CN105864765A - 具有等离子体激励器的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有等离子体激励器的喷嘴，包括：外层圆筒、N层中间层圆筒、内层圆筒以及高压电源，外层圆筒内壁、中间层圆筒内壁和外壁均有一等离子体激励器；等离子体激励器诱导外层流道内燃料与空气的混合物旋转运动，内层流道的燃料与空气的混合物保持轴向运动而不产生旋转运动，外层流道流体旋转运动产生的离心力使流体在喷嘴出口扩张，降低喷嘴轴心处流体的轴向速度，提高了燃烧的稳定性；在喷嘴出口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NOx生成，同时可以减小流动损失、防止发生回火；可以根据燃烧状态自动调整高压电源的输出电压，提高了喷嘴的工作状态调节的精度和速度。

Description

具有等离子体激励器的喷嘴、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，尤其涉及一种具有等离子体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。因此，如何提高燃烧稳定性，降低NOx生成，减小流动损失、防止发生回火成为本领域亟待研究的课题。
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，本发明提供了一种具有等离子体激励器的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器。
(二)技术方案
本发明提供了一种具有等离子体激励器的喷嘴，包括：外层圆筒10、N层中间层圆筒、内层圆筒11以及高压电源20，其中，外层圆筒内壁、中间层圆筒内壁和外壁均覆盖有一绝缘材料层14，沿轴向延伸的M个裸露电极13和M个掩埋电极16交错设置在绝缘材料层14上，所述裸露电极13和掩埋电极16连接所述高压电源20，相邻两个裸露电极13和掩埋电极16组成一等离子体激励器；相邻两层圆筒之间通过支撑结构固定连接，内层圆筒内部形成内层流道18，相邻两层圆筒之间形成N+1个外层流道17，其中，0≤N≤100，1≤M≤1000。
优选地，各层圆筒的裸露电极和掩埋电极的排列方式均相同，即每个等离子激励器中的掩埋电极位于裸露电极的逆时针方向，或者掩埋电极位于裸露电极的顺时针方向，使得各层圆筒的等离子体激励器产生的旋流均为顺时针方向或均为逆时针方向。
优选地，内层圆筒外壁也覆盖有一绝缘材料层14，沿轴向延伸的M个裸露电极13和M个掩埋电极16交错设置在绝缘材料层14上，其中相邻两个裸露电极13和掩埋电极16组成一等离子体激励器。
优选地，外层圆筒出口端的厚度渐薄，形成喷嘴的扩张型出口15。
优选地，还包括：火焰稳定性监测装置41、温度传感器42和控制器30；其中，所述控制器的信号输出端33连接所述高压电源的控制输入端23，其第一信号输入端31连接所述火焰稳定性监测装置41，其第二信号输入端32连接所述温度传感器42；所述火焰稳定性监测装置41布置在喷嘴出口端，用于监测火焰的状态；所述温度传感器42布置在喷嘴的两个等离子体激励器之间，用于测试等离子体附近的温度，防止等离子体激励器引燃燃料和空气的混合物。
优选地，所述绝缘材料层的材料为聚四氟乙烯、石英玻璃或陶瓷。
优选地，所述高压电源的输出波形为连续的正弦波、方波、三角波、锯齿波；或者脉冲波。
优选地，所述支撑结构为对称设置的两组沿周向均匀分布的K个径向支撑柱12，其中，2≤K≤10。
本发明还提供了一种喷嘴阵列，包括多个上述任一种具有等离子体激励器的喷嘴，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，其包括上述任一种具有等离子体激励器的喷嘴，或者所述喷嘴阵列。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的具有等离子体激励器的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器具有以下有益效果：
