CN115013840A - 等离子体喷嘴和燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子体喷嘴，可以应用于燃烧技术领域。该等离子体喷嘴包括：内筒、外筒、裸露电极和掩埋电极；外筒，套设在内筒外；裸露电极，固定在内筒的内壁上；掩埋电极，固定在外筒的内壁上；其中，外筒是可转动的，转动外筒以改变掩埋电极相对于裸露电极的位置。本发明还提供了一种燃烧装置。本发明的等离子体喷嘴可以灵活调整气流的旋流强度，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。

Description

等离子体喷嘴和燃烧装置

技术领域

本发明涉及燃烧技术领域，特别是涉及一种可以改善燃烧热声不稳定性的等离子体喷嘴和燃烧装置。

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。与燃气轮机燃烧装置类似，锅炉、化工炉等各种类型的工业燃烧装置也面临着稳定燃烧与降低污染物排放的矛盾。此外，由于燃烧装置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。由于目前燃烧装置还处于设计阶段，因此没有形成避免燃烧热声不稳定性的通用设计准则，也无法预判燃烧装置热声不稳定的强度，只能通过后续的实验测试，并根据测试结果，对燃烧装置进行改造升级，来减小燃烧的热声不稳定现象，显然，这种试错的方法，时间周期长、研发成本高。

在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：现有的燃烧装置燃烧不稳定、易造成喷嘴阻力损失大、稳燃区间小和引发燃烧热声振荡，甚至发生吹熄或回火而无法稳定工作的情况。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种等离子体喷嘴及燃烧装置。

根据本公开的第一个方面，提供了一种等离子体喷嘴包括：

内筒、外筒、裸露电极和掩埋电极；

外筒，套设在内筒外；

裸露电极，固定在内筒的内壁上；

掩埋电极，固定在外筒的内壁上；

其中，外筒是可转动的，转动外筒以改变掩埋电极相对于裸露电极的位置。

根据本公开的实施例，喷嘴还包括控制系统、监控系统和运动机构：

控制系统，输入端连接监控系统，输出端连接运动机构；

监控系统，设置在内筒的出口上；

运动机构，另一端连接外筒；

监控系统将采集的燃烧信号发送至控制系统，控制系统根据燃烧信号控制运动机构将外筒进行移动。

根据本公开的实施例，掩埋电极和掩埋电极的数量分别为9个。

根据本公开的实施例，裸露电极沿内筒的轴向固定，掩埋电极沿外筒的轴向固定。

根据本公开的实施例，喷嘴还包括中间筒，中间筒套设在内筒内并与内筒间形成外圈流道。

根据本公开的实施例，中间筒和内筒均为圆筒形，中间筒的圆直径为内筒的圆直径的1/2。

根据本公开的实施例，裸露电极与掩埋电极对应设置，裸露电极的宽度小于掩埋电极宽度并横向位于掩埋电极的中间位置。

根据本公开的实施例，喷嘴还包括叶片旋流器，叶片旋流器设置在外筒内，并靠近外筒的进口端。

根据本公开的实施例，裸露电极的宽度为掩埋电极的宽度的1/5。

本公开的第二方面提供了一种燃烧装置，该燃烧装置包括上述等离子体喷嘴。

基于上述技术方案可知，本公开至少具有以下有益效果：

本公开提供了一种等离子体喷嘴，通过在内筒的内壁上固定裸露电极，在外筒的内壁上固定掩埋电极，转动外筒来改变所述掩埋电极相对于所述裸露电极的位置，从而灵活调整气流的旋流强度，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，可实现气体燃料的稳定、高效和清洁燃烧。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开一实施例的等离子体喷嘴的三维结构示意图。

图2示意性示出了根据图1略去内筒的三维结构示意图。

图3示意性示出了根据本公开一实施例的外筒顺时针方向的旋转运动示意图。

图4示意性示出了根据本公开一实施例的外筒逆时针方向的旋转运动示意图。

图5示意性示出了根据本公开一实施例的等离子体喷嘴的三维结构示意图。

图6示意性示出了根据图5所示结构的等离子体激励诱导流动示意图。

图7示意性示出了根据本公开一实施例的叶片旋流器的三维示意图。

【附图标记说明】

1-内筒

2-掩埋电极

3-等离子发生器

4-裸露电极

5-外筒

6-监控系统

7-控制系统

8-运动机构

9-中间筒

10-叶片旋流器

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者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，而不是指示或者暗示所指的装置或者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。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。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。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、 B、C的系统等)。

