3、第三外壁平直段10_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——第一中间圆筒平直段11_1、第二中间圆筒平直段11_3、第三中间圆筒平直段11_5与喷嘴外壁的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11_2与喷嘴第一外壁扩张段10_2处于同一轴向位置，构成倾斜流道；中间圆筒收缩段11_4与第二外壁扩张段10_4处于同一轴向位置，构成扩张形流道。

请参考图6和图7，分别包括二级子喷嘴结构的喷嘴半剖立体图及轴向截面图，为了方便说明，图中未示出燃料管结构，对比图6、7和图4、5可见，包括二级子喷嘴结构的喷嘴比包括一级子喷嘴结构的喷嘴的外壁和中间圆筒的剖面线增加了2段，其中，喷嘴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。喷嘴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流道，在其中放置与基本分形单元图4、5里中间圆筒结构相同且流道截面积缩小的结构作为第2级子喷嘴，这样就构成了包括二级子喷嘴结构的喷嘴。

图1、2示出了包括三级子喷嘴结构的喷嘴，其喷嘴外壁和中间圆筒剖面有9段直线，可由包括二级子喷嘴结构的喷嘴形成，依照前述规律，对于包括N级子嘴结构的喷嘴，其在包括N-1级自喷嘴结构的喷嘴的基础上形成，包括N-1级子喷嘴结构和N-1级燃料管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级子喷嘴的筒壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增筒壁平直段，每一第N-1级子喷嘴垂直远离和靠近轴的两侧分别设置一第N级子喷嘴，所述每一第N级子喷嘴具有与由喷嘴入口至喷嘴出口方向包括顺序连接的第N级子喷嘴的第一筒壁平直段、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N级子喷嘴的筒壁收缩段及筒壁扩张段分别与第N-1，N-2，……，1级子喷嘴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级子喷嘴的第三筒壁平直段、第二筒壁平直段及第一筒壁平直段分别与第N-1，N-2，……，1级子喷嘴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。

本实施中喷嘴的主旋流叶片，位于喷嘴外壁10与中间圆筒11的第二个平直流道内。

本发明另一实施例还提供一种多尺度值班火焰的喷嘴，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8，本实施例较上一实施例不同在于，下一级子喷嘴与上一级子喷嘴不位于周向相同位置，而是错开一定角度，这样更有助于稳定燃烧。

本发明又一实施例还提供一种多尺度值班火焰的喷嘴，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9，本实施例较一实施例不同在于，在各级子喷嘴内部设置了次旋流叶片6和/或整流球体4。子喷嘴内的整流球体有以下作用：固定子喷嘴内次旋流叶片的作用；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烧；调节流量作用，改变其截面大小可以改变该流道的流量。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的整流椭球体4，椭球体的两端分别伸入流道的扩张段和收缩段，这样更有助于流动的均匀稳定。

通过改变子喷嘴截面积和其内的次旋流叶片角度，可以灵活调整子喷嘴出口燃料流速和旋流强度，优选，随着级数增加，子喷嘴出口燃料流速逐渐降低，且子喷嘴内旋流叶片与中轴线夹角的角度逐渐增大，也就是说，最后一级子喷嘴出口的燃料流速最小，且最后一级子喷嘴内旋流叶片与其中轴向夹角最大。这样可以增强稳定燃烧效果。

喷嘴柱旋流叶片5可以与各子喷嘴内的次旋流叶片6的偏转方向相反，这样它们使流体旋转的方向相反，更有助于稳定燃烧。

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。

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)

1.一种多尺度值班火焰的喷嘴，其特征在于，包括轴对称筒状外壁、及设置在所述外壁内的N级子喷嘴结构和N级燃料管结构，所述N级子喷嘴结构包括第N，N-1，……，1级子喷嘴，所述N级燃料管结构包括第N，N-1，……，1级燃料管，第i级燃烧管与第i级子喷嘴入口一一对应连接，所述第i级子喷嘴为筒状结构，i＝1，2，3，……，N；

包括N级子喷嘴结构和N级燃料管结构的喷嘴在包括N-1级子喷嘴结构和N-1级燃料管结构的喷嘴的基础上形成；

包括一级子喷嘴结构和一级燃料管结构的喷嘴的第1级燃料管位于喷嘴轴线位置，连接至第1子喷嘴入口，所述第1子喷嘴与所述喷嘴及外壁共轴；

包括二级子喷嘴结构和二级燃料管结构的喷嘴由包括一级子喷嘴结构和一级燃料管结构的喷嘴的第1级燃料管分叉延伸出M个第2级燃料管，分别连接至M个第2级子喷嘴的入口，所述M个第2级子喷嘴围绕第一子喷嘴呈圆周排布；

包括N级子喷嘴结构和N级燃料管结构的喷嘴，由包括N-1级子喷嘴结构和N-1级燃料管结构的喷嘴的每一个第N-1级燃料管分叉延伸出2个第N级燃料管，分别向该第N-1级燃料管对应的第N-1级子喷嘴垂直远离和靠近轴的两侧延伸，其中N≥2，M、N为正整数。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，对于包括一级子喷嘴结构和一级燃料管结构的喷嘴，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级子喷嘴为筒状结构，包括由喷嘴入口至喷嘴出口方向包括顺序连接的第1级子喷嘴的第一筒壁平直段、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1级子喷嘴的第一筒壁平直段、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；

对于包括N级子喷嘴结构和N级燃料管结构的喷嘴，包括N-1级子喷嘴结构和N-1级燃料管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级子喷嘴的筒壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增筒壁平直段，每一第N-1级子喷嘴垂直远离和靠近轴的两侧分别设置一第N级子喷嘴，所述每一第N级子喷嘴具有与由喷嘴入口至喷嘴出口方向包括顺序连接的第N级子喷嘴的第一筒壁平直段、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N级子喷嘴的筒壁收缩段及筒壁扩张段分别与第N-1，N-2，……，1级子喷嘴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级子喷嘴的第三筒壁平直段、第二筒壁平直段及第一筒壁平直段分别与第N-1，N-2，……，1级子喷嘴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。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中第i+1级燃料管比第i级燃料管细，第i+1级子喷嘴比第i级子喷嘴流道截面缩小。

4.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述第i级子喷嘴与第i+1子喷嘴不位于相同周向位置。

5.根据权利要求2所述的喷嘴，其中，所述第二外壁平直段与第1级子喷嘴的第二筒壁平直段之间环设有主旋流叶片。

6.根据权利要求5所述的喷嘴，其中，所述第i级子喷嘴内设置有次旋流叶片，所述主旋流叶片与次旋流叶片偏转方向相反。

7.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述第i级子喷嘴内设置有整流球体。

8.根据权利要求7所述的喷嘴，其中，所述整流球体为椭球体。

9.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，N＝3，M＝8。

10.一种燃烧器，包括至少一个权利要求1-9任一所述的喷嘴。