一种内外流道当量比可调的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器

摘要

本发明提供了一种内外流道当量比可调的喷嘴，波浪旋流器同轴设置于外壁圆筒内，中间圆筒沿波浪旋流器轴向、由波浪旋流器的出口端嵌入波浪旋流器，波浪旋流器被分割成内圈旋流结构和外圈旋流结构，外圈旋流结构、中间圆筒与外壁圆筒围成外流道，内圈旋流结构与中间圆筒围成内流道，中间圆筒嵌入波浪旋流器的部分为嵌入段，嵌入段为非圆筒结构以调节内流道和外流道的当量比。本发明通过嵌入段可以调节内流道和外流道的当量比，降低火焰传播速度，避免喷嘴出口中间区域发生回火，拓宽喷嘴的回火裕度。

权利要求

1.一种内外流道当量比可调的喷嘴，其特征在于，包括：中间圆筒、外壁圆筒和波浪旋流器；其中，所述波浪旋流器同轴设置于所述外壁圆筒内；

所述中间圆筒沿所述波浪旋流器轴向、由所述波浪旋流器的出口端嵌入所述波浪旋流器，中间圆筒的直径处于波浪旋流器的内接圆直径和波浪旋流器的外切圆直径之间，所述波浪旋流器被分割成内圈旋流结构和外圈旋流结构；形成三个掺混区，包括：内掺混区、外掺混区、出口掺混区；

所述外圈旋流结构、中间圆筒与外壁圆筒围成外流道，所述内圈旋流结构与中间圆筒围成内流道；

所述中间圆筒嵌入波浪旋流器的部分为嵌入段，所述嵌入段为非圆筒结构以调节内流道和外流道的当量比。

2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述波浪旋流器由沿径向起伏的多个波峰和多个波谷沿周向相间排列而成；

所述嵌入段为齿状结构，所述齿状结构包括沿周向排列的多个条形片，相邻条形片之间形成凹槽。

3.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述凹槽与所述波谷位置对应，所述条形片与所述波峰位置对应；或者，所述凹槽与所述波峰位置对应，所述条形片与所述波谷位置对应。

4.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述条形片开有通孔。

5.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述波浪旋流器由沿径向起伏的多个波峰和多个波谷沿周向相间排列而成；

所述嵌入段为波浪结构，所述波浪结构由沿径向起伏的多个波峰和多个波谷沿周向相间排列而成。

6.如权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述嵌入段的波谷与波浪旋流器的波峰位置对应，所述嵌入段的波峰与波浪旋流器的波谷位置对应；或者，所述嵌入段的波谷与波浪旋流器的波谷位置对应，所述嵌入段的波峰与波浪旋流器的波峰位置对应。

7.如权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述波浪结构的波峰和波谷开有通孔。

8.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，部分或全部所述内圈旋流结构沿轴向被修剪掉，所述波浪旋流器的上游段形成一空腔。

9.一种喷嘴阵列，其特征在于，包括多个权利要求1至8中任一项权利要求所述的喷嘴，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。

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。

说明书

一种内外流道当量比可调的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器

技术领域

[0001] 本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种内外流道当量比可调的的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器，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

[0002] 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。

[0003] 当量比是喷嘴和燃烧器的重要参数，其对燃烧性能有重要影响，不同的当量比与燃烧稳定性、污染物排放有直接关系，针对不同的工况需要对当量比进行调节，以便改善燃烧性能。因而，本领域亟需开发一种内外流道当量比可调的燃烧器。

发明内容

[0004] (一)要解决的技术问题

[0005] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种内外流道当量比可调的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。

[0006] (二)技术方案

[0007] 本发明提供了一种内外流道当量比可调的喷嘴，包括：中间圆筒、外壁圆筒和波浪旋流器；其中，所述波浪旋流器同轴设置于所述外壁圆筒内；所述中间圆筒沿所述波浪旋流器轴向、由所述波浪旋流器的出口端嵌入所述波浪旋流器，所述波浪旋流器被分割成内圈旋流结构和外圈旋流结构；所述外圈旋流结构、中间圆筒与外壁圆筒围成外流道，所述内圈旋流结构与中间圆筒围成内流道；所述中间圆筒嵌入波浪旋流器的部分为嵌入段，所述嵌入段为非圆筒结构以调节内流道和外流道的当量比。

