[发明专利]一种喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器

说明书

一种喷嘴阵列及燃烧器，所述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。

技术领域

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。

发明内容

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级喷头为环形喷头，设置在所述第1级阶梯整流通道结构本身的流道内，所述主燃料管延伸出M个第1级支燃料管，均连接至一个第1级喷头，所述第1级支燃料管设置在所述第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收缩段及新增外壁平直段，第N-1，N-2，……，1级阶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2N-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阶梯整流通道结构及外壁之间的2N-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。