具有分形结构燃料管的双燃料喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器的制作方法

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种具有分形结构燃料管的双燃料喷嘴、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：

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。

燃烧稳定性和污染物排放是喷嘴和燃烧器的重要参数，本领域亟需开发一种燃烧稳定性好、污染物排放低的喷嘴。

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结构燃料管的双燃料喷嘴、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结构燃料管的双燃料喷嘴，包括：喷嘴外壁和分形结构燃料管；所述分形结构燃料管为多级分形结构，包括主管和多级分形支管，每级分形支管包括多个支管，上一级分形支管的每个支管分出下一级分形支管；主管入口为燃料入口，末级分形支管出口为燃料出口，主管入口与喷嘴外壁入口之间形成空气入口。

优选地，末级分形支管为弯管，形成逆时针旋转结构。

优选地，还包括中间圆筒，中心末级分形支管为直管，所述中间圆筒包裹中心末级分形支管，在中间圆筒内部、中心末级分形支管的下游设置网孔板。

优选地，末级分形支管出口设置有弯头。

优选地，末级分形支管出口设置多孔喷嘴。

优选地，包括M级分形支管，上一级分形支管的每个支管分出N个支管，作为下一级分形支管，第M级分形支管共有N^M个支管，其中，2≤M，2≤N。

优选地，所述M取2，所述N取4，一级分形支管包括主管分出的四个支管，二级分形支管包括一级分形支管分出的十六个支管。

优选地，所述主管同轴设置于喷嘴外壁内，燃料为气体或液体。

本发明还提供了一种喷嘴阵列，包括上述任一双燃料喷嘴。

本发明还提供了一种燃烧器，包括上述任一双燃料喷嘴，或者喷嘴阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的具有分形结构燃料管的双燃料喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：

(1)燃料通过主管入口进入喷嘴，由各级分形支管分为多个支路，由末级分形支管出口流出，空气由空气入口进入喷嘴，与末级分形支管出口流出的燃料混合燃烧，采用分形结构燃料管的喷嘴流动损失小、流动阻塞小、掺混效果好、燃烧稳定性好、污染物排放低。

(2)采用弯曲型的末级分形支管，燃料带有旋转运动，在离心力作用下在喷嘴出口形成扩张形火焰，从而进一步提高了燃烧稳定性。

(3)通过设置中间圆筒和网格板，喷嘴同时具有良好的燃烧稳定性和低污染物排放。

(4)末级分形支管出口设置有弯头，可以控制燃料的旋流强度，从而进一步提高了燃烧稳定性。

(5)末级分形支管出口设置多孔喷嘴，可以增强燃料与空气的掺混效果。

附图说明

图1为本发明第一实施例的双燃料喷嘴结构示意图；

图2为基本分形单元的结构示意图；

图3为本发明第一实施例的双燃料喷嘴又一结构示意图；

图4为本发明第二实施例的双燃料喷嘴结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为本发明第三实施例的双燃料喷嘴的半剖图；

图7为图6的俯视图；

图8为图6的另一俯视图；

图9为双燃料喷嘴的关键尺寸示意图；

图10为本发明第四实施例的双燃料喷嘴结构示意图；

图11为本发明第五实施例的双燃料喷嘴结构示意图。

【符号说明】

1-主管入口；2-空气入口；3-主管；4-喷嘴外壁；5-一级分形支管；6-二级分形支管；7-二级分形支管出口；8-喷嘴出口；9-中间圆筒；10-网孔板；11-掺混区；12-主支管；13-从支管；14-弯头；15-多孔喷嘴。

A-中间圆筒出口与喷嘴出口之间的距离；B-网孔板出口与中间圆筒出口之间的距离；C-分形结构燃料管出口与网孔板入口之间的距离。

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。

请参考图1、图2，本发明第一实施例提供了一种具有分形结构燃料管的双燃料喷嘴，包括：喷嘴外壁4和分形结构燃料管。

分形结构燃料管为三级分形结构，包括主管3、由主管3分出的一级分形支管5、由一级分形支管5分出的二级分形支管6。

其中，主管3同轴设置于喷嘴外壁4内，主管入口1作为分形结构燃料管的入口，主管入口1与喷嘴外壁入口之间形成空气入口2。

一级分形支管5包括主管的下游端分出的四个支管，二级分形支管6包括一级分形支管的下游端分出的四个支管，二级分形支管出口7作为分形结构燃料管出口。

对于本实施例来说，上一级分形支管既是一级支管又是下一级分形支管的主管，如图1中，一级分形支管5既是第一级支管，又是二级分形支管6的主管。主管及其下一级分形支管构成一个基本分形单元，如图2所示，基本分形单元由一个主管和四个支管组成。如图1所示，分形结构燃料管具有两级分形结构，每个基本分形单元具有四个支管，共有16个二级分形支管，即该分形结构燃料管具有4²＝16个出口。如图3所示，分形结构燃料管具有三级分形结构，每个基本分形单元具有四个支管，共有16个二级分形支管和64个三级分形支管，即该分形结构燃料管具有4³＝64个出口。

