一种旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器及方法技术

一种旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器及方法，燃烧器包括依次相接的燃烧室、阳极壳体和预混绝缘段，可燃预混气从预混绝缘段的尾端送入，阳极壳体中安装有阴极圆台形电极，沿可燃预混气的流向，在阴极圆台形电极的后方设置有轴向旋流器，阳极壳体和阴极圆台形电极被配置为接通电源后产生电弧，轴向旋流器被配置为产生旋流气流，旋流气流驱动电弧在阳极壳体与阴极圆台形电极之间的电弧通道形成三维旋转滑动电弧，并形成三维空间放电等离子体区域，该区域作用于发生燃烧振荡火焰的根部及四周。本发明专利技术用旋转滑动弧等离子体作为一种动态、主动的方式作用于燃烧室火焰的根部和周围，对火焰发生的燃烧振荡状态起调控及抑制的作用。制的作用。制的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器及方法


[0001]本专利技术属于能源与动力技术
，涉及利用等离子体进行燃烧振荡抑制的方法，特别涉及一种旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧的燃烧器及方法。

技术介绍

[0002]随着国际上日益严苛的环境排放标准的实施，现代先进燃烧器多采用干式贫燃预混燃烧技术，燃料和大量空气混合进入燃烧区内进行稀相燃烧。这种燃烧方式可有效减少NOx等污染物的生成。但与此同时，燃烧振荡问题也更加突出。贫燃预混燃烧模式下当量比趋于熄火边界，容易受外界扰动，产生释热率脉动。一旦燃烧释热率的波动和压力波动相耦合(热声耦合)，形成的正反馈将把燃烧释放的能量转化为声学系统振荡能量，导致剧烈的压力和释热率脉动现象，一般称为燃烧振荡或热声振荡。工程应用中，一旦发生热声振荡，轻则影响燃烧系统的稳定工作范围，重则造成燃烧装置及其他部件的损毁，严重地还将危及到整个燃烧系统的安全运行。因此，需要采用有效的控制方法规避燃烧振荡在燃烧装置中发生。
[0003]传统的针对燃烧器内部热声振荡的控制方法主要有被动控制和主动控制两种。被动控制是指通过重新设计燃烧器结构和配风方式以降低燃烧过程对声扰动的敏感性，或通过增加消声部件来吸收声能，避免声波的增长。被动控制适用范围有限，只对特定设备的特定振荡条件起作用，并且只能针对某一类型的具体燃烧器进行开发，造成开发周期长，费用高等问题。主动控制是使用外置的监测器和主动作动器，根据所监测的燃烧系统中的压力脉动等信号，进而主动地施加合适的外部激励(对进口空气或者燃料供应等)，以破坏释热率脉与声压脉动的耦合过程，具有控制效果好，适用面广，易操作的特点。但这类方法需要额外的控制系统和作动器，并且在作动器方面由于机械阀门的作动频率不足(通常小于100Hz)、作动时间延迟以及存在机械损失等问题。
[0004]针对目前抑制燃烧压力脉动的方法中存在作动频率不足、作动时间延迟大以及机械损失的技术问题，现有专利如CN201811639692.9、CN201811635818.5、CN201811635817.0等，采用的方案均是利用中心等离子体或侧面等离子体或两者协同作为一种动态、主动的方式调控燃烧系统在燃烧过程中出现的压力脉动状态，但是都使用了介质阻挡放电(DBD)产生等离子体的方式，该方式虽然可以产生较大面积的低温等离子体，但这种方式也存在放电的不均匀以及其介质层极易因受热不均而破裂，电极被损坏的问题，加之航空发动机、燃气轮机等燃烧室工作环境恶劣，导致其介质层更易受损，因此DBD放电不便于使用在这些燃烧室上。此外上述专利需要同时在火焰根部和侧面安装可产生等离子体的电极方可达到较优的抑制燃烧压力脉动的效果，结构也较为复杂。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器及方法，一个目的是解决现有技术中的主动燃烧控制方法存在
作动频率不足、作动时间延迟以及存在机械损失的问题；另外一个目的是解决DBD放电产生等离子抑制压力脉动方法中存在放电不均匀、介质层受热不均而发生破裂、电极被损坏以及上述专利中为达到较优的压力脉动抑制效果而导致结构复杂的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器，包括依次相接的燃烧室、阳极壳体和预混绝缘段，可燃预混气从预混绝缘段的尾端送入，所述阳极壳体中安装有阴极圆台形电极，沿可燃预混气的流向，在阴极圆台形电极的后方设置有轴向旋流器，所述阳极壳体和所述阴极圆台形电极被配置为接通电源后产生电弧，所述轴向旋流器被配置为产生旋流气流，所述旋流气流驱动所述电弧在阳极壳体与阴极圆台形电极之间的电弧通道形成三维旋转滑动电弧，并形成三维空间放电等离子体区域，该区域作用于发生燃烧振荡火焰的根部及四周。
[0008]在一个实施例中，所述燃烧室的前端也即出气端连接锥形排气口的大径端，尾端也即进气端与所述阳极壳体的前端也即出气端相连，所述阳极壳体的尾端也即进气端与预混绝缘段的前端即出气端相连通；所述预混绝缘段设置有蜂窝整流板。
[0009]在一个实施例中，所述阳极壳体的内径D为60～80mm，所述燃烧室的内径为阳极壳体内径的1.2～1.5倍，所述预混绝缘段的内径与阳极壳体内径相同；所述锥形排气口的大径端内径与燃烧室的内径相同，小径端内径为阳极壳体内径的0.7～1.1倍。
