CN105783031B - 一种集成等离子激励器、喷嘴阵列和燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成等离子激励器的喷嘴，包括：内层圆筒、外层圆筒、M层内层波浪结构、N层外层波浪结构以及设置于内层圆筒内的中心电极结构；M层内层波浪结构夹设于内层圆筒和中心电极结构之间，N层外层波浪结构夹设于内层圆筒和外层圆筒之间，内层圆筒和中心电极结构沿流体出口方向突出于内层波浪结构，中心电极结构与内层圆筒构成一等离子激励器。本发明通过调节中心电极结构的电压值，可以调节喷嘴的工作状态，有效避免熄火和回火情况的发生，提高了喷嘴的燃烧稳定性。

Description

一种集成等离子激励器、喷嘴阵列和燃烧器

技术领域

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种集成等离子激励器的喷嘴和喷嘴阵列，其特别适用于燃气轮机、锅炉、化工炉等各种工业燃烧器。

背景技术

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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种集成等离子激励器的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。

(二)技术方案

本发明提供了一种集成等离子激励器的喷嘴，包括：内层圆筒12、外层圆筒11、M层内层波浪结构20、N层外层波浪结构30以及设置于所述内层圆筒内的中心电极结构40；其中，所述M层内层波浪结构20夹设于所述内层圆筒12和中心电极结构40之间，其沿圆筒径向四周依次排列，所述N层外层波浪结构30夹设于所述内层圆筒12和外层圆筒11之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻内层波浪结构之间、相邻外层波浪结构之间、内层波浪结构与中心电极结构40和内层圆筒12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；所述内层圆筒12和中心电极结构40沿流体出口方向突出于内层波浪结构，所述中心电极结构40与内层圆筒12构成一等离子激励器，其中，1≤N、M≤100。

本发明还提供了一种喷嘴阵列，包括多个集成等离子激励器的喷嘴，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。

本发明还提供了一种燃烧器，其多个集成等离子激励器的喷嘴，或者喷嘴阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的集成等离子激励器的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：

(1)通过调节中心电极结构的电压值，可以调节喷嘴的工作状态，有效避免熄火和回火情况的发生，提高了喷嘴的燃烧稳定性；

(2)采用火焰监测装置和控制器可以准确检测火焰燃烧状态，自动调整中心电极结构的电压，调节方式更灵活可控，增强了调节的灵活性和精确性，无需人工参与，保证了喷嘴的燃烧稳定性；

(3)中心电极结构的圆锥体顶端可以抑制流动分离、提高燃料和空气掺混效果、减小流动损失，提高了喷嘴燃烧效率；

(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NO_x的生成，减小流动损失、防止发生回火。

附图说明

图1为本发明实施例的集成等离子激励器的喷嘴的三维图；

图2为图1所示集成等离子激励器的喷嘴的俯视图；

图3为图1所示集成等离子激励器的喷嘴的半剖图；

图4为本发明实施例的内层波浪结构三维图；

图5为本发明实施例的外层波浪结构三维图；

图6为本发明实施例的中心电极结构半剖图；

图7(a)、图7(b)、图7(c)为本发明实施例的第一高度的旋流波浪结构，其斜流通道旋转方向为顺时针旋转，斜流通道与轴向的夹角分别为30°、45°和60°；图7(d)、图7(e)、图7(f)本发明实施例的二分之一第一高度的旋流波浪结构，其斜流通道旋转方向为顺时针旋转，斜流通道与轴向的夹角分别为30°、45°和60°。

【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；

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；32-外层波浪结构外侧流道；33-外层波浪结构内侧流道；

40-中心电极结构；41-外壁；42-尖端电极；43-中心电极；

50-高压电源；51-高压端；52-接地端；53-控制输入端；

60-控制系统；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

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。

参见图1至图7，本发明第一实施例的集成等离子激励器的喷嘴，其包括：内层圆筒12、外层圆筒11以及设置于内层圆筒内的中心电极结构40；M层内层波浪结构20夹设于内层圆筒12和中心电极结构40之间，其沿圆筒径向四周依次排列，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；相邻内层波浪结构之间、相邻外层波浪结构之间、内层波浪结构20与中心电极结构40和内层圆筒12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，内层圆筒12和中心电极结构40沿流体出口方向突出于内层波浪结构20，中心电极结构40与内层圆筒12构成一等离子激励器，其中，1≤N、M≤100。在图1至图3中，所述N和M取1。

