CN107477611B - 燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种燃烧器，包括：上端板、下端板、至少一个高压电源、n个悬浮板，及分别固定于n个悬浮板的n个等离子体激励器，其中：上端板的中心位置具有一凸出的出口，用于使在上端板和下端板之间流动的流体流出；n个悬浮板沿径向分布于上端板和下端板之间的空间；n个等离子体激励器连接至至少一个高压电源以产生等离子体；所述n为大于等于1的整数。本发明在等离子体激励器接通高压电产生等离子体时，等离子体诱导流动在悬浮板尾缘形成自由射流，这样就消除了壁面附面层对等离子体诱导流动动量的耗散，可以有效增强等离子体激励强度。

Description

燃烧器

技术领域

本发明属于燃烧装置技术领域，更具体地涉及一种带有径向悬浮板的等离子体燃烧器。

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，急需发展高效清洁的燃烧室，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，发展燃气轮机的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NO_x的生成，减小流动损失、防止发生回火成为本领域亟待研究的课题。

此外，在等离子体流动控制技术中，由于等离子体诱导流动作用在近壁面的附面层内，壁面摩擦耗散了大部分等离子体诱导流动的动量，如何减小壁面耗散作用，增强等离子体流动控制强度，是等离子体流动控制技术面临的主要挑战。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种燃烧器，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提出一种燃烧器，包括：上端板、下端板、至少一个高压电源、n个悬浮板，及分别固定于n个悬浮板的n个等离子体激励器，其中：

上端板的中心位置具有一凸出的出口，用于使在上端板和下端板之间流动的流体流出；

n个悬浮板分布于上端板和下端板之间的空间；

n个等离子体激励器连接至至少一个高压电源以产生等离子体；

其中，n为大于等于1的整数。

在本发明的一些实施例中，上述n个等离子体激励器的每一个均包括接地电极和至少一个高压电极；该至少一个高压电极沿径向方向固定于悬浮板上表面和/或下表面的第一端，悬浮板在远离第一端的第二端的侧面有一凹槽，接地电极沿径向方向固定于该凹槽内。

在本发明的一些实施例中，上述高压电极的宽度为0.01～100mm，接地电极的宽度为高压电极宽度的1～100倍；优选地，高压电极的宽度为1mm；接地电极的宽度为高压电极宽度的15倍。

在本发明的一些实施例中，上述悬浮板、高压电极与接地电极的截面包括圆形、椭圆形、三角形、多边形、半圆形或半椭圆形。

在本发明的一些实施例中，上述悬浮板、高压电极和接地电极的宽度，在径向靠近轴线的方向逐渐减小。

在本发明的一些实施例中，上述n个悬浮板在上端板和下端板之间的空间内均匀分布。

在本发明的一些实施例中，上述高压电源的输出波形包括连续的正弦波、方波、三角波或者锯齿波；优选的，所述至少一个高压电源为输出不同波形的至少两个，n大于等于2，且n个等离子体激励器连接至至少两个输出不同波形的高压电源。

在本发明的一些实施例中，上述悬浮板与燃烧器上、下端板之间的轴向距离为0.1mm～1000mm，优选为3mm。

在本发明的一些实施例中，上述n个悬浮板的个数为8个，该8个悬浮板分别均匀分布于所述上端板和下端板之间的空间，且每一个悬浮板沿轴向延伸。

在本发明的一些实施例中，上述n个悬浮板分为m组悬浮板，m组悬浮板在上端板和下端板之间的空间内周期分布，且其每一组中的不同悬浮板，沿径向方向相互错开一定距离，沿圆周方向相互错开一定角度；其中，n为m的整数倍，且n/m大于等于2；优选地，n/m＝3，所述角度为30°。

本发明提出的燃烧器，具有以下有益效果：

1、本发明的等离子体激励器固定于悬浮板上，悬浮板固定于上端板和下端板之间的空间，从而在等离子体激励器接通高压电产生等离子体时，等离子体诱导流动在悬浮板的尾缘形成自由射流，使在上、下端板之间的流体径向流动发生偏转，径向流动的偏转使流体在燃烧器出口的平直段产生旋转运动，旋转运动使流体离开燃烧器出口时呈现扩张形态，这有助于稳定燃烧、减小火焰的轴向尺寸；且由于等离子体诱导的流动可以在悬浮板的尾缘形成自由射流，这样就消除了壁面附面层对等离子体诱导流动动量的耗散，可以有效增强等离子体激励强度；

