本發(fā)明涉及燃燒裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒及燃燒器，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)的新型火焰筒設(shè)計(jì)方法。

傳統(tǒng)燃燒室采用單火焰筒設(shè)計(jì)方法，存在火焰筒尺寸過(guò)長(zhǎng)、燃燒強(qiáng)度不夠、出口溫度分布不均勻的問(wèn)題，因而，亟需開(kāi)發(fā)一種基于3d打印加工技術(shù)的新型火焰筒。

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n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒及燃燒器。

本發(fā)明一方面提供一種n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒，其特征在于，包括軸對(duì)稱筒狀外壁以及設(shè)置于所述外壁內(nèi)的軸對(duì)稱的第n，n-1，……，1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)，所述外壁與所述第n，n-1，……，1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)共軸，在所述火焰筒的經(jīng)過(guò)對(duì)稱軸的軸向截面中：對(duì)于一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒，所述外壁由火焰筒入口至火焰筒出口方向包括順序連接的第一外壁平直段、第一外壁擴(kuò)張段、第二外壁平直段、第二外壁擴(kuò)張段以及第三外壁平直段，第1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)為筒狀結(jié)構(gòu)，包括由火焰筒入口至火焰筒出口方向包括順序連接的第一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)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，所述第一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)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分別與所述外壁的第一外壁平直段、第一外壁擴(kuò)張段、第二外壁平直段、第二外壁擴(kuò)張段以及第三外壁平直段處于相同軸向位置，n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒在n-1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的基礎(chǔ)上形成，n-1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的外壁向火焰筒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)梯整流通道結(jié)構(gòu)的環(huán)管壁或筒壁向火焰筒出口方向依次延伸出新增環(huán)管壁或筒壁擴(kuò)張段及新增環(huán)管壁或筒壁平直段，第n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)包括2^n-2個(gè)管截面為鏡像結(jié)構(gòu)的環(huán)管狀結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置在n-1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的各級(jí)梯整流通道結(jié)構(gòu)及外壁之間的2^n-2個(gè)環(huán)形間隔流道處，每一管截面為鏡像結(jié)構(gòu)的且上下部均斷開(kāi)的環(huán)管狀結(jié)構(gòu)包括第n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)沿火焰筒入口至火焰筒出口方向上順序設(shè)置的第一環(huán)管壁平直段、環(huán)管壁擴(kuò)張段、第二環(huán)管壁平直段、環(huán)管壁收縮段以及第三環(huán)管壁平直段，所述第n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的環(huán)管壁收縮段及環(huán)管壁擴(kuò)張段分別與第n-1，n-2，……，1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的從火焰筒出口開(kāi)始向火焰筒入口出現(xiàn)的前兩個(gè)收縮段以及外壁從火焰筒出口開(kāi)始向火焰筒入口出現(xiàn)的前兩個(gè)擴(kuò)張段處于相同軸向位置，所述第n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的第三環(huán)管壁平直段、第二環(huán)管壁平直段及第一環(huán)管壁平直段分別與第n-1，n-2，……，1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)及外壁的從火焰筒出口開(kāi)始向火焰筒入口出現(xiàn)的前三個(gè)平直段處于相同軸向位置，其中n≥2，n為正整數(shù)。

優(yōu)選地，旋流器葉片設(shè)置在相鄰的各級(jí)梯整流通道結(jié)構(gòu)及外壁之間的2^n-1個(gè)環(huán)形間隔流道中的至少一個(gè)內(nèi)，呈環(huán)形排布，在相對(duì)于與軸垂直的面平行于軸偏轉(zhuǎn)一定角度，旋流器頁(yè)片與軸向夾角0°＜θ＜90°。

優(yōu)選地，所述旋流器葉片呈多個(gè)共軸的環(huán)狀排布，相鄰環(huán)狀上的旋流器葉片的偏轉(zhuǎn)反向相反。

優(yōu)選地，外圈旋流器葉片與軸向夾角θ外的絕對(duì)值大于內(nèi)圈旋流器葉片與軸向夾角θ內(nèi)的絕對(duì)值。

優(yōu)選地，外壁和/或第i級(jí)階梯結(jié)構(gòu)上的至少一段設(shè)置至少一排空氣孔，其中i＝1，2……，n。

優(yōu)選地，其中所述n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的外壁沿軸向向火焰筒出口方向延伸一溫度控制段。

優(yōu)選地，所述的溫度控制段與軸垂直的切面由圓形過(guò)調(diào)至多邊形或橢圓形。

優(yōu)選地，所述外壁和/或第i級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的相鄰各段之間包括圓弧倒角，其中i＝1，2……，n。

