本發(fā)明涉及燃燒裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多尺度旋流霧化的噴嘴及燃燒器，其特別適用于燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐、化工爐等各種工業(yè)和民用燃燒器。

背景技術(shù)：

工業(yè)生產(chǎn)如冶煉、石化、制藥、造紙及采礦等行業(yè)會(huì)產(chǎn)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(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，而且還浪費(fèi)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(dāng)前我國(guó)環(huán)境污染問(wèn)題十分嚴(yán)重，發(fā)展相關(guān)清潔燃燒技術(shù)十分迫切。此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)、艦船用燃?xì)廨啓C(jī)也都需要燃燒器。燃燒器廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種清潔燃燒技術(shù)，如貧預(yù)混燃燒技術(shù)、稀相預(yù)混預(yù)蒸發(fā)技術(shù)、貧油直噴技術(shù)等，這些技術(shù)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(wèn)題。隨著3d打印技術(shù)的日益完善，燃?xì)廨啓C(jī)巨頭如通用、西門(mén)子都在大力發(fā)展基于3d打印技術(shù)的新型噴嘴設(shè)計(jì)方法。

因而，亟需開(kāi)發(fā)一種基于3d打印加工技術(shù)的摻混效果好、回火裕度寬、燃燒穩(wěn)定、污染物排放低的新型噴嘴及其燃燒器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種噴嘴、噴嘴陣列及燃燒器。

本發(fā)明一方面提供一種多尺度旋流霧化的噴嘴，包括軸對(duì)稱筒狀外壁、及設(shè)置在所述外壁內(nèi)的n級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和n級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)，所述n級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)包括第n，n-1，……，1級(jí)子噴嘴，所述n級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)包括第n，n-1，……，1級(jí)燃料管，第i級(jí)燃燒管末端設(shè)有第i級(jí)噴頭，所述第i級(jí)噴頭一一對(duì)應(yīng)的伸入第i級(jí)子噴嘴中，所述第i級(jí)子噴嘴為筒狀結(jié)構(gòu)，i＝1，2，3，……，n，包括n級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和n級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴在包括n-1級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和n-1級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴的基礎(chǔ)上形成，包括一級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和一級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴的第1級(jí)燃料管位于噴嘴軸線位置，第1級(jí)燃料管末端的第1級(jí)噴頭伸入至第1子噴嘴內(nèi)，所述第1子噴嘴與所述噴嘴及外壁共軸，包括二級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和二級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴由包括一級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和一級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴的第1級(jí)燃料管分叉延伸出m個(gè)第2級(jí)燃料管，其末端的第2級(jí)噴頭分別伸入至m個(gè)第2級(jí)子噴嘴內(nèi)，所述m個(gè)第2級(jí)子噴嘴圍繞第一子噴嘴呈圓周排布，包括n級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和n級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴，由包括n-1級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和n-1級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴的每一個(gè)第n-1級(jí)燃料管分叉延伸出2個(gè)第n級(jí)燃料管，分別向該第n-1級(jí)燃料管對(duì)應(yīng)的第n-1級(jí)子噴嘴垂直遠(yuǎn)離和靠近軸的兩側(cè)延伸，其中n≥2，m、n為正整數(shù)。

本發(fā)明另一方面提供一種燃燒器，包括至少一個(gè)前述的噴嘴。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

基于分形規(guī)律的多級(jí)旋流霧化噴嘴，可以有效防止火焰被吹熄；

噴嘴外壁為階梯擴(kuò)張形，可以降低流速，使流動(dòng)穩(wěn)定均勻，穩(wěn)定燃燒；

可以靈活調(diào)整子噴嘴的燃料流速和旋流強(qiáng)度，具有燃燒穩(wěn)定性好、污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例包括二級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和二級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴的半剖立體圖；

圖2為圖1的側(cè)視圖；

圖3為四級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的立體圖；

圖4為本發(fā)明一實(shí)施例包括一級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴半剖立體圖；

圖5為圖4的側(cè)視圖；

圖6為本發(fā)明一實(shí)施例包括三級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴的軸向截面圖；

圖7為本發(fā)明一實(shí)施例包括三級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴的俯視圖；

圖8為本發(fā)明另一實(shí)施例噴嘴包括三級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴的俯視圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

