CN107484321B - 等离子体喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种等离子体喷嘴，包括外层圆筒、中间圆筒、轴向悬浮板、至少一个电源和至少一个等离子体激励器，其中，轴向悬浮板，位于外层圆筒与中间圆筒中间；所述电源，用于为所述等离子体激励器提供激励电压；所述等离子体激励器，设置于所述轴向悬浮板上，用于在所述激励电压的作用下产生等离子体。通过本发明的轴向悬浮板，能够使得等离子体诱导的流动可以在轴向悬浮板边缘形成自由射流，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，可以有效增强旋流强度，稳定燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种等离子体喷嘴。
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。
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。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种等离子体喷嘴，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种等离子体喷嘴，包括外层圆筒、中间圆筒、轴向悬浮板、至少一个电源和至少一个等离子体激励器，其中，
轴向悬浮板，位于外层圆筒与中间圆筒中间；
所述电源，用于为所述等离子体激励器提供激励电压；
所述等离子体激励器，设置于所述轴向悬浮板上，用于在所述激励电压的作用下产生等离子体。
在本发明的一些实施例中，所述等离子体激励器设置于轴向悬浮板的内侧面或者外侧面，包括一裸露电极、一掩埋电极和一绝缘介质，所述裸露电极和掩埋电极分别位于绝缘介质的内外两侧，裸露电极和掩埋电极交错分布；或者，
等离子体激励器设置于轴向悬浮板的内侧面和外侧面，其材料为绝缘材料，包括一裸露电极和两个掩埋电极，其中，裸露电极嵌入轴向悬浮板，轴向悬浮板的内侧面和外侧面各设置一个掩埋电极，裸露电极和掩埋电极交错分布。
在本发明的一些实施例中，所述绝缘介质的厚度为0.001mm～100mm。
在本发明的一些实施例中，所述电源包括一个接地端，与所述掩埋电极连接；以及一个高压端，与所述裸露电极连接。
在本发明的一些实施例中，所述裸露电极的宽度为0.01～100mm，掩埋电极的宽度为裸露电极宽度的1～100倍。
在本发明的一些实施例中，所述中间圆筒上设置有网孔板。
在本发明的一些实施例中，沿外层圆筒的不同轴向设置有至少一层轴向悬浮板，各层的轴向悬浮板沿圆周方向错开一定角度。
在本发明的一些实施例中，每一层设置至少一个轴向悬浮板，且每一层的各轴向悬浮板在半径方向的距离不等。
在本发明的一些实施例中，靠近中间圆筒底部的轴向悬浮板的定位边和中间圆筒的定位边在半径方向距离相同，且交错分布。
在本发明的一些实施例中，轴向悬浮板与外层圆筒在半径方向的距离为3mm，轴向悬浮板与中间圆筒在半径方向的距离为3mm。
(三)有益效果
本发明相较于现有技术，具有以下优点：
1、本发明采用了轴向悬浮板，等离子体诱导的流动可以在轴向悬浮板边缘形成自由射流，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，可以有效增强旋流强度，稳定燃烧。
2、本发明采用等离子体激励器，可以产生活性基团、释放热量，这些均助于稳定燃烧。
3、本发明不仅可以共用同一个电源，以简化结构，还可以根据不同的实际需要，使用多个电源，提供给等离子体激励器以不同的电压；此外，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。
附图说明
图1为本发明实施例的等离子体喷嘴的半剖图；
图2为图1中等离子体喷嘴略去外层圆筒的三维图；
图3为图1的中间圆筒的三维图；
图4为图1的轴向悬浮板的三维图；
图5为图4中轴向悬浮板的局部放大图；
图6为图4的等离子体喷嘴利用轴向悬浮板结构实现自由射流的原理说明示意图；
图7为本发明的等离子体喷嘴在轴向悬浮板两侧同时布置等离子体激励器的示意图；
图8为本发明另一实施例的轴向悬浮板的放置示意图。
具体实施方式
基于现有技术的各项技术缺陷，为了解决等离子体流动控制技术面临的主要挑战：减小壁面耗散作用，增强等离子体流动控制强度；以及提高燃烧稳定性，降低NOx生成，减小流动损失、防止发生回火，本发明提供了一种等离子体喷嘴，其包括：包括轴向悬浮板、至少一个电源和至少一个等离子体激励器。轴向悬浮板其上设置有至少一个等离子体激励器，该等离子体激励器在电源提供的激励电压的作用下，等离子体诱导的流动可以在轴向悬浮板边缘形成自由射流，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，可以有效增强旋流强度，稳定燃烧。
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。
