一种拓宽回火裕度的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器

摘要

本发明提供了一种拓宽回火裕度的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器，喷嘴的整流装置可以使进入喷嘴的燃料气体和空气的气流更加稳定均匀，可以有效防止燃烧中出现热斑而引发回火；喷嘴的阶梯形扩张段可以阻碍回火向上游传播，拓宽了回火裕度；喷嘴内层圆筒内还设置有直通道波浪结构以及中心锥体，有利于进一步提高燃烧效率，降低污染物排放，改善燃烧状态。

说明书

技术领域

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种拓宽回火裕度的喷嘴，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，本发明提供了一种拓宽回火裕度的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。

(二)技术方案

本发明提供了一种拓宽回火裕度的喷嘴，包括：喷嘴本体和位于喷嘴本体上游方向的整流装置，所述整流装置包括：内层整流罩、中间整流罩和外层整流罩，所述喷嘴本体包括：内层圆筒17、中间圆筒18和外层圆筒19；其中，所述整流装置靠近上游方向的半个部分为扩张型结构，其靠近下游方向的半个部分为收缩型结构，所述整流装置与喷嘴本体连为一体并形成贯通的气流通道，使进入喷嘴的燃料气体和空气稳定均匀，防止回火发生。

优选地，所述内层整流罩嵌套于所述中间整流罩中，所述中间整流罩嵌套于所述外层整流罩中；所述内层整流罩的靠近上游方向的半个部分为内层扩张段13，其靠近下游方向的半个部分为内层收缩段16；所述中间整流罩的靠近上游方向的半个部分为中间扩张段12，其靠近下游方向的半个部分为中间收缩段15；所述外层整流罩的靠近上游方向的半个部分为外层扩张段11，其靠近下游方向的半个部分为外层收缩段14；所述中间扩张段12与所述外层扩张段11之间形成外层扩张型流道，所述中间收缩段15与所述外层收缩段14之间形成外层收缩型流道；所述内层扩张段13与所述中间扩张段12之间形成中间扩张型流道，所述内层收缩段16与所述中间收缩段15之间形成中间收缩型流道。

优选地，所述内层圆筒内部形成内层流道5，所述内层圆筒17与中间圆筒18之间形成中间流道6，所述中间圆筒18与外层圆筒19之间形成外层流道7；所述外层扩张型流道和外层收缩型流道与外层流道7连通，形成外层气流通道；所述中间扩张型流道和中间收缩型流道与中间流道6连通，形成中间气流通道；所述内层扩张段13与内层收缩段16形成的流道与内层流道5连通，形成内层气流通道。

优先地，所述内层扩张段13、中间扩张段12和外层扩张段11均为半球形结构；所述内层收缩段16、中间收缩段15和外层收缩段14沿轴线的剖面轮廓均为三次曲线。

优选地，所述外层圆筒19沿轴线的长度大于内层圆筒17和中间圆筒18，所述外层圆筒19与内层圆筒17、中间圆筒18之间形成掺混区9；所述外层圆筒下游方向的出口端具有阶梯形扩张段10，所述阶梯形扩张段10为沿下游方向渐扩的多级台阶结构。

优选地，所述中间圆筒的下游方向出口端为旋流波浪结构8，所述旋流波浪结构8由沿径向起伏的N个波峰21和N个波谷22沿周向相间排列而成，所述波峰21和波谷22与所述外层圆筒19、内层圆筒17之间形成斜流通道23，所述斜流通道23由旋流波浪结构的底端向顶端延伸，与喷嘴轴线形成夹角。

优选地，所述内层圆筒内设置有直通道波浪结构26，所述直通道波浪结构下游一端为支撑圆筒24，上游一端为波浪结构，直通道波浪结构两侧分别流通空气和燃料气体。

优选地，所述直通道波浪结构26内设置有中心锥体25，所述中心锥体的出口端为圆锥体，所述中心锥体25沿下游方向突出于所述直通道波浪结构26。

本发明还提供了一种喷嘴阵列，包括多个上述喷嘴，其中，喷嘴阵列为圆形阵列，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，喷嘴阵列为矩形阵列，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，其包括多个上述喷嘴，或者上述喷嘴阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的拓宽回火裕度的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：

