一种兼具旋流、喷射与掺混作用的旋流器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种兼具旋流、喷射与掺混作用的旋流器，该旋流器内外两侧形成斜流通道，可使火焰燃烧速率与混合气的流场速率均衡，提高燃烧的稳定性，出口段波浪形结构的出口端具有齿形结构，有利于燃料和空气的充分掺混，并减小摩擦损失，提高了燃烧的稳定性、完全性和效率，相比于不具有齿形结构的结构，还减轻了旋流器的重量。
【专利说明】
一种兼具旋流、喷射与掺混作用的旋流器
技术领域
[0001]本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其是一种兼具旋流、喷射与掺混作用的旋流器。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]喷射装置，例如喷嘴，是燃气轮器的重要部件，其性能在很大程度上决定着燃烧效率、安全性和稳定性，旋流器作为喷射装置中的核心部件其结构对燃烧产生很大影响，尤其是对气体的流向、掺混效果有很大影响，但现有的旋流器在这些方面的效果不佳，因而，本领域亟需一种能够提升燃烧效果、兼具多种功能的旋流器。
【发明内容】
[0004](一)要解决的技术问题
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种兼具旋流、喷射与掺混作用的旋流器。
[0006](二)技术方案
[0007]本发明提供了一种兼具旋流、喷射与掺混作用的旋流器，包括:进口段和出口段；所述进口段沿轴向逐渐过渡至出口段，所述出口段由多个波浪形结构沿周向排列而成，所述波浪形结构的内外两侧形成斜流通道2，所述波浪形结构的出口端3具有齿形结构。
[0008]优选地，所述波浪形结构沿轴向不同位置处的波浪形截面曲线具有相同形状，所述不同位置处的波浪形截面曲线的扭转角度沿下游方向逐渐增大，沿轴向所有位置处的波浪形截面曲线形成波浪形结构的曲面8，所述波浪形结构的曲面内外两侧形成斜流通道2。
[0009]优选地，所述齿形结构为单齿结构、双齿结构或多齿结构。
[0010]优选地，所述齿形结构的轮廓为正弦波形、三角形、四边形或带倒角的四边形。
[0011]优选地，所述进口段的进口I具有圆形截面曲线，所述圆形截面曲线的每一段圆弧沿轴向逐渐过渡至所述出口段的一个波浪形结构。
[0012]优选地，所述不同位置处的波浪形截面曲线的扭转角度沿下游方向按照线性分布规律逐渐增大。
[0013]优选地，所述不同位置处的波浪形截面曲线的扭转角度为H*/HX E，其中，H为旋流器的轴向高度，E为波浪形结构出口端的波浪形截面曲线的扭转角度，H*为不同位置处的波浪形截面曲线的轴向高度。
[0014]优选地，所述波浪形结构的波浪形截面曲线与内切圆和外切圆相切，其包括第一曲线和第二曲线，所述第一曲线由所述内切圆的边缘径线oa和对称径线oc、内切圆的圆弧ac和外切圆的圆弧j I围成，所述内切圆的圆弧ac和外切圆的圆弧j I被等分径线ob等分，所述第一曲线包括第一圆弧ah、第一直线hi和第二圆弧ij，所述第一圆弧ah与内切圆和等分径线ob相切，第一直线与等分径线ob重合，所述第二圆弧ij与外切圆和等分径线ob相切，第二曲线与第一曲线关于对称径线oa对称。
[0015]优选地，所述第一圆弧ah的半径rl=Rl/(l/sinB+l)，其中，Rl为内切圆半径，B为边缘径线oa与等分径线ob的夹角;所述第二圆弧i j的半径r2 = R2/(1/sinC-l)，其中，R2为外切圆半径，C为等分径线ob与对称径线oc的夹角。
[0016]本发明还提供了一种喷射装置，包括:上述旋流器、内层圆筒9和外层圆筒10，所述旋流器设置于内层圆筒9和外层圆筒10之间。
[0017](三)有益效果
[0018]从上述技术方案可以看出，本发明的兼具旋流、喷射与掺混作用的旋流器具有以下有益效果:
