CN107477612A - 燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种燃烧器，包括上端板、下端板、至少一个高压电源及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个等离子体激励器分布于上端板和/或下端板的上表面，每一个等离子体激励器沿径向延伸；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；n大于等于1。等离子体可诱导使得在上、下端板之间的流体在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。

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布置等离子体激励器的燃烧器。

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问题。

此外，在等离子体流动控制技术中，由于等离子体的诱导流动速度较低，如何增强等离子体的流动控制强度，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、至少一个高压电源及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个等离子体激励器分布于上端板和/或下端板的上表面，每一等离子体激励器沿径向延伸；

n个等离子体激励器连接至上述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个等离子体激励器分为两组，分别沿圆周方向均匀分布于上端板和下端板的上表面；优选地，n个等离子体激励器的个数为16个，该16个等离子体激励器均分为两组。

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高压电极和接地电极，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0.01～100mm，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，上述接地电极的表面覆盖有绝缘介质，高压电极与接地电极在上端板和/或下端板的上表面沿圆周方向交错布置；其中，绝缘介质的厚度为0.001mm～100mm，优选为0.3mm。

在本发明的一些实施例中，上述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，上述高压电极和接地电极的宽度，在径向靠近轴线的方向逐渐越小。

在本发明的一些实施例中，上述n个等离子体激励器在所述上端板和/或下端板的上表面均匀分布。

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、锯齿波或者脉冲波；优选的，上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，上述上端板和下端板之间的轴向距离为0.1mm～1000mm；优选为5mm。

在本发明的一些实施例中，上述n个等离子体激励器分为m组等离子体激励器，该m组等离子体激励器周期分布，且其每一组中的不同等离子体激励器，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、本发明在燃烧器的下端板和/或上端板上布置接通至高压电源的等离子体激励器，从而产生等离子体，等离子体可诱导使得在上、下端板之间的流体在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；

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等离子体激励器的燃烧器的半剖图；

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是用于说明本发明一实施例中燃烧器工作原理的三维图；

图4是图3中三维图的简单俯视图；

图5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分布结构示意图；

图6是图5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-燃烧器出口；

3-上端板；4-下端板；

5-高压电源；6-高压电源高压端；

7-高压电源接地端；

8-下端板等离子体激励器的接地电极；

9-上端板等离子体激励器的接地电极；

10-上端板等离子体激励器的高压电极；

11-下端板等离子体激励器的高压电极；

12-不施加等离子体激励时流体的径向流动方向；

13-流体在燃烧器出口的流动形态；

14-等离子体的诱导流动方向；

15-流体在燃烧器出口的周向运动方向；

16-等离子体激励下流体的流动方向。

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。

利用等离子体激励使流体的径向运动发生偏转，流体径向运动的偏转使得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。

因此，本发明提供了一种燃烧器，包括外层圆筒顶端的上端板、内层圆筒顶端的下端板、至少一个高压电源及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个等离子体激励器分布于上端板和/或下端板的上表面，每一个等离子体激励器沿径向延伸；

n个等离子体激励器连接至上述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。

布置在下端板和/或上端板上的等离子体激励器接通高压电源后可以产生等离子体，在等离子体的诱导下使得在上、下端板之间流动的流体的径向流动发生偏转，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；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。

在本发明的一些实施例中，上述n个等离子体激励器分为两组，分别沿圆周方向均匀分布于上端板和下端板的上表面；优选地，该n个等离子体激励器均分为两组。等离子体激励器分布于上端板和下端板，可进一步激励出更多的等离子体，从而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n个等离子体激励器的每一个均包括高压电极和接地电极，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0.01～100mm；更优选地，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，上述接地电极的表面覆盖有绝缘介质，高压电极与接地电极在上端板和/或下端板的上表面沿圆周方向交错布置；其中，绝缘介质的厚度为0.001mm～100mm，优选为0.3mm。