分形是對(duì)自相似圖形和結(jié)構(gòu)的總稱，是自然界中蘊(yùn)含的普適規(guī)律。本發(fā)明方法按分形理論設(shè)計(jì)子噴嘴結(jié)構(gòu)和燃料管結(jié)構(gòu)，子噴嘴結(jié)構(gòu)包括多級(jí)子噴嘴，燃料管結(jié)構(gòu)為多級(jí)分叉形。

本發(fā)明一實(shí)施例提供一種多尺度旋流霧化的噴嘴，包括軸對(duì)稱筒狀外壁、及設(shè)置在所述外壁內(nèi)的n級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和n級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)，所述n級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)包括第n，n-1，……，1級(jí)子噴嘴，所述n級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)包括第n，n-1，……，1級(jí)燃料管，第i級(jí)燃燒管末端設(shè)有包括第i級(jí)噴頭，所述第i級(jí)噴頭一一對(duì)應(yīng)的伸入第i級(jí)子噴嘴中，所述第i級(jí)子噴嘴為筒狀結(jié)構(gòu)，i＝1，2，3，……，n。

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例包括二級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和二級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴的半剖立體圖，圖2為圖1的側(cè)視圖，請(qǐng)參考圖1和圖2，噴嘴包括筒狀外壁10、和位于筒狀外壁10內(nèi)的二級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和二級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)，中間圓筒11為第1級(jí)子噴嘴，其容置有第1級(jí)燃料管21末端的第1級(jí)噴頭211，第1級(jí)燃料管21的第1級(jí)噴頭向第1級(jí)子噴嘴內(nèi)提供燃料，本實(shí)例中為燃油，其與氣體在第1子噴嘴內(nèi)形成霧化，第1級(jí)燃料管21位于筒狀外壁10和中間圓筒11的共同的軸線上，第1級(jí)燃料管分叉延伸出m個(gè)第2級(jí)燃料管，其末端的第2級(jí)噴頭221分別容置在m個(gè)第2級(jí)子噴嘴12中，所述m個(gè)第2級(jí)子噴嘴圍繞第一子噴嘴11呈圓周排布，本實(shí)施例中m優(yōu)選為8。

圖3為四級(jí)燃料管的半剖立體圖，為了顯示清晰，只顯示燃料管，略去其它結(jié)構(gòu)。燃料進(jìn)入主燃料管即第1級(jí)燃料管21后，經(jīng)過(guò)分叉后，進(jìn)入第2級(jí)燃料管22，再進(jìn)一步分叉依次進(jìn)入第3級(jí)燃料管23、及第4級(jí)燃料管24。各級(jí)燃料管的末端的各級(jí)噴頭均容置在相應(yīng)的各級(jí)子噴嘴中，

第1級(jí)燃料管21末端的第1級(jí)噴頭211容置在中間圓筒即第一級(jí)子噴嘴11中，形成第1級(jí)旋流霧化；第2級(jí)燃料管22末端的第2級(jí)噴頭221容置在第2級(jí)子噴嘴12中；第3級(jí)燃料管23末端的第3級(jí)噴頭容置在第3級(jí)子噴嘴13中，第4級(jí)燃料管24末端的第4級(jí)噴頭容置在第4級(jí)子噴嘴中，依次類推，可以擴(kuò)展至n級(jí)。

燃料管結(jié)構(gòu)分形規(guī)律如下，燃料主管即第1級(jí)燃料管21分叉出m個(gè)沿周向均布的第2級(jí)燃料管22優(yōu)選為8根；每根第2級(jí)燃料管22分叉2根第3級(jí)燃料管23；每根第3級(jí)燃料管23分叉2根第4級(jí)燃料管24，直至第n-1級(jí)支管分叉出2根第n級(jí)支管；也就是說(shuō)，對(duì)于n＞1，下一級(jí)支管數(shù)量是上一級(jí)支管數(shù)量的2倍。隨著級(jí)數(shù)增加，各級(jí)燃料管直徑減小且各級(jí)子噴嘴截面積減小。

