一种旋流器叶片、喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器

摘要

一种旋流器叶片，所述旋流器的叶片尾缘包括至少一级分形结构，第i级分形结构包括至少一个第i级分形面或至少一个第i级截断分形面，第i+1级分形面为在至少一个第i级分形面上沿垂直于叶片厚度方向裁切至少一个多边形获得，其中所述第i+1级分形面与所述裁切下的至少一个多边形在叶片厚度方向上的侧面相对应，所述至少一个第i级分形面被述的j个多边形分割为j+1个第i级截断分形面，页片尾缘沿厚度方向上的侧面作为第0级分形面，其中至少一个分形面或截断分形面上设置有至少一个燃料孔，i≥0，j＞0，i，j为整数。

权利要求

1.一种旋流器叶片，其特征在于，所述旋流器叶片尾缘包括至少一级分形结构，第i级分形结构包括至少一个第i级分形面或至少一个第i级截断分形面，第i+1级分形面为在至少一个第i级分形面上沿垂直于叶片厚度方向裁切至少一个多边形获得，其中所述第i+1级分形面与所述裁切下的至少一个多边形在叶片厚度方向上的侧面相对应，所述至少一个第i级分形面被述的j个多边形分割为j+1个第i级截断分形面，页片尾缘沿厚度方向上的侧面作为第0级分形面，其中至少一个分形面或截断分形面上设置有至少一个燃料孔，i≥0，j>

0，i，j为整数，所述燃料孔用于形成值班火焰。

2.根据权利要求1所述的旋流器叶片，其特征在于，所述多边形为三角形或矩形；和/或所述叶片尾缘包括三级分形结构。

3.根据权利要求1所述的旋流器叶片，其特征在于，所述燃料孔为圆孔，所述第i+1级分形面或截断分形面上的燃料孔的直径小于所述第i级分形面或截断分形面上的燃料孔的直径。

4.根据权利要求1所述的旋流器叶片，其特征在于，形成第i+1级分形面裁切的多边形小于形成第i级分形面裁切的多边形。

5.根据权利要求1所述的旋流器叶片，其特征在于，所述旋流器叶片为中空结构，燃料进入旋流器叶片后，由所述燃料孔喷出。

6.一种喷嘴，其特征在于，包括：

外壁；

中间圆筒，设置在外壁内；以及

至少一个权利要求1-5中任一所述的旋流器叶片，设置在所述外壁与中间圆筒之间，沿所述中间圆筒周向排布。

7.根据权利要求6所述的喷嘴，其特征在于，所述至少一所述旋流器叶片的尾缘凸出于外壁顶部。

8.根据权利要求6所述的喷嘴，其特征在于，中间圆筒内包括网孔板。

9.一种喷嘴阵列，包括至少一个权利要求6-8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6-8任一所述的喷嘴或权利要求9所述的喷嘴阵列。

说明书

一种旋流器叶片、喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器

技术领域

[0001] 本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种旋流器叶片、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

[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。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打印技术的新型旋流器叶片尾缘设计。

[0003] 因而，亟需开发一种基于3D打印加工技术的掺混效果好、燃烧稳定、污染物排放低的新型喷嘴及其燃烧器。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种旋流器叶片、喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器。

[0005] 本发明一方面提供一种旋流器叶片，所述旋流器的叶片尾缘包括至少一级分形结构，第i级分形结构包括至少一个第i级分形面或至少一个第i级截断分形面，第i+1级分形面为在至少一个第i级分形面上沿垂直于叶片厚度方向裁切至少一个多边形获得，其中所述第i+1级分形面与所述裁切下的至少一个多边形在叶片厚度方向上的侧面相对应，所述至少一个第i级分形面被述的j个多边形分割为j+1个第i级截断分形面，页片尾缘沿厚度方向上的侧面作为第0级分形面，其中至少一个分形面或截断分形面上设置有至少一个燃料孔，i≥0，j>0，i，j为整数。

[0006] 优选地，所述多边形为三角形或矩形。

[0007] 优选地，所述叶片尾缘包括三级分形结构。

[0008] 优选地，所述燃料孔为圆孔，所述第i+1级分形面或截断分形面上的燃料孔的直径小于所述第i级分形面或截断分形面上的燃料孔的直径。

[0009] 优选地，形成第i+1级分形面裁切的多边形小于形成第i级分形面裁切的多边形。

[0010] 优选地，所述旋流器叶片为中空结构，燃料进入旋流器叶片后，由所述燃料孔喷出。

[0011] 本发明另一方面提供一种喷嘴，包括：外壁；中间圆筒，设置在外壁内；以及至少一个权利要求1-5中任一所述的旋流器叶片，设置在所述外壁与中间圆筒之间，沿所述中间圆筒周向排布。

