CN106705122A - 一种兼具内外掺混区的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种兼具内外掺混区的喷嘴，波浪旋流器同轴设置于外壁圆筒内，中间圆筒嵌入波浪旋流器，波浪旋流器被分割成内圈旋流结构和外圈旋流结构；内圈、外圈旋流结构与、中间圆筒、外壁圆筒围成内、外流道，并形成内掺混区和外掺混区，内外流道的可燃混合物在出口掺混区掺混。本发明的燃料和空气在进入喷嘴前并不掺混，外掺混区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形成扩张形火焰，提高了燃烧的稳定性，中间圆筒出口区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，同时具有良好的燃烧稳定性和低污染物排放。

Description

一种兼具内外掺混区的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器

技术领域

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种兼具内外掺混区的喷嘴、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

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，本发明提供了一种兼具内外掺混区的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。

(二)技术方案

本发明提供了一种兼具内外掺混区的喷嘴，包括：中间圆筒、外壁圆筒、网孔板和波浪旋流器；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；所述网孔板设置于中间圆筒内，所述网孔板与波浪旋流器的出口端之间形成内掺混区，所述内掺混区与内流道连通；所述外壁圆筒、波浪旋流器的出口端与中间圆筒围成外掺混区，所述外掺混区与外流道连通，所述外壁圆筒突出于中间圆筒的部分形成出口掺混区；流入内流道的燃料和空气进入内掺混区掺混成为第一带旋可燃混合物，流入外流道的燃料和空气进入外掺混区掺混成为第二带旋可燃混合物，第一带旋可燃混合物经网孔板后成为无旋可燃混合物，无旋可燃混合物与第二带旋可燃混合物在出口掺混区掺混。

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，沿周向排列的波谷围成内接圆，沿周向排列的波峰形成外切圆，所述中间圆筒的直径处于内接圆直径和外切圆直径之间。

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侧部分形成一空腔，所述空腔的底部与网孔板之间形成内掺混区。

优选地，所述波浪旋流器的出口端修剪出凹槽。

优选地，喷嘴中轴设置值班火焰流道，可燃混合物从值班火焰燃料入口进入值班火焰流道。

优选地，所述外壁圆筒包括外壁内筒和套在外壁内筒外的外壁套筒，所述外壁套筒可沿轴向移动，通过调整所述外壁套筒的轴向位置实现扩散燃烧模式与预混燃烧模式之间的转换。

优选地，喷嘴中轴设置高压电极外套，高压电极位于高压电极外套内，高压电极放电尖端与喷嘴出口之间形成放电。

优选地，所述网孔板的开孔面积与网孔板面积的比例为40％-80％。

本发明还提供了一种喷嘴阵列，包括多个上述喷嘴，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。

本发明还提供了一种燃烧器，其包括上述喷嘴，或者上述喷嘴阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的兼具内外掺混区的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：

(1)本发明的喷嘴，燃料和空气在进入喷嘴前并不掺混，外掺混区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形成扩张形火焰，提高了燃烧的稳定性，中间圆筒出口区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，同时具有良好的燃烧稳定性和低污染物排放；

(2)内圈旋流结构的部分或全部结构可以被修剪掉，有助于减轻喷嘴重量、减小流动摩擦损失；

(3)波浪旋流器的出口端可以修剪出凹槽，有助于进一步减轻喷嘴重量、减小流动摩擦损失；

(4)在喷嘴中轴设置有值班火焰流道，可以堵住波浪旋流器中间的通道，使空气和燃料掺混更加均匀，提高了喷嘴的燃烧性能；

(5)外壁圆筒包括外壁内筒和套在外壁内筒外的外壁套筒，外壁套筒可沿轴向移动，喷嘴可以在两种燃烧模式之间转换，功能多样，可以充分利用不同模式的优点，而尽量避免不同模式的缺点，可以适用于各种工况和燃料，提高了燃烧性能；

(6)在喷嘴中轴位置设置高压电极外套，高压电极位于高压电极外套内，高压电极放电尖端与喷嘴出口之间形成放电，可以用于喷嘴点火，并且有利于稳定燃烧，并且高压电极外套可以堵住波浪旋流结构中间的通道，使空气和燃料掺混更加均匀，进一步提高了喷嘴的燃烧性能。

附图说明

图1为本发明实施例的兼具内外掺混区的喷嘴的半剖图；

图2为图1所示喷嘴的俯视图；

图3为图1所示喷嘴略去外壁圆筒的三维图；

图4为图3沿轴向某位置的剖分图；

图5为图1所示喷嘴的尺寸示意图；

图6为图1所示喷嘴的轴向尺寸示意图；

图7为图1所示喷嘴修剪掉部分内圈旋流结构示意图；

图8为图1所示喷嘴修剪掉全部内圈旋流结构示意图；

图9为图8只显示修剪掉全部内圈旋流结构的波浪旋流器三维示意图；

图10为在波浪旋流器上修剪凹槽的示意图；

图11为带有值班火焰流道的示意图；

图12为带有外壁套筒的扩散燃烧模式示意图；

图13为带有外壁套筒的预混燃烧模式示意图；

图14为带有等离子体激励器的喷嘴。

【符号说明】

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；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-凹槽；16-值班火焰燃料入口；17-值班火焰流道；18-外壁套筒；19-等离子体电源接地端；20-等离子体电源；21-等离子体电源高压端；22-高压电极；23-高压电极外套；24-高压电极放电尖端；25-外壁内筒。

