本發(fā)明涉及燃燒裝置技術領域，尤其涉及一種旋流數(shù)和湍流度可調的噴嘴、噴嘴陣列和燃燒器，其特別適用于燃氣輪機、鍋爐、化工爐等各種工業(yè)燃燒器。

背景技術：

工業(yè)生產如冶煉、石化、制藥、造紙及采礦等行業(yè)會產生大量有害氣體和低熱值氣體，這些氣體直接排放到大氣中會嚴重污染環(huán)境，而且還浪費了能源。如果將這些氣體燃燒利用，不但減小了環(huán)境污染和節(jié)約能源。當前我國環(huán)境污染問題十分嚴重，發(fā)展相關清潔燃燒技術十分迫切。此外，航空發(fā)動機、發(fā)電用燃氣輪機、艦船用燃氣輪機也都需要燃燒器。燃燒器廠商已經開發(fā)了多種清潔燃燒技術，如貧預混燃燒技術、稀相預混預蒸發(fā)技術、貧油直噴技術等，這些技術雖然可以有效降低污染物的排放，但都面臨燃燒不穩(wěn)定的問題。

旋流數(shù)和湍流度是噴嘴和燃燒器的重要參數(shù)，其對燃燒性能有重要影響，不同的旋流數(shù)和湍流度與燃燒穩(wěn)定性、污染物排放有直接關系，針對不同的工況需要對旋流數(shù)和湍流度進行調節(jié)，以便改善燃燒性能。因而，本領域亟需開發(fā)一種旋流數(shù)和湍流度可調的燃燒器。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

為了解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種旋流數(shù)和湍流度可調的噴嘴、噴嘴陣列和燃燒器。

(二)技術方案

本發(fā)明提供了一種旋流數(shù)和湍流度可調的噴嘴，包括：同軸設置的中間圓筒和外層圓筒，旋流器設置于所述中間圓筒與外層圓筒之間；所述旋流器包括內圈葉片和外圈葉片，所述內圈葉片固定在中間圓筒的外壁上，所述外圈葉片固定在外層圓筒內壁上，所述內圈葉片和外圈葉片用于調節(jié)旋流數(shù)和湍流度。

優(yōu)選地，所述內圈葉片包括沿中間圓筒周向排列的多個葉片，所述外圈葉片包括沿外層圓筒周向排列的、與內圈葉片數(shù)量對應的葉片。

優(yōu)選地，所述中間圓筒和/或外層圓筒可繞軸線旋轉，所述內圈葉片與外圈葉片之間的相對位置隨之改變，旋流數(shù)和湍流度隨之被調節(jié)。

優(yōu)選地，所述內圈葉片的靠近外圈葉片的側邊具有凸齒，所述外圈葉片的靠近內圈葉片的側邊具有凹齒。

優(yōu)選地，所述內圈葉片沿其長度方向均分為兩段，所述中間圓筒對應分為兩段；所述外圈葉片沿其長度方向也均分成兩段，所述外層圓筒對應分為兩段。

優(yōu)選地，所述內圈葉片和外圈葉片在寬度方向上部分重疊。

優(yōu)選地，所述內圈葉片和外圈葉片的其中之一設有擾流柱，另一個設有擾流孔。

優(yōu)選地，當所述內圈葉片和外圈葉片重疊時，所述擾流柱與擾流孔相互咬合。

本發(fā)明還提供了一種噴嘴陣列，包括上述任一噴嘴。

本發(fā)明還提供了一種燃燒器，包括上述任一噴嘴，或者噴嘴陣列。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明的旋流數(shù)和湍流度可調的噴嘴、噴嘴陣列和燃燒器具有以下有益效果：

通過轉動中間圓筒或外層圓筒，調整旋流器的內圈葉片與外圈葉片之間的相對位置，即可實現(xiàn)調整流場的旋流數(shù)和湍流強度的目的。當燃燒發(fā)生脫火的趨勢時，可以增大流場的旋流數(shù)和湍流強度，避免火焰被吹熄；當發(fā)生回火趨勢時，可以減小流場的旋流數(shù)和湍流強度，防止發(fā)生回火，該噴嘴工作范圍寬、可以根據燃燒狀態(tài)靈活調整流場的旋流數(shù)和湍流度，摻混效果好、安全性好、污染物排放低、燃料適用范圍廣，具有良好的燃燒穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實施例噴嘴的結構示意圖；