[0019](I)其内外两侧形成斜流通道，气流在斜流通道中沿轴向运动的同时还沿圆周方向运动，当旋流器用于燃料和空气的混合气时，在斜流通道的作用下，混合气旋流器出口会产生低速区，火焰燃烧速率与混合气的流场速率均衡，可以防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高燃烧的稳定性，低速区还使得未燃烧完全的混合气回流，回流的混合气继续参与燃烧，提高了燃烧的完全性和效率；
[0020](2)出口段波浪形结构的出口端具有齿形结构，当旋流器内外两侧分别通入燃料和空气时，燃料和空气可以在齿形结构的作用下充分掺混，并减小摩擦损失，提高了燃烧的稳定性、完全性和效率，相比于不具有齿形结构的结构，还减轻了旋流器的重量；
[0021](3)由径向对称的第一曲线和第二曲线组成的波浪形截面曲线，可以使斜流通道内的气流流场速率更加均匀，有利于进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率；
[0022](4)通过调节波浪形结构波浪形截面曲线的扭转角度，可以改变反应流体沿圆周方向旋转运动的轨迹，反应流体流场速率随之变化，以便更好地实现火焰燃烧速率与反应流体流场速率的匹配。
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例旋流器的三维示意图；
[0024]图2为图1所示旋流器的波浪形结构出口端的内切圆和外切圆示意图；
[0025]图3为图1所示的旋流器的波浪形结构出口端与内切圆和外切圆的位置关系图；
[0026]图4为图1所示旋流器的波浪形结构出口端参数示意图；
[0027]图5为图1所示旋流器的波浪形截面曲线与进口段进口圆弧示意图；
[0028]图6为图5所示波浪形结构出口端的波浪形截面曲线的最大扭转角度示意图；
[0029]图7为图5所示旋流器的波浪形截面曲线与进口段进口圆弧的侧视图；
[0030]图8为图5所示旋流器的波浪形截面曲线与进口段进口圆弧的俯视图；
[0031]图9为图5所示的旋流器的波浪形截面曲线的曲面示意图；
[0032]图10为本发明实施例的波浪形结构出口端为齿形结构的旋流器三维示意图；
[0033]图11为单齿结构的旋流器示意图；
[0034]图12为双齿结构的旋流器示意图；
[0035]图13为本发明实施例的喷射装置的结构示意图。
[0036]【符号说明】
[0037]1-进口；2-斜流通道;3-出口端;4、5、6_波浪形截面曲线；7-圆弧;8-曲面;9-内层圆筒;10-外层圆筒；
[0038]A-波浪形截面曲线轮廓的角度;B-边缘径线oa和等分径线ob的夹角；C-等分径线ob和对称径线oc的夹角;E-波浪形结构出口端的波浪形截面曲线的扭转角度;H-旋流器的轴向高度;Hl-波浪形截面曲线4和5之间的轴向距离、波浪形截面曲线5和6之间的轴向距离;H2-波浪形截面曲线6与圆弧7之间的轴向距离;Rl-波浪形结构出口端内切圆的半径；R2-波浪形结构出口端外切圆的半径;r 1-第一圆弧的半径;r2-第二圆弧的半径;a、b、c、d、e_角度A对应的内切圆圆弧等分点;O-内切圆和外切圆的圆心;ah-第一圆弧;h1-第一直线；i j-第二圆弧;f-边缘径线oa上的点;g_对称径线oc上的点；内切圆的圆弧ac ；外切圆的圆弧
jlo
【具体实施方式】
[0039]本发明提出了一种兼具旋流、喷射与掺混作用的旋流器，该旋流器上的斜流通道可以实现燃烧反应物的旋流与喷射，齿形结构的出口端可以促进燃烧反应物的掺混、减小燃烧反应物的摩擦损失，该旋流器兼具旋流、喷射和促进掺混三种作用，具有结构简单紧凑、重量轻的优点，能够减少燃烧器的部件数目、减小燃烧器尺寸、减轻燃烧器重量。
[0040]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。