2、由于流体在半径大的地方速度较低，随着半径的减小，流体的流动速度逐渐增大，设置等离子体激励器沿径向方向错开一定距离，有利于增强等离子体激励的作用效果，使得等离子体在径向方向的激励作用均匀分布，从而进一步增强燃烧器燃烧的稳定性；

3、等离子体激励流体时还可以产生活性基团、释放热量，这些均助于稳定燃烧；且通过改变等离子体激励的电压还可以调整旋流强度，进而实现对燃烧的灵活调控。

附图说明

图1是本发明一实施例的带有径向悬浮板的等离子体燃烧器半剖图；

图2是本发明一实施例提出的燃烧器中等离子体激励器电极的三维分布图；

图3是本发明一实施例中等离子体激励器固定于悬浮板的结构示意图；

图4是用于说明本发明一实施例中燃烧器工作原理的三维图；

图5是图4中三维图的简单俯视图；

图6是本发明另一实施例提出的燃烧器中单组等离子体激励器的电极分布结构示意图；

图7是图6中结构的燃烧器中等离子体激励器电极的全周期示意图。

【附图标记说明】

1-燃烧器入口； 2-悬浮板；

3-悬浮板支撑柱体； 4-燃烧器出口的平直段；

5-燃烧器出口； 6-下端板；

7-上端板； 8-高压电源；

9-高压电源的高压端； 10-高压电源的接地端；

11-等离子体激励器的接地电极； 12-悬浮板上表面的高压电极；

13-悬浮板下表面的高压电极；

14-不施加等离子体激励时流体的径向流动方向；

15-流体在燃烧器出口的流动形态； 16-等离子体诱导流动方向；

17-流体在燃烧器出口的周向运动；

18-等离子体激励下流体的径向流动发生偏转后的流动方向；

19-等离子体激励在悬浮板尾缘形成的自由射流方向。

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种燃烧器，包括：外层圆筒及其顶端上端板、内层圆筒及其顶端的下端板、至少一个高压电源，n个悬浮板，以及分别固定于n个悬浮板的n个等离子体激励器，其中：

上端板的中心位置具有一凸出的出口，用于使在上端板和下端板之间流动的流体流出；

n个悬浮板分布于所述上端板和下端板之间的空间，每一悬浮板沿径向延伸；

n个等离子体激励器连接至至少一个高压电源以产生等离子体；

其中，n为大于等于1的整数。

在本发明的一些实施例中，上述n个等离子体激励器的每一个均包括接地电极和至少一个高压电极；该至少一个高压电极沿径向方向固定于悬浮板上表面和/或下表面的第一端，悬浮板在远离第一端的第二端的侧面有一凹槽，接地电极沿径向方向固定于该凹槽内。

因此，本发明在等离子体激励器接通高压电产生等离子体时，等离子体诱导流体在悬浮板尾缘形成自由射流，使在上、下端板之间的流体径向流动发生偏转，径向流动的偏转使流体在燃烧器出口的平直段产生旋转运动，旋转运动使流体离开燃烧器出口时呈现扩张形态，这有助于稳定燃烧、减小火焰的轴向尺寸；且由于等离子体诱导的流动可以在悬浮板尾缘形成自由射流，这样就消除了壁面附面层对等离子体诱导流动动量的耗散，可以有效增强等离子体激励强度。

优选地，在悬浮板的上表面和下表面均固定有高压电极，从而可进一步激励出更多的等离子体，促使燃烧器的燃烧更加稳定。

在本发明的一些实施例中，上述高压电极的宽度为0.01～100mm，接地电极的宽度为高压电极宽度的1～100倍；优选地，高压电极的宽度为1mm；接地电极的宽度为高压电极宽度的15倍。

在本发明的一些实施例中，上述悬浮板、高压电极与接地电极的截面包括圆形、椭圆形、多边形、半圆形或半椭圆形。

在本发明的一些实施例中，上述悬浮板、高压电极和接地电极的宽度，在径向靠近燃烧器轴线的方向逐渐越小。从而可放置更多的悬浮板，也即等离子体激励器，充分利用上、下端板上表面的面积，来激励得到更多等离子体，进一步促使燃烧器燃烧的稳定性。

在本发明的一些实施例中，上述n个悬浮板在上端板和下端板之间的空间内均匀分布。从而使得燃烧器上/下端板表面产生的等离子体均匀分布，提高燃烧器燃烧的稳定性。

在本发明的一些实施例中，上述高压电源的输出波形包括连续的正弦波、方波、三角波或者锯齿波；优选的，所述至少一个高压电源为输出不同波形的至少两个，n大于等于2，且n个等离子体激励器连接至至少两个输出不同波形的高压电源。