优选地，所述中心电极结构40为圆柱体，其包括外壁41、中心电极43和尖端电极42，外壁41包裹中心电极43，尖端电极42固定于中心电极顶端，尖端电极42与内层圆筒12构成一等离子激励器。

优选地，外壁41由绝缘材料加工而成，绝缘材料可以为陶瓷、聚四氟乙烯、石英玻璃；中心电极43由铜、银、铝、不锈钢材料制成；尖端电极与中心电极43采用螺纹连接或插入式连接，以便于尖端电极损耗后及时更换，和尖端电极可以由钨、钼制成。

如图4和图5所示，优选地，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，相邻两层内层波浪结构的波峰21和波谷22之间、相邻两层外层波浪结构的波峰21和波谷22之间、最内层的内层波浪结构与中心电极结构40之间、最外层的内层波浪结构与内层圆筒12之间、最内层的外层波浪结构与内层圆筒12之间以及最外层外层波浪结构与外层圆筒11之间形成气流通道，其中，2≤K≤1000。

优选地，相邻两层外层波浪结构的波峰21和波谷22之间、最内层的外层波浪结构与内层圆筒12之间以及最外层外层波浪结构与外层圆筒11之间的气流通道的燃料为低热值不易燃烧气体；相邻两层内层波浪结构的波峰21和波谷22之间、最内层的内层波浪结构与中心电极结构40之间、最外层的内层波浪结构与内层圆筒12之间的气流通道的燃料为易于燃烧的气体，燃烧易于燃烧的气体作为值班火焰，防止喷嘴熄火。

优选地，内层波浪结构和外层波浪结构的入口端截面形状可以为圆环形或多边环形；内层波浪结构和外层波浪结构的出口端截面形状可以为正弦波形、方波形、三角波形、带有圆形倒角的方波形；内层波浪结构和外层波浪结构的引导线为直线或曲线。内层波浪结构和外层波浪结构的加工方式可以为整体3D打印、挤压成型、整体铸造、整体车铣；或者分块挤压成型、分块铸造、分块车铣，然后焊接成一体。

优选地，内层波浪结构出口端与内层圆筒出口端的距离为1mm～1000mm；外层波浪结构出口端与内层圆筒出口端或外层圆筒出口端的距离为0mm～1000mm。

本发明第一实施例的集成等离子激励器的喷嘴，燃料和空气经由不同的气流通道进入喷嘴，由内层圆筒12和中心电极结构40之间的气流通道喷出的燃料和空气，在内层圆筒12、中心电极结构40与内层波浪结构形成的空间掺混，等离子激励器的尖端电极与内层圆筒出口端放电产生等离子体，等离子激励器作为喷嘴的点火器，启动喷嘴工作。

优选地，中心电极结构的电压可调节，中心电极结构40与内层圆筒12构成一可调节等离子激励器。

本发明第一实施例的集成等离子激励器的喷嘴，喷嘴工作前，中心电极结构的电压为零，逐渐增大中心电极结构的电压至点火电压，燃料和空气的混合物进入喷嘴器并点火，喷嘴进入工作状态。

喷嘴进入工作状态后，观测火焰稳定性，当发现火焰远离喷嘴出口时，逐渐增大中心电极结构的电压，直至火焰稳定，停止增大中心电极结构的电压；当观测到发生回火时，将中心电极结构的电压降为零，直至退出回火状态，再逐渐增大中心电极结构的电压直至火焰稳定。

喷嘴停止工作后，将中心电极结构的电压降为零。

本发明第一实施例的集成等离子激励器的喷嘴，通过调节中心电极结构的电压值，可以调节喷嘴的工作状态，增大等离子激励器的电压来强化燃烧，减小等离子激励器的电压来防止回火，控制方式灵活有效，可以有效避免熄火和回火情况的发生，极大地提高了喷嘴的燃烧稳定性。