[0012] 优选地，所述至少一所述旋流器叶片的尾缘凸出于外壁顶部。

[0013] 优选地，中间圆筒内包括网孔板。

[0014] 本发明又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。

[0015] 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。

[0016] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

[0017] 采用旋流器叶片尾缘多级分形结构的喷嘴及其燃烧器可以防止火焰吹熄、增强湍流度、强化掺混，具有回火裕度宽、燃烧稳定性好、污染物排放低等优点；

[0018] 中间圆筒内包括网孔板用来调节湍流度和流量。

附图说明

[0019] 图1为本发明实施例喷嘴的半剖结构示意图；

[0020] 图2为图1喷嘴旋流器叶片尾缘分形结构的放大示意图；

[0021] 图3为尾缘具有三角形一级分形结构的旋流器叶片的喷嘴结构示意图；

[0022] 图4为尾缘具有三角形二级分形结构的旋流器叶片的喷嘴结构示意图；

[0023] 图5为旋流器叶片凸出喷嘴出口的结构示意图；

[0024] 图6为尾缘具有矩形一级分形结构的旋流器叶片的喷嘴结构示意图；

[0025] 图7为尾缘具有矩形二级分形结构的旋流器叶片的喷嘴结构示意图；

[0026] 图8为具有二级矩形分形结构和三级矩形分形结构的燃料孔截面形状示意图。

[0027] 【符号说明】

[0028] 1-喷嘴入口；2-外壁圆筒腔体入口；3-外壁圆筒腔体；4-外壁圆筒；5-旋流器叶片腔体；6-中间圆筒；7-旋流器叶片；8-旋流器叶片尾缘；9-旋流器叶片燃料孔；10-喷嘴出口；11-第1级分形边上的燃料孔；12-第2级分形边上的燃料孔；13-第3级分形边上的燃料孔；
14-第1级分形边；15-第2级分形边；16-具有二级矩形分形结构的燃料孔；17-具有三级矩形分形结构的燃料孔。

具体实施方式

[0029] 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。

[0030] 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。本发明方法基于分形理论并根据喷嘴结构特点，对旋流器叶片进行分形设计。

[0031] 本发明一实施例提供一喷嘴。图1为本发明实施例喷嘴的半剖示意图，请参考图1，喷嘴包括外壁圆筒4、旋流器叶片7以及中间圆筒6。喷嘴外壁带有中空的外壁圆筒腔体3，旋流器叶片也带有中空的旋流器叶片腔体5，这两个腔体相互连通，燃料由外壁圆筒腔体入口2进入，由旋流器叶片7的叶片尾缘的燃料孔9喷出，在叶片尾缘附近扩散燃料，形成值班火焰。空气和燃料的混合物由喷嘴入口1进入喷嘴，在喷嘴出口10形成预混燃烧模式的主火焰。扩散燃烧稳定性好，可以防止主火焰熄火，值班火焰燃料的流量可以通过燃料孔大小来调节。

[0032] 另外，还可以在中间圆筒6内部设置网孔板用来调节湍流度和流量。

[0033] 喷嘴外壁圆筒腔体入口2的燃料种类可以与主燃区燃料相同，也可以不同，优选燃料为易燃气体，如氢气、甲烷、焦炉煤气。

[0034] 喷嘴外壁圆筒腔体入口2可以为燃料也可以为燃料与空气的混合物，优选为燃料。

[0035] 以下着重介绍旋流器叶片尾缘的分形结构。

[0036] 需要注意的是，叶片尾缘的各级分形结构均是沿叶片厚度方向采用裁切多边形形成，第i级分形结构包括至少一个第i级分形面或至少一个第i级截断分形面，为了方便理解及表述方便，以下对各级分型面或截断分型面的描述可以采用与其对应的页面尾缘平坦表面切割多边形形成的分形边或截断分形边来表示。以下以裁切多边形为三角形来进行说明。

[0037] 请参考图2至图4。图2为图1旋流器叶片尾缘局部放大示意图，图2中，旋流器叶片尾缘采用三级三角形分形结构；图3为尾缘具有一级三角形分形结构的旋流器叶片的喷嘴结构示意图，其为叶片尾缘上裁切三角形形成，如图3所示，在每一叶片尾缘上裁切两三角形，形成第1级分形结构，包括多条第1级分形边14，每一第1级分形边对应一裁切三角形的一侧边，每个被裁切的三角形对应两个相互连接的第1级分形边14；