(1)等离子体激励器诱导外层流道内燃料与空气的混合物旋转运动，而内层流道的燃料与空气的混合物不会受到等离子体激励作用，保持轴向运动而不产生旋转运动，外层流道流体旋转运动产生的离心力使流体在喷嘴出口扩张，同时降低喷嘴轴心处流体的轴向速度，提高了燃烧的稳定性；
(2)由于内层流道流体在喷嘴内部未受到旋流作用，因此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NOx生成，同时可以减小流动损失、防止发生回火；
(3)可以根据燃烧状态自动调整高压电源的输出电压，从而自动调整旋流强度，还可以防止等离子体引燃燃料和空气的混合物，提高了喷嘴的工作状态调节的精度和速度。
附图说明
图1为根据本发明实施例的具有等离子体激励器的喷嘴的三维图；
图2为图1所示喷嘴的半剖图；
图3为图1所示喷嘴略去外层圆筒的三维图；
图4为图1所示喷嘴的半剖标注尺寸图；
图5为根据本发明实施例的具有等离子体激励器的喷嘴的又一三维图；
图6为本发明实施例的具有等离子体激励器的喷嘴具有一中间层圆筒时的示意图。
【符号说明】
10-外层圆筒；11-内层圆筒；12-径向支撑柱；13-裸露电极；14-绝缘材料层；15-扩张形出口；16-掩埋电极；17-外层流道；18-内层流道；
20-高压电源；21-高压端；22-接地端；23-控制输入端；
30-控制器；31-第一信号输入端；32-第二信号输入端；33-信号输出端；41-火焰稳定性监测装置；42-温度传感器；
A-喷嘴的长度；B-电极长度；C-内层圆筒出口与喷嘴出口的距离；D-内层圆筒长度；E-内层圆筒外径；F-喷嘴外径；G-电极宽度。
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。
本发明第一实施例的具有等离子体激励器的喷嘴，其包括：外层圆筒10、N层中间层圆筒、内层圆筒11以及高压电源20，外层圆筒内壁、中间层圆筒内壁和外壁均覆盖有一绝缘材料层14，沿轴向延伸的M个裸露电极13和M个掩埋电极16交错设置在绝缘材料层14上，其中相邻两个裸露电极13和掩埋电极16组成一等离子体激励器，裸露电极13和掩埋电极16分别连接高压电源的高压端21和接地端22，相邻两层圆筒之间通过对称的两组沿周向均匀分布的K个径向支撑柱12固定连接，内层圆筒内部形成内层流道18，相邻两层圆筒之间形成N+1个外层流道17，其中，0≤N≤100，1≤M≤1000，2≤K≤10。
其中，各层圆筒的裸露电极和掩埋电极的排列方式均相同，即每个等离子激励器中的掩埋电极位于裸露电极的逆时针方向，或者掩埋电极位于裸露电极的顺时针方向，使得各层圆筒的等离子体激励器产生的旋流均为顺时针方向或均为逆时针方向。
优选地，内层圆筒外壁也覆盖有一绝缘材料层14，沿轴向延伸的M个裸露电极13和M个掩埋电极16交错设置在绝缘材料层14上，其中相邻两个裸露电极13和掩埋电极16组成一等离子体激励器。
优选地，绝缘材料层厚度为0.1～10mm，材料为聚四氟乙烯、石英玻璃、陶瓷。
优选地，外层圆筒出口端的厚度渐薄，以形成喷嘴的扩张型出口15。
优选地，裸露电极13和掩埋电极16为长条形电极，电极长度B与喷嘴的长度A的比值可以为1％～100％，电极宽度G可以为0.1mm～100mm。
其中，高压电源的输出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。
在图1至图5中，所述N为0，即喷嘴只包括外层圆筒10和内层圆筒11，外层圆筒10和内层圆筒11之间形成1个外层流道17；所述M为8，即外层圆筒内壁具有8个裸露电极和8个掩埋电极，相邻两个裸露电极和掩埋电极组成一等离子体激励器，共形成8个等离子体激励器，所述K为2，即外层圆筒10和内层圆筒11之间通过对称的两组沿周向均匀分布的2个径向支撑柱12固定连接。
其中，如图4所示，具有等离子体激励器的喷嘴长度A可以为10mm～1000mm；内层圆筒出口与喷嘴出口的距离C与喷嘴长度A之间的比值可以为1％～99％；内层圆筒长度D与喷嘴长度A之间的比值可以为1％～100％；内层圆筒外径E与喷嘴外径之间比值可以为1％～99％。
在图6中，所述N为1，即喷嘴包括外层圆筒、内层圆筒以及一层中间层圆筒，外层圆筒和中间层圆筒、中间层圆筒和内层圆筒之间共形成2个外层流道。