本发明第二实施例的集成等离子激励器的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

该喷嘴还包括高压电源50和控制系统60，控制系统60包括控制器63和火焰监测装置64，火焰监测装置64布置在喷嘴出口，用于检测火焰稳定性，高压电源的高压端51连接中心电极结构的中心电极43，其接地端52连接内层圆筒12，其控制输入端53连接控制器的控制输出端61，控制器的状态输入端62连接火焰监测装置64，高压电源50用于为等离子激励器提供工作电压，控制器63用于接收火焰监测装置检测的火焰状态，并控制高压电源的输出电压。

优选地，控制器63为单片机。

本发明第二实施例的集成等离子激励器的喷嘴，喷嘴工作前，高压电源高压端的输出电压为零，控制器63指令逐渐增大高压电源高压端的输出电压至点火电压，燃料和空气的混合物进入喷嘴器并点火，喷嘴进入工作状态。

喷嘴进入工作状态后，火焰监测装置64检测火焰稳定性，当发现火焰远离喷嘴出口时，控制器63指令逐渐增大高压电源高压端的输出电压，直至火焰稳定，停止增大高压电源高压端的输出电压；当火焰监测装置64观测到发生回火时，控制器63指令将高压电源高压端的输出电压降为零，直至退出回火状态，控制器63再指令逐渐增大高压电源高压端的输出电压直至火焰稳定。

喷嘴停止工作后，控制器63指令将高压电源高压端的输出电压降为零。

本发明第二实施例的集成等离子激励器的喷嘴，可以准确检测火焰燃烧状态，自动调整中心电极结构的电压，调节方式更灵活可控，增强了调节的灵活性和精确性，无需人工参与，保证了喷嘴的燃烧稳定性。

优选地，高压电源高压端的输出电压波形可以为连续的正弦波、方波、三角波、锯齿波，也可以为脉冲波。

本发明第三实施例的集成等离子激励器的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

如图6所示，所述外壁顶端、中心电极顶端和尖端电极42均为锥形结构，构成一顶端为圆锥体的中心电极结构40。

本发明第三实施例的集成等离子激励器的喷嘴，中心电极结构的圆锥体顶端可以抑制由内层圆筒12和中心电极结构40之间的气流通道喷出的燃料和空气的流动分离、提高燃料和空气掺混效果、减小流动损失，提高了喷嘴燃烧效率。

本发明第四实施例的集成等离子激励器的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

内层波浪结构20为直通道波浪结构，外层波浪结构30为旋流波浪结构，相邻直通道波浪结构之间、最内层直通道波浪结构与中心电极结构40之间、最外层直通道波浪结构与内层圆筒12之间形成的气流通道为直流通道31，相邻旋流波浪结构之间、最内层旋流波浪结构与内层圆筒12之间、最外层旋流波浪结构与外层圆筒11之间形成的气流通道为斜流通道23，该斜流通道23由旋流波浪结构的底端向顶端延伸、并与轴向具有一预设角度。

优选地，在斜流通道旋转方向为逆时针旋转情况下，斜流通道23与轴向的夹角范围为-90°至0°，优选为-30°至-60°；或斜流通道旋转方向为顺时针旋转情况下，斜流通道23与轴向的夹角范围为0°至90°，优选为30°至60°。如图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)、图7(e)、图7(f)所示，其分别为具有第一高度和第二高度(第一高度的一半)的旋流波浪结构，其斜流通道旋转方向为顺时针旋转，斜流通道23与轴向的夹角分别为30°、45°和60°。

