CN108895482A - 一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器 - Google Patents
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Abstract
一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，包括高压电极，所述高压电极内开设有混合腔体，且高压电极的外壁侧安装有进气口，上侧设置开口为出气口，下侧设置有石英管，所述腔体的内部通过石英管固定有铜环地电极，所述铜环地电极的上方在高压电极内壁上安装有环形旋流器，所述高压电极内对应环形旋流器开设有多个中心导流柱。本发明的火焰稳定器可通过对气体燃料进行激发、离解、电离等作用产生等离子体，且含有大量的化学活性粒子，可在低氧、低气压下工作，进一步提高稳定器燃烧效率，其结构还能提高气体回流的能量交换率，从而提高火焰的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于燃烧装置技术领域，具体涉及气体放电等离子体辅助燃烧的一种新型放电等离子体辅助燃烧火焰稳定器。
背景技术
燃气轮机燃烧室一旦开始工作后，就需要使其在不同的工作条件下都能使火焰燃烧维持稳定。一方面要燃气轮机燃烧室在适当的、尽可能大的油气比范围内实现最大效率工作；另一方面是在燃烧过程中，在进口气流速度一定的情况下，满足火焰燃烧稳定，但是由于热容强度大，进口气流速度相对较快，给火焰的稳定带来较大阻力。对于航空发动机动力燃烧室来说，气流速度大、总压低、总温高等条件下，特别是由于在主燃烧室中已经消耗了空气中的大部分的氧气，所以让氧气的含量比较低，使气体分布不均匀、燃烧不充分，这些都是火焰燃烧稳定的不利因素。因此，要解决燃烧室的火焰燃烧稳定性的问题，这些燃烧室都要设置火焰稳定器，来保证燃烧室内火焰燃烧的稳定。
目前，火焰燃烧稳定主要采用两种方式来实现：1、提高火焰传播速度，可以采用激光、在壁面引入高温物质和催化物质等多种途径来实现，但这些途径大都需要庞大的外部能量或复杂的结构才可以实现，因而造成其实际应用价值不高。 2、降低来流气流速度，在燃烧室高速气流中普遍采用的火焰燃烧稳定的措施是利用主动或被动的方式来实现的，在燃烧室流场中形成环流和低速流区，常见方法有利用气流绕流在钝体(不良流线体)后形成环流和低速流区、利用引燃火焰形成的速度剪切层、利用旋转气流、逆向喷流等。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。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，能够利用放电等离子体，使燃气轮机、航空领域等燃烧室，可以在一定程度上有效的解决低氧状态下燃烧不充分、燃烧火焰不稳定等问题。
一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，包括高压电极，所述高压电极内开设有腔体，且高压电极的外壁侧安装有进气口，所述高压电极顶部设置有出气口，且高压电极的底部通过卡扣安装有与腔体连通的石英管，所述石英管底端固定有铜环地电极，所述铜环地电极通过石英管接地，所述铜环地电极与石英管内部形成放电区，所述铜环地电极的上方在高压电极内壁上部安装有环形旋流器，所述高压电极内对应环形旋流器开设有多中心导流柱。
优选的，所述中心导流柱均包括直筒部和气体喷嘴，所述气体喷嘴与直筒部相连通，所述环形旋流器的圆环内侧与中心导流柱的直筒部的端部连通。
优选的，所述进气口与环形旋流器圆环外壁相连通。
优选的，所述的气体喷嘴与平面成一定倾斜角，且其末端口位于同一个平面，并指向石英管正上方。
优选的，所述的石英管内部空心，但外壁设置一定厚度，且石英管内部充满氦气。
优选的，所述的进气口的管路内径为2.0mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的新型放电等离子体辅助燃烧火焰稳定器，铜环地电极通过石英管接地，石英管内以氦气为主有少量的甲烷和空气，石英管内的氦气易于稳定放电，可以提高放电等离子体的强度，并对进入气体在中心导流柱中进行预电离，放电等离子体产生大量的化学活性粒子。
本发明提供的新型放电等离子体辅助燃烧火焰稳定器，利用高压电极对混合气体放电产生等离子体，并在放电过程中使气体产生的等离子体中含有O*、O3、 OH*自由基等活性粒子。这些活性粒子并由混合气体携带进入石英管放电区，并在石英管放电区中与混合气体发生化学反应，利用放电等离子体的碰撞激发等，加快化学反应速率，从而提高火焰传播速度，同时放电带来的微小扰动可提高燃料的输运特性，改变流场分布，进而达到稳定燃烧火焰的目的。
本发明提供的新型放电等离子体辅助燃烧火焰稳定器，火焰稳定器内部设计为空腔(腔体)。火焰稳定器内设计有环形旋流器、中心导流柱，两者相结合构成气体回流，在进气口可以通过气体喷嘴能够平稳、缓慢的向腔体特定区域补充可燃烧气体和出气口与腔体直接连通，放电产生的等离子体，在出气口处与空气接触并燃烧，减少了放电反应物在高温区的驻留时间，降低了污染物的生成，防止发生回火，起到维持火焰稳定的作用。