圖2為旋流器的內圈葉片和外圈葉片相互咬合的示意圖；

圖3為旋流器的內圈葉片和外圈葉片錯開一定角度的示意圖；

圖4為噴嘴處于擴散燃燒模式的示意圖；

圖5為本發(fā)明第二實施例噴嘴的結構示意圖；

圖6為圖5所示噴嘴的內圈葉片和外圈葉片錯開一定角度的示意圖；

圖7為本發(fā)明第三實施例噴嘴的結構示意圖；

圖8為本發(fā)明第四實施例噴嘴的結構示意圖；

圖9為本發(fā)明第五實施例噴嘴的結構示意圖；

圖10為圖9中內圈葉片和外圈葉片之間夾角大于0度的示意圖。

【符號說明】

1-噴嘴入口；2-內圈葉片；21-內圈葉片上半段；22-內圈葉片下半段；3-外圈葉片；31-外圈葉片上半段；32-外圈葉片下半段；4-凸齒；5-凹齒；6-外圈流道；7-中間流道；8-中間圓筒；9-外層圓筒；10-摻混區(qū)；11-外層圓筒出口；12-中間圓筒入口；13-外層圓筒入口。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

請參考圖1至圖3，本發(fā)明第一實施例提供了一種旋流數(shù)和湍流度可調的噴嘴，包括：同軸設置的中間圓筒8和外層圓筒9，中間圓筒8內部為中間流道7，中間圓筒8與外層圓筒9之間形成外圈流道6。外層圓筒沿下游方向突出于中間圓筒，外層圓筒出口11與中間圓筒出口之間形成摻混區(qū)10。

噴嘴還包括旋流器，其設置于中間圓筒8和外層圓筒9之間的外圈流道6中。

旋流器包括內圈葉片2和外圈葉片3。為清楚顯示旋流器結構，圖1中對外壁進行了半剖，圖2和圖3略去了外壁。

內圈葉片2固定在中間圓筒8的外壁上，包括沿中間圓筒周向排列的多個葉片，外圈葉片3固定在外層圓筒9內壁上，包括沿外層圓筒周向排列的、與內圈葉片2數(shù)量對應的葉片，內圈葉片2和外圈葉片3的長度方向沿與噴嘴軸線呈一定角度的方向延伸，寬度方向沿噴嘴徑向方向延伸，內圈葉片2和外圈葉片3的寬度可以相同也可以不同，優(yōu)選寬度相同。內圈葉片2和外圈葉片3在噴嘴軸線的位置較中間圓筒出口更靠近上游側。相鄰的一內圈葉片和一外圈葉片組成一旋流葉片對，即內圈葉片和外圈葉片組成多個旋流葉片對。

內圈葉片2和外圈葉片3的結合處具有鋸齒結構，內圈葉片的靠近外層圓筒9，也就是靠近外圈葉片3的側邊具有凸齒4，外圈葉片的靠近中間圓筒8，也就是靠近內圈葉片2的側邊具有凹齒5。凸齒4和凹齒5用于調整外圈流道6中流場的湍流度。

本發(fā)明實施例的噴嘴工作于預混燃燒模式，燃料與空氣在進入噴嘴前已經摻混均勻，由噴嘴入口1進入噴嘴，在中間圓筒入口處燃料與空氣的混合物分成兩部分，一部分進入中間流道7，這部分流體保持軸向運動；另一部分進入外圈流道6，在旋流器的作用下，流體進行軸向運動的同時，還進行周向運動；這兩部分流體在摻混區(qū)10相互摻混。由于外圈流道的混合物帶有旋轉運動，在離心力作用下使混合物在噴嘴出口形成擴張形火焰，提高了燃燒的穩(wěn)定性，中間流道7的混合物為無旋的軸向運動，可以防止在噴嘴出口形成強回流區(qū)，減小了流動損失、降低了污染物排放，因此該噴嘴同時具有良好的燃燒穩(wěn)定性和低污染物排放。