本发明第四实施例的集成等离子激励器的喷嘴，流经斜流通道的燃料和空气，在斜流通道的作用下，沿轴向运动向喷嘴外侧流动，同时还会沿圆周方向旋转运动，当燃料和空气流出喷嘴后，在该周向旋转的作用下，在喷嘴出口流体扩张并在中心轴附近产生低速区，该低速区使得火焰燃烧速率与反应流体流场速率均衡，防止熄火和火焰脉动现象的发生，提高了燃烧的稳定性；流经直流通道的燃料和空气，由于未受到旋流作用，在喷嘴出口依然保持轴向运动而不产生涡破碎和强回流区，减少了燃烧反应物在高温区的驻留时间，降低了NO_x生成，同时还可以减小流动损失、防止发生回火。

本发明第五实施例的集成等离子激励器的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

内层波浪结构20还包括支撑圆筒24，该支撑圆筒的顶端与内层波浪结构的波峰和波谷的底端连接，相邻支撑圆筒之间、最内层支撑圆筒与中心电极结构40之间、最外层支撑圆筒与内层圆筒12之间形成引流通道，该引流通道与内层波浪结构形成的直流通道连通。

外层波浪结构30还包括支撑圆筒24，该支撑圆筒的顶端与外层波浪结构的波峰和波谷的底端连接，最内层支撑圆筒与内层圆筒12之间、最外层支撑圆筒与外层圆筒11之间形成引流通道，该引流通道与外层波浪结构形成的斜流通道连通。

如图3所示，支撑圆筒24与外层圆筒11、内层圆筒12、中心电极结构40之间形成外层波浪结构外侧流道32，外层波浪结构内侧流道33；内层波浪结构外侧流道13和内层波浪结构内侧流道14。

本发明第五实施例的集成等离子激励器的喷嘴，支撑圆筒起到导流作用，使得燃料和空气流速更平稳、流场更稳定，可进一步提高燃烧的稳定性、完全性和效率。

本发明第六实施例提供了一种喷嘴阵列，其包括多个上述任一实施例所述的集成等离子激励器的喷嘴。

其中，该喷嘴阵列为圆形阵列，该圆形阵列包括P圈喷嘴，每圈喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100。

其中，该喷嘴阵列为矩形阵列，该矩形阵列包括P行喷嘴，每行喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100。

本发明第七实施例提供了一种燃烧器，其包括上述第一至四实施例中任一实施例所述的集成等离子激励器的喷嘴，或第五实施例所述的喷嘴阵列。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的雾化集成等离子激励器的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)波浪结构和中心电极结构还可以选用其他结构；

(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明的一种集成等离子激励器、喷嘴阵列和燃烧器，通过调节中心电极结构的电压值，可以调节喷嘴的工作状态，有效避免熄火和回火情况的发生，提高了喷嘴的燃烧稳定性；采用火焰监测装置和控制器可以准确检测火焰燃烧状态，自动调整中心电极结构的电压，调节方式更灵活可控，增强了调节的灵活性和精确性，无需人工参与，保证了喷嘴的燃烧稳定性；中心电极结构的圆锥体顶端可以抑制流动分离、提高燃料和空气掺混效果、减小流动损失，提高了喷嘴燃烧效率；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NO_x的生成，减小流动损失、防止发生回火。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种集成等离子激励器的喷嘴，其特征在于，包括：内层圆筒(12)、外层圆筒(11)、M层内层波浪结构(20)、N层外层波浪结构(30)以及设置于所述内层圆筒内的中心电极结构(40)；其中，

所述M层内层波浪结构(20)夹设于所述内层圆筒(12)和中心电极结构(40)之间，其沿圆筒径向四周依次排列，所述N层外层波浪结构(30)夹设于所述内层圆筒(12)和外层圆筒(11)之间，其沿圆筒径向四周依次排列；相邻内层波浪结构之间、相邻外层波浪结构之间、内层波浪结构与中心电极结构(40)和内层圆筒(12)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；

所述内层圆筒(12)和中心电极结构(40)沿流体出口方向突出于内层波浪结构，所述中心电极结构(40)与内层圆筒(12)构成一等离子激励器，其中，1≤N、M≤100；

