一种可调节喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器制造技术

本发明专利技术提供了一种可调节喷嘴，包括：内层圆筒、外层圆筒、外筒套管和N层外层波浪结构，N层外层波浪结构夹设于内层圆筒和外层圆筒之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻外层波浪结构之间、外层波浪结构与内层圆筒和外层圆筒之间形成气流通道，所述外筒套管套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，实现工作模式的切换和火焰位置的调节。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃烧装置
，尤其涉及一种可调节喷嘴和喷嘴阵列，其特别适用于燃气轮机、锅炉、化工炉等各种工业燃烧器。
技术介绍
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。如美国通用公司开发的一种用于液体燃料燃烧的径向分级燃烧技术，可以有效降低一氧化氮排放。但是，由于主火焰稳定在剪切层的低速边沿，剪切层低速区域附近会产生周期性的涡脱落，在稳定点附近易产生振荡，在非设计工况运行时易发生燃烧不稳定现象。与燃气轮机燃烧器类似，其它各类工业燃烧器也面临着稳定燃烧与降低污染物排放的矛盾。扩散燃烧优点是运行中不会产生回火现象、安全系数高、运行稳定可靠、此外还有点火较为容易、热负荷调节方面、热负荷可调范围较广等优点，缺点是燃烧时仅靠扩散作用使空气与燃气相互接触发生化学反应，因此扩散式燃烧器的火焰长度较长、单位容积的放热强度不高。预混燃烧的优点是可以通过贫预混燃烧、稀相预混预蒸发等技术降低污染物排放，由于燃料与氧化剂的预先混合，燃烧反应受混合时间尺度的影响基本可以忽略，大幅度提高了燃烧反应速度以及火焰传播速度，缺点是火焰稳定性较差、回火会带来安全隐患问题，特别是燃料火焰传播速度快时回火问题更加突出，如燃烧氢气或富氢燃料。因而，亟需一种兼备扩散燃烧和预混燃烧优点的燃烧器。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种可调节喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。(二)技术方案本专利技术提供了一种可调节喷嘴，包括：内层圆筒12、外层圆筒11、外筒套管15和N层外层波浪结构30；其中，所述N层外层波浪结构30夹设于内层圆筒12和外层圆筒11之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻外层波浪结构之间、外层波浪结构与内层圆筒12和外层圆筒11之间形成气流通道，所述外筒套管15套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，实现工作模式的切换和火焰位置的调节，其中，1≤N≤100。本专利技术还提供了一种喷嘴阵列，包括多个可调节喷嘴，其中，所述喷嘴阵列为圆形阵列，所述圆形阵列包括P圈喷嘴，每圈喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100；或者，所述喷嘴阵列为矩形阵列，所述矩形阵列包括P行喷嘴，每行喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100。本专利技术还提供了一种燃烧器，其包括多个可调节喷嘴，或者喷嘴阵列。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术的可调节喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：(1)外筒套管套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，可以在扩散燃烧模式、过渡燃烧模式和预混燃烧模式之间切换，并调节火焰的位置，可以充分利用不同模式的优点，而尽量避免不同模式的缺点，可以适用于各种工况和燃料，提高了燃烧性能；(2)通过步进电机、螺杆和控制器等实现自动切换工作模式和自动调节火焰位置，提高了模式切换和火焰位置调节的准确性和反应速度，无需人工干预，进一步提高了可调节喷嘴的性能；(3)中心锥体可以抑制流动分离、提高燃料和空气掺混效果、减小流动损失，提高喷嘴燃烧效率；(4)内层波浪结构为直通道波浪结构，外层波浪结构为旋流波浪结构，可以防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高燃烧的稳定性，同时降低
了NOx的生成，减小流动损失、防止发生回火。附图说明图1为本专利技术实施例的可调节喷嘴的三维图；图2为图1所示可调节喷嘴的俯视图；图3为图1所示可调节喷嘴的半剖示意图；图4为图3中外层波浪结构三维示意图；图5为本专利技术实施例的过渡燃烧模式的半剖示意图；图6为本专利技术实施例的过渡燃烧模式的另一半剖示意图；图7为本专利技术实施例的过渡燃烧模式的又一半剖示意图；图8为本专利技术实施例的可调节喷嘴的又一半剖示意图；图9为图8中内层波浪结构三维示意图。【符号说明】11-外层圆筒；12-内层圆筒；13-内层波浪结构外侧流道；14-内层波浪结构内侧流道；15-外筒套管；20-内层波浪结构；21-波峰；22-波谷；23-斜流通道；24-支撑圆筒；30-外层波浪结构；31-直流通道；41-步进电机；42-螺杆；51-中心锥体；52-第一进气结构；53-第一气体入口；54-第二进气结构；55-第二气体入口；56-第三进气结构；57-第三气体入口；61-控制输出端；62-状态输入端；63-控制器；64-火焰监测装置。具体实施方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明。如图1至图9所示，本专利技术第一实施例的可调节喷嘴，其包括内层圆筒12、外层圆筒11、外筒套管15和N层外层波浪结构30，N层外层波浪结构30夹设于内层圆筒12和外层圆筒11之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻外层波浪结构之间、外层波浪结构30与内层圆筒12和外层圆筒11之间形成气流通道，外筒套管15套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，实现工作模式的切换和火焰位置的调节，其中，1≤N≤100。
