CN114923199B - 可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，涉及燃烧器技术领域。该腔体包括入口壁面和出口壁面，入口壁面和出口壁面上分别开设有入口气流孔和出口气流孔，入口气流孔和出口气流孔的中心轴线重合，该腔体还包括：等离子体发生器，用于产生等离子体，包括高压端和接地端；等离子体激励器，用于利用等离子体对进入入口气流孔的气流流向进行诱导，等离子体激励器包括高压电极和接地电极，其中，高压电极和接地电极均为环形，高压电极设置于入口气流孔的出口边缘，接地电极嵌入到入口壁面，高压电极连接高压端，接地电极连接接地端。本发明提供的该腔体，具有体积小、响应迅速、激励频带宽、没有运动部件等优点。

Description

可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体

技术领域

本发明涉及燃烧器技术领域，尤其涉及一种可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体。

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。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，而且燃烧器尺寸较大。

与燃气轮机燃烧器类似，锅炉、化工炉等各种类型的工业燃烧器也面临着稳定燃烧与降低污染物排放的矛盾。此外，由于燃烧器的设计参数之间彼此关联、制约，如果尺寸选取不当，即使这些设计参数落在推荐的取值范围内，也会造成喷嘴阻力损失过大、稳燃区间小、易引发燃烧热声振荡，甚至发生吹熄或回火而无法稳定工作。

目前，在燃烧器设计阶段，没有形成避免燃烧热声不稳定性的通用设计准则，也无法预判燃烧器热声不稳定的强度，只能通过后续的实验测试，并根据测试结果，对燃烧器进行改造升级，来减小燃烧的热声不稳定现象。显然，这种试错的方法，具有时间周期长、研发成本高的技术缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

本发明提供了一种可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，包括入口壁面和出口壁面，入口壁面和出口壁面上分别开设有入口气流孔和出口气流孔，入口气流孔和出口气流孔的中心轴线重合，该腔体还包括：等离子体发生器，用于产生等离子体，包括高压端和接地端；等离子体激励器，用于利用等离子体对进入入口气流孔的气流流向进行诱导，等离子体激励器包括高压电极和接地电极，其中，高压电极和接地电极均为环形，高压电极设置于入口气流孔的出口边缘，接地电极嵌入到入口壁面，高压电极连接高压端，接地电极连接接地端。

进一步地，入口气流孔的直径小于出口气流孔。

进一步地，接地电极的外直径大于高压电极的外直径。

进一步地，高压电极和接地电极均从入口气流孔沿半径方向向外延展，部分高压电极和部分接地电极均沿轴向方向延伸至入口气流孔内。

进一步地，入口气流孔沿气流流向具有扩张形截面，扩张角度大于60 度。

进一步地，接地电极为圆环形，高压电极包括第一高压电极和第二高压电极，其中：第一高压电极的内直径大于接地电极的外直径；第二高压电极的外直径小于接地电极的内直径。

进一步地，高压电极的内直径大于接地电极的外直径。

进一步地，入口气流孔和出口气流孔上分别布置有等离子体激励器，其中：入口气流孔布置的等离子体激励器的高压电极的外直径小于接地电极的内直径；出口气流孔布置的等离子体激励器的高压电极的内直径大于接地电极的外直径。

进一步地，腔体为多个且相互串联，其中：位于上游的气流孔直径小于位于下游的气流孔直径；位于上游的腔体高度小于位于下游的腔体高度。

进一步地，腔体布置于燃烧室以下位置中的至少一处：喷嘴的燃料/ 空气入口附近、燃烧室入口扩张段、扩张段出口平台、出口收缩段或者燃烧室侧壁。

与现有技术相比，本发明提供的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，至少具有以下有益效果：

该腔体具有体积小、响应迅速、激励频带宽、没有运动部件等优点，可以根据燃烧状态，灵活调整等离子体的激励强度，对燃烧室振荡燃烧进行主动调控。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本发明第一实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体的三维结构图；