图1为本发明实施例的等离子体喷嘴的半剖图，如图1所示，该等离子体喷嘴包括外层圆筒1、中间圆筒2、至少一个轴向悬浮板3、至少一个电源12和至少一个等离子体激励器，其中，
轴向悬浮板3，位于外层圆筒1与中间圆筒2中间，沿周向均匀分布；
所述电源12，用于为所述等离子体激励器提供激励电压；
所述等离子体激励器，设置于所述轴向悬浮板3上，用于在所述激励电压的作用下产生等离子体。
为了用来调节内层流道的湍流度并调节流量，在中间圆筒2上布置网孔板4，根据本发明的一种实施例，在中间圆筒2的出口处设置网孔板4。其中，网孔板4上的开孔形状可以为圆形、三角形、四边形、五角星和多边形，优选为圆形，开孔面积占网孔板4面积的1％-99％。网孔板4与内层圆筒采用螺纹连接，可以根据燃烧状态使用不同开孔形状及面积比的网孔板4。此外，网孔板4还可以位于中间圆筒2的入口，或者中间某个位置，优选网孔板4位于中间圆筒2出口，这样当发生回火时，可以使回火驻留在网孔板4上，避免回火进一步向上游传播，有助于及时退出回火。
接着，对轴向悬浮板3的半径方向位置加以说明，轴向悬浮板3与外层圆筒1在喷嘴半径方向的距离为0.01mm～1000mm，轴向悬浮板3与中间圆筒2在半径方向的距离为0.01mm～1000mm，优选轴向悬浮板3与外层圆筒1在半径方向的距离为3mm、优选轴向悬浮板3与中间圆筒2在半径方向的距离为3mm。选取较小间距的好处如下，由于等离子体诱导流动除了产生旋转运动还会产生其它附加的二次流动，这些二次流动会耗散等离子体旋转流动的强度，减小轴向悬浮板3与外层圆筒1、中间圆筒2之间的距离，可以有效减小并消除这些不必要的二次流动，进而有效增强等离子体诱导旋流的强度。
为了方便进行更详细的说明，请参照图2、图3和图4，图2为图1中等离子体喷嘴略去外层圆筒的三维图，图3为图1的中间圆筒的三维图，图4为图1的轴向悬浮板的三维图，为了使结构简单，同时也为了满足强度要求，将靠近中间圆筒2底部的轴向悬浮板的定位边6和中间圆筒的定位边5设置为在半径方向距离相同，且交错分布，二者组合大致呈圆周状。可以在轴向悬浮板3与其定位边6之间采用圆柱体连接，中间圆筒2与其定位边5之间采用圆柱体连接。
图5为图4中轴向悬浮板的局部放大图，如图5所示，再请结合图1至图4，此为等离子体激励器设置于轴向悬浮板3的内侧或者外侧(即一侧)的情况，轴向悬浮板3位于外层圆筒1和中间圆筒2之间，在轴向悬浮板3内侧面上布置绝缘介质7，裸露电极8沿轴向设置于绝缘介质7，掩埋电极9嵌入轴向悬浮板3。裸露电极8、掩埋电极9和绝缘介质7就构成了一个等离子体激励器。
在本实施例中，裸露电极8与电源12的高压端14相连作为高压电极，掩埋电极9与电源12的接地端13相连作为接地电极。高压电极与接地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，优选，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。电源12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。高压电极与接地电极可以均为长条形，覆盖在轴向悬浮板3上；高压电极的截面还可以为圆形、椭圆形、三角形、多边形、半圆形、半椭圆形，高压电极的一部分可以嵌入到绝缘介质7中。接地电极的宽度为高压电极宽度的1～100倍，优选接地电极的宽度为高压电极宽度的15倍。绝缘介质7的厚度为0.001mm～100mm，优选为0.3mm。高压电极与接地电极为长条形，高压电极还可以为圆柱形。等离子体激励器数目为1～1000个，优选为7个；优选，这些激励器沿圆周方向均匀分布。可以只用一个电源12，也可以采用多个电源12，将激励器分别连接到不同电源上，这样每个电源12的激励电压可以不同，产生的等离子体强度也不尽相同。为了简化结构，优选只用一个电源12。优选，轴向悬浮板3的截面形状为圆环形。
将布置在轴向悬浮板3上的等离子体激励器接通高压电可以产生等离子体。由于采用了轴向悬浮板3结构，等离子体诱导的流动可以在轴向悬浮板3边缘形成自由射流，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，可以有效增强旋流强度，稳定燃烧；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。
接着，对本发明实施例原理加以说明，图6为图4的等离子体喷嘴利用轴向悬浮板3结构实现自由射流的原理说明示意图，如图6所示，等离子体激励器的电极接通激励电压后，会在裸露电极8朝向掩埋电极9的一侧产生等离子体，等离子体可以诱导燃烧反应物运动，由于采用了轴向悬浮板3结构，等离子体激励可以在轴向悬浮板3边缘产生自由射流，该结构消除了壁面的摩擦耗散，可以有效增强等离子体诱导旋转运动的强度。此外，等离子体激励时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。