(1)整流装置可以使进入喷嘴的燃料气体和空气的气流更加稳定均匀，可以有效防止燃烧中出现热斑而引发回火，提高喷嘴工作的稳定性和可靠性，拓宽了回火裕度；

(2)燃料气体和空气由各气流通道喷出后，可以在掺混区中充分掺混，形成可燃混合物，有利于提高燃烧效率；

(3)阶梯形扩张段可以阻碍回火向上游传播，可以进一步提高喷嘴工作的稳定性和可靠性，拓宽了回火裕度；

(4)旋流波浪结构可以使回火无法向旋流波浪结构上游传播，可以进一步提高喷嘴工作的稳定性和可靠性；

(5)旋流波浪结构使得燃料和空气能够更加充分地掺混，提高了燃烧效率，降低了污染物排放，改善了燃烧状态，提高了燃烧的稳定性，拓宽了喷嘴的稳定运行范围；

(6)内层圆筒内还设置有直通道波浪结构，有利于进一步提高燃烧效率，降低污染物排放，改善燃烧状态；

(7)在直通道波浪结构内还可以设置中心锥体，可以抑制流动分离、提高燃料和空气的掺混效果、减小流动损失，提高喷嘴燃烧效率。

附图说明

图1为本发明实施例的拓宽回火裕度的喷嘴的三维图；

图2为图1所示喷嘴的半剖图；

图3为图1所示喷嘴的另一个角度的半剖图；

图4为图1所示喷嘴的俯视图；

图5为图1所示喷嘴的底视图；

图6为本发明实施例的旋流波浪结构的示意图；

图7为本发明实施例的直通道波浪结构半剖示意图；

图8为图7中直通道波浪结构的三维示意图；

图9为本发明实施例的沿轴线的剖面轮廓为曲线的阶梯形扩张段。

【符号说明】

1-外层流道入口；2-中间流道入口；3-内层流道入口；4-支撑柱；5-内层流道；6-中间流道；7-外层流道；8-旋流波浪结构；9-掺混区；10-阶梯形扩张段；11-外层扩张段；12-中间扩张段；13-内层扩张段；14-外层收缩段；15-中间收缩段；16-内层收缩段；17-内层圆筒；18-中间圆筒；19-外层圆筒；20-固定孔；21-波峰；22-波谷；23-斜流通道；24-支撑圆筒；25-中心锥体；26-直通道波浪结构。

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。

参见图1至图5，本发明实施例提供了一种拓宽回火裕度的喷嘴，其包括：喷嘴本体和位于喷嘴本体上游方向的整流装置，其中，

喷嘴本体包括同心设置的内层圆筒17、中间圆筒18和外层圆筒19，三者形成同心圆结构，其对称轴为喷嘴的轴线，内层圆筒17内部形成内层流道5，内层圆筒17与中间圆筒18之间形成中间流道6，中间圆筒18与外层圆筒19之间形成外层流道7。

整流装置包括内层整流罩、中间整流罩和外层整流罩，其中，

内层整流罩嵌套于中间整流罩中，中间整流罩嵌套于外层整流罩中，内层整流罩的靠近上游方向的半个部分为内层扩张段13，其靠近下游方向的半个部分为内层收缩段16，中间整流罩的靠近上游方向的半个部分为中间扩张段12，其靠近下游方向的半个部分为中间收缩段15，外层整流罩的靠近上游方向的半个部分为外层扩张段11，其靠近下游方向的半个部分为外层收缩段14；其中“下游方向”是指气体在喷嘴中的流动方向，即由喷嘴的进口端至出口端的方向，“下游方向”为上游方向的反方向。

内层整流罩的内层收缩段16逐渐过渡至内层圆筒17，内层整流罩与内层圆筒17连为一体，中间整流罩的中间收缩段15逐渐过渡至中间圆筒18，中间整流罩与中间圆筒18连为一体，外层整流罩的外层收缩段14逐渐过渡至外层圆筒19，外层整流罩与外层圆筒19连为一体；

中间扩张段12与外层扩张段11之间形成外层扩张型流道，中间收缩段15与外层收缩段14之间形成外层收缩型流道，外层扩张型流道、外层收缩型流道与中间圆筒18和外层圆筒19之间的外层流道7连通，形成外层气流通道；

内层扩张段13与中间扩张段12之间形成中间扩张型流道，内层收缩段16与中间收缩段15之间形成中间收缩型流道，中间扩张型流道、中间收缩型流道与内层圆筒17和中间圆筒18之间的中间流道6连通，形成中间气流通道；

内层扩张段13与内层收缩段16形成的流道与内层圆筒17的内层流道5连通，形成内层气流通道；

在外层整流罩底部还具有外层流道入口1、中间流道入口2和内层流道入口3，外层流道入口1与外层气流通道连通，中间流道入口2与中间气流通道连通，内层流道入口3与内层气流通道连通。

优选地，内层扩张段13、中间扩张段12和外层扩张段11为半球形结构；内层收缩段16、中间收缩段15和外层收缩段14沿轴线的剖面轮廓为三次曲线；外层流道入口1与外层气流通道的连通位置、中间流道入口2与中间气流通道的连通位置，内层流道入口3与内层气流通道的连通位置均位于喷嘴轴线上，从而提高气流的稳定均匀性。

其中，内层整流罩与中间整流罩之间、中间整流罩与外层整流罩之间分别设置有至少一组支撑柱4，支撑柱4用来支撑固定内层整流罩、中间整流罩和外层整流罩。外层整流罩的四周均匀设置有四个固定孔20，用于将喷嘴固定。

