具有分形叶片的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器的制作方法

本发明涉及燃烧装置领域，尤其是一种可以提高燃烧器的效率和稳定性、拓宽回火裕度、减小污染物排放喷嘴，其特别适用于燃气轮机、工业燃烧器、加热器、加热炉等。

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、而且这件燃烧器结构复杂、零部件多。其它工业燃烧器也面临类似的问题。

因而，亟需一种结构简单紧凑、零部件少、燃烧稳定、污染物排放低的燃烧装置。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种具有分形叶片的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。

(二)技术方案

本发明提供了一种具有分形叶片的喷嘴，包括内层圆筒、外层圆筒和分形叶片，其中，所述内层圆筒和外层圆筒同轴设置，所述内层圆筒围成内层流道，所述内层圆筒和外层圆筒之间形成外层流道，所述分形叶片夹设于所述内层圆筒和外层圆筒之间；可燃混合物进入所述内层流道和外层流道，在所述分形叶片的作用下，所述外层流道的可燃混合物同时沿轴向和圆周方向运动，并与所述内层流道的可燃混合物汇合后喷出。

优选地，所述分形叶片包括由上游至下游方向分布的多级分形叶片，每级分形叶片包括多个叶片，所述叶片具有相对于轴向的倾角。

优选地，所述多级分形叶片的数目按照2^n-1倍的规律增多，上一级分形叶片的每个叶片对应下一级分形叶片的两个叶片，下一级分形叶片的所述两个叶片对称布置在上一级分形叶片的所述叶片的两侧。

优选地，还包括：网孔板，其设置于内层流道，可燃混合物经网孔板进入内层流道。

优选地，还包括：在所述分形叶片、网孔板和内层圆筒上涂覆有催化剂涂层。

优选地，所述叶片的上游端修形为燕尾形、锯齿形、圆弧形或多圆弧形。

优选地，所述外层圆筒的上游段为中空腔体；所述分形叶片为中空结构，形成一内部燃料通道，所述分形叶片的尾缘和/或前缘开有第一燃料喷射孔，其连接外层圆筒中空腔体内壁的侧面开口；外层圆筒中空腔体内壁与分形叶片侧面开口对应的位置也具有开口，中空腔体与分形叶片的内部燃料通道连通；燃料或空气进入中空腔体，然后进入分形叶片的内部燃料通道，并由分形叶片的第一燃料喷射孔喷射至外层流道，与进入外层流道的空气或燃料掺混形成可燃混合物。

优选地，所述分形叶片连接内层圆筒的侧面开有第二燃料喷射孔；内层圆筒与第二燃料喷射孔对应的位置开有通孔，通过第二燃料喷射孔与通孔，分形叶片的内部燃料通道与内层流道连通；燃料或空气经中空腔体进入分形叶片的内部燃料通道，一部分燃料或空气由第一燃料喷射孔喷射至外层流道，与进入外层流道的空气或燃料掺混形成可燃混合物，另一部分燃料或空气通过第二燃料喷射孔进入内层流道，与进入内层流道的空气或燃料进行掺混，形成可燃混合物。

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。

本发明还提供了一种燃烧器，其包括上述任一种所述喷嘴，或者上述喷嘴阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的具有分形叶片的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：

(1)沿轴向每一级分形叶片数目按照2^n-1倍的规律逐渐增多，下一级的分形叶片对称布置在上一级分形叶片的两侧，这种结构的分形叶片有利于提高喷嘴的旋流能力、稳定性和燃烧效率，抑制分形叶片上的流动分离、减小阻塞和流动损失；

(2)外层流道的可燃混合物流经分形叶片后产生离心力，在离心力的作用下，可燃混合物在离开喷嘴出口时不再受外层圆筒的束缚，流体运动呈扩张形、喷嘴出口中轴线附近的流体速度降低甚至产生回流，从而提高了火焰燃烧的稳定性。

(3)可燃混合物经网孔板进入内层流道，网孔板可以控制通过内层圆筒的流体流量，还可以增大流体的湍流度；

(4)在分形叶片、网孔板和内层圆筒上涂覆有催化剂涂层，催化剂涂层可以降低反应活化能，使燃烧在较低温度和浓度下进行，能够减少燃烧污染物排放；

(5)燃料经中空腔体进入分形叶片的内部燃料通道，一部分燃料由第一燃料喷射孔喷射至外层流道，与进入外层流道的空气掺混形成可燃混合物，另一部分燃料通过第二燃料喷射孔进入内层流道，进入内层流道的空气进行掺混，形成可燃混合物，进一步提高了喷嘴的旋流效率和掺混的均匀性。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例的具有分形叶片的喷嘴结构示意图；