本發(fā)明另一方面提供一種燃燒器，包括至少一個(gè)前述的噴嘴或噴嘴陣列。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒，有助于提高燃燒強(qiáng)度、縮短火焰筒長(zhǎng)度、使火焰筒出口溫度分布更加均勻；

設(shè)置特定角度的旋流葉片防止回火及熄火；

外壁延伸出溫度控制段用于控制火焰溫度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例二級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的半剖立體圖；

圖2為圖1的側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的半剖立體圖；

圖4為圖3的側(cè)視圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例三級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的半剖立體圖；

圖6為圖5的側(cè)視圖；

圖7為本發(fā)明另一實(shí)施例三級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的半剖立體圖；

圖8為本發(fā)明又一實(shí)施例三級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的半剖立體圖；

圖9為在圖8變形例的半剖立體圖。

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)火焰筒，火焰筒為多級(jí)階梯結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種多級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒，請(qǐng)參考圖1和圖2，分別為本發(fā)明實(shí)施例二級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的半剖立體圖及側(cè)視圖，包括外壁1和作為第1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的中間圓筒2，在外壁1和中間圓筒2之間的環(huán)形間隔流道出口附近布置2個(gè)階梯形管壁形成第2級(jí)階梯結(jié)構(gòu)3，這兩個(gè)階梯形管壁的剖面曲線結(jié)構(gòu)相同、互為鏡像。內(nèi)圈旋流葉片4位于中間圓筒2與階梯形管壁之間；外圈旋流葉片5位于外壁1與階梯形管壁之間，優(yōu)選，內(nèi)圈旋流葉片4和外圈旋流葉片5的傾斜方向相反，這樣它們使流體旋轉(zhuǎn)的方向相反，更有助于穩(wěn)定燃燒。

下面說(shuō)明多級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的構(gòu)造方式，n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒在n-1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的基礎(chǔ)上形成，請(qǐng)參考圖3和圖4，分別為一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的半剖立體圖及側(cè)視圖。一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒包括外壁和作為第1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的中間圓筒2，如附圖3所示，外壁1和中間圓筒2的剖面線均由5條線段構(gòu)成，相鄰線段之間帶有圓弧倒角。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。外壁1有兩個(gè)擴(kuò)張段外壁第一擴(kuò)張段1_2和外壁第二擴(kuò)張段1_4，這兩個(gè)擴(kuò)張段通過(guò)3個(gè)平直段——外壁第一平直段1_1、外壁第二平直段1_3、外壁第三平直段1_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——中間圓筒第一平直段2_1、中間圓筒第二平直段2_3、中間圓筒第三平直段2_5與外壁的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2_2與外壁第一擴(kuò)張段1_2處于同一軸向位置，構(gòu)成傾斜流道；中間圓筒收縮段2_4與外壁第二擴(kuò)張段1_4處于同一軸向位置，構(gòu)成擴(kuò)張形流道。

對(duì)比圖2和圖4，可見(jiàn)，二級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒在一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的基礎(chǔ)上構(gòu)造完成，二級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的外壁1和中間圓筒2比一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的外壁1和中間圓筒2的剖面線增加了2段，其中，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。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)成了環(huán)形間隔流道，在其中設(shè)置第2級(jí)階梯結(jié)構(gòu)3，該第2級(jí)階梯結(jié)構(gòu)3為管截面為鏡像結(jié)構(gòu)的環(huán)管狀結(jié)構(gòu)，其截面如圖2中所示，與圖4中所示的第1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的中間圓筒的截面相似，剖面線亦包括5段結(jié)構(gòu)。

圖5和圖6分別為三級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的半剖立體圖及側(cè)視圖，其外壁和中間圓筒剖面有9段直線，可見(jiàn)對(duì)于n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒，其外壁和中間圓筒剖面直線數(shù)量為2n+3。對(duì)比圖2和圖6，可見(jiàn)三級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒為在二級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的基礎(chǔ)上形成，在二級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的外壁上向火焰筒出口方向延伸新增一擴(kuò)張段和一平直段構(gòu)成三級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的外壁，在二級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的第1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)(即中間圓筒)和第2級(jí)階梯結(jié)構(gòu)3向火焰筒出口方向延伸新增一收縮段和一平直段形成三級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的第1及第2級(jí)階梯結(jié)構(gòu)，并在外壁、第1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)及第2級(jí)階梯結(jié)構(gòu)3之間的2個(gè)環(huán)形間隔流道處設(shè)置第3級(jí)階梯結(jié)構(gòu)6，其為2個(gè)管截面為鏡像結(jié)構(gòu)的環(huán)管狀結(jié)構(gòu)，其截面如圖6中所示，與圖4中所示的第1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的中間圓筒的截面相似，剖面線亦包括5段結(jié)構(gòu)。

