一种喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器的制作方法

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器，其特别适用于燃气轮机、锅炉、化工炉等各种工业和民用燃烧器。

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。随着3d打印技术的日益完善，燃气轮机巨头如通用、西门子都在大力发展基于3d打印技术的新型喷嘴设计方法。

因而，亟需开发一种基于3d打印加工技术的掺混效果好、回火裕度宽、燃烧稳定、污染物排放低的新型喷嘴及其燃烧器。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器。

本发明一方面提供一种喷嘴，包括轴对称筒状外壁、n级阶梯整流通道结构以及燃料管结构、所述n级阶梯整流通道结构包括设置在所述外壁内的轴对称的第n，n-1，……，1级阶梯整流通道结构，所述外壁与所述第n，n-1，……，1级阶梯整流通道结构共轴，所述燃料管结构包括主燃料管结构和n级支燃料管结构，所述n级支燃料管结构包括第n，n-1，……，1级支燃料管结构分别与第n，n-1，……，1级阶梯整流通道结构对应，第i级支燃料管结构包括至少一个第i级支燃料管和与所述第i级支燃料管连接的至少一个第i级喷头，所述第i级喷头为环形喷头，i＝1，2，3，……，n，在所述喷嘴的经过对称轴的轴向截面中：对于包括一级阶梯整流通道结构和一级支燃料管的喷嘴，所述外壁由喷嘴入口至喷嘴出口方向包括顺序连接的第一外壁平直段、第一外壁扩张段、第二外壁平直段、第二外壁扩张段以及第三外壁平直段，第1级阶梯整流通道结构为筒状结构，包括由喷嘴入口至喷嘴出口方向包括顺序连接的第1级阶梯整流通道结构的第一筒壁平直段、筒壁扩张段、第二筒壁平直段、筒壁收缩段以及第三筒壁平直段，所述第1级阶梯整流通道结构的第一筒壁平直段、筒壁扩张段、第二筒壁平直段、筒壁收缩段以及第三筒壁平直段分别与所述外壁的第一外壁平直段、第一外壁扩张段、第二外壁平直段、第二外壁扩张段以及第三外壁平直段处于相同轴向位置，所述主燃料管结构包括主燃料管及主喷头，所述主喷头球形喷头，设置在所述第1级阶梯整流通道结构的筒状结构构成的流道内，所述一级支燃料管结构的第1级支燃料管的第1级喷头为球形喷头，设置在所述第1级阶梯整流通道结构本身的流道内，所述主燃料管延迟出m个第1级支燃料管，均连接至一个第1级喷头，所述第1级喷头设置在所述第1级阶梯整流通道结构与外壁之间的间隔流道内，其中，m为正整数，包括n级阶梯整流通道结构和n级支燃料管的喷嘴在包括n-1级阶梯整流通道结构和n-1级支燃料管的喷嘴的基础上形成，包括n-1级阶梯整流通道结构和n-1级支燃料管的喷嘴的外壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增外壁扩张段及新增外壁平直段，第n-1，n-2，……，1级梯整流通道结构的环管壁或筒壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增环管壁或筒壁扩张段及新增环管壁或筒壁平直段，第n级阶梯整流通道结构包括2^n-2个管截面为镜像结构的环管状结构，分别设置在n-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^n-2个环形间隔流道处，每一管截面为镜像结构的且上下部均断开的环管状结构包括第n级阶梯整流通道结构沿喷嘴入口至喷嘴出口方向上顺序设置的第一环管壁平直段、环管壁扩张段、第二环管壁平直段、环管壁收缩段以及第三环管壁平直段，所述第n级阶梯整流通道结构的环管壁收缩段及环管壁扩张段分别与第n-1，n-2，……，1级阶梯整流通道结构的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个收缩段以及外壁从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个扩张段处于相同轴向位置，所述第n级阶梯整流通道结构的第三环管壁平直段、第二环管壁平直段及第一环管壁平直段分别与第n-1，n-2，……，1级阶梯整流通道结构及外壁的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前三个平直段处于相同轴向位置，包括n-1级阶梯整流通道结构和n-1级支燃料管的喷嘴的第n-1级支燃料管的每一个第n-1级喷头被新生成的第n级阶梯整流通道结构的相应的环管状结构形成的流道容置，每一第n-1级支燃料管延伸出两个第n级支燃料管，分别连接至两个第n级喷头，所述两个第n级喷头分别设置在第n级阶梯整流通道结构的相应的环管状结构的两侧的环形间隔流道中，其中n≥2，n为正整数。

