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。

因而，亟需开发一种基于3d打印加工技术的掺混效果好、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，包括外壁，所述外壁位于喷嘴出口处的边缘包括至少一级分形结构，第i级分形结构包括至少一个第i级分形面或至少一个第i级截断分形面，第i+1级分形面为在至少一个第i级分形面上沿垂直于外壁厚度方向裁切至少一个多边形获得，其中所述第i+1级分形面与所述裁切下的至少一个多边形在外壁厚度方向上的侧面相对应，所述至少一个第i级分形面被述的j个多边形分割为j+1个第i级截断分形面，外壁位于喷嘴出口处沿厚度方向上的侧面作为第0级分形面，其中至少一个分形面或截断分形面上设置有至少一个燃料孔，i≥0，j>0，i，j为整数。

优选地，所述多边形为三角形或矩形。

优选地，所述外壁位于喷嘴出口处的边缘包括三级分形结构。

优选地，形成第i+1级分形面裁切的多边形小于形成第i级分形面裁切的多边形。

优选地，所述燃料孔为圆孔，所述第i+1级分形面或截断分形面上的燃料孔的直径小于所述第i+1级分形面或截断分形面上的燃料孔的直径。

优选地，所述燃料孔包括至少一级分形结构。

优选地，所述外壁为圆筒状，圆筒外壁内包括中间圆筒沿所述中间圆筒周向排布的旋流器叶片。

优选地，所述中间圆筒内包括网孔板。

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：

采用外壁位于喷嘴出口处的边缘具有多级分形结构的喷嘴及其燃烧器可以防止火焰吹熄、增强湍流度、强化掺混，具有回火裕度宽、燃烧稳定性好、污染物排放低等优点；

中间圆筒内包括网孔板用来调节湍流度和流量。

附图说明

图1为本发明实施例喷嘴的半剖结构示意图；

图2为图1喷嘴出口处外壁边缘分形结构的放大示意图；

图3为外壁边缘具有三角形一级分形结构的喷嘴结构示意图；

图4为外壁边缘具有三角形二级分形结构的喷嘴结构示意图；

图5为具有矩形二级分形结构的外壁边缘的结构示意图；

图6为具有矩形三级分形结构的外壁边缘的结构示意图；

图7为具有二级矩形分形结构和三级矩形分形结构的燃料孔截面形状示意图。

【符号说明】

1-喷嘴入口；2-外壁圆筒腔体入口；3-外壁圆筒腔体；4-外壁圆筒；5-旋流器叶片；6-中间圆筒；7-外壁圆筒出口；8-一级分形边上的燃料孔；9-二级分形边上的燃料孔；10-三级分形边上的燃料孔；11-第1级分形边；12-第2级分形边；13-具有二级矩形分形结构的燃料孔；14-具有三级矩形分形结构的燃料孔。

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。本发明方法基于分形理论并根据喷嘴结构特点，对喷嘴出口进行分形设计。

请参考图1，本发明实施例提供了一种喷嘴，包括喷嘴外壁、旋流器叶片5、中间圆筒6，本实施例中外壁为圆筒状，外壁圆筒4内部中空，包括外壁圆筒腔体3。

燃料与空气的混合物由喷嘴入口1进入喷嘴，在喷嘴出口形成预混燃烧模式的主火焰；燃料气体或空气与燃料气体的混合物由外壁圆筒腔体入口2进入外壁圆筒腔体3，优选进入外壁圆筒腔体的为燃料气体，由外壁圆筒出口7上的燃料孔8喷出，形成扩散燃烧模式的值班火焰，扩散燃烧稳定性好，可以防止主火焰熄火。燃料的流量可以通过燃料喷孔大小来调节，另外可以在中间圆筒6内部设置网孔板用来调节湍流度和流量。

喷嘴外壁圆筒腔体入口2的燃料种类可以与主燃区燃料相同，也可以不同，优选燃料为易燃气体，如氢气、甲烷、焦炉煤气。

喷嘴外壁圆筒腔体入口2可以为燃料也可以为燃料与空气的混合物，优选为燃料。

以下着重介绍喷嘴外壁靠近喷嘴出口的边缘的分形结构。

需要注意的是，外壁边缘的各级分形结构均是沿外壁厚度方向采用裁切多边形形成，第i级分形结构包括至少一个第i级分形面或至少一个第i级截断分形面，为了方便理解及表述方便，以下对各级分型面或截断分型面的描述可以采用与其对应的外壁圆周表面切割多边形形成的分形边或截断分形边来表示。以下以裁切多边形为三角形来进行说明。