图2为图1所示喷嘴略去外层圆筒的三维示意图；

图3为叶片倾角为正的示意图；

图4为叶片倾角为负的示意图；

图5为喷嘴的尺寸示意图；

图6为根据本发明第二实施例的具有分形叶片的喷嘴俯视图；

图7为图6所示喷嘴略去外层圆筒的三维示意图；

图8为根据本发明第二实施例的具有分形叶片的喷嘴结构示意图；

图9为图8所述喷嘴的分形叶片示意图。

【符号说明】

10-外层圆筒；11-中空腔体；

20-内层圆筒；

30-分形叶片；31-第一级分形叶片；32-第二级分形叶片；33-第三级分形；34-内部燃料通道；35-第一燃料喷射孔；36-第二燃料喷射孔；

40-网孔板；

A-倾角；B-内层圆筒出口端到喷嘴出口的距离；C-最后一级分形叶片的下游端到内层圆筒出口端的距离。

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。

如图1、图2所示，本发明第一实施例的具有分形叶片的喷嘴，包括内层圆筒20、外层圆筒10、网孔板40以及分形叶片30，其中，内层圆筒20和外层圆筒10同轴设置，内层圆筒20围成内层流道，网孔板40设置于内层流道中且位于内层圆筒20的入口端，内层圆筒20和外层圆筒10之间形成外层流道，分形叶片30位于外层流道内，夹设于内层圆筒20和外层圆筒10之间。

如图2所示，本实施例的分形叶片30包括沿喷嘴轴向分布的三级分形叶片，由上游至下游方向，分别为第一级分形叶片31、第二级分形叶片32和第三级分形叶片33，第一级分形叶片31靠近外层流道的入口端，第三级分形叶片33靠近外层流道的出口端。

第二级分形叶片32位于第一级分形叶片31的下游方向，第一级分形叶片31的每个叶片对应第二级分形叶片32的两个叶片，第二级分形叶片的所述两个叶片对称布置在第一级分形叶片的该叶片的两侧，第一级分形叶片31的数量为3个，第二级分形叶片数量为6个。

第三级分形叶片33位于第二级分形叶片32的下游方向，第二级分形叶片的每个叶片对应第三级分形叶片的两个叶片，第三级分形叶片的所述两个叶片对称布置在第二级分形叶片的该叶片的两侧，第三级分形叶片的数量为12个。沿轴向每一级分形叶片的数目按照2^n-1倍的规律逐渐增多，即若第一级分形叶片数目为X，则第二级分形叶片数目为2X，第三级分形叶片数目为4X，第n级分形叶片数目为2^n-1X。

每一级分形叶片沿周向排列于内层圆筒20和外层圆筒10之间的外层流道，且分形叶片30相对于轴向具有一定倾角。

具有上述结构的喷嘴，按照分形规律，一方面，沿轴向每一级分形叶片数目按照2^n-1倍的规律逐渐增多；另一方面，下一级的分形叶片对称布置在上一级分形叶片的两侧，这种结构的分形叶片有利于提高喷嘴的旋流能力、稳定性和燃烧效率，抑制分形叶片上的流动分离、减小阻塞和流动损失。

在本实施例中，燃料与空气进入喷嘴前已经掺混均匀形成可燃混合物，可燃混合物由喷嘴入口进入，一部分经网孔板进入内层流道，另一部分进入外层流道。分形叶片的作用是使经过的流体在沿轴向运动的同时，产生沿圆周方向的运动。外层流道中的可燃混合物流经分形叶片后与内层流道流出的可燃混合物汇合，并由喷嘴出口喷出。由于外层流道的可燃混合物流经分形叶片后产生离心力，在离心力的作用下，可燃混合物在离开喷嘴出口时不再受外层圆筒的束缚，流体运动呈扩张形、喷嘴出口中轴线附近的流体速度降低甚至产生回流，从而提高了火焰燃烧的稳定性。