[0041]参见图1，本发明实施例提供了一种旋流器，其包括进口段和出口段，出口段由N个波浪形结构沿周向排列而成，波浪形结构沿轴向不同位置处具有相同形状的波浪形截面曲线，波浪形截面曲线的扭转角度沿下游方向逐渐增大，沿轴向所有位置处的波浪形截面曲线形成波浪形结构的曲面8，波浪形结构曲面内外两侧形成斜流通道2，其中，波浪形结构的数量N不予限制，只要能实现兼具旋流、喷射与掺混作用即可，数量N的取值例如但不限于2^N^lOOo
[0042]进口段的进口 I具有圆形截面曲线，其整体沿轴向逐渐过渡至出口段，即进口段进口的每一段圆弧沿轴向逐渐过渡至出口段的一个波浪形结构，进口段进口的每一段圆弧均对应出口段的一个波浪形结构。
[0043]如图10、11和12所示，出口段的波浪形结构的出口端3具有齿形结构，齿形结构可以采用单齿结构(图10、图11)、双齿结构(图12)或多齿结构，齿形结构的齿数量可以为1-1000个，齿形结构的轮廓可以是正弦波形、三角形、四边形、带倒角的四边形，优选为四边形。
[0044]本发明实施例的旋流器，其内外两侧形成斜流通道，气体由进口段至出口段的方向流动，气体流经进口段后进入出口段的斜流通道，气流在斜流通道中沿轴向运动的同时还沿圆周方向运动，并由出口段喷出旋流器，从而产生旋流效果。当旋流器用于燃料和空气的混合气时，在斜流通道的作用下，混合气旋流器出口会产生低速区，点火燃烧后，火焰燃烧速率与混合气的流场速率均衡，可以防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高燃烧的稳定性，低速区还使得未燃烧完全的混合气回流，回流的混合气继续参与燃烧，提高了燃烧的完全性和效率。同时，出口段波浪形结构的出口端具有齿形结构，当旋流器内外两侧分别通入燃料和空气时，除具有上述旋流喷射效果外，燃料和空气可以在齿形结构的作用下充分掺混，并减小摩擦损失，提高了燃烧的稳定性、完全性和效率，相比于不具有齿形结构的结构，还减轻了旋流器的重量，可以用于各种燃烧器的喷射装置中。
[0045]在本实施例中，旋流器为整体呈圆筒状的结构，内外两侧是指圆筒状结构的内部一侧和外部一层，其轴向为圆筒状结构对称轴延伸的方向，其周向为以对称轴为中心的圆周方向，截面是指与垂直于轴向的平面，下游方向是指从进口段的进口 I至出口段的出口的方向。
[0046]进一步地，本发明实施例的旋流器，其波浪形结构的波浪形截面曲线由径向对称的第一曲线和第二曲线组成。图2示出了波浪形结构出口端的内切圆和外切圆，其半径分别为Rl和R2，A表示一个波浪形截面曲线轮廓的角度，a、b、c、d、e分别为角度A对应的内切圆的圆弧等分点。图3和图4示出了波浪形结构出口端的波浪形截面曲线与内切圆和外切圆的位置关系，内切圆与波浪形截面曲线开口端相切，外切圆与波浪形截面曲线闭口端相切，对称径线oc为波浪形截面曲线的对称轴，第一曲线和第二曲线关于对称径线oc对称，以波浪形截面曲线的第一曲线为例进行说明，第一曲线由内切圆的边缘径线oa和对称径线oc、内切圆的圆弧ac和外切圆的圆弧j I围成，内切圆的圆弧ac和外切圆的圆弧j I被等分径线ob等分，第一曲线由第一圆弧ah、第一直线hi和第二圆弧ij组成，边缘径线oa和等分径线ob的夹角B与等分径线ob和对称径线oc的夹角C相等。
[0047]第一圆弧ah分别与内切圆和等分径线ob相切于点a和点h，f为边缘径线oa上的点且fh垂直于等分径线ob，线段af和fh的长度等于第一圆弧ah的半径rl，即满足sinB = rl/(Rl-rl), BPrl =Rl/(1/sinB+l)；
[0048]第二圆弧ij分别与外切圆和等分径线ob相切于点j和点i，g为对称径线oc上的点且gi垂直于等分径线ob，线段gi和gj的长度等于第二圆弧ij的半径r2，即满足sinC = r2/(R2+r2)，即r2 = R2/(l/sinC-l)。与波浪形截面曲线的第一曲线对称的第二曲线形状可参照上述形状，在此不再赘述。径向为旋流器圆筒状结构的半径方向，即内切圆和外切圆的半径方向。
[0049]具有上述波浪形结构的旋流器，可以使斜流通道内的气流流场速率更加均匀，有利于进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。