本发明另一方面提供一种喷嘴阵列，包括至少一个前述的喷嘴，呈圆形阵列或矩形阵列排布。

本发明再一方面提供一种燃烧器，包括至少一个前述的喷嘴或喷嘴阵列。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

阶梯形扩张流道可以降低流速，有助于稳定燃烧，燃烧稳定性好、污染物排放低；

可以灵活调节不同流道内燃烧混合物的当量比，实现对燃烧的精细调控；

燃烧模式可以为预混燃烧也可以为扩散燃烧，预混燃烧时，燃料与空气在喷嘴出口上游掺混，可以拓宽回火裕度。

附图说明

图1为本发明一实施例包括二级阶梯整流通道结构和二级支燃料管结构的喷嘴的半剖立体图；

图2为图1的仰视半剖立体图；

图3为图1中燃料管结构的立体半剖图；

图4为图1沿轴线的截面图；

图5为本发明一实施例包括一级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图；

图6为图5的侧视图；

图7为本发明一实施例包括二级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图；

图8为图7的侧视图；

图9为本发明一实施例包括三级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图；

图10为图9的侧视图；

图11为本发明另一实施例喷嘴包括二级阶梯整流通道结构和二级支燃料管结构的喷嘴的半剖立体图；

图12为本发明又一实施例喷嘴包括二级阶梯整流通道结构和二级支燃料管结构的喷嘴的半剖立体图；

图13为本发明还一实施例喷嘴包括二级阶梯整流通道结构和二级支燃料管结构的喷嘴的半剖立体图。

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。

分形是对自相似图形和结构的总称，是自然界中蕴含的普适规律。本发明方法按分形理论设计整流通道和燃料管，整流通道为多级阶梯形，燃料管为多级分叉形。

本发明一实施例提供一种喷嘴，包括多级阶梯整流通道结构以及燃料管结构，所述燃料管结构包括主燃料管结构和多级支燃料管结构。

图1为本发明一实施例包括二级阶梯整流通道结构和二级支燃料管结构的喷嘴的半剖立体图，图2为图1的仰视半剖立体图，图3为图1中燃料管结构的立体半剖图，图4为图1的侧视图，图4仅示出了外壁、阶梯整流通道结构及喷头，请参考图1-4，喷嘴包括外壁10和作为第1级阶梯整流通道结构的中间圆筒11，在外壁1和中间圆筒11之间的环形间隔流道出口附近布置2个阶梯形管壁形成第2级阶梯整流通道结构12，这两个阶梯形管壁的剖面曲线结构相同、互为镜像，构成1环管状结构。

喷嘴还包括燃料管结构，用于通入燃料，燃料管结构包括主燃料管结构20，主燃料管结构包括主燃料管201及主喷头202，其中主喷头202为球形喷头，设置在中间圆筒11内，主燃料管201分叉延伸出至少一个第1级支燃料管211，每一第1级支燃料管211均连接至第1级喷头212，该第1级喷头212为环形，容置在第2级阶梯整流通道结构12中，主燃料管201分叉延伸出至少一个第1级支燃料管211，本实施例中为4个，每一第1级支燃料管211分叉延伸出两个第2级支燃料管221，分别向第1级喷头212的环内和环外延伸，向环内延伸的第2级支燃料管221连接至一第2级喷头221，该一第2级喷头221位于中间圆筒11和第2级阶梯整流通道结构12之间的环形间隔流道内，向环外延伸的第2级支燃料管221连接至另一第2级喷头222，该一第2级喷头222，为环形，位于外部和第2级阶梯整流通道结构12之间的环形间隔流道内。

主喷头202和各级喷头上均设置有燃料喷孔，燃料进入主燃料管后，由主喷头上的燃料喷孔喷出或经各级支燃料管后由各级喷头喷出，本实施中燃料喷孔设置在主喷头和各级喷头的远离喷嘴出口一侧，即迎风面，适用于预混燃烧，有助于燃料与空气的均匀掺混。