本发明第一实施例的具有等离子体激励器的喷嘴，喷嘴点火前，高压电源输出电压为零，燃料和空气的混合物进入喷嘴并点火，喷嘴进入工作状态，增大高压电源的输出电压，当输出电压达到预定值后停止继续增大电压，保持电压设定值，同时监测火焰稳定性，当发现火焰远离燃烧器出口时，逐渐增大高压电源的输出电压，直至火焰稳定，停止增大电压，同时监测等离子体温度，当等离子体温度超过设定的温度上限时，逐渐减小高压电源的输出电压，直至不再超温；当发生回火时，使高压电源的输出为零，直至退出回火状态，并增大输出电压至设定值。喷嘴停止工作后，使高压电源输出为零。高压电源的输出电压可以自动控制，也可以手动调整。
本发明第一实施例的具有等离子体激励器的喷嘴，该喷嘴由内层流道和外层流道组成，外层流道壁面上沿轴向布置多组等离子体激励器，等离子体激励可以诱导外层流道内燃料与空气的混合物旋转运动，而内层流道的燃料与空气的混合物不会受到等离子体激励作用，保持轴向运动而不产生旋转运动，外层流道流体旋转运动产生的离心力可以使流体在喷嘴出口扩张，同时降低喷嘴轴心处流体的轴向速度，这样可以稳定燃烧；由于内层流道流体在喷嘴内部未收到旋流作用，因此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，这样可以减少燃烧反应物在高温区的驻留时间，降低NOx生成，同时可以减小流动损失、防止发生回火，具有火焰稳定性好、流动损失小、回火裕度宽、污染物排放低的优点。
本发明第二实施例的具有等离子体激励器的喷嘴，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。
该具有等离子体激励器的喷嘴还包括：火焰稳定性监测装置41、温度传感器42和控制器30，控制器的信号输出端33连接高压电源的控制输入端23，其第一信号输入端31连接火焰稳定性监测装置41，其第二信号输入端32连接温度传感器42，火焰稳定性监测装置41布置在喷嘴出口端，用于监测火焰的状态。温度传感器42布置在喷嘴的两个等离子体激励器之间，用于测试等离子体附近的温度，防止等离子体激励器引燃燃料和空气的混合物。
其中，该控制器30优选为单片机。
本发明第二实施例的具有等离子体激励器的喷嘴，喷嘴点火前，高压电源的输出电压为零，燃料和空气的混合物进入喷嘴并点火，喷嘴进入工作状态，控制器发出指令增大高压电源的输出电压，当输出电压达到预定值后，控制器发出指令停止继续增大电压，保持电压设定值，同时通火焰稳定性监测装置监测火焰稳定性，当发现火焰远离喷嘴出口时，控制器发出指令逐渐增大高压电源的输出电压，直至火焰稳定，停止增大电压，同时通过温度传感器监测等离子体的温度，当温度传感测量值超过设定的温度上限时，控制器发出指令，逐渐减小高压电源的输出电压，直至不再超温；当火焰稳定性监测装置监测到发生回火时，控制器发出指令使高压电源的输出为零，直至退出回火状态，并增大输出电压至设定值。喷嘴停止工作后，控制器发出指令使高压电源的输出为零。
本发明第二实施例的具有等离子体激励器的喷嘴，可以根据燃烧状态自动调整高压电源的输出电压，从而自动调整旋流强度，还可以防止等离子体引燃燃料和空气的混合物，提高了喷嘴的工作状态调节的精度和速度。
本发明第三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具有等离子体激励器的喷嘴。
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。
本发明第四实施例提供了一种燃烧器，其包括上述第一、二实施例中任一实施例所述的具有等离子体激励器的喷嘴，或第三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具有等离子体激励器的喷嘴、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)等离子体激励器还可以选用其他形状的结构；