图2示意性示出了根据本发明工作原理的未施加等离子体激励时的气流流向图；

图3示意性示出了根据本发明工作原理的施加等离子体激励后的气流流向图；

图4示意性示出了根据本发明第二实施例的可诱导旋转运动的等离子体激励器的布局形式图；

图5示意性示出了根据本发明第三实施例的可诱导单侧运动的等离子体激励器的布局形式图；

图6示意性示出了根据本发明第四实施例的可诱导指向圆心运动的等离子体激励器的布局形式图；

图7示意性示出了根据本发明第五实施例的在腔体入口和出口均布置离子激励器的三维结构图；

图8示意性示出了根据本发明第六实施例的具有串联腔体的三维结构图；

图9示意性示出了根据本发明第七实施例的在燃烧器不同位置布置腔体的三维结构图。

【附图标记说明】

实施例1：1-入口气流孔；2-入口壁面；3-外侧壁；4-腔体；5-出口壁面；6-出口气流孔；7-等离子体发生器；71-高压端；72-接地端；8-高压电极；9-接地电极；

实施例2：12-高压电极；13-接地电极；15-入口气流孔；

实施例3：16-接地电极；17-高压电极；

实施例4：18-高压电极；

实施例5：19-高压电极；

实施例6：D1-出口气流孔直径；D2-中间层气流孔直径；D3-入口气流孔直径；H2-上游腔体高度；H1-下游腔体高度；

实施例7：20-燃烧器燃烧混合物入口；21-燃烧器冷却空气入口；22- 布置在喷嘴入口处的腔体；23-布置在燃烧室收缩段处的腔体；24-布置在扩张段出口平台处的腔体；25-布置在扩张段处的腔体。

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。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

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，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，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。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本发明第一实施例提供一种可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，具有流动阻力小、燃烧稳定性好、污染物排放低、燃料适应性好等优点。

图1示意性示出了根据本发明第一实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体的三维结构图。

如图1所示，本实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，由入口壁面 2、外侧壁3和出口壁面5围成该腔体4，入口壁面2和出口壁面5上分别开设有入口气流孔1和出口气流孔6，入口气流孔1和出口气流孔6的中心轴线重合。

该腔体还包括：等离子体发生器7，用于产生等离子体，包括高压端 71和接地端72；等离子体激励器，用于利用等离子体对进入入口气流孔1 的气流流向进行诱导，等离子体激励器包括高压电极8和接地电极9，其中，高压电极8和接地电极9均为环形，高压电极8设置于入口气流孔1 的出口边缘，接地电极9嵌入到入口壁面2内，高压电极8连接高压端71，接地电极9连接接地端72。

本实施例中，入口气流孔1的直径小于出口气流孔6。可选地，入口气流孔1位于入口壁面2中部，出口气流孔6位于出口壁面5中部。

本实施例中，接地电极9的外直径大于高压电极8的外直径。

此外，腔体的高度和宽度均大于出口气流孔6的直径。优选地，腔体的高度为出口气流孔6直径的两倍，腔体的宽度为出口气流孔6直径的四倍。优选地，腔体的形状为圆柱形。

图2示意性示出了根据本发明工作原理的未施加等离子体激励时的气流流向图。图3示意性示出了根据本发明工作原理的施加等离子体激励后的气流流向图。

等离子体激励器布置于入口气流孔1，由于等离子体激励诱导运动具有方向性，也即由裸露电极指向掩埋电极，对于图1中的等离子体激励器的布局形式，施加等离子体激励后，能够诱导由圆心指向半径增大方向的径向运动。

具体来说，如图2所示，未施加等离子体激励时，气流通过入口气流孔1后，依然保持轴向流动，由于出口气流孔6的直径大于入口气流孔1 直径，气流直接由出口气流孔6流出腔体。如图3所示，施加等离子体激励后，在等离子体诱导流动作用下，气流呈现扩张形流动，只有少量气流由出口气流孔6流出，大部分气流在腔体4内循环，直到气流充满腔体4后，出口气流孔6的流量才能恢复到未施加等离子体激励时的流量。

由此可见，可以通过等离子体激励，来调节出口气流的流量；通过调整等离子体激励的频率，出口流量也会相应出现周期的波动，进而对燃烧室振荡燃烧进行调控。

在实际应用中，可以根据燃烧状态调整等离子体激励的开关以及激励强度，以下从三方面归纳腔体调控燃烧室燃烧振荡的机理：

(1)等离子体激励的空气动力学效应，腔体的空气动力学效应不但可以调控流量，此外，由于施加激励前后，腔体可容纳气体的体积是不同的，因此通过空气动力学效应还能起到调整燃烧室固有频率的作用；