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。图7为本发明的等离子体喷嘴在轴向悬浮板3内外侧面同时布置等离子体激励器的示意图，如图7所示，在轴向悬浮板3的内外侧面同时布置等离子体激励器，掩埋电极9嵌入轴向悬浮板3，轴向悬浮板3同时也是绝缘介质，裸露电极8和另一个裸露电极11设置于轴向悬浮板3内侧面和外侧面，共用同一个掩埋电极9，此时两个裸露电极8和11、一个掩埋电极9和绝缘的轴向悬浮板3共同构成了一个等离子体激励器。两个裸露电极8和11分别与电源12的高压端14连接作为两个高压电极，掩埋电极9与电源12的接地端13连接作为接地电极。采用该结构，不但可以增强等离子体激励诱导旋流的强度，而且可以使结构更简洁。
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，图8为本发明另一实施例的轴向悬浮板的放置示意图，如图8所示，沿外层圆筒轴向布置了3层轴向悬浮板3，且相邻层的轴向悬浮板3之间沿圆周方向错开了一定角度(本实施例中为60°)，每层有三个轴向悬浮板3，以此加强等离子体的强度。一般来说，每一层的轴向悬浮板3的数量为1～1000个，其和轴向悬浮板3的层数均可以根据事实需求调整数量。轴向悬浮板3采用多层结构时，优选在相同轴向位置的轴向悬浮板3沿圆周方向均匀分布；且不同轴向位置的轴向悬浮板3之间沿圆周方向错开一个角度，这样的好处如下，由于轴向悬浮板3会带来流动阻塞，不同层的轴向悬浮板3错开一定角度，可以使轴向悬浮板3造成的流动阻塞效果沿圆周方向均匀分布，有助于流动的均匀稳定，进而在使用中使得燃烧器的火焰的稳定性更好。
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)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；
(2)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。
通过上述说明，可见，本发明的轴向悬浮板结构的等离子体喷嘴可以增强等离子体诱导旋流的强度，在等离子体激励作用下可以强化燃烧、防止火焰熄火；此外，等离子体激励还可以产生活性基团、释放热量，这些也有助于强化燃烧；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，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)
1.一种等离子体喷嘴，包括外层圆筒、中间圆筒、轴向悬浮板、至少一个电源和至少一个等离子体激励器，其中，
轴向悬浮板，位于外层圆筒与中间圆筒中间，轴向悬浮板采用多层结构，在相同轴向位置的轴向悬浮板沿圆周方向均匀分布；且不同轴向位置的轴向悬浮板之间沿圆周方向错开一个角度；
所述电源，用于为所述等离子体激励器提供激励电压；
所述等离子体激励器，设置于所述轴向悬浮板上，用于在所述激励电压的作用下产生等离子体。
2.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其中，所述等离子体激励器设置于轴向悬浮板的内侧面或者外侧面，包括一裸露电极、一掩埋电极和一绝缘介质，所述裸露电极和掩埋电极分别位于绝缘介质的内外两侧，裸露电极和掩埋电极交错分布；或者，
等离子体激励器设置于轴向悬浮板的内侧面和外侧面，其材料为绝缘材料，包括一裸露电极和两个掩埋电极，其中，裸露电极嵌入轴向悬浮板，轴向悬浮板的内侧面和外侧面各设置一个掩埋电极，裸露电极和掩埋电极交错分布。
3.根据权利要求2所述的等离子体喷嘴，其中，所述绝缘介质的厚度为0.001mm～100mm。
4.根据权利要求2所述的等离子体喷嘴，其中，所述电源包括一个接地端，与所述掩埋电极连接；以及一个高压端，与所述裸露电极连接。
5.根据权利要求4所述的等离子体喷嘴，其中，所述裸露电极的宽度为0.01～100mm，掩埋电极的宽度为裸露电极宽度的1～100倍。
6.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其中，所述中间圆筒上设置有网孔板。
7.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其中，沿外层圆筒的不同轴向设置有至少一层轴向悬浮板，各层的轴向悬浮板沿圆周方向错开一定角度。
8.根据权利要求7所述的等离子体喷嘴，其中，每一层设置至少一个轴向悬浮板，且每一层的各轴向悬浮板在半径方向的距离不等。
9.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其中，靠近中间圆筒底部的轴向悬浮板的定位边和中间圆筒的定位边在半径方向距离相同，且交错分布。
10.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其中，轴向悬浮板与外层圆筒在半径方向的距离为3mm，轴向悬浮板与中间圆筒在半径方向的距离为3mm。
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2017
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