本发明实施例的拓宽回火裕度的喷嘴，优选地，燃料气体由中间流道入口2进入喷嘴，并进入中间气流通道；空气由外层流道入口1和内层流道入口3进入喷嘴，分别进入内层气流通道和外侧气流通道，燃料气体和空气由各气流通道喷出后掺混燃烧，整流装置可以使进入喷嘴的燃料气体和空气的气流更加稳定均匀，可以有效防止燃烧中出现热斑而引发回火，提高喷嘴工作的稳定性和可靠性。

在本发明的进一步实施例中，如图1至图3和图9所示，外层圆筒19沿轴线的长度大于内层圆筒17和中间圆筒18，外层圆筒19与内层圆筒17、中间圆筒18之间形成掺混区9，并且外层圆筒下游方向的出口端还具有一阶梯形扩张段10，该阶梯形扩张段10为沿下游方向渐扩的多级台阶结构，其沿轴线的剖面轮廓为曲线，优选扩张角逐渐增大的曲线，不同轴向位置的各级台阶的高度可以相同也可以不同，台阶高度为0.1mm～100mm；各级台阶的宽度可以相同也可以不同，台阶宽度为0.1mm～100mm，优选沿下游方向，台阶宽度逐渐增大。

燃料气体和空气由各气流通道喷出后，可以在掺混区9中充分掺混，形成可燃混合物，有利于提高燃烧效率；并且，阶梯形扩张段可以阻碍回火向上游传播，可以进一步提高喷嘴工作的稳定性和可靠性。

进一步地，参见图6，中间圆筒18的下游方向出口端为旋流波浪结构8，旋流波浪结构8由沿径向起伏的N个波峰21和N个波谷22沿周向相间排列而成，旋流波浪结构的波峰21和波谷22与外层圆筒19、内层圆筒17之间形成斜流通道23，该斜流通道23由旋流波浪结构的底端向顶端延伸，并与轴线具有一定角度。其中，2≤N≤10000。

优选地，在斜流通道旋转方向为逆时针旋转情况下，斜流通道与轴线的夹角范围为-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°。

燃料气体和空气由各气流通道喷出后，可以在旋流波浪结构下游的掺混区中充分掺混，形成可燃混合物，旋流波浪结构可以使回火无法向旋流波浪结构上游传播，可以进一步提高喷嘴工作的稳定性和可靠性。此外旋流波浪结构上的斜流通道可以使气流在沿轴向流动的同时沿圆周方向旋转运动，使得燃料和空气能够更加充分地掺混，提高了燃烧效率，降低了污染物排放，改善了燃烧状态；并且在该周向旋转运动的作用下，在掺混区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，拓宽了喷嘴的稳定运行范围。

在本发明的其他实施例中，如图7和图8所示，内层圆筒17内还可以设置有直通道波浪结构26，直通道波浪结构下游一端为支撑圆筒24，上游一端为波浪结构，直通道波浪结构两侧可以分别为空气和燃料气体，这样内层圆筒出口也是空气和燃料气体的混合物，有利于进一步提高燃烧效率，降低污染物排放，改善燃烧状态。

另外，如图7所示，在直通道波浪结构26内还可以设置中心锥体25，该中心锥体的出口端为圆锥体，中心锥体25沿下游方向突出于直通道波浪结构26，中心锥体可以抑制流动分离、提高燃料和空气的掺混效果、减小流动损失，提高喷嘴燃烧效率。

优选地，旋流波浪结构和直通道波浪结构的入口端沿径向的截面轮廓可以为圆环形或多边环形；旋流波浪结构和直通道波浪结构的出口端沿径向的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；旋流波浪结构和直通道波浪结构的引导线为直线或曲线。旋流波浪结构和直通道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。

本发明还提供了一种喷嘴阵列，其包括多个上述拓宽回火裕度的喷嘴。

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。

本发明还提供了一种燃烧器，其包括上述拓宽回火裕度的喷嘴，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的拓宽回火裕度的喷嘴、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)整流装置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，本发明的一种拓宽回火裕度的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器，整流装置可以使进入喷嘴的燃料气体和空气的气流更加稳定均匀，可以有效防止燃烧中出现热斑而引发回火，提高喷嘴工作的稳定性和可靠性；燃料气体和空气由各气流通道喷出后，可以在掺混区中充分掺混，形成可燃混合物，有利于提高燃烧效率；阶梯形扩张段可以阻碍回火向上游传播，可以进一步提高喷嘴工作的稳定性和可靠性；旋流波浪结构可以使回火无法向旋流波浪结构上游传播，可以进一步提高喷嘴工作的稳定性和可靠性；旋流波浪结构使得燃料和空气能够更加充分地掺混，提高了燃烧效率，降低了污染物排放，改善了燃烧状态，提高了燃烧的稳定性，拓宽了喷嘴的稳定运行范围；内层圆筒内还设置有直通道波浪结构，有利于进一步提高燃烧效率，降低污染物排放，改善燃烧状态；在直通道波浪结构内还可以设置中心锥体，可以抑制流动分离、提高燃料和空气的掺混效果、减小流动损失，提高喷嘴燃烧效率。

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。