(2)等离子体激励还能够加热附近的气流，进而改变气流的密度并提高燃烧反应速度；

(3)等离子体激励能够产生活性自由基，可以提高燃烧反应速度，由此可见，本实施例的腔体是基于空气动力学效应、热效应和活性自由基效应，来实现对燃烧室振荡的主动调控。

通过本发明的实施例，该腔体基于等离子体激励来调控燃烧室振荡燃烧，具有体积小、响应迅速、激励频带宽、没有运动部件等优点。该腔体可以直接安装到现有的燃烧室上，根据燃烧状态，灵活调整等离子体的激励强度，实现稳定、高效和清洁的燃烧。

本发明第二实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，为简要起见，与前述第一实施例相同或相似的特征不再赘述，以下仅描述其不同于第一实施例的特征。

图4示意性示出了根据本发明第二实施例的可诱导旋转运动的等离子体激励器的布局形式图。

如图4所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体结构与第一实施例的区别在于：该等离子体激励器可诱导旋转运动，包括高压电极12 和接地电极13。其中，高压电极12和接地电极13均从入口气流孔沿半径方向向外延展，部分高压电极12和部分接地电极13均沿轴向方向延伸至入口气流孔内。这种电极布局方式可诱导图4中的沿箭头方向的旋转运动，并产生离心力使来流扩张。

优选地，入口气流孔沿气流流向具有扩张形截面，扩张角度大于60 度。由此，在等离子体激励作用下，来流的扩张程度更加剧烈，进而增强调控的效果。

本发明第三实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，为简要起见，与前述第一实施例相同或相似的特征不再赘述，以下仅描述其不同于第一实施例的特征。

图5示意性示出了根据本发明第三实施例的可诱导单侧运动的等离子体激励器的布局形式图。

如图5所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体结构与第一实施例的区别在于：该等离子体激励器可诱导单侧运动，包括接地电极16 和高压电极17。其中，接地电极16为圆环形，高压电极17由两部分组成，也即包括第一高压电极和第二高压电极。

其中，第一高压电极的内直径大于接地电极16的外直径，其诱导流动方向指向圆心，如图5中左上侧所示。第二高压电极的外直径小于接地电极16的内直径，其诱导流动方向远离圆心，如图5中右下侧所示。

第一高压电极和第二高压电极的诱导流动方向基本一致，可以使来流向一个方向偏转，进而使来流在腔体内循环运动。

本发明第四实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，为简要起见，与前述第一实施例相同或相似的特征不再赘述，以下仅描述其不同于第一实施例的特征。

图6示意性示出了根据本发明第四实施例的可诱导指向圆心运动的等离子体激励器的布局形式图。

如图6所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体结构与第一实施例的区别在于：该等离子体激励器可诱导指向圆心运动，包括高压电极18和接地电极，其中，高压电极18的内直径大于接地电极的外直径。这样可以诱导指向圆心的径向运动，如图6中沿箭头方向，能够阻碍气流的运动，进而对流量进行调控。

本发明第五实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，为简要起见，与前述第一实施例相同或相似的特征不再赘述，以下仅描述其不同于第一实施例的特征。

图7示意性示出了根据本发明第五实施例的在腔体入口和出口均布置离子激励器的三维结构图。

如图7所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体结构与第一实施例的区别在于：入口气流孔和出口气流孔上分别布置有等离子体激励器，其中，入口气流孔布置的等离子体激励器的高压电极的外直径小于接地电极的内直径，这样可以诱导远离圆心的径向运动，能够促使气流进行扩张；出口气流孔布置的等离子体激励器的高压电极19的内直径大于接地电极的外直径，这样可以诱导指向圆心的径向运动，能够阻碍流经气流孔的气流的流动。在这两个等离子体激励器的共同作用下，能够更有效的调节气流的流量。

本发明第六实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，为简要起见，与前述第一实施例相同或相似的特征不再赘述，以下仅描述其不同于第一实施例的特征。

图8示意性示出了根据本发明第六实施例的具有串联腔体的三维结构图。

如图8所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体结构与第一实施例的区别在于：腔体为多个且相互串联，其中，位于上游的气流孔直径小于位于下游的气流孔直径，位于上游的腔体高度小于位于下游的腔体高度。