[0008] 优选地，所述波浪旋流器由沿径向起伏的多个波峰和多个波谷沿周向相间排列而成；所述嵌入段为齿状结构，所述齿状结构包括沿周向排列的多个条形片，相邻条形片之间形成凹槽。

[0009] 优选地，所述凹槽与所述波谷位置对应，所述条形片与所述波峰位置对应；或者，所述凹槽与所述波峰位置对应，所述条形片与所述波谷位置对应。

[0010] 优选地，所述条形片开有通孔。

[0011] 优选地，所述波浪旋流器由沿径向起伏的多个波峰和多个波谷沿周向相间排列而成；所述嵌入段为波浪结构，所述波浪结构由沿径向起伏的多个波峰和多个波谷沿周向相间排列而成。

[0012] 优选地，所述嵌入段的波谷与波浪旋流器的波峰位置对应，所述嵌入段的波峰与波浪旋流器的波谷位置对应；或者，所述嵌入段的波谷与波浪旋流器的波谷位置对应，所述嵌入段的波峰与波浪旋流器的波峰位置对应。

[0013] 优选地，所述波浪结构的波峰和波谷开有通孔。

[0014] 优选地，部分或全部所述内圈旋流结构沿轴向被修剪掉，所述波浪旋流器的上游段形成一空腔。

[0015] 本发明还提供了一种喷嘴阵列，包括多个上述任一种喷嘴，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。

[0016] 本发明还提供了一种燃烧器，其包括上述任一种喷嘴，或者上述喷嘴阵列。

[0017] (三)有益效果

[0018] 从上述技术方案可以看出，本发明的内外流道当量比可调的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：

[0019] 中间圆筒嵌入波浪旋流器的嵌入段为波浪结构或齿状结构，嵌入段还可以开设通孔，可以调节内流道和外流道的当量比，降低火焰传播速度，避免喷嘴出口中间区域发生回火，拓宽喷嘴的回火裕度。

附图说明

[0020] 图1为本发明第一实施例的内外流道当量比可调的喷嘴的半剖图；

[0021] 图2为图1所示喷嘴的俯视图；

[0022] 图3为图1所示喷嘴略去外壁圆筒的三维图；

[0023] 图4为图1所述喷嘴的中间圆筒示意图；

[0024] 图5为图4所示中间圆筒与波浪旋流器一种组合结构示意图；

[0025] 图6为图4所示中间圆筒与波浪旋流器另一种组合结构示意图；

[0026] 图7为图1所示喷嘴的尺寸示意图；

[0027] 图8为图1所示喷嘴的轴向尺寸示意图；

[0028] 图9为本发明第二实施例的喷嘴的中间圆筒示意图；

[0029] 图10为图9沿轴向位置的剖分图；

[0030] 图11为图9所示中间圆筒与波浪旋流器一种组合结构示意图；

[0031] 图12为图9所示中间圆筒与波浪旋流器另一种组合结构示意图；

[0032] 图13为本发明第三实施例的中间圆筒示意图；

[0033] 图14为本发明第四实施例的中间圆筒示意图。

[0034] 【符号说明】

[0035] 1-中间圆筒入口；2-外壁圆筒入口；3-外壁圆筒；4-支撑圆筒；5-波浪旋流器；51-波峰；52-波谷；6-中间圆筒；7-内掺混区；8-网孔板；9-外掺混区；10-中间圆筒出口区；11-出口掺混区；12-喷嘴出口；13-内圈旋流结构；14-外圈旋流结构；15-波浪结构；151-波峰；152-波谷；16-条形片；17-凹槽；18-通孔；