请参考图2至图4。图2为图1喷嘴外壁靠近喷嘴出口的边缘局部放大示意图，图2中，喷嘴外壁边缘采用三级三角形分形结构；图3为外壁边缘具有一级三角形分形结构的喷嘴结构示意图，其为外壁边缘上裁切三角形形成，如图3所示，在圆形边缘沿圆周方向切割出一圈三角形齿，形成第1级分形结构，包括多条第1级分形边11，每一第1级分形边对应一裁切三角形的一侧边，每个被裁切的三角形对应两个相互连接的第1级分形边11。

图4示出了外壁边缘具有二级三角形分形结构的喷嘴结构示意图，在一级三角形分形结构的每个第1级分形边上再切割出一个三角形，形成第2级分形结构，包括多条第2级分形边12，每一第2级分形边对应一裁切三角形的一侧边，每个被裁切的三角形对应两个相互连接的第2级分形边12，并且被裁切的第1级分形边被裁切的三角形分为两段第1级截断分形边。

三级以上三角形分形结构亦采用上述方法形成，再次不在赘述。

本发明优选采用三级分形结构。

当仅裁切一个三角形形成第1级分形边时，该分形结构具有两段边，当在该分形结构的每一第1分形边上均裁切一个三角形形成二级分形结构时，该二级分形结构具有8段边，该8段边包括第2级分形边和第1级截断分形边，当在该二级分形结构的每一第2分形边上均裁切一个三角形形成三级分形结构时，该三级分形结构具有20段边，该8段边包括第3级分形边和第2级截断分形边和第1级截断分形边。依次类推，第m及分形结构具有2×(2^m-1+4×2^m-1)段边。

优选每段边对应的分形面或截断分形面上有一个燃料孔，则，上述m级分形结构具有2×(2^m-1+4×2^m-1)个燃料孔。

裁切三角形时可以在第i级分形边上的任意位置进行裁切，优选在中间位置裁切，且形成第i+1级分形边裁切的三角形边长优选小于形成第i级分形边裁切的三角形的边长。

尽管本实施例中在每一第i级分形边上裁切一个三角形来形成第i+1级分形边，本领域技术人员可以理解的是，在其他实施例中并非每个第i级分形边均进行裁切三角形，或者一个第i级分形边上裁切多个三角形。

在分形结构的至少一段边上设置至少一燃料孔，如图2所示，第1级分形边(包括第1级截断分形边)上的燃料孔8、第2级分形边(包括第2级截断分形边)上的燃料孔9和第3级分形边上的燃料孔10，优选地每段边上都有一个燃料孔且位于该段边的中部，随着分形级数的增加，燃料孔的直径逐渐减小。

由此可见，喷嘴外壁出口形成的扩散燃烧可作为喷嘴主火焰的值班火焰；同时，喷嘴外壁出口下一级分形三角形内的火焰是上一级分形三角形火焰的值班火焰，这样就构建了多尺度的值班火焰系统，可以有效防止火焰被吹熄，此外，这种设计还可以增大湍流度、强化掺混。

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。

本实施例相较于上一实施例不同在于，本实施例中采用矩形代替三角形作为裁切的多边形形状。外壁边缘为矩形分形结构，图5为具有矩形二级分形结构的外壁边缘的结构示意图，具体的，采用切割矩形的方式对外壁边缘进行第1级分形处理，获得多个沿圆周排布的矩形齿，对每一矩形齿的顶边再进行第1级分形处理，而后对于在矩形齿上切割矩形形成的每一第1级分形边进行第2级分形处理，即获得图5所示的分形结构，图6为具有矩形三级分形结构的外壁边缘的结构示意图，具体的，用切割矩形的方式对外壁边缘进行第1级分形处理，获得多个沿圆周排布的矩形齿，在矩形齿的两侧边，即第1级分形边上进行第2次分形处理，而后在与外壁轴方向平行的第2分形边上再进行第3次分形处理，即获得图6所示的分形结构。

本发明并不限于一个多个分形结构仅采用裁切一种多边形来形成，可以再同级或不同级的分形结构中采用不同的多边形。例如也可以对第1级矩形分形结构的三条第1级分形边作三角形分形处理，形成三角形与矩形分形的混搭结构。

本发明又一实施例提供一种喷嘴，该实施例中的喷嘴与前述实施例的不同之处仅在于至少一个燃料孔亦采用类似的多级分级结构。以裁切矩形形成多级分级结构为例，如图7所示，提供了具有二级矩形分形结构的燃料孔13和具有三级矩形分形结构的燃料孔14。

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。

本发明进一步是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。