中間圓筒8內可以放置網孔板，用于調整中間流道的湍流度。網孔板上開孔面積與網孔板面積的比例為0-100％，也就是說網孔板8可以不開孔，混合物僅流入外圈流道，此時網孔板上開孔面積與網孔板面積的比例為0；網孔板8可以全部開孔，相當于不設置網孔板，網孔板上開孔面積與網孔板面積的比例為100％。優(yōu)選網孔板上開孔面積與網孔板面積的比例為40％-80％。網孔板上孔的直徑為0.1-10mm，孔的大小可以相同也可以不同；孔的形狀可以為圓形、橢圓形、三角形、多邊形或者是這些形狀的組合。

本實施例的噴嘴還可以工作于擴散燃燒模式，如圖4所示，旋流器的出口，即內圈葉片2和外圈葉片3的下游端，與中間圓筒出口位于相同的軸線位置，中間圓筒出口與外層圓筒出口11位于相同的軸線位置。

燃料和空氣在進入噴嘴前并不摻混，中間圓筒入口12可以是燃料入口也可以是空氣入口，同樣，外層圓筒入口13也可以是燃料入口或空氣入口。以向中間圓筒入口12通入燃料，外層圓筒入口13通入空氣為例，燃料由中間圓筒入口12進入中間流道7，空氣由外層圓筒入口13進入外圈流道6。外圈流道的空氣成為帶旋流體，中間流道的燃料為無旋流體，燃料和空氣由噴嘴出口噴出后摻混燃燒，同樣具有良好的燃燒穩(wěn)定性和低污染物排放。

進一步地，本實施例的噴嘴，中間圓筒8可以繞其軸線旋轉，從而帶動內圈葉片2繞軸線轉動，改變內圈葉片2和外圈葉片3的相對位置。旋轉中間圓筒8，使旋流葉片對的內圈葉片2和外圈葉片3之間的角度為零，此時內圈葉片2的凸齒4和外圈葉片3的凹齒5相互咬合在一起，如圖2所示，內圈葉片2和外圈葉片3的作用范圍最小，因而流場的旋流數(shù)和湍流強度最小。

旋轉中間圓筒8，帶動內圈葉片2轉動，使旋流葉片對的內圈葉片2和外圈葉片3分離且二者之間的角度逐漸增大，內圈葉片2、外圈葉片3的作用范圍不斷擴大，凸齒和凹齒的擾動范圍也不斷加大，流場的旋流數(shù)和湍流強度也逐漸增大，如圖3所示；直至內圈葉片2位于相鄰兩個外圈葉片3的中間位置，如圖1所示，此時內圈葉片2和外圈葉片3之間的角度為最大，流場的旋流數(shù)和湍流強度最大。內圈葉片和外圈葉片之間的角度是指，旋流葉片對的內圈葉片中心所在的徑線與外圈葉片中心所在的徑線之間的夾角。

在本實施例中，外間圓筒也可以繞其軸線旋轉，或者中間圓筒和外間圓筒均可以繞軸線旋轉，同樣可以改變內圈葉片與外圈葉片的相對位置，從而調節(jié)流場旋流數(shù)和湍流強度。

由此可見，本發(fā)明通過轉動中間圓筒或外層圓筒，調整旋流器的內圈葉片與外圈葉片之間的相對位置，即可實現(xiàn)調整流場的旋流數(shù)和湍流強度的目的。通過監(jiān)測火焰的狀態(tài)，當燃燒發(fā)生脫火的趨勢時，旋轉中間圓筒和/或外層圓筒，使相鄰內圈葉片和外圈葉片之間角度增大，可以增大流場的旋流數(shù)和湍流強度，避免火焰被吹熄；當發(fā)生回火趨勢時，旋轉中間圓筒和/或外層圓筒，使相鄰內圈葉片和外圈葉片之間角度減小，可以減小流場的旋流數(shù)和湍流強度，防止發(fā)生回火，因此該噴嘴工作范圍寬、具有良好的燃燒穩(wěn)定性和安全性。