[0036] A-外壁圆筒直径；B-中间圆筒直径；C-波浪旋流器的内接圆直径；D-中间圆筒嵌入波浪旋流器的深度；E-网孔板厚度；F-内掺混区高度；G-中间圆筒出口区高度；H-出口掺混区高度。

具体实施方式

[0037] 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。

[0038] 请参考图1至图3，本发明第一实施例提供了一种内外流道当量比可调的喷嘴，包括：中间圆筒6、外壁圆筒3、网孔板8和波浪旋流结构。波浪旋流结构位于外壁圆筒3内，与外壁圆筒3同轴设置；波浪旋流结构包括波浪旋流器5和支撑圆筒4，波浪旋流器5由沿径向起伏的多个波峰51和多个波谷52沿周向相间排列而成，沿周向排列的波谷52围成内接圆，在波浪旋流器5的中心形成内接圆空间，沿周向排列的波峰51形成外切圆。波浪旋流器5由下游至上游方向过渡连接至支撑圆筒4。中间圆筒6沿波浪旋流器5轴向、由波浪旋流器5的出口端嵌入波浪旋流器5，中间圆筒6的直径处于内接圆直径和外切圆直径之间，其将波浪旋流器5分割成内圈旋流结构13和外圈旋流结构14两部分，外圈旋流结构14、中间圆筒6和外壁圆筒3围成外流道，内圈旋流结构13与中间圆筒6围成内流道。网孔板8设置于中间圆筒6内，网孔板8与波浪旋流器5的出口端之间形成内掺混区7，内掺混区7与内流道连通，外壁圆筒3沿下游方向突出于中间圆筒6，外壁圆筒3、波浪旋流器5的出口端与中间圆筒6围成外掺混区9，外掺混区9与外流道连通，外壁圆筒3突出于中间圆筒6的部分形成出口掺混区11。

[0039] 本实施例的喷嘴，燃料和空气在进入喷嘴前并不掺混，中间圆筒入口1可以是燃料入口也可以是空气入口，同样，外壁圆筒入口2也可以是燃料入口或空气入口。为了实现燃烧必须将燃料和空气掺混到一起，本实施例中有三个掺混区，分别是内掺混区7、外掺混区9、出口掺混区11。以向中间圆筒入口1通入燃料，外壁圆筒入口2通入空气为例，燃料由中间圆筒入口1进入喷嘴，经支撑圆筒4进入波浪旋流器5，部分燃料流入内流道，部分燃料流入外流道，空气由外壁圆筒入口2进入喷嘴，部分空气流入内流道，部分空气流入外流道，流入内流道的燃料和空气进入内掺混区7掺混成为带旋可燃混合物；流入外流道的燃料和空气进入外掺混区9掺混成为带旋可燃混合物，网孔板8起到过滤作用，内掺混区7的带旋可燃混合物经网孔板8后，其旋转运动被过滤，成为无旋可燃混合物，无旋可燃混合物经中间圆筒出口区10流出后，与流出外掺混区9的带旋可燃混合物在出口掺混区11进行掺混，并由喷嘴出口12喷出燃烧。在本发明中，由于外掺混区9的可燃混合物带有旋转运动，在离心力作用下使可燃混合器在喷嘴出口12形成扩张形火焰，提高了燃烧的稳定性，中间圆筒出口区10流出的可燃物为无旋的轴向运动，可以防止在喷嘴出口形成强回流区，减小了流动损失、降低了污染物排放，因此本发明的喷嘴同时具有良好的燃烧稳定性和低污染物排放。当向中间圆筒入口1通入空气，外壁圆筒入口2通入燃料时，喷嘴的工作过程与上述过程类似，在此不再赘述。

[0040] 图4示出了图1至图3的喷嘴的中间圆筒6的具体结构。中间圆筒6嵌入波浪旋流器5的部分为嵌入段，该实施例中，参见图4，该嵌入段为齿状结构，该齿状结构包括沿周向排列的多个条形片16，相邻条形片16之间形成凹槽17。齿状结构的嵌入段可以调整内、外流道的当量比，同时还可以减轻喷嘴重量、减小流动摩擦损失。