在本发明的一些实施例中，上述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，上述高压电极和接地电极的宽度，在径向靠近轴线的方向逐渐越小。从而可放置更多的等离子体激励器，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个等离子体激励器在所述上端板和/或下端板的上表面均匀分布。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、锯齿波或者脉冲波；优选的，上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，从而可激励得到多种输出形式的等离子体。

在本发明的一些实施例中，上述上端板和下端板之间的轴向距离为0.1mm～1000mm；优选为5mm。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个等离子体激励器分为m组等离子体激励器，该m组等离子体激励器周期分布，且其每一组中的不同等离子体激励器，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°。

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布置等离子体激励器的燃烧器，请参见图1至图4，燃烧器上端板3和下端板4之间形成燃烧反应物径向流动的通道。如图1所示，等离子体激励器沿半径方向布置在上、下端板上。

如图2所示，上端板等离子体激励器的接地电极9、下端板等离子体激励器的接地电极8与高压电源5的接地端相连；上端板等离子体激励器的高压电极10、下端板等离子体激励器的高压电极11与高压电源5的高压端相连。燃烧器上端板和下端板之间的轴向距离为5mm。

等离子体激励器的接地电极与高压电极采用交错布置方式，高压电极位于接地电极的顺时针或逆时针一侧，且不同位置的高压电极和接地电极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。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，且两者沿半径减小的方向，电极宽度均逐渐减小，等离子体激励器数目为16个，且均分为两组，分别分布于上端板3和下端板4，这些激励器沿圆周方向均匀分布且均连接至同一个高压电源。高压电源的输出波形为连续的正弦波。

请参见图3和图4对本发明实施例的工作过程加以说明，图3为燃烧器的半剖三维图、图4为图3略去上下端板的俯视图。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流道内保持径向流动12，在等离子体激励诱导流动方向14的诱导作用下，径向运动发生偏转16，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15，旋转运动使流体离开燃烧器出口时呈现扩张形态13，这有助于稳定燃烧、减小火焰的轴向尺寸；而且，主流在半径大的地方速度较低，随着半径的减小，主流速度逐渐增大，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。

由以上工作过程说明可见，本实施例中燃烧器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使流体的径向运动发生偏转，流体径向运动的偏转使得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布置等离子体激励器的燃烧器，为了达到简要说明的目的，本实施例中与上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述将不再重复。请参见图5，本实施例的等离子体激励器个数总共为24个，分为每组包括3个等离子体激励器的8组，其中4组布置于上端板，其中另4组布置于下端板，每一组中的3个沿燃烧器半径方向布置，并在半径方向间隔一定距离，且该3个等离子体激励器中相邻的两个之间沿圆周方向错开30°。这样的好处如下：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6为上端板/下端板上表面的等离子体激励器的全周期分布示意图。

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，本发明带有径向布置等离子体激励器的燃烧器可以使在上、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；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使流体的径向运动发生偏转，流体径向运动的偏转使得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；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、至少一个高压电源及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个等离子体激励器分布于所述上端板和/或下端板的上表面，每一等离子体激励器沿径向延伸；

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高压电极和接地电极，所述接地电极的宽度为所述高压电极宽度的1～100倍。

3.如权利要求2所述的燃烧器，其中，所述接地电极的表面覆盖有绝缘介质，所述高压电极与所述接地电极在所述上端板和/或下端板的上表面沿圆周方向交错布置；所述绝缘介质的厚度为0.001mm～100mm。

4.如权利要求2所述的燃烧器，其中，所述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。

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

6.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述n个等离子体激励器在所述上端板和/或下端板的上表面均匀分布。

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、锯齿波或者脉冲波。

8.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述上端板和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个等离子体激励器分为两组，分别沿圆周方向均匀分布于所述上端板和下端板的上表面。

10.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述n个等离子体激励器分为m组等离子体激励器，所述m组等离子体激励器周期分布，且其每一组中的不同等离子体激励器，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。