本发明提供的新型放电等离子体辅助燃烧火焰稳定器，采取高压放电产生等离子体，对于航空发动机动力燃烧室在气流速度大、总压低、总温高等条件下，特别是由于在主燃烧室中已经消耗了空气中的大部分的氧气，氧气的含量比较低，可以气体分布均匀、充分燃烧，从而达到火焰稳定的作用。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为一种新型放电等离子体辅助燃烧火焰稳定器的外部整体示意图；
图2为火焰稳定器的部分剖视图；
图3为环形旋流器的剖视图；
图4为图2的B-B俯视图；
图5为图3环形旋流器的俯视图；
图6为中心导流柱的结构示意图。
图中；1-高压电极、2-进气口、3-出气口、4-环形旋流器、5-铜环地电极、 6-石英管、7-中心导流柱、8-腔体、9-放电区、701-直筒部、702-气体喷嘴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1-3，一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，包括高压电极1，所述高压电极1内开设有腔体8，且高压电极1的外壁侧安装有进气口2，所述高压电极1顶部设置有出气口3，且高压电极1的底部通过卡扣安装有与腔体8 连通的石英管6，所述石英管6底端固定有铜环地电极5，所述铜环地电极5通过石英管6接地，所述铜环地电极5与石英管6内部形成放电区9，所述铜环地电极5的上方在高压电极1内壁上部安装有环形旋流器4，所述高压电极1内对应环形旋流器4开设有多中心导流柱7。
参照图4-6，所述中心导流柱7均包括直筒部701和气体喷嘴702，所述气体喷嘴702与直筒部701相连通，所述环形旋流器4的圆环内侧与中心导流柱7 的直筒部701的端部连通，组成气体实现预放电反应的装置，并可以使气体缓慢、平稳的注入腔体8；
所述进气口2与环形旋流器4圆环外壁相连通，气体可以在环形旋流器4 内实行预放电，产生大量含有活性粒子的等离子体，并可以在燃烧的过程中使一些活性粒子通过回流，重新回到腔体8，提高火焰稳定器燃烧效率。
所述气体喷嘴702与平面成一定倾斜角，倾角适当即可，使得其末端口位于同一个平面，并指向石英管6正上方。
所述石英管6内部空心，但外壁设置一定厚度，可通过石英管6往腔体内注入氦气，并使石英管6内部充满氦气。
所述进气口2的管路内径为2.0mm。
工作原理：在气体通过进气口2进入环形旋流器4时，通过石英管6往腔体内注入氦气并使石英管6内充满氦气，可以增强在环形旋流器4内实行预放电的强度，产生大量含有活性粒子的等离子体，通过进入气体，经过中心导流柱 7的气体喷嘴702缓慢、平稳的注入腔体8，通过腔体8进入石英管6内部，在高压电极1与氦气的作用下，促使混合气体放电，由于活性粒子的参与，使放电速率提高，高温产物中少量的活性粒子、气体再次通过气体喷嘴702与环形旋流器4回到放电区9参加反应，其放电产生的等离子体在出气口3上方，与空气接触燃烧，使燃烧火焰稳定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，其特征在于：包括高压电极，所述高压电极内开设有腔体，且高压电极的外壁侧安装有进气口，所述高压电极顶部设置有出气口，且高压电极的底部通过卡扣安装有与腔体连通的石英管，所述石英管底端固定有铜环地电极，所述铜环地电极通过石英管接地，所述铜环地电极与石英管内部形成放电区，所述铜环地电极的上方在高压电极内壁上部安装有环形旋流器，所述高压电极内对应环形旋流器开设有多中心导流柱。
2.根据权利要求1所述的一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，其特征在于：所述中心导流柱均包括直筒部和气体喷嘴，所述气体喷嘴与直筒部相连通，所述环形旋流器的圆环内侧与中心导流柱的直筒部的端部连通。
3.根据权利要求1所述的一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，其特征在于：所述进气口与环形旋流器圆环外壁相连通。
4.根据权利要求2所述的一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，其特征在于：所述气体喷嘴与平面成一定倾斜角，且其末端口位于同一个平面，并指向石英管正上方。
5.根据权利要求1所述的一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，其特征在于：所述石英管内部空心，但外壁设置一定厚度，且石英管内部充满氦气。
6.根据权利要求1所述的一种放电等离子体辅助的燃烧火焰稳定器，其特征在于：所述进气口的管路内径为2.0mm。
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