依照前述規(guī)律，對(duì)于n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒，其在n-1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的基礎(chǔ)上形成，n-1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的外壁向火焰筒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)梯整流通道結(jié)構(gòu)的環(huán)管壁或筒壁向火焰筒出口方向依次延伸出新增環(huán)管壁或筒壁擴(kuò)張段及新增環(huán)管壁或筒壁平直段，第n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)包括2^n-2個(gè)管截面為鏡像結(jié)構(gòu)的環(huán)管狀結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置在n-1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒的各級(jí)梯整流通道結(jié)構(gòu)及外壁之間的2^n-2個(gè)環(huán)形間隔流道處，每一管截面為鏡像結(jié)構(gòu)的且上下部均斷開(kāi)的環(huán)管狀結(jié)構(gòu)包括第n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)沿火焰筒入口至火焰筒出口方向上順序設(shè)置的第一環(huán)管壁平直段、環(huán)管壁擴(kuò)張段、第二環(huán)管壁平直段、環(huán)管壁收縮段以及第三環(huán)管壁平直段，所述第n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的環(huán)管壁收縮段及環(huán)管壁擴(kuò)張段分別與第n-1，n-2，……，1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的從火焰筒出口開(kāi)始向火焰筒入口出現(xiàn)的前兩個(gè)收縮段以及外壁從火焰筒出口開(kāi)始向火焰筒入口出現(xiàn)的前兩個(gè)擴(kuò)張段處于相同軸向位置，所述第n級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的第三環(huán)管壁平直段、第二環(huán)管壁平直段及第一環(huán)管壁平直段分別與第n-1，n-2，……，1級(jí)階梯結(jié)構(gòu)及外壁的從火焰筒出口開(kāi)始向火焰筒入口出現(xiàn)的前三個(gè)平直段處于相同軸向位置，其中n≥2，n為正整數(shù)。

下面分析火焰筒出口處流道的數(shù)目，圖4中一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒有2個(gè)出口；圖2中二級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒有4個(gè)出口；圖6中三級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒有8個(gè)出口。火焰筒出口數(shù)目分布規(guī)律符合規(guī)律2ⁿ，其中n為火焰筒的階梯結(jié)構(gòu)級(jí)數(shù)。

本實(shí)施例中，優(yōu)選n＝3，即采用圖5及圖6所示的三級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的火焰筒。

在本實(shí)施例中，請(qǐng)參見(jiàn)圖5及圖6，在中間圓筒外的間隔流道內(nèi)布置4圈旋流器葉片，優(yōu)選地，相鄰圈旋流器葉片的偏轉(zhuǎn)方向(即葉片安裝角的正負(fù))相反，這樣相鄰旋流器葉片使流體旋轉(zhuǎn)的方向相反，更有助于穩(wěn)定燃燒。旋流葉片與火焰筒軸線夾角θ介于0～±90°，優(yōu)選地，外圈旋流葉片與火焰筒軸線夾角θ外的絕對(duì)值大于內(nèi)圈旋流葉片與火焰筒軸線夾角θ內(nèi)的絕對(duì)值，采用該種設(shè)計(jì)可以使中軸附近旋流強(qiáng)度小、外圍旋流強(qiáng)度大，由于回火易發(fā)生在火焰的中部、吹熄首先往往發(fā)生在火焰的外圍，這樣設(shè)計(jì)既可以有效防止回火也可以防止熄火。

本發(fā)明另一實(shí)施例還提供一火焰筒，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7，本實(shí)施例較上一實(shí)施例不同在于，在外壁及每一級(jí)階梯結(jié)構(gòu)的每一段中均至少有一排空氣孔，在其他實(shí)施例中火焰筒的入口平直段和出口平直段可以不設(shè)置空氣孔。

本發(fā)明又一實(shí)施例還提供一種火焰筒，請(qǐng)參見(jiàn)圖8，本實(shí)施例較上述實(shí)施例不同在于，為了控制火焰筒出口的溫度，可以將火焰筒外壁沿軸向沿伸一溫度控制段，該溫度控制段垂直于軸的截面為圓形，在其他實(shí)施例中，請(qǐng)參見(jiàn)圖9，為了連接火焰筒下游部件，可以將火焰筒外壁軸向延伸的溫度控制段的出口由圓形過(guò)渡為矩形、多邊形、橢圓形等其它形狀。

本發(fā)明進(jìn)一步實(shí)施例提供了一種燃燒器，其包括上述實(shí)施例所述的火焰筒。

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)。