在本发明的一些实施例中，上述悬浮板与燃烧器上、下端板之间的轴向距离为0.1mm～1000mm，优选为3mm。

优选选取较小的间距，这是由于等离子体诱导流动除了使流体的径向流动产生偏转，还会产生其它附加的二次流动，这些二次流动不利于增强流体的旋流，而减小上下端板之间的距离，可以有效减小并消除这些不必要的二次流动，进而有效增强流体的旋流强度。

在本发明的一些实施例中，上述n个悬浮板分为m组悬浮板，m组悬浮板在上端板和下端板之间的空间内周期分布，且其每一组中的不同悬浮板，沿径向方向错开一定距离，沿圆周方向错开一定角度；其中，n为m的整数倍，且n/m大于等于2；优选地，n/m＝3，所述角度为30°。

在本发明的一些实施例中，上述悬浮板通过支撑柱固定上端板和下端板，以使悬浮板位于上端板和下端板之间的空间内。

在本发明的一些实施例中，本发明提供了一种带有径向悬浮板的等离子体燃烧器，包括：燃烧器上端板、燃烧器下端板、悬浮板、悬浮板上的等离子体激励器、高压电源。布置在悬浮板上的等离子体激励器接通高压电可以产生等离子体，等离子体诱导流动在悬浮板尾缘形成自由射流使在上、下端板之间的流体径向流动发生偏转，径向流动的偏转使流体在燃烧器出口的平直段产生旋转运动，旋转运动使流体离开燃烧器出口时呈现扩张形态，这有助于稳定燃烧、减小火焰的轴向尺寸；由于采用了径向悬浮板结构，等离子体诱导的流动可以在悬浮板尾缘形成自由射流，这样就消除了壁面附面层对等离子体诱导流动动量的耗散，可以有效增强等离子体激励强度；此外，等离子体激励还可以产生活性基团、释放热量，这些均助于稳定燃烧；改变等离子体激励电压还可以调整旋流强度，进而对燃烧进行灵活调控。

以下通过具体实施例，对本发明提出的燃烧器进行详细描述。

实施例1

本实施例提出一种带有径向悬浮板的等离子体的燃烧器，请参见图1至图3，燃烧器上端板7和下端板6之间形成燃烧反应物径向流动的通道，悬浮板与燃烧器上下端板之间的轴向距离均为3mm。如图1所示，悬浮板2沿半径方向布置在上、下端板之间的流道内，悬浮板支撑柱体3将悬浮板2固定在燃烧器的上、下端板之间。悬浮板2的个数为8个，沿圆周方向均布，高压电源8为一个。如图2所示，等离子体激励器的接地电极11嵌入在悬浮板内，与高压电源8的接地端10相连；如图3所示，在悬浮板2的上、下表面上布置等离子体激励器的高压电极12、13，与高压电源8的高压端9相连；悬浮板8上下表面上的高压电极12、13共用一个接地电极11。等离子体激励器接地电极11与高压电极12、13采用交错布置方式，等离子体激励器的高压电极12、13位于接地电极11的顺时针或逆时针一侧，不同位置的高压电极12、13和接地电极11均采用相同的布置方式，这样等离子体诱导流动的旋转方向相同。在图1至图3中，高压电极12、13位于接地电极11的逆时针一侧。高压电源的输出波形为连续的正弦波。等离子体激励器的接地电极的宽度为高压电极宽度的5倍，且悬浮板、等离子体激励器的高压电极及接地电极在沿半径减小的方向，宽度逐渐减小。

请参见图4和图5对本实施例提出的燃烧器的工作过程加以说明，图4为燃烧器的半剖三维图、图5为图4略去上下端板的俯视图，在图4和图5中，等离子激励器的高压电极12、13位于接地电极11的顺时针一侧。燃烧反应物由燃烧器入口1进入燃烧器，在不施加等离子体激励时，燃烧反应物在上下端板之间的流道内保持径向流动方向14，等离子体激励诱导流动方向16使得在悬浮板尾缘形成自由射流19，在自由射流19的作用下径向运动发生偏转，偏转后的运动方向为图中标号18所对应的箭头，径向流动的偏转使流体在燃烧器出口的平直段4产生旋转运动17，旋转运动使流体离开燃烧器出口时呈现扩张形态15，这有助于稳定燃烧、减小火焰的轴向尺寸；而且，流体在半径大的地方速度较低，随着半径的减小，流体速度逐渐增大，等离子体激励器沿半径方向布置，这也有利于增强等离子体激励的作用效果；此外，等离子体激励还可以产生活性基团、释放热量，这些均助于稳定燃烧；改变等离子体激励的电压还可以调整旋流强度，进而对燃烧进行灵活调控。