[0041] 请参见图5，为了视图清晰只显示了两个周期的波浪旋流器，齿状结构的凹槽17与波浪旋流器的波谷52位置对应，即凹槽17位于波浪旋流器的波谷52内；齿状结构的条形片16与波浪旋流器的波峰51位置对应，即条形片16位于波浪旋流器的波峰51内。当中间圆筒入口1为燃料入口，外壁圆筒入口2为空气入口时，与直筒型的嵌入段相比，凹槽17使得进入内流道的空气流量增大，内流道混合物的当量比减小，外流道混合物的当量比增大。

[0042] 请参见图6，为了视图清晰只显示了两个周期的波浪旋流器，齿状结构的凹槽17与波浪旋流器的波峰51位置对应，即凹槽17位于波浪旋流器的波峰51内；齿状结构的条形片16与波浪旋流器的波谷52位置对应，即条形片16位于波浪旋流器的波谷52内。当中间圆筒入口1为空气入口，外壁圆筒入口2为燃料入口时，与直筒型的嵌入段相比，凹槽17使得进入外流道的燃料流量增大，外流道混合物的当量比增大，内流道的当量比减小。

[0043] 由于喷嘴发生回火时，多是从喷嘴出口的中间区域触发，如果中间区域混合物的当量比小，则火焰传播速度低，可以避免喷嘴出口中间区域发生回火，这样可以拓宽喷嘴及其燃烧器的回火裕度，上述齿状结构的嵌入段可以减小内流道的当量比，从而降低火焰传播速度，避免喷嘴出口中间区域发生回火，从而拓宽了喷嘴的回火裕度。

[0044] 图中条形片16为长条形，相应地凹槽17也为长条形，条形片16和凹槽17也可以为正弦波形、方形、三角形、多边形，优选为方形。

[0045] 旋流波浪器入口端截面轮廓可以为圆环形或多边环形，优选为圆形；旋流波浪器的出口端截面轮廓可以为正弦波形、方波形、三角波形、带有圆形倒角的方波形；旋流波浪器的引导线为直线或曲线。内流道和外流道为斜流通道，燃料和空气分别在波浪旋流器的两侧，在斜流通道作用下会产生沿圆周方面的旋转运动，燃料和空气在波浪旋流器出口进行掺混。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，斜流通道与轴向的夹角范围为0°至90°，优选为30°至60°。

[0046] 在本实施例中，请参考图7，外壁圆筒直径为A、中间圆筒直径为B、波浪旋流器5的内接圆直径为C，且A＞B＞C，优选B＝(A+C)/2。中间圆筒6截面轮廓可以为圆形、三角形、多边形，优选为圆形。

[0047] 请参考图8，中间圆筒6嵌入波浪旋流器5的深度为D为1mm～1000mm，优选D＝A/2；网孔板厚度E为1mm～1000mm，优选E＝5mm；内掺混区高度F为1mm～1000mm，优选F＝A/2；中间圆筒出口区高度G为1mm～1000mm，优选G＝A/2；出口掺混区高度H为1mm～1000mm，优选H介于1.5A～3A之间。

[0048] 网孔板上开孔面积与网孔板面积的比例为0-100％，也就是说网孔板8可以不开孔，燃料和空气仅通过外流道掺混，此时网孔板上开孔面积与网孔板面积的比例为0；网孔板8可以全部开孔，相当于不设置网孔板，这样中间圆筒出口区10的可燃混合物也是带旋的可燃混合区，网孔板上开孔面积与网孔板面积的比例为100％。优选网孔板上开孔面积与网孔板面积的比例为40％-80％。网孔板上孔的直径为0.1-10mm，孔的大小可以相同也可以不同；孔的形状可以为圆形、椭圆形、三角形、多边形或者是这些形状的组合。