[0038] 图4示出了尾缘具有二级三角形分形结构的旋流器叶片的喷嘴结构示意图，在一级三角形分形结构的每个第1级分形边上再切割出一个三角形，形成第2级分形结构，包括多条第2级分形边15，每一第2级分形边对应一裁切三角形的一侧边，每个被裁切的三角形对应两个相互连接的第2级分形边15，并且被裁切的第1级分形边被裁切的三角形分为两段第1级截断分形边。

[0039] 三级以上三角形分形结构亦采用上述方法形成，再次不在赘述。

[0040] 本发明优选采用三级分形结构。

[0041] 当仅裁切一个三角形形成第1级分形边时，该分形结构具有两段边，当在该分形结构的每一第1分形边上均裁切一个三角形形成二级分形结构时，该二级分形结构具有8段边，该8段边包括第2级分形边和第1级截断分形边，当在该二级分形结构的每一第2分形边上均裁切一个三角形形成三级分形结构时，该三级分形结构具有20段边，该8段边包括第3级分形边和第2级截断分形边和第1级截断分形边。依次类推，第M及分形结构具有2×(2M-1+4×2M-1)段边。

[0042] 优选每段边对应的分形面或截断分形面上有一个燃料孔，则，上述M级分形结构具有2×(2M-1+4×2M-1)个燃料孔。

[0043] 裁切三角形时可以在第i级分形边上的任意位置进行裁切，优选在中间位置裁切，且形成第i+1级分形边裁切的三角形边长优选小于形成第i级分形边裁切的三角形的边长。

[0044] 尽管本实施例中在每一第i级分形边上裁切一个三角形来形成第i+1级分形边，本领域技术人员可以理解的是，在其他实施例中并非每个第i级分形边均进行裁切三角形，或者一个第i级分形边上裁切多个三角形。

[0045] 请参考图1，在旋流器叶片尾缘侧面上设有燃料孔9。此外，请参考图2，燃料孔还位于分形结构的每段边上，如图2所示，第1级分形边(包括第1级截断分形边)上的燃料孔11、第2级分形边(包括第2级截断分形边)上的燃料孔12和第3级分形边上的燃料孔13，优选地每段边上都有一个燃料孔且位于该段边的中部，随着分形级数的增加，燃料孔的直径逐渐减小。

[0046] 由此可见，燃料进入旋流器叶片腔体，在叶片尾缘附近经过多级分叉后，由离散分布的多个出口喷出，形成扩散燃烧，由于扩散燃烧稳定性好，旋流器叶片尾缘出口形成的扩散燃烧可作为喷嘴主火焰的值班火焰；同时，旋流器叶片尾缘出口下一级分形结构内的火焰是上一级分形结构火焰的值班火焰，这样就构建了多尺度的值班火焰系统，使旋流器兼具旋流和值班火焰的双重作用，可以有效防止火焰被吹熄，此外，这种设计还可以增大湍流度、强化掺混。

[0047] 优选地，如图5所示旋流器叶片7凸出于喷嘴出口10，这样更有助于旋流器叶片尾缘处值班火焰的稳燃效果。

[0048] 另外在旋流器叶片前缘也采用与前述旋流器叶片尾缘相同的设计。

[0049] 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] 本实施例相较于上一实施例不同在于，本实施例中采用矩形代替三角形作为裁切的多边形形状。叶片尾缘为矩形分形结构，图6为尾缘具有矩形一级分形结构的旋流器叶片的喷嘴结构示意图，图7为尾缘具有矩形二级分形结构的旋流器叶片的喷嘴结构示意图。

[0051] 此外，本发明并不限于一个多个分形结构仅采用裁切一种多边形来形成，可以再同级或不同级的分形结构中采用不同的多边形。例如也可以对第1级矩形分形结构的三条第1级分形边作三角形分形处理，形成三角形与矩形分形的混搭结构。

[0052] 本发明又一实施例提供一种喷嘴，该实施例中的喷嘴与前述实施例的不同之处仅在于至少一个燃料孔亦采用类似的多级分级结构。以裁切矩形形成多级分级结构为例，如图8所示，提供了具有二级矩形分形结构的燃料孔16和具有三级矩形分形结构的燃料孔17。

[0053] 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。

[0054] 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。

[0055] 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。

[0056] 本发明进一步是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。

[0057] 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。

[0058] 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：

[0059] (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；

[0060] (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。

[0061] 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。