具体来说，如图8所示，例如在两个腔体串联的情况下，腔体出口气流孔直径D1、腔体中间层气流孔直径D2、腔体入口气流孔直径D3之间的关系是D1＞D2＞D3。位于上游的腔体高度H2小于位于下游的腔体高度 H1，即H1＞H2。

以上只是示例性说明，本实施例不限于此。例如，多个腔体还可以并联在一起使用。

本发明第七实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，为简要起见，与前述第一实施例相同或相似的特征不再赘述，以下仅描述其不同于第一实施例的特征。

图9示意性示出了根据本发明第七实施例的在燃烧器不同位置布置腔体的三维结构图。

如图9所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体结构与第一实施例的区别在于：该腔体布置于燃烧室以下位置中的至少一处：喷嘴的燃料/空气入口附近、燃烧室入口扩张段、扩张段出口平台、出口收缩段或者燃烧室侧壁。

具体来说，如图9所示，该燃烧器有两个入口，也即燃烧器燃烧混合物入口20和燃烧器冷却空气入口21。本实施例的腔体，可以为布置在喷嘴入口处的腔体22、布置在燃烧室收缩段处的腔体23、布置在扩张段出口平台处的腔体24以及布置在扩张段处的腔体25。

综上所述，本发明实施例提供了一种可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，该腔体的入口和出口上分别开设有气流孔，在腔体入口气流孔上布置等离子体激励器的高压电极和接地电极，入口气流孔的直径小于出口气流孔的直径。该腔体可以布置在喷嘴的燃料/空气入口附近，燃烧室入口扩张段、扩张段出口平台、出口收缩段、以及燃烧室侧壁上。腔体可以串联使用，也可以阵列使用。该腔体基于等离子体激励来调控燃烧室振荡燃烧，具有体积小、响应迅速、激励频带宽、没有运动部件等优点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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。因此，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”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。除非另有说明，否则表述“大约”、“约”、“基本上”和“左右”表示在10％以内，优选地，在5％以内。

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 (6)

1.一种可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，包括入口壁面和出口壁面，所述入口壁面和出口壁面上分别开设有入口气流孔和出口气流孔，所述入口气流孔和出口气流孔的中心轴线重合，其特征在于，还包括：

等离子体发生器，用于产生等离子体，包括高压端和接地端；

等离子体激励器，用于利用等离子体对进入所述入口气流孔的气流流向进行诱导，所述等离子体激励器包括高压电极和接地电极，其中，所述高压电极和接地电极均为环形，所述高压电极设置于所述入口气流孔的出口边缘，所述接地电极嵌入到所述入口壁面，所述高压电极连接所述高压端，所述接地电极连接所述接地端；

其特征在于，所述入口气流孔和所述出口气流孔上分别布置有所述等离子体激励器，其中：

所述入口气流孔布置的等离子体激励器的高压电极的外直径小于接地电极的内直径；

所述出口气流孔布置的等离子体激励器的高压电极的内直径大于接地电极的外直径；

所述高压电极和接地电极均从所述入口气流孔沿半径方向向外延展，部分所述高压电极和部分所述接地电极均沿轴向方向延伸至所述入口气流孔内；

所述入口气流孔沿气流流向具有扩张形截面，扩张角度大于60度；

所述接地电极为圆环形，所述高压电极包括第一高压电极和第二高压电极，其中：

所述第一高压电极的内直径大于所述接地电极的外直径；

所述第二高压电极的外直径小于所述接地电极的内直径。

2.根据权利要求1所述的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，其特征在于，所述入口气流孔的直径小于所述出口气流孔。

3.根据权利要求1所述的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，其特征在于，所述接地电极的外直径大于所述高压电极的外直径。

4.根据权利要求1所述的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，其特征在于，所述高压电极的内直径大于所述接地电极的外直径。

5.根据权利要求1所述的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，其特征在于，所述腔体为多个且相互串联，其中：

位于上游的气流孔直径小于位于下游的气流孔直径；

位于上游的腔体高度小于位于下游的腔体高度。

6.根据权利要求1所述的可抑制燃烧室振荡燃烧的腔体，其特征在于，所述腔体布置于燃烧室以下位置中的至少一处：

喷嘴的燃料/空气入口附近、燃烧室入口扩张段、扩张段出口平台、出口收缩段或者燃烧室侧壁。