图1示意性示出了根据本公开一实施例的等离子体喷嘴的三维结构示意图。图2示意性示出了根据图1略去内筒1的三维结构示意图。图3示意性示出了根据本公开一实施例的外筒5顺时针方向的旋转运动示意图。图4示意性示出了根据本公开一实施例的外筒5逆时针方向的旋转运动示意图。需要说明的是，为了尽量使每个部件都显示于图中，部分部件只显示了一部分。如图1至图4所示，本发明提供了一种等离子体喷嘴，该等离子体喷嘴包括：

内筒1、外筒5、裸露电极4和掩埋电极2；外筒5，套设在内筒1外；裸露电极4，固定在内筒1的内壁上；掩埋电极2，固定在外筒5的内壁上；裸露电极4沿内筒1的轴向固定，掩埋电极2沿外筒5的轴向固定。其中，外筒5是可转动的，转动外筒5以改变掩埋电极2相对于裸露电极 4的位置，裸露电极4和掩埋电极2的数量可以为1～1000个，具体数量需根据实际情况来调整，例如，裸露电极4和掩埋电极2的数量可以分别为 9个，本实施例的图中分别设置了8个裸露电极4和掩埋电极2，需要说明的是，本实施例仅为示例，不能用以限制本发明。本实施例中裸露电极 4沿内筒1的轴向固定，掩埋电极2沿外筒5的轴向固定，以使等离子体激励诱导流动为等离子体喷嘴的截面的切向方向。为了便于外筒5的转动，本发明的等离子体喷嘴还包括控制系统7、监控系统6和运动机构8；控制系统7，输入端连接监控系统6，输出端连接运动机构8；监控系统6，设置在内筒1的出口上；运动机构8，另一端连接外筒5；监控系统6将采集的燃烧信号发送至控制系统7，控制系统7根据燃烧信号控制运动机构8将外筒5进行移动。

由于等离子体激励诱导运动具有方向性，即由裸露电极4指向掩埋电极2，因此可通过改变裸露电极4与掩埋电极2之间的相对位置，来调控等离子体激励诱导旋转运动的方向，进而实现对燃烧的调控，使用时，需将掩埋电极2与等离子体发生器3的接地端连接，裸露电极4与等离子体发生器3的高压端连接；当监控系统6监测到发生燃烧热声不稳定现象时，监控系统6将采集到的燃烧信号传输至控制系统7，控制系统7根据燃烧信号控制运动机构8按照一定频率重复正转和反转，并带动外筒5及固定在上面的掩埋电极2一起重复正转和反转，进而使等离子体激励诱导旋流方向在顺时针方向与逆时针方向之间来回切换，如图3所示，等离子体激励诱导顺时针方向的旋转运动，图中箭头为诱导方向；如图4所示，等离子体激励诱导逆时针方向的旋转运动，图中箭头为诱导方向，由此调控火焰的热释放率，进而避免发生燃烧的热声振荡。

本实施例的等离子体喷嘴，通过转动外筒5，改变掩埋电极2相对于裸露电极4的位置，调控火焰的热释放率，避免发生燃烧的热声振荡，且具有火焰流动阻力小、燃烧稳定性好、污染物排放低和燃料适应性好等优点。

图5示意性示出了根据本公开一实施例的等离子体喷嘴的三维结构示意图。图6示意性示出了根据图5所示结构的等离子体激励诱导流动示意图。本实施例除以下内容外，其他内容均与上述描述图1至图4的内容相同。需要说明的是，为了尽量使每个部件都显示于图中，部分部件只显示了一部分。如图5和图6所示，本发明提供的等离子体喷嘴还包括中间筒 9：

中间筒9套设在内筒1内并与内筒1间形成外圈流道。中间筒9和内筒1均为圆筒形，中间筒9的圆直径可以为内筒1的圆直径的1/2。中间筒9将流道分隔成中间筒9内部的内圈流道和中间筒9与内筒1之间的外圈流道。使用时，燃料与空气进入等离子体喷嘴前并不掺混，燃料进入内圈流道，空气进入外圈流道。本实施例中裸露电极4与掩埋电极2对应设置，裸露电极4的宽度小于掩埋电极2宽度并横向位于掩埋电极2的中间位置，例如裸露电极4的宽度为掩埋电极2的宽度的1/5。施加等离子体激励后，如图6所示，每对对称布置的裸露电极4和掩埋电极2可以诱导出一对漩涡，图中箭头为诱导方向。在燃料流出中间筒9后，在等离子体激励诱导漩涡的作用下，燃料与空气迅速掺混形成可燃混合物，在等离子体喷嘴的出口形成扩散燃烧火焰；如果不施加等离子体激励，由于燃料与空气在离开喷嘴前，没有进行有效掺混，在喷嘴出口形成的是扩散燃烧火焰。可见，施加等离子体激励，可以实现扩散燃烧与预混燃烧之间的切换。由于预混燃烧的火焰温度低可以减小污染物的排放，因此燃烧装置稳定工作后，即可开启等离子体发生器3，实现预混燃烧。扩散燃烧的优点是燃烧稳定性好，不会发生回火，因此，当发生回火趋势或振荡燃烧时，关闭等离子体发生器3，使燃烧由预混燃烧切换至扩散燃烧，进而避免发生回火或振荡燃烧。