[0010]在一个实施例中，所述预混绝缘段的尾端连接底座，所述底座的尾端沿燃烧器轴向方向凿有连接进气口的孔；所述底座的内径与阳极壳体的内径相同；连接杆依次贯穿底座、蜂窝整流板和轴向旋流器，与阴极圆台形电极的大径端端面连接，所述连接杆被配置为接地端。
[0011]在一个实施例中，所述轴向旋流器的进气端与阳极壳体的进气端齐平；所述阴极圆台形电极的大径端靠近所述轴向旋流器出气端的一侧。
[0012]在一个实施例中，所述轴向旋流器为叶片式轴向旋流器，包括轮毂、多个旋流叶片和中心通孔；所述多个旋流叶片沿圆周均匀分布于所述的叶片式轴向旋流器的轮毂上；所述中心通孔用于安装连接杆，内径和连接杆的直径相同；所述旋流叶片的数量为4～12个；旋流叶片的导向气流出口角为15
°
～85
°
；所述叶片式轴向旋流器的外径与阳极壳体的内径相同。
[0013]在一个实施例中，所述阴极圆台形电极大径端的直径D2为40mm～60mm；所述阴极圆台形电极侧面与燃烧器中轴线之间的夹角θ为30
°
～80
°
；所述阴极圆台形电极大径端与所述阳极壳体的内表面之间的间距为5～15mm；所述阴极圆台形电极小径端的端面低于阳极壳体出气端的端面，阴极圆台形电极小径端的端面与阳极壳体出气端的端面之间的距离d为15mm～30mm，所述阴极圆台形电极小径端的端面用于固定火焰。
[0014]本专利技术还提供了基于所述旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器的抑制燃烧振荡方法，将阳极壳体连接电源，阴极圆台形电极接地；向燃烧室注入可燃预混气并点燃，当燃烧室产生燃烧振荡现象并伴随一定幅值的压力波动时，启动电源，在高压电场激励下，于阳极壳体和阴极圆台形电极之间产生电弧，该电弧在轴向旋流器产生的旋流气流的驱动下向下游滑动，并不断拉长，当电弧运动到最远端后被气流吹断，随后在阳极壳体和阴极圆台形电极的最小距离处再次击穿，再次被气流驱动旋转滑动，如此循环往复，周而复
始，最终形成三维空间放电等离子体区域，该区域作用于发生燃烧振荡火焰的根部及四周；调节等离子体的放电频率为火焰发生燃烧振荡时主频率的整数倍，同时调节等离子体的放电强度，实现燃烧室内燃烧振荡的抑制。
[0015]在一个实施例中，所述电源为纳秒脉冲电源，电压为0～20kV，脉冲重复频率20kHz；或所述电源为高频交流电源，输出电压为0～40kV，频率范围为1～150kHz；或所述电源为直流交流耦合电源，即在高压直流上叠加一个高频高压交流成分而得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器，其特征在于，包括依次相接的燃烧室(2)、阳极壳体(3)和预混绝缘段(7)，可燃预混气(13)从预混绝缘段(7)的尾端送入，所述阳极壳体(3)中安装有阴极圆台形电极(4)，沿可燃预混气(13)的流向，在阴极圆台形电极(4)的后方设置有轴向旋流器(5)，所述阳极壳体(3)和所述阴极圆台形电极(4)被配置为接通电源(11)后产生电弧，所述轴向旋流器(5)被配置为产生旋流气流，所述旋流气流驱动所述电弧在阳极壳体(3)与阴极圆台形电极(4)之间的电弧通道形成三维旋转滑动电弧(14)，并形成三维空间放电等离子体区域，该区域作用于发生燃烧振荡火焰的根部及四周。2.根据权利要求1所述旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器，其特征在于，所述燃烧室(2)的前端也即出气端连接锥形排气口(1)的大径端，尾端也即进气端与所述阳极壳体(3)的前端也即出气端相连，所述阳极壳体(3)的尾端也即进气端与预混绝缘段(7)的前端即出气端相连通；所述预混绝缘段(7)设置有蜂窝整流板(8)。3.根据权利要求2所述旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器，其特征在于，所述阳极壳体(3)的内径D为60～80mm，所述燃烧室(2)的内径为阳极壳体(3)内径的1.2～1.5倍，所述预混绝缘段(7)的内径与阳极壳体(3)内径相同；所述锥形排气口(1)的大径端内径与燃烧室(2)的内径相同，小径端内径为阳极壳体(3)内径的0.7～1.1倍。4.根据权利要求1或2或3或4所述旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器，其特征在于，所述预混绝缘段(7)的尾端连接底座(9)，所述底座(9)的尾端沿燃烧器轴向方向凿有连接进气口(10)的孔；所述底座(9)的内径与阳极壳体(3)的内径相同；连接杆(6)依次贯穿底座(9)、蜂窝整流板(8)和轴向旋流器(5)，与阴极圆台形电极(4)的大径端端面连接，所述连接杆(6)被配置为接地端。5.根据权利要求1所述旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器，其特征在于，所述轴向旋流器(5)的进气端与阳极壳体(3)的进气端齐平；所述阴极圆台形电极(4)的大径端靠近所述轴向旋流器(5)出气端的一侧。6.根据权利要求1所述旋转滑动弧放电等离子体抑制燃烧振荡的燃烧器，其特征在于，所述轴向旋流器(5)为叶片式轴向旋流器，包括轮毂、多个旋流叶片和中心通孔；所述多个旋流叶片沿圆周均匀分布于所述的叶片式轴向旋流器的轮毂上；所述中心通孔用于安装连接杆，内径和连接杆的直径相同；所述旋流...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金华，吉龙娟，张玮杰，张猛，琚荣源，黄佐华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：