[0050]优选地，进口段和出口段的轴向高度可以相同，即旋流器从二分之一轴向高度处开始，其截面形状为波浪形截面曲线。
[0051]在本实施例中，波浪形结构波浪形截面曲线的扭转角度是指，波浪形结构波浪形截面曲线与该波浪形结构对应的进口段进口的圆弧之间的夹角，如图5所示，同一波浪形结构不同位置处的波浪形截面曲线4、5、6与该波浪形结构对应的进口段进口的圆弧7之间具有不同夹角，其中，波浪形截面曲线的扭转角度沿下游方向按照一分布规律逐渐增大，优选地，该分布规律为线性分布，如图6所示，波浪形结构出口端的波浪形截面曲线的扭转角度为E，E为波浪形结构的波浪形截面曲线的最大扭转角度。波浪形结构的轴向高度为H*位置处的波浪形截面曲线的扭转角度为D = H*/HXE，H为旋流器的轴向高度，即进口至出口之间的距离。
[0052]如图7和图8所示，其中波浪形截面曲线4和5之间的轴向距离、波浪形截面曲线5和6之间的轴向距离相同，均为Hl且H1=H/4，H为旋流器的轴向高度，波浪形截面曲线6与圆弧7之间的轴向距离为H2，且H2 = H/2，由上述扭转角度的线性分布规律可知，波浪形截面曲线6的扭转角度为E/2，波浪形截面曲线5的扭转角度为3E/4，波浪形截面曲线4的扭转角度为E，如图9所示，波浪形截面曲线4、5、6以及所有相同形状的波浪形截面曲线形成波浪形结构的曲面8。
[0053]本发明实施例的旋流器，通过调节波浪形结构波浪形截面曲线的扭转角度，可以改变反应流体沿圆周方向旋转运动的轨迹，反应流体流场速率随之变化，以便更好地实现火焰燃烧速率与反应流体流场速率的匹配。
[0054]在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于燃烧器的喷射装置，例如喷嘴，其包括上述旋流器、内层圆筒9和外层圆筒10，如图13所示，旋流器设置于内层圆筒9和外层圆筒10之间，气体进入喷嘴后，在斜流通道中沿轴向运动的同时还沿圆周方向运动，由出口喷出后产生旋流效果，当旋流器用于燃料和空气的混合气时，在斜流通道的作用下，喷嘴出口会产生低速区，点火燃烧后，火焰燃烧速率与混合气的流场速率均衡，可以防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高燃烧的稳定性，低速区还使得未燃烧完全的混合气回流，回流的混合气继续参与燃烧，提高了燃烧的完全性和效率。同时，波浪形结构的出口端具有齿形结构，当旋流器内外两侧分别通入燃料和空气时，燃料和空气可以在齿形结构的作用下充分掺混，并减小摩擦损失，提高了燃烧的稳定性、完全性和效率，相比于不具有齿形结构的结构，还减轻了喷嘴的重量。
[0055]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，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如:
[0056](I)波浪形结构还可以采用其他构造，只要能够完成相同的功能即可；
[0057](2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；
[0058](3)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；
[0059](4)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。