下面说明喷嘴的多级阶梯整流通道结构的构造方式，n级阶梯整流通道结构的喷嘴在n-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上形成，请参考图5和图6，分别为一级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图及轴向截面图，为了方便说明，图中未示出燃料管结构。一级阶梯整流通道结构的喷嘴包外壁和作为第1级阶梯整流通道结构的中间圆筒11，如附图3所示，外壁1和中间圆筒2的剖面线均由5条线段构成，相邻线段之间带有圆弧倒角。外壁剖面线呈现阶梯扩张形，流道扩张可以降低流体速度，有助于稳定燃烧。外壁10有两个扩张段第一外壁扩张段10_2和第二外壁扩张段10_4，这两个扩张段通过3个平直段——第一外壁平直段10_1、第二外壁平直段10_3、第三外壁平直段10_5连接起来。中间圆筒呈现先扩张后收缩的形状，中间圆筒的3个平直段——第一中间圆筒平直段11_1、第二中间圆筒平直段11_3、第三中间圆筒平直段11_5与外壁的3个平直段处于同一轴向位置，构成3个平直流道，中间圆筒扩张段11_2与第一外壁扩张段10_2处于同一轴向位置，构成倾斜流道；中间圆筒收缩段11_4与第二外壁扩张段10_4处于同一轴向位置，构成扩张形流道。

请参考图7和图8，分别为二级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图及轴向截面图，为了方便说明，图中未示出燃料管结构，与图5和图6对比可见，二级阶梯整流通道结构的喷嘴在一级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上构造完成，二级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁10和中间圆筒11比一级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁10和中间圆筒11的剖面线增加了2段，其中，外壁剖面线增加了扩张段和平直段，中间圆筒剖面线增加了收缩段和平直段。外壁和中间圆筒增加的2段剖面线与其上游的3段剖面线之间构成了环形间隔流道，在其中设置第2级阶梯整流通道结构12，该第2级阶梯整流通道结构12为管截面为镜像结构的环管状结构，其截面如图8中所示，与图6中所示的第1级阶梯整流通道结构的中间圆筒的截面相似，剖面线亦包括5段结构。

图9和图10分别为三级阶梯整流通道结构的喷嘴的半剖立体图及轴向截面图，为了方便说明，图中未示出燃料管结构，其外壁和中间圆筒剖面有9段直线，可见对于n级阶梯整流通道结构的喷嘴，其外壁和中间圆筒剖面直线数量为2n+3。与图7和图8对比可见，可见三级阶梯整流通道结构的喷嘴为在二级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上形成，在二级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁上向喷嘴出口方向延伸新增一扩张段和一平直段构成三级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁，在二级阶梯整流通道结构的喷嘴的第1级阶梯整流通道结构(即中间圆筒)和第2级阶梯整流通道结构3向喷嘴出口方向延伸新增一收缩段和一平直段形成三级阶梯整流通道结构的喷嘴的第1及第2级阶梯整流通道结构，并在外壁、第1级阶梯整流通道结构及第2级阶梯整流通道结构3之间的2个环形间隔流道处设置第3级阶梯整流通道结构13，其为2个管截面为镜像结构的环管状结构，其截面如图10中所示，与图6中所示的第1级阶梯整流通道结构的中间圆筒的截面相似，剖面线亦包括5段结构。

依照前述规律，对于n级阶梯整流通道结构的喷嘴，其在n-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的基础上形成，n-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的外壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增外壁扩张段及新增外壁平直段，第n-1，n-2，……，1级梯整流通道结构的环管壁或筒壁向喷嘴出口方向依次延伸出新增环管壁或筒壁扩张段及新增环管壁或筒壁平直段，第n级阶梯整流通道结构包括2^n-2个管截面为镜像结构的环管状结构，分别设置在n-1级阶梯整流通道结构的喷嘴的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^n-2个环形间隔流道处，每一管截面为镜像结构的且上下部均断开的环管状结构包括第n级阶梯整流通道结构沿喷嘴入口至喷嘴出口方向上顺序设置的第一环管壁平直段、环管壁扩张段、第二环管壁平直段、环管壁收缩段以及第三环管壁平直段，所述第n级阶梯整流通道结构的环管壁收缩段及环管壁扩张段分别与第n-1，n-2，……，1级阶梯整流通道结构的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个收缩段以及外壁从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前两个扩张段处于相同轴向位置，所述第n级阶梯整流通道结构的第三环管壁平直段、第二环管壁平直段及第一环管壁平直段分别与第n-1，n-2，……，1级阶梯整流通道结构及外壁的从喷嘴出口开始向喷嘴入口出现的前三个平直段处于相同轴向位置，其中n≥2，n为正整数。