本發(fā)明第二實施例的噴嘴，為了達到簡要說明的目的，上述第一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。

旋流器的內圈葉片沿其長度方向均分成兩段，其中一段設有凸齒，另一段設有凹齒，外圈葉片沿其長度方向也均分成兩段。相應地，中間圓筒在與內圈葉片分段點對應的軸線位置分成兩段，其上游段和下游段均可以繞軸線旋轉，從而分別帶動其上的內圈葉片上半段21和下半段22轉動；外層圓筒在與外圈葉片分段點對應的軸線位置分成兩段，其上游段和下游段均可以繞軸線旋轉，從而分別帶動其上的外圈葉片上半段31和下半段32轉動。

如圖5所示，內圈葉片的凸齒和外圈葉片的凹齒相互咬合在一起，內圈葉片上半段21和下半段22的凸齒和凹齒也相互咬合在一起，即旋流葉片對的四個小葉片相互咬合在一起形成一大葉片。中間圓筒上、下游段和外層圓筒上、下游段旋轉一定角度，使內圈葉片上半段21和下半段22以及外圈葉片上半段31和下半段32分離，得到如圖6所示的交錯葉片。

雖然上述以內圈葉片、外圈葉片、中間圓筒和外層圓筒分為兩段進行描述，但本發(fā)明不限于此，本發(fā)明的內圈葉片和外圈葉片可以均分為2-100段，相應地，中間圓筒和外層圓筒也可以分為2-100段。

本發(fā)明第三實施例的噴嘴，為了達到簡要說明的目的，上述任一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。

在該實施例中，如圖7所示，內圈葉片2和外圈葉片3的各側邊為光滑曲線，不具有凸齒和凹齒的咬合結構，同樣可以起到調節(jié)流場旋流數(shù)和湍流強度的作用。

本發(fā)明第四實施例的噴嘴，為了達到簡要說明的目的，上述任一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。

請參見圖8，在該實施例中，旋流器的內圈葉片2和外圈葉片3在寬度方向上可以有部分重疊，這樣當內、外圈葉片之間的角度大于0度時，可以獲得更大的旋流數(shù)。

本發(fā)明第五實施例的噴嘴，為了達到簡要說明的目的，上述任一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。

請參見圖9，在該實施例中，內圈葉片2和外圈葉片3的寬度相同，其等于或略小于外圈流道的寬度，旋流葉片對的內圈葉片和外圈葉片可以完全重疊，內圈葉片上設有擾流柱，外圈葉片上設有擾流孔，當旋流葉片對的內、外圈葉片重疊時，擾流柱與擾流孔相互咬合。擾流柱和擾流孔用于增大流場的湍流度。擾流柱和擾流孔的截面形狀可以為圓形、三角形、橢圓形、多邊形。擾流柱高度為0.01mm-100mm，擾流孔深度為0.01mm-100mm。

也可以在內圈葉片上設置擾流孔，外圈葉片上設置擾流柱，或者內圈葉片和外圈葉片上既有擾流孔也有擾流柱。圖10為內圈葉片和外圈葉片之間角度大于0度的示意圖。此外還可以用彼此相互咬合的溝槽擾流結構代替擾流孔和擾流柱，也可以達到增大流場的湍流度的效果。

本發(fā)明第六實施例提供了一種噴嘴陣列，其包括多個上述任一實施例所述的噴嘴。

其中，該噴嘴陣列為圓形陣列，該圓形陣列包括P圈噴嘴，每圈噴嘴包括Q個噴嘴，其中1≤P、Q≤100。

其中該噴嘴陣列為矩形陣列，該矩形陣列包括P行噴嘴，每行噴嘴包括Q個噴嘴，其中1≤P、Q≤100。

本發(fā)明第七實施例提供了一種燃燒器，其包括上述第一至五實施例中任一實施例所述的噴嘴，或第六實施例所述的噴嘴陣列。

至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)擾流結構還可以選用其他結構；

(2)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍；

(3)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。