[0060]综上所述，本发明提供的旋流器，其内外两侧形成斜流通道，气体由进口段至出口段的方向流动，气体流经进口段后进入出口段的斜流通道，气流在斜流通道中沿轴向运动的同时还沿圆周方向运动，并由出口段喷出旋流器，从而产生旋流效果。当旋流器用于燃料和空气的混合气时，在斜流通道的作用下，混合气旋流器出口会产生低速区，点火燃烧后，火焰燃烧速率与混合气的流场速率均衡，可以防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高燃烧的稳定性，低速区还使得未燃烧完全的混合气回流，回流的混合气继续参与燃烧，提高了燃烧的完全性和效率。同时，出口段波浪形结构的出口端具有齿形结构，当旋流器内外两侧分别通入燃料和空气时，除具有上述旋流喷射效果外，燃料和空气可以在齿形结构的作用下充分掺混，并减小摩擦损失，提高了燃烧的稳定性、完全性和效率，相比于不具有齿形结构的结构，还减轻了旋流器的重量。由径向对称的第一曲线和第二曲线组成的波浪形截面曲线，可以使斜流通道内的气流流场速率更加均匀，有利于进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。通过调节波浪形结构波浪形截面曲线的扭转角度，可以改变反应流体沿圆周方向旋转运动的轨迹，反应流体流场速率随之变化，以便更好地实现火焰燃烧速率与反应流体流场速率的匹配。
[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。
【主权项】
1.一种兼具旋流、喷射与掺混作用的旋流器，其特征在于，包括:进口段和出口段； 所述进口段沿轴向逐渐过渡至出口段，所述出口段由多个波浪形结构沿周向排列而成，所述波浪形结构的内外两侧形成斜流通道(2)，所述波浪形结构的出口端(3)具有齿形结构。2.如权利要求1所述的旋流器，其特征在于，所述波浪形结构沿轴向不同位置处的波浪形截面曲线具有相同形状，所述不同位置处的波浪形截面曲线的扭转角度沿下游方向逐渐增大，沿轴向所有位置处的波浪形截面曲线形成波浪形结构的曲面(8)，所述波浪形结构的曲面内外两侧形成斜流通道(2)。3.如权利要求1所述的旋流器，其特征在于，所述齿形结构为单齿结构、双齿结构或多齿结构。4.如权利要求1所述的旋流器，其特征在于，所述齿形结构的轮廓为正弦波形、三角形、四边形或带倒角的四边形。5.如权利要求2所述的旋流器，其特征在于，所述进口段的进口(I)具有圆形截面曲线，所述圆形截面曲线的每一段圆弧沿轴向逐渐过渡至所述出口段的一个波浪形结构。6.如权利要求2所述的旋流器，其特征在于，所述不同位置处的波浪形截面曲线的扭转角度沿下游方向按照线性分布规律逐渐增大。7.如权利要求6所述的旋流器，其特征在于，所述不同位置处的波浪形截面曲线的扭转角度为H*/H X E，其中，H为旋流器的轴向高度，E为波浪形结构出口端的波浪形截面曲线的扭转角度，H*为不同位置处的波浪形截面曲线的轴向高度。8.如权利要求7所述的旋流器，其特征在于，所述波浪形结构的波浪形截面曲线与内切圆和外切圆相切，其包括第一曲线和第二曲线，所述第一曲线由所述内切圆的边缘径线(oa)和对称径线(oc)、内切圆的圆弧(ac)和外切圆的圆弧(j I)围成，所述内切圆的圆弧(ac)和外切圆的圆弧(jl)被等分径线(ob)等分，所述第一曲线包括第一圆弧(ah)、第一直线(hi)和第二圆弧(ij)，所述第一圆弧(ah)与内切圆和等分径线(ob)相切，第一直线与等分径线(ob)重合，所述第二圆弧(ij)与外切圆和等分径线(ob)相切，第二曲线与第一曲线关于对称径线(oa)对称。9.如权利要求8所述的旋流器，其特征在于，所述第一圆弧(ah)的半径rl=Rl/(l/sinB+ 1)，其中，Rl为内切圆半径，B为边缘径线(oa)与等分径线(ob)的夹角;所述第二圆弧(ij)的半径r2 = R2/(l/sinC-l)，其中，R2为外切圆半径，C为等分径线(ob)与对称径线(oc)的夹角。10.—种喷射装置，其特征在于，包括:权利要求1至9中任一项权利要求所述的旋流器、内层圆筒(9)和外层圆筒(10)，所述旋流器设置于内层圆筒(9)和外层圆筒(10)之间。
【文档编号】F23R3/12GK106016358SQ201610371831
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】李钢
【申请人】中国科学院工程热物理研究所