[0049] 本发明第二实施例的喷嘴，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。

[0050] 该实施例中，参见图9和图10，该嵌入段为波浪结构15，波浪结构15由沿径向起伏的多个波峰151和多个波谷152沿周向相间排列而成。波浪结构的嵌入段也可以调整内、外流道的当量比。

[0051] 请参见图11，嵌入段的波谷152与波浪旋流器的波峰51位置对应，即嵌入段的波谷152嵌入波浪旋流器的波峰51内，嵌入段的波峰151与波浪旋流器的波谷52位置对应，即嵌入段的波峰151嵌入波浪旋流器的波谷52内。当中间圆筒入口1为燃料入口，外壁圆筒入口2为空气入口时，与直筒型的嵌入段相比，图11中波浪结构嵌入段使进入内流道的燃料流量减少、空气流量增大，从而使内流道的当量比减小，进入外流道的燃料流量增大、空气流量减少，从而使外流道的当量比增大，从而降低火焰传播速度，避免喷嘴出口中间区域发生回火，拓宽喷嘴的回火裕度。

[0052] 参见图12，其与图11的结构相反，嵌入段的波谷152与波浪旋流器的波谷52位置对应，即嵌入段的波谷152嵌入波浪旋流器的波谷52内，嵌入段的波峰151与波浪旋流器的波峰51位置对应，即嵌入段的波峰151嵌入波浪旋流器的波峰51内。当中间圆筒入口1为空气入口，外壁圆筒入口2为燃料入口时，与直筒型的嵌入段相比，图12中波浪结构嵌入段使进入内流道的燃料流量减少、空气流量增大，从而使内流道当量比减小；进入外流道的燃料流量增大、空气流量减小，从而使外流道的当量比增大，从而降低火焰传播速度，避免喷嘴出口中间区域发生回火，拓宽喷嘴的回火裕度。

[0053] 嵌入段波浪结构截面轮廓可以为正弦波形、方波形、三角波形、多边波形或者是它们的组合，优选为正弦波形。

[0054] 本发明第三实施例的喷嘴，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。

[0055] 该实施例中，参见图13，齿状结构的条形片16开有通孔18，通孔18的形状可以为圆形、椭圆形、三角形、多边形，优选为圆形，直径为0.1mm～100mm。请参见图13，为了视图清晰只显示了一个周期的波浪旋流器，在位于波浪旋流器波谷里的条形片开有一排圆孔。通过调节通孔的面积，调节内、外流道可燃混合物的当量比，以拓宽喷嘴的回火裕度。

[0056] 在本实施例中，也可以在波浪结构的嵌入段的波峰151和波谷152开设通孔，与上述情况类似，通过调节通孔的面积，也可以调节内、外流道可燃混合物的当量比，以拓宽喷嘴的回火裕度。

[0057] 本发明第四实施例的喷嘴，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。

[0058] 该实施例中，位于中间圆筒6内的内圈旋流结构13的部分结构沿轴向被修剪掉，波浪旋流器5的上游段形成一空腔，该空腔的底部与网孔板之间形成内掺混区，这样可以减轻喷嘴重量、减小流动摩擦损失。修剪掉的部分结构的高度介于0～100％D之间。修剪之后，网孔板的位置也相应调整，使内掺混区高度F为1mm～1000mm，优选F＝A/2。

[0059] 请参见图14，在本实施例中，可以将内圈旋流结构13全部修剪掉，旋流波浪结构仅包括外圈旋流结构14，波浪旋流器的上游段分形成一空腔，该空腔的底部与网孔板之间形成内掺混区，这样可以进一步减轻喷嘴重量、减小流动摩擦损失。修剪之后，网孔板的位置也相应调整，使内掺混区高度F为1mm～1000mm，优选F＝A/2。

[0060] 本发明第五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喷嘴。

[0061] 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。

[0062] 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。

[0063] 本发明第六实施例提供了一种燃烧器，其包括上述第一至四实施例中任一实施例所述的喷嘴，或第五实施例所述的多喷孔喷嘴阵列。

[0064] 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。

[0065] 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：

[0066] (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；

[0067] (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。

[0068] 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。