在图1至图3、图5至图8中，所述N取1。优选地，内层圆筒12与外层圆筒11可同轴设置，二者的轴线也可平行设置，所述外筒套管15套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，指的是外筒套管15可沿内层圆筒的轴向和/或外层圆筒的轴向移动。优选地，通过手动方式实现外筒套管15沿圆筒轴向的移动；外筒套管15与外层圆筒11外壁采用螺纹连接，在外筒套管上安装有手柄，通过旋转外筒套管可以手动调节外筒套管的轴向位置。本专利技术第一实施例的可调节喷嘴，喷嘴运行后，外筒套管15位于图3所示的下限位置，燃料和空气分别经由不同的气流通道后由喷嘴喷出，在喷嘴出口附近燃烧，火焰根部位于外层波浪结构出口端，火焰位置处于下限位置，此时喷嘴工作于扩散燃烧模式，扩散燃烧容易点火、燃烧稳定，但火焰长度较长，燃烧完全性较差。其中，所述下限位置指的是外筒套管出口端与外层圆筒出口端在轴向对齐。接着，外筒套管15沿圆筒轴向向流体出口方向移动，喷嘴工作于过渡燃烧模式，火焰根部位于外筒套管出口端，火焰位置随着外筒套管的移动而被调节；如图5至图7所示，过渡燃烧模式下外筒套管15处于不同的位置。当火焰出现轻微不稳定状态或外筒套管15到达上限位置，气流通道中的燃料和空气在气流通道出口附近掺混，并由喷嘴喷出，在喷嘴出口附近燃烧，火焰根部位于外筒套管出口端，火焰位置随着外筒套管的移动而被调节至第一位置；此时喷嘴工作于预混燃烧模式，以提高燃烧反应速度、火焰传播速度以及燃烧完全性。其中，所述上限位置指的是外筒套管出口端与外层圆筒出口端在轴向错开10mm-1000mm。当火焰不稳定状态加剧或出现回火现象时，外筒套管15沿圆筒轴向向流体入口方向移动，直到火焰处于稳定状态或外筒套管15到达下限位置，火焰根部位于外筒套管出口端，火焰位置随着外筒套管的移动而被调节至第二位置。当喷嘴停止运行时，若外筒套管15未处于下限位置，则外筒套管15继续沿圆筒轴向向流体入口方向移动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调节喷嘴，其特征在于，包括：内层圆筒(12)、外层圆筒(11)、外筒套管(15)和N层外层波浪结构(30)；其中，所述N层外层波浪结构(30)夹设于内层圆筒(12)和外层圆筒(11)之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻外层波浪结构之间、外层波浪结构与内层圆筒(12)和外层圆筒(11)之间形成气流通道，所述外筒套管(15)套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，实现工作模式的切换和火焰位置的调节，其中，1≤N≤100。

【技术特征摘要】
1.一种可调节喷嘴，其特征在于，包括：内层圆筒(12)、外层圆筒(11)、外筒套管(15)和N层外层波浪结构(30)；其中，所述N层外层波浪结构(30)夹设于内层圆筒(12)和外层圆筒(11)之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻外层波浪结构之间、外层波浪结构与内层圆筒(12)和外层圆筒(11)之间形成气流通道，所述外筒套管(15)套设在外层圆筒外部并可沿圆筒轴向移动，实现工作模式的切换和火焰位置的调节，其中，1≤N≤100。2.如权利要求1所述的可调节喷嘴，其特征在于，还包括：步进电机(41)和螺杆(42)，所述步进电机(41)驱动螺杆(42)旋转，所述螺杆(42)连接外筒套管(15)，所述步进电机(41)和螺杆(42)共同带动外筒套管(15)沿圆筒轴向移动。3.如权利要求2所述的可调节喷嘴，其特征在于，还包括：还包括：火焰监测装置(64)和控制器(63)，所述控制器的状态输入端(62)连接火焰监测装置(64)，其控制输出端(61)连接步进电机(41)，所述火焰监测装置(64)监测火焰燃烧情况，并向控制器(63)发送监测信号，所述控制器(63)根据监测信号生成控制信号，并发送给步进电机(41)，所述步进电机(41)根据控制信号驱动螺杆(42)旋转，实现外筒套管(15)沿圆筒轴向移动，完成工作模式的切换和火焰位置的调节。4.如权利要求1所述的可调节喷嘴，其特征在于，所述内层圆筒内还设置有M层内层波浪结构(20)，相邻内层波浪结构之间、内层波浪结构与内层圆筒(12)之间形成气流通道，其中，1≤M≤100。5.如权利要求4所述的可调节喷嘴，其特征在于，所述内层波浪结构(20)和外层波浪结构(30)为沿径向起伏的K个波峰(21)和K个波谷(22)沿周向相间排列而成的环形结构，其中，2≤K≤1000。6.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李钢，雷志军，徐纲，朱俊强，徐燕骥，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11