本实施例中，分形叶片30是实心叶片；分形叶片30可以为图2所示的直叶片，直叶片便于加工、制作成本低；也可以为弯曲叶片，弯曲叶片可以同时保证所需要的进气角和出气角；每一级分形叶片长度可以相同，也可以不同，优选从上游至下游方向，分形叶片长度逐渐增大；分形叶片的厚度可以均一，这样便于加工，也可以做成厚度不同的流线型，这样可以减小流动损失；每一级分形叶片高度可以相同，也可以不同，优选高度相同，高度是指分形叶片沿喷嘴径向延伸的长度。还可以对分形叶片的上游端进行修形，上游端可以为燕尾形，可以进一步增强旋流效果，进一步地，该上游端还可以是锯齿形、圆弧形、多圆弧形。

虽然本实施例中包括三级分形叶片，但本发明不限于此，分形叶片的级数可以是1～100级，每级分形叶片数目为1～100片。

部分可燃混合物经网孔板进入内层流道，网孔板可以控制通过内层圆筒20的流体流量，还可以增大流体的湍流度。

网孔板的开孔面积与网孔板面积的比例为0-100％，也就是说网孔板40可以不开孔，此时网孔板上开孔面积与网孔板面积的比例为0；网孔板40可以全部开孔，相当于不设置网孔板，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％。网孔板的孔的直径为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。

请参见图3和图4，对分形叶片的倾角加以说明，分形叶片的倾角A为-90°～90°，图3中分形叶片的倾角A为0～90°，图4中分形叶片的倾角A为0～-90°。

请参见图5，内层圆筒出口端到喷嘴出口的距离B为0-1000mm；最后一级分形叶片的下游端到内层圆筒出口端的距离C为0-1000mm。优选地，内层圆筒出口端到喷嘴出口的距离B为外层圆筒直径的1-5倍，最后一级分形叶片的下游端到内层圆筒出口端的距离C为外层圆筒直径的0.1-1倍。

本实施例中，在分形叶片30、网孔板40和内层圆筒20上涂覆有催化剂涂层。催化剂涂层可以降低反应活化能，使燃烧在较低温度和浓度下进行，能够减少燃烧污染物排放。

本发明第二实施例的具有分形叶片的喷嘴，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。

本实施例的喷嘴，参见图6、图7，外层圆筒的上游段为一中空腔体11，分形叶片30为中空结构，形成一内部燃料通道34，分形叶片30的尾缘(即下游端面)开有第一燃料喷射孔35，其连接外层圆筒中空腔体内壁的侧面开口，外层圆筒中空腔体内壁与分形叶片侧面开口对应的位置也具有开口，中空腔体11与分形叶片的内部燃料通道34连通。

本实施例的喷嘴，燃料进入中空腔体，然后进入分形叶片的内部燃料通道，并由分形叶片的第一燃料喷射孔喷射至外层流道，与进入外层流道的空气掺混形成可燃混合物。交错布置的分形叶片有利于由分形叶片尾缘喷射出的燃料与空气的均匀掺混，提高了喷组的旋流效率和掺混的均匀性。

其中，分形叶片30的前缘(即上游端面)也可以开有第一燃料喷射孔，或者尾缘和前缘同时开有第一燃料喷射孔，这样有利于进一步提高掺混的均匀性。

另外，燃料和空气的输入可以互换，即也可以是空气进入中空腔体，燃料进入外层流道。

进一步地，参见图8、图9，分形叶片30连接内层圆筒的侧面也开有第二燃料喷射孔36，内层圆筒20与分形叶片侧面燃料喷射孔对应的位置也开有通孔，通过第二燃料喷射孔36与通孔，使分形叶片的内部燃料通道34与内层流道连通，网孔板40设置于最后一级分形叶片尾缘的下游。

燃料经中空腔体进入分形叶片的内部燃料通道，一部分燃料由第一燃料喷射孔喷射至外层流道，与进入外层流道的空气掺混形成可燃混合物，另一部分燃料通过第二燃料喷射孔进入内层流道，进入内层流道的空气进行掺混，形成可燃混合物，进一步提高了喷嘴的旋流效率和掺混的均匀性。

本发明第三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具有分形叶片的喷嘴。

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。

本发明第四实施例提供了一种燃烧器，其包括上述任一实施例所述的具有分形叶片的喷嘴，或所述喷嘴阵列。

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具有分形叶片的喷嘴、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)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。