每一级分形支管可以采用主支管和从支管的形式，例如图1、图2所示，每级分形支管包括一个位于中心的主支管12和包围该主支管12的三个从支管13，主支管延伸方向仍保持该级分形支管的主管延伸方向。

以上介绍的分形结构燃料管具有两级或三级分形结构，但本发明并不限于此，在本发明的喷嘴中，分形结构燃料管可以具有多级分形结构，每个基本分形单元可以具有多个支管。对于具有M级分形结构的燃料管，每个基本分形单元具有N个支管，则第m级分形支管共有N^m个支管，该分形结构燃料管具有N^M个出口，其中，2≤M，2≤N，2≤m≤M。

图1所示喷嘴，分形结构燃料管出口与喷嘴出口8位于喷嘴的同一轴线位置，喷嘴工作于扩散燃烧模式，燃料可以为气体也可以为液体，通过主管入口1进入喷嘴。分形结构燃料管出口也可以比喷嘴出口8更靠近喷嘴的上游位置，喷嘴工作于预混燃烧模式。

在本实施例中，分形结构燃料管的主管和各级分形支管均为直管，截面可以为圆形、椭圆形、三角形、多边形，优选为圆形。主管可以与喷嘴外壁同轴设置，也可以位于喷嘴外壁内的任意位置。

本实施例的喷嘴，燃料通过主管入口进入喷嘴，由各级分形支管分为多个支路，由末级分形支管出口流出，空气由空气入口进入喷嘴，与末级分形支管出口流出的燃料混合燃烧，采用分形结构燃料管的喷嘴流动损失小、流动阻塞小、掺混效果好、燃烧稳定性好、污染物排放低。

本发明第二实施例的双燃料喷嘴，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，末级分形支管并非支管，而是弯曲形的弯管。请参见图4，二级分形支管6为弯管。图5为图4的俯视图，弯曲型的二级分形支管形成逆时针旋转结构，即除中心二级分形支管的主支管外，二级分形支管出口均指向逆时针方向，中心二级分形支管是指其主支管延伸方向保持主管延伸方向的二级分形支管。燃料由二级分形支管喷出后将产生逆时针方向的旋转运动，由于燃料带有旋转运动，在离心力作用下在喷嘴出口形成扩张形火焰，从而进一步提高了燃烧稳定性。

本发明第三实施例的双燃料喷嘴，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。

该实施例中，双燃料喷嘴还包括中间圆筒，中心末级分形支管为直管，其余末级分形支管均为弯管，中间圆筒包裹中心末级分形支管。请参见图6，双燃料喷嘴还包括中间圆筒9，中间圆筒9可以与分形结构燃料管的主管同轴设置，中间圆筒9包裹中心二级分形支管的下游段，在中间圆筒内部、中心二级分形支管的下游设置网孔板10；在中间圆筒出口下游形成掺混区11，中间圆筒内的流体与中间圆筒外的流体在掺混区11内相互掺混。

图7为图6的俯视图，图8为图7略去网孔板的示意图，可见，中间圆筒内的二级分形支管为直管，这样中间圆筒内的燃料为单纯的轴向运动，没有周向的旋转运动；中间圆筒外的二级分形支管为弯管，喷射出的燃料带有逆时针旋转运动。

由于中间圆筒外的二级分形支管喷射出的燃料带有旋转运动，在离心力作用下在喷嘴出口形成扩张形火焰，提高了燃烧的稳定性，中间流道内的燃料为无旋的轴向运动，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，该喷嘴同时具有良好的燃烧稳定性和低污染物排放。

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10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10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。网孔板厚度为0～100mm，优选1～5mm，0mm相当于不设置网孔板。请参见图9，中间圆筒出口与喷嘴出口之间的距离A、网孔板出口与中间圆筒出口之间的距离B、分形结构燃料管出口与网孔板入口之间的距离C分别为0mm～1000mm。

本发明第四实施例的双燃料喷嘴，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，末级分形支管出口设置有弯头14，通过调整弯头14的弯曲角度以及方向，可以使燃料按照不同的角度喷出，可以控制燃料的旋流强度，从而进一步提高了燃烧稳定性。

本发明第五实施例的双燃料喷嘴，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，末级分形支管出口设置多孔喷嘴15，这样可以增强燃料与空气的掺混效果，多孔喷嘴15不限于图11中给出的半球形状，还可以为其它形式。

本发明第六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双燃料喷嘴。

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。

本发明第七实施例提供了一种燃烧器，其包括上述第一至五实施例中任一实施例所述的双燃料喷嘴，或第六实施例所述的喷嘴阵列。

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)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。