(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，本发明的具有等离子体激励器的喷嘴、喷嘴阵列和燃烧器，等离子体激励器可以诱导外层流道内燃料与空气的混合物旋转运动，而内层流道的燃料与空气的混合物不会受到等离子体激励作用，保持轴向运动而不产生旋转运动，外层流道流体旋转运动产生的离心力可以使流体在喷嘴出口扩张，同时降低喷嘴轴心处流体的轴向速度，这样可以稳定燃烧；由于内层流道流体在喷嘴内部未收到旋流作用，因此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，这样可以减少燃烧反应物在高温区的驻留时间，降低NOx生成，同时可以减小流动损失、防止发生回火，具有火焰稳定性好、流动损失小、回火裕度宽、污染物排放低的优点；同时，可以根据燃烧状态自动调整高压电源的输出电压，从而自动调整旋流强度，还可以防止等离子体引燃燃料和空气的混合物，提高了喷嘴的工作状态调节的精度和速度。
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 (10)

1.一种具有等离子体激励器的喷嘴，其特征在于，包括：外层圆筒(10)、N层中间层圆筒、内层圆筒(11)以及高压电源(20)，其中，
外层圆筒内壁、中间层圆筒内壁和外壁均覆盖有一绝缘材料层(14)，沿轴向延伸的M个裸露电极(13)和M个掩埋电极(16)交错设置在绝缘材料层(14)上，所述裸露电极(13)和掩埋电极(16)连接所述高压电源(20)，相邻两个裸露电极(13)和掩埋电极(16)组成一等离子体激励器；
相邻两层圆筒之间通过支撑结构固定连接，内层圆筒内部形成内层流道(18)，相邻两层圆筒之间形成N+1个外层流道(17)，其中，0≤N≤100，1≤M≤1000。
2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，各层圆筒的裸露电极和掩埋电极的排列方式均相同，即每个等离子激励器中的掩埋电极位于裸露电极的逆时针方向，或者掩埋电极位于裸露电极的顺时针方向，使得各层圆筒的等离子体激励器产生的旋流均为顺时针方向或均为逆时针方向。
3.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，内层圆筒外壁也覆盖有一绝缘材料层(14)，沿轴向延伸的M个裸露电极(13)和M个掩埋电极(16)交错设置在绝缘材料层(14)上，其中相邻两个裸露电极(13)和掩埋电极(16)组成一等离子体激励器。
4.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，外层圆筒出口端的厚度渐薄，形成喷嘴的扩张型出口(15)。
5.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，还包括：火焰稳定性监测装置(41)、温度传感器(42)和控制器(30)；其中，
所述控制器的信号输出端(33)连接所述高压电源的控制输入端(23)，其第一信号输入端(31)连接所述火焰稳定性监测装置(41)，其第二信号输入端(32)连接所述温度传感器(42)；
所述火焰稳定性监测装置(41)布置在喷嘴出口端，用于监测火焰的状态；
所述温度传感器(42)布置在喷嘴的两个等离子体激励器之间，用于测试等离子体附近的温度，防止等离子体激励器引燃燃料和空气的混合物。
6.如权利要求1至5中任一项权利要求所述的喷嘴，其特征在于，所述绝缘材料层的材料为聚四氟乙烯、石英玻璃或陶瓷。
7.如权利要求1至5中任一项权利要求所述的喷嘴，其特征在于，所述高压电源的输出波形为连续的正弦波、方波、三角波、锯齿波；或者脉冲波。
8.如权利要求1至5中任一项权利要求所述的喷嘴，其特征在于，所述支撑结构为对称设置的两组沿周向均匀分布的K个径向支撑柱(12)，其中，2≤K≤10。
9.一种喷嘴阵列，其特征在于，包括多个权利要求1至8中任一项权利要求所述的具有等离子体激励器的喷嘴，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。
10.一种燃烧器，其特征在于，其包括权利要求1-8中任一项权利要求所述的具有等离子体激励器的喷嘴，或者权利要求9所述的喷嘴阵列。
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