本实施例的等离子体喷嘴，可以使燃料和空气充分掺混，燃烧稳定性好，不会发生回火，还可以及时关闭等离子体发生器3，使燃烧由预混燃烧切换至扩散燃烧，进而避免发生回火或振荡燃烧，燃烧稳定性好。

图7示意性示出了根据本公开一实施例的叶片旋流器10的三维示意图。本实施例除以下内容外，其他内容均与上述描述图1至图6的内容相同。需要说明的是，为了尽量使每个部件都显示于图中，部分部件只显示了一部分。如图7所示，本发明提供的等离子体喷嘴还包括叶片旋流器10：

该叶片旋流器10设置在外筒5内，并靠近外筒5的进口端。叶片旋流器10可以使气流旋转。由于叶片旋流器10是使气流沿固定的方向旋转，图7中叶片旋流器10是使气流转动方向为顺时针方向，而本实施例中等离子体诱导旋流方向是可以调整的，当等离子体激励诱导旋流方向与旋流器使气流旋转方向相同时，等离子体激励有增强气流旋流强度的作用；当等离子体激励诱导旋流方向与旋流器使气流旋转方向相反时，等离子体激励有减小气流旋流强度的作用。图7中，等离子体激励诱导逆时针方向的旋转运动，图中箭头为方向指示，与叶片旋流器10使气流旋转的方向相反。因此，可以根据燃烧状态，通过调整裸露电极4与掩埋电极2之间的相对位置，来改变等离子体激励诱导旋流方向，当火焰远离喷嘴，出现熄火趋势时，应增大气流的旋转强度，即使等离子体激励诱导旋流方向与叶片旋流器10使气流旋转的方向保持一致；当火焰靠近喷嘴，出现回火趋势时，应减小气流的旋转强度，即使等离子体激励诱导旋流方向与叶片旋流器10使气流旋转的方向相反。

本公开提供的等离子体喷嘴，通过设置叶片旋流器10，可以与裸露电极4和掩埋电极2配合，灵活控制气流的旋转方向、提高燃烧的稳定性、改善燃烧热声的不稳定性。

基于上述等离子体喷嘴，本公开还提供了一种燃烧装置，该燃烧装置包括上述等离子体喷嘴。

需要说明的是，本公开的实施例的燃烧装置中的等离子体喷嘴部分与本公开的实施例中等离子体喷嘴部分是相对应的，具体描述参考燃烧装置部分，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

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，其特征在于，包括：

内筒、外筒、裸露电极和掩埋电极；

所述外筒，套设在所述内筒外；

所述裸露电极，固定在所述内筒的内壁上；

所述掩埋电极，固定在所述外筒的内壁上；

其中，所述外筒是可转动的，转动所述外筒以改变所述掩埋电极相对于所述裸露电极的位置。

2.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述喷嘴还包括控制系统、监控系统和运动机构：

所述控制系统，输入端连接所述监控系统，输出端连接所述运动机构；

所述监控系统，设置在所述内筒的出口上；

所述运动机构，另一端连接所述外筒；

所述监控系统将采集的燃烧信号发送至所述控制系统，所述控制系统根据所述燃烧信号控制所述运动机构将所述外筒进行移动。

3.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述掩埋电极和所述掩埋电极的数量分别为9个。

4.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述裸露电极沿所述内筒的轴向固定，所述掩埋电极沿所述外筒的轴向固定。

5.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述喷嘴还包括中间筒，所述中间筒套设在所述内筒内并与所述内筒间形成外圈流道。

6.根据权利要求5所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述中间筒和所述内筒均为圆筒形，所述中间筒的圆直径为所述内筒的圆直径的1/2。

7.根据权利要求6所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述裸露电极与所述掩埋电极对应设置，所述裸露电极的宽度小于掩埋电极宽度并横向位于所述掩埋电极的中间位置。

8.根据权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述喷嘴还包括叶片旋流器，所述叶片旋流器设置在所述外筒内，并靠近所述外筒的进口端。

9.根据权利要求7所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述裸露电极的宽度为所述掩埋电极的宽度的1/5。

10.一种燃烧装置，其特征在于，所述燃烧装置包括如权利要求1-9中任意一项所述的等离子体喷嘴。

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