下面噴嘴的多級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方式，包括n級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴在包括n-1級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴的基礎(chǔ)上形成，請(qǐng)參考圖4和圖5，分別包括一級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴半剖立體圖及軸向截面圖，為了方便說(shuō)明，圖中未示出燃料管結(jié)構(gòu)。包括一級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴的外壁10和中間圓筒即第1級(jí)子噴嘴11的剖面線均由5段直線構(gòu)成，相鄰直線之間帶有圓弧倒角。噴嘴外壁剖面線呈現(xiàn)階梯擴(kuò)張形，流道擴(kuò)張可以降低流體速度，有助于穩(wěn)定燃燒。噴嘴外壁10有兩個(gè)擴(kuò)張段第一外壁擴(kuò)張段10_2和第二外壁擴(kuò)張段10_4，這兩個(gè)擴(kuò)張段通過(guò)3個(gè)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連接起來(lái)。中間圓筒呈現(xiàn)先擴(kuò)張后收縮的形狀，中間圓筒的3個(gè)平直段——第一中間圓筒平直段11_1、第二中間圓筒平直段11_3、第三中間圓筒平直段11_5與噴嘴外壁的3個(gè)平直段處于同一軸向位置，構(gòu)成3個(gè)平直流道。中間圓筒擴(kuò)張段11_2與噴嘴第一外壁擴(kuò)張段10_2處于同一軸向位置，構(gòu)成傾斜流道；中間圓筒收縮段11_4與第二外壁擴(kuò)張段10_4處于同一軸向位置，構(gòu)成擴(kuò)張形流道。

對(duì)比圖1、2和圖4、5可見(jiàn)，包括二級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴比包括一級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴的外壁和中間圓筒的剖面線增加了2段，其中，噴嘴外壁剖面線增加了擴(kuò)張段和平直段，中間圓筒剖面線增加了收縮段和平直段。噴嘴外壁和中間圓筒增加的2段剖面線與其上游的3段剖面線之間構(gòu)成了流道，在其中放置與基本分形單元圖4、5里中間圓筒結(jié)構(gòu)相同且流道截面積縮小的結(jié)構(gòu)作為第2級(jí)子噴嘴，這樣就構(gòu)成了包括二級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴。

圖6和7示出了包括三級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴的截面圖和俯視圖，其噴嘴外壁和中間圓筒剖面有9段直線，可由包括二級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴形成，如7所以，相鄰級(jí)子噴嘴位于周向的相同位置，依照前述規(guī)律，對(duì)于包括n級(jí)子嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴，其在包括n-1級(jí)自噴嘴結(jié)構(gòu)的噴嘴的基礎(chǔ)上形成，包括n-1級(jí)子噴嘴結(jié)構(gòu)和n-1級(jí)燃料管結(jié)構(gòu)的噴嘴的外壁向噴嘴出口方向依次延伸出新增外壁擴(kuò)張段及新增外壁平直段，第n-1，n-2，……，1級(jí)子噴嘴的筒壁向噴嘴出口方向依次延伸出新增筒壁平直段，每一第n-1級(jí)子噴嘴垂直遠(yuǎn)離和靠近軸的兩側(cè)分別設(shè)置一第n級(jí)子噴嘴，所述每一第n級(jí)子噴嘴具有與由噴嘴入口至噴嘴出口方向包括順序連接的第n級(jí)子噴嘴的第一筒壁平直段、筒壁擴(kuò)張段、第二筒壁平直段、筒壁收縮段以及第三筒壁平直段，

所述第n級(jí)子噴嘴的筒壁收縮段及筒壁擴(kuò)張段分別與第n-1，n-2，……，1級(jí)子噴嘴的從噴嘴出口開(kāi)始向噴嘴入口出現(xiàn)的前兩個(gè)收縮段以及外壁從噴嘴出口開(kāi)始向噴嘴入口出現(xiàn)的前兩個(gè)擴(kuò)張段處于相同軸向位置，所述第n級(jí)子噴嘴的第三筒壁平直段、第二筒壁平直段及第一筒壁平直段分別與第n-1，n-2，……，1級(jí)子噴嘴及外壁的從噴嘴出口開(kāi)始向噴嘴入口出現(xiàn)的前三個(gè)平直段處于相同軸向位置。