由以上工作过程可见，本实施例中燃烧器的工作原理不是直接利用等离子体激励使流体旋转，而是利用等离子体激励在悬浮板尾缘形成自由射流，从而使流体的径向运动发生偏转，流体径向运动的偏转造成流体的轴向运动产生了旋转，这样利用等离子体激励间接使流体产生旋转运动，可以有效增强旋流强度。

实施例2

本实施例提出一种带有径向悬浮板的等离子体的燃烧器，为了达到简要说明的目的，与上述实施例1中应用的相同技术特征不再重复叙述。请参见图6，为本实施例提出的燃烧器中单组等离子体激励器的电极分布结构示意图，即单个周期中，沿燃烧器半径方向布置3个固定有离子源激励器的悬浮板，且相邻悬浮板之间沿圆周方向错开30°。这样的好处如下：等离子激励器错开一定角度，可以使等离子体激励的效果沿圆周方向均匀分布，有助于增强等离子体激励的效果、使流动更均匀稳定，进而使火焰的稳定性更好。图7为图6中等离子体激励器电极的全周期示意图。

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带有径向悬浮板的等离子体的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，本发明的燃烧器可以使在上、下端板之间流体的径向流动方向发生偏转，径向流动的偏转使流体在燃烧器出口的平直段产生旋转运动，旋转运动使流体离开燃烧器出口时呈现扩张形态，这有助于稳定燃烧、减小火焰的轴向尺寸；本发明不是直接利用等离子体激励使流体旋转，而是利用等离子体激励在悬浮板尾缘形成的自由射流使流体的径向运动发生偏转，流体径向运动的偏转造成流体的轴向运动产生旋转，这样利用等离子体激励间接使流体产生旋转运动，可以有效增强旋流强度；由于采用了径向悬浮板结构，等离子体诱导的流动可以在悬浮板尾缘形成自由射流，这样就消除了壁面附面层对等离子体诱导流动动量的耗散，可以有效增强等离子体激励强度；此外，等离子体激励还可以产生活性基团、释放热量，这些均助于稳定燃烧；改变等离子体激励电压还可以调整旋流强度，进而对燃烧进行灵活调控。

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，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)

1.一种燃烧器，包括：上端板、下端板、至少一个高压电源、n个悬浮板及分别固定于n个悬浮板的n个等离子体激励器，其中：

所述上端板的中心位置具有一凸出的出口，用于使在所述上端板和下端板之间流动的流体流出；

所述n个悬浮板分布于所述上端板和下端板之间的空间；

所述n个等离子体激励器连接至所述至少一个高压电源以产生等离子体；

所述n为大于等于1的整数。

2.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述n个等离子体激励器的每一个均包括接地电极和至少一个高压电极；所述至少一个高压电极沿径向方向固定于所述悬浮板上表面和/或下表面的第一端，所述悬浮板在远离所述第一端的第二端的侧面有一凹槽，所述接地电极沿径向方向固定于该凹槽内。

3.如权利要求2所述的燃烧器，其中，所述高压电极的宽度为0.01～100mm，所述接地电极的宽度为所述高压电极宽度的1～100倍。

4.如权利要求2所述的燃烧器，其中，所述悬浮板、高压电极与接地电极的截面包括圆形、椭圆形、多边形、半圆形或半椭圆形。

5.如权利要求2所述的燃烧器，其中，所述悬浮板、高压电极和接地电极的宽度，在径向靠近轴线的方向逐渐减小。

6.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述n个悬浮板在所述上端板和下端板之间的空间内均匀分布。

7.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述高压电源的输出波形包括连续的正弦波、方波、三角波或者锯齿波。

8.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述悬浮板与上端板及下端板之间的轴向距离为0.1mm～1000mm。

9.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述n个悬浮板的个数为8个，该8个悬浮板分别均匀分布于所述上端板和下端板之间的空间，且每一个悬浮板沿轴向延伸。

10.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述n个悬浮板分为m组悬浮板，所述m组悬浮板在所述上端板和下端 板之间的空间内周期分布，且其每一组中的不同悬浮板，沿径向方向相互错开，沿圆周方向相互错开；其中，n为m的整数倍，且n/m大于等于2。