所述中心电极结构(40)包括外壁(41)、中心电极(43)和尖端电极(42)，所述外壁(41)包裹所述中心电极(43)，所述尖端电极(42)固定于中心电极顶端，所述尖端电极(42)与内层圆筒(12)构成一等离子激励器，所述外壁顶端、中心电极顶端和尖端电极(42)均为锥形结构，构成一顶端为圆锥体的中心电极结构；

所述中心电极结构的电压可调节，所述中心电极结构(40)与内层圆筒(12)构成一可调节等离子激励器；其中，

喷嘴工作前，所述中心电极结构的电压为零，所述中心电极结构的电压逐渐增大至点火电压，燃料和空气的混合物进入喷嘴器并燃烧，喷嘴进入工作状态；

喷嘴进入工作状态后，当火焰远离喷嘴出口时，所述中心电极结构的电压逐渐增大，直至火焰稳定；当发生回火时，所述中心电极结构的电压降为零，直至退出回火状态，所述中心电极结构的电压再逐渐增大直至火焰稳定；

喷嘴停止工作后，所述中心电极结构的电压降为零。

2.如权利要求1所述的集成等离子激励器的喷嘴，其特征在于，还包括：高压电源(50)和控制系统(60)，所述控制系统(60)包括控制器(63)和火焰监测装置(64)，所述火焰监测装置(64)布置在喷嘴出口，用于检测火焰稳定性，所述高压电源(50)连接中心电极结构(40)和内层圆筒(12)，并连接所述控制器(63)，所述控制器(63)连接所述火焰监测装置(64)，其用于接收火焰监测装置检测的火焰状态，并控制高压电源的输出电压，为等离子激励器提供工作电压。

3.如权利要求1所述的集成等离子激励器的喷嘴，其特征在于，所述外壁的材料为陶瓷、聚四氟乙烯或石英玻璃；和/或所述中心电极的材料为铜、银、铝或不锈钢材料；和/或所述尖端电极(42)与中心电极(43)采用螺纹连接或插入式连接；和/或所述尖端电极的材料为钨或钼。

4.如权利要求1所述的集成等离子激励器的喷嘴，其特征在于，所述内层波浪结构(20)为直通道波浪结构，相邻直通道波浪结构之间、最内层直通道波浪结构与所述中心电极结构(40)之间、最外层直通道波浪结构与所述内层圆筒(12)之间形成的气流通道为直流通道(31)；

所述外层波浪结构(30)为旋流波浪结构，相邻旋流波浪结构之间、最内层旋流波浪结构与内层圆筒(12)之间、最外层旋流波浪结构与外层圆筒(11)之间形成的气流通道为斜流通道(23)，所述斜流通道(23)由旋流波浪结构的底端向顶端延伸、并与轴向具有一预设角度。

5.如权利要求4所述的集成等离子激励器的喷嘴，其特征在于，所述斜流通道的旋转方向为逆时针方向，所述斜流通道(23)与轴向的夹角范围为-30°至-60°；或所述斜流通道的旋转方向为顺时针方向，所述斜流通道(23)与轴向的夹角为30°至60°。

6.如权利要求4所述的集成等离子激励器的喷嘴，其特征在于，所述内层波浪结构(20)还包括支撑圆筒(24)，所述支撑圆筒的顶端与内层波浪结构的底端连接，相邻支撑圆筒之间、最内层支撑圆筒与中心电极结构(40)之间、最外层支撑圆筒与内层圆筒(12)之间形成引流通道，所述引流通道与内层波浪结构形成的直流通道连通；

所述外层波浪结构(30)还包括支撑圆筒(24)，所述支撑圆筒的顶端与外层波浪结构的底端连接，最内层支撑圆筒与内层圆筒(12)之间、最外层支撑圆筒与外层圆筒(11)之间形成引流通道，所述引流通道与外层波浪结构形成的斜流通道连通。

7.一种喷嘴阵列，其特征在于，包括多个权利要求1至6中任一项权利要求所述的集成等离子激励器的喷嘴，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。

8.一种燃烧器，其特征在于，其包括权利要求1-6中任一项权利要求所述的集成等离子激励器的喷嘴，或者权利要求7所述的喷嘴阵列。