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

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。

请参考图1至图4，本发明实施例提供了一种兼具内外掺混区的喷嘴，包括：中间圆筒6、外壁圆筒3、网孔板8和波浪旋流结构5。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和多个波谷沿周向相间排列而成，沿周向排列的波谷围成内接圆，在波浪旋流器5的中心形成内接圆空间，沿周向排列的波峰形成外切圆；波浪旋流器5的下游侧部分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。

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。

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°。

在本实施例中，请参考图5，外壁圆筒直径为A(即波浪旋流器5的外切圆直径)、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。

请参考图6，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。

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。

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。

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(参见图7)，波浪旋流器5的上游侧部分形成一空腔，该空腔的底部与网孔板8之间形成内掺混区，这样有助于减轻喷嘴重量、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。

请参见图8和图9，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5的上游侧部分形成一空腔，该空腔的底部与网孔板之间形成内掺混区，这样有助于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。

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。

请参见图10，在该实施例中，波浪旋流器5的出口端修剪出凹槽15，这样有助于进一步减轻喷嘴重量、减小流动摩擦损失。

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。

请参见图11，在该实施例中，在喷嘴中轴设置值班火焰流道17，值班火焰流道17经支撑圆筒4、内接圆空间、中间圆筒6及其中的网孔板8而贯穿整个喷嘴，可燃混合物从值班火焰燃料入口16进入值班火焰流道17。值班火焰通道直径为1mm～1000mm，优选为波浪旋流结构的内接圆直径C，这样值班火焰通道可以堵住波浪旋流器5中间的通道，使空气和燃料掺混更加均匀，提高了喷嘴的燃烧性能。值班火焰优选为扩散燃烧。

本发明第五实施例的喷嘴，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。

请参见图12和图13，在该实施例中，外壁圆筒3包括外壁内筒25和套在外壁内筒25外的外壁套筒18，外壁内筒25、波浪旋流结构和中间圆筒6的出口端沿轴向平齐，外壁套筒18可沿轴向移动，通过调整外壁套筒18的轴向位置可以实现扩散燃烧模式与预混燃烧模式之间的转换。图12所示外壁套筒18、外壁内筒25、波浪旋流结构、中间圆筒6的出口端均处于同一平面上，此时喷嘴为扩散燃烧模式；图13所示外壁套筒出口端在中间圆筒6出口端的下游位置，此时为预混燃烧模式或者是扩散燃烧向预混燃烧过渡的中间模式。通过设置外壁套筒18，本发明的喷嘴可以在两种燃烧模式之间转换，功能多样，可以充分利用不同模式的优点，而尽量避免不同模式的缺点，可以适用于各种工况和燃料，提高了燃烧性能。

本发明第六实施例的喷嘴，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。

请参见图14，在该实施例中，在喷嘴中轴位置设置高压电极外套23，高压电极外套23经支撑圆筒4、内接圆空间、中间圆筒6及其中的网孔板8而贯穿整个喷嘴，高压电极22位于高压电极外套23内，高压电极外套23为绝缘材料，高压电极22为导电材料；等离子体电源20包括等离子体电源高压端21和等离子体电源接地端19。高压电极22与等离子体电源高压端21相连；外壁圆筒3为接地端，与等离子体电源接地端19相连；高压电极放电尖端24与喷嘴出口12之间形成放电，可以用于喷嘴点火，并且有利于稳定燃烧。高压电极外套直径为1mm～1000mm，优选为波浪旋流器5的内接圆直径C，这样高压电极外套23可以堵住波浪旋流结构中间的通道，使空气和燃料掺混更加均匀，进一步提高了喷嘴的燃烧性能。

本发明第七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。

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。

本发明第八实施例提供了一种燃烧器，其包括上述第一至六实施例中任一实施例所述的喷嘴，或第七实施例所述的多喷孔喷嘴阵列。

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)波浪旋流结构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。

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)

1.一种兼具内外掺混区的喷嘴，其特征在于，包括：中间圆筒、外壁圆筒、网孔板和波浪旋流器；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；

所述网孔板设置于中间圆筒内，所述网孔板与波浪旋流器的出口端之间形成内掺混区，所述内掺混区与内流道连通；所述外壁圆筒、波浪旋流器的出口端与中间圆筒围成外掺混区，所述外掺混区与外流道连通，所述外壁圆筒突出于中间圆筒的部分形成出口掺混区；

流入内流道的燃料和空气进入内掺混区掺混成为第一带旋可燃混合物，流入外流道的燃料和空气进入外掺混区掺混成为第二带旋可燃混合物，第一带旋可燃混合物经网孔板后成为无旋可燃混合物，无旋可燃混合物与第二带旋可燃混合物在出口掺混区掺混。

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，沿周向排列的波谷围成内接圆，沿周向排列的波峰形成外切圆，所述中间圆筒的直径处于内接圆直径和外切圆直径之间。

3.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侧部分形成一空腔，所述空腔的底部与网孔板之间形成内掺混区。

4.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述波浪旋流器的出口端修剪出凹槽。

5.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，喷嘴中轴设置值班火焰流道，可燃混合物从值班火焰燃料入口进入值班火焰流道。

6.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述外壁圆筒包括外壁内筒和套在外壁内筒外的外壁套筒，所述外壁套筒可沿轴向移动，通过调整所述外壁套筒的轴向位置实现扩散燃烧模式与预混燃烧模式之间的转换。

7.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，喷嘴中轴设置高压电极外套，高压电极位于高压电极外套内，高压电极放电尖端与喷嘴出口之间形成放电。

8.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述网孔板的开孔面积与网孔板面积的比例为40％-80％。

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。