下面结合上述的多级阶梯整流通道结构的构造方式说明与其相关的多级支燃料管结构的构造方式，在图3的基础上，对于任一个第2级喷头，其被新生成的第3级阶梯整流通道结构的相应的环管状结构形成的流道容置，该第2级喷头的每一第2级支燃料管221分叉延伸出两个第3级支燃料管，分别向其对应的第2级喷头222的环内和环外延伸，向环内延伸的第3级支燃料管连接至一第3级喷头，向环外延伸的第3级支燃料管连接至另一第3级喷头，两个第3级喷头分别设置在第3级阶梯整流通道结构的相应的环管状结构的两侧的环形间隔流道中。根据前述规律，根据包括n-1级阶梯整流通道结构和n-1级支燃料管的喷嘴的第n-1级支燃料管的每一个第n-1级喷头被新生成的第n级阶梯整流通道结构的相应的环管状结构形成的流道容置，每一第n-1级支燃料管延伸出两个第n级支燃料管，分别连接至两个第n级喷头，所述两个第n级喷头均为环形，分别设置在第n级阶梯整流通道结构的相应的环管状结构的两侧的环形间隔流道中，其中n≥2，n为正整数。

燃料支管出口的环形喷头和球形喷头位于扩张形流道和其下游的平直流道内，优选迎风面位于扩张形流道内、背风面位于平直流道内。这样可以使流道内的流动更加均匀稳定，有利于稳定燃烧，防止火焰中出现热斑，降低污染物排放。

燃料支管出口的环形喷头和球形喷头具有以下作用：输送燃料作用，为燃料通道；整流作用，可以使流道内流体运动更加均匀稳定；稳定燃烧作用，在喷嘴出口附近，其尾迹的低速区可以稳定燃烧；调节流量作用，改变其截面大小可以改变该流道的流量。喷头的截面形状可以为圆形、椭圆形、多边形，优选为椭圆形，请参考图4，为椭圆形截面。

下面分析喷嘴出口处流道的数目，请参考图5、6只有基本分形单元的喷嘴有2个出口；请参考图7、8带有二级分形单元的喷嘴有4个出口；请参考图9、10带有三级分形单元的喷嘴有8个出口。可见，喷嘴出口流道数目x分布规律符合规律x＝2ⁿ，其中n为喷嘴阶梯整流通道的级数。

本实施例中，通过调整流道的截面积可以控制该流道内空气的流速，通过调整燃料孔的数目和直径可以控制燃料的流量，由此可以实现每个流道内空气与燃料混合物的当量比可控，进而对燃料进行精细调控。

本实施中，对于n＝3时，设定中间流道编号为1，沿半径增大方向，流道编号依次增大。为了降低燃烧污染物排放，同时增强燃烧稳定性，防止火焰被吹熄，优选5号流道出口空气流速最大，且当量比最小；优选贫燃与富燃在相邻流道交错排列；优选奇数编号流道内混合物的当量比小于偶数编号流道内混合物的当量比。

本发明另一实施例还提供一喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述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，本实施例较上一实施例不同在于，球形喷嘴和环形喷嘴的轴向最高点位于喷嘴出口，燃料孔位于球形喷嘴和环形喷嘴的下游，即靠近喷嘴出口一侧，这样，在燃烧时，空气与燃料并不是预先掺混，采取该种结构的喷嘴为扩散燃烧模式。

本发明又一实施例还提供一种喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述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，本实施例较一实施例不同在于，球形喷嘴和环形喷嘴凸出于喷嘴出口，燃料孔位于球形喷嘴和环形喷嘴的下游，采取该种结构的喷嘴为扩散燃烧模式。

本申请还一实施例提供一种喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述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13，本实施例较一实施例不同在于，在喷嘴出口处形成的环形流道内布置旋流叶片，优选每个环形流道内均布置旋流叶片。燃料管可以穿过旋流叶片设置。优选相邻流道中旋流叶片偏转方向相反，这样可以强化掺混、增大湍流度。此外，还可以在上游的平直流道内布置旋流叶片。

本发明再一实施例提供一喷嘴阵列，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。

本发明进一步实施例提供了一种燃烧器，其包括上述实施例所述的喷嘴或喷嘴阵列。

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。