本是實(shí)施例中，在各級(jí)子噴嘴內(nèi)及各級(jí)子噴嘴之間，以及子噴嘴與外壁之間設(shè)置旋流葉片6，位于子噴嘴筒壁平直段與子噴嘴內(nèi)整流橢球體之間的旋流葉片用于強(qiáng)化子噴嘴的燃油霧化及其與空氣的摻混；位于中間圓筒第二筒壁平直段與整流球體之間的旋流葉片用于強(qiáng)化子噴嘴的燃油霧化及其與空氣的摻混；中間圓筒與噴嘴外壁之間的旋流葉片，位于噴嘴外壁與中間圓筒的第二平直段內(nèi)，用于促進(jìn)空氣旋流穩(wěn)定燃燒；子噴嘴外壁的旋流葉片，一端位于子噴嘴外壁平直段上，另一端分別位于噴嘴外壁和中間圓筒上，用于固定子噴嘴，以及促進(jìn)空氣旋流穩(wěn)定燃燒。優(yōu)選地，下一級(jí)子噴嘴內(nèi)旋流葉片的偏轉(zhuǎn)角度大于上一級(jí)子噴嘴內(nèi)旋流葉片的偏轉(zhuǎn)角度。優(yōu)選子噴嘴外的旋流葉片與子噴嘴內(nèi)的旋流葉片的偏轉(zhuǎn)方向相反，這樣它們使流體旋轉(zhuǎn)的方向相反，更有助于穩(wěn)定燃燒。

本實(shí)施中，在各級(jí)子噴嘴內(nèi)部可以設(shè)置整流球體4。子噴嘴內(nèi)的整流球體有以下作用：固定子噴嘴內(nèi)次旋流葉片的作用；整流作用，可以使流道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)更加均勻穩(wěn)定；穩(wěn)定燃燒作用，在噴嘴出口附近，其尾跡的低速區(qū)可以穩(wěn)定燃燒；調(diào)節(jié)流量作用，改變其截面大小可以改變?cè)摿鞯赖牧髁?。其截面形狀可以為圓形、橢圓形、多邊形，優(yōu)選為橢圓形，橢球體的兩端分別伸入流道的擴(kuò)張段和收縮段，這樣更有助于流動(dòng)的均勻穩(wěn)定。

通過(guò)改變子噴嘴截面積和旋流葉片角度，可以靈活調(diào)整子噴嘴出口燃料流速和旋流強(qiáng)度，優(yōu)選地，隨著級(jí)數(shù)增加，子噴嘴出口燃料流速逐漸降低，且子噴嘴內(nèi)旋流葉片與中軸線夾角的角度逐漸增大，也就是說(shuō)，最后一級(jí)子噴嘴出口的燃料流速最小，且最后一級(jí)子噴嘴內(nèi)旋流葉片與其中軸向夾角最大。這樣可以增強(qiáng)穩(wěn)定燃燒效果。

本實(shí)施例中，各級(jí)燃料管內(nèi)可以設(shè)置網(wǎng)孔板5，用來(lái)調(diào)節(jié)各級(jí)燃料管內(nèi)燃油的流量，優(yōu)選下一級(jí)燃料管內(nèi)網(wǎng)孔板的開(kāi)孔率大于上一級(jí)燃料管內(nèi)網(wǎng)孔板的開(kāi)孔率，也就是說(shuō)，下一級(jí)子噴嘴出口的油氣比大于上一級(jí)子噴嘴出口的油氣比。

本發(fā)明另一實(shí)施例還提供一種多尺度旋流霧化的噴嘴，為了達(dá)到簡(jiǎn)要說(shuō)明的目的，上述實(shí)施例中任何可作相同應(yīng)用的技術(shù)特征敘述皆并于此，無(wú)需再重復(fù)相同敘述。

請(qǐng)參見(jiàn)圖8，本實(shí)施例較上一實(shí)施例不同在于，下一級(jí)子噴嘴與上一級(jí)子噴嘴不位于周向相同位置，而是錯(cuò)開(kāi)一定角度，這樣更有助于穩(wěn)定燃燒。

本發(fā)明又實(shí)施例提供了一種燃燒器，其包括上述實(shí)施例所述的噴嘴。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明有了清楚的認(rèn)識(shí)。

需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，上述對(duì)各元件的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換，例如：

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

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

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。