可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴

1.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喷嘴。


背景技术：

2.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，而且燃烧器尺寸较大。
3.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。
4.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，时间周期长、研发成本高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
6.本发明提供了一种可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，包括：多个燃料管路和多个空气管路，分别开设于喷嘴的入口，燃料和空气分别通过燃料管路和空气管路穿过同一个腔体；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，用于利用等离子体激励来调控进入腔体的燃料和空气的掺混程度，等离子体激励器包括接地电极和多个高压电极，其中，高压电极分别布置于每个燃料管路和每个空气管路在腔体内的出口处，接地电极嵌入腔体的底部，多个高压电极相互独立且共用一个接地电极，高压电极连接高压端，接地电极连接接地端。
7.可选地，在多个燃料管路和多个空气管路中，每个管路进入腔体的部分与离开腔体的部分的中心轴线重合，进入腔体的管路直径小于对应的离开腔体的管路直径。
8.可选地，高压电极为圆环形，且位于管路在腔体内出口的边缘；接地电极为圆形多孔结构，且嵌入到喷嘴的入口壁面。
9.可选地，燃料管路和空气管路的布置形式包括以下中的至少一种：燃料管路和空气管路交错排列；燃料管路和空气管路均沿圆周方向阵列。
10.可选地，高压电极和接地电极均从喷嘴的入口气流孔沿半径方向向外延展，接地
电极和每个高压电极中的一部分沿轴向方向延伸至入口气流孔内。
11.可选地，喷嘴的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。
12.可选地，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。
13.可选地，高压电极的内直径大于接地电极的外直径。
14.可选地，喷嘴的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。
15.可选地，喷嘴的布置形式包括以下中的一种：喷嘴为多个且相互串联，其中，位于上游的喷嘴气流孔直径小于位于下游的喷嘴气流孔直径，位于上游的喷嘴高度小于位于下游的喷嘴高度；或者喷嘴为多个且相互并联。
16.与现有技术相比，本发明提供的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，至少具有以下有益效果：
17.该喷嘴具有体积小、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。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。
附图说明
18.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：
19.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喷嘴的三维结构图；
20.图2示意性示出了根据本发明工作原理的等离子体激励诱导流动的气流流向图；
21.图3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；
22.图4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；
23.图5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；
24.图6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；
25.图7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；
26.图8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；
27.图9示意性示出了根据本发明第六实施例的具有串联喷嘴的三维结构图。
28.【附图标记说明】
29.实施例1：1-燃料管路的入口；2-空气管路的入口；3-等离子体发生器；31-高压端；32-接地端；4-接地电极；5-高压电极；6-空气管路在腔体内的出口；7-燃料管路在腔体内的
出口；8-腔体；
30.实施例2：12-高压电极；13-接地电极；15-入口气流孔；
31.实施例3：16-接地电极；17-高压电极；171-第一高压电极；172-第二高压电极；
32.实施例4：18-高压电极；
33.实施例5：19-高压电极；
34.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-上游喷嘴高度；h1-下游喷嘴高度。
具体实施方式
35.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。
36.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。
37.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。
38.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。
39.本发明第一实施例提供一种可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，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。
40.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喷嘴的三维结构图。
41.如图1所示，本实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，包括多个燃料管路和多个空气管路，分别开设于喷嘴的入口，燃料和空气分别通过燃料管路的入口1和空气管路的入口2穿过同一个腔体8。等离子体发生器3，用于产生等离子体，包括高压端31和接地端32。
42.等离子体激励器，用于利用等离子体激励来调控进入腔体8的燃料和空气的掺混程度。该等离子体激励器包括接地电极4和多个高压电极5，其中，高压电极5分别布置于每个燃料管路在腔体内的出口7和每个空气管路在腔体内的出口8的位置，接地电极4嵌入腔体8的底部，多个高压电极5相互独立且共用一个接地电极4，高压电极5连接高压端31，接地电极4连接接地端32。
43.本实施例中，在多个燃料管路和多个空气管路中，每个管路进入腔体的部分与离开腔体的部分的中心轴线重合，进入腔体的管路直径小于对应的离开腔体的管路直径。
44.本实施例中，每个高压电极5为独立结构，高压电极5为圆环形，且位于管路在腔体
8内出口的边缘。接地电极4为圆形多孔结构，且嵌入到喷嘴的入口壁面。不同的高压电极5共用一个接地电极4。
45.本实施例中，燃料管路和空气管路的布置形式包括以下中的至少一种：燃料管路和空气管路交错排列；燃料管路和空气管路均沿圆周方向阵列。优选地，位于腔体8的底部圆心处的管路为燃料管路，沿半径增大方向依次为空气管路、燃料管路、空气管路、燃料管路等，燃料管路和空气管路沿半径增大方向交错排列。
46.图2示意性示出了根据本发明工作原理的等离子体激励诱导流动的气流流向图。图3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4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。
47.由于等离子体激励诱导运动具有方向性，即由裸露电极指向掩埋电极，对于图1中等离子体激励器的布局形式，如图2箭头方向所示，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。不施加等离子体激励时，进入腔体的燃料和空气，如图3箭头方向所示，在腔体内依然保持与轴向平行的运动，通过对应出口流出腔体，燃料和空气在腔体内并不掺混，在喷嘴出口进行扩散燃烧。
48.然而，施加等离子体激励后，在等离子体激励诱导流动作用下，流动发生扩张、偏转，如图4箭头方向所示，无法保持沿轴向的运动，这样在等离子体激励的作用下，燃料与空气在腔体内进行掺混，燃料与空气的掺混程度与等离子体激励强度有关，流出腔体的是燃料与空气的混合物，在喷嘴出口进行预混燃烧或部分预混燃烧。由此，通过调整等离子体激励的频率，空气和燃料的掺混程度也会相应出现周期的波动，进而对燃烧的稳定性和燃烧室振荡燃烧进行调控。
49.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，以下从三方面归纳喷嘴调控燃烧室燃烧振荡的机理：第一是等离子体激励的空气动力学效应，喷嘴的空气动力学效应不但可以调控空气与燃料的掺混程度，此外，由于施加激励前后，喷嘴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喷嘴固有频率的作用；第二，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；第三，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，本发明实施例提供的喷嘴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。
50.本发明第二实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，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。
51.图5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。
52.如图5所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴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均从喷嘴的入口气流孔15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该入口气流孔15内。这种电极布局方式可诱导如图5箭头方向的旋转运动，并产生离心力使来流扩张。
53.优选地，喷嘴的入口气流孔15沿气流流向具有扩张形截面，扩张角度大于60度，这样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。
54.本发明第三实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，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。
55.图6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。
56.如图6所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴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。
57.具体地，接地电极16为圆环形，高压电极17由两部分组成，包括第一高压电极171和第二高压电极172，这两部分均为半环形。其中，第一高压电极171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，该诱导流动方向如图6中左上侧箭头方向所示。第二高压电极172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，该诱导流动方向如图6中右下侧箭头方向所示。
58.通过本发明的实施例，第一高压电极171和第二高压电极172的诱导流动方向基本一致，可以使来流向一个方向偏转，进而使燃料与空气在腔体内相互交织掺混。
59.本发明第四实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，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。
60.图7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。为了使图示更加简要明了，图7给出的是对应一个气流通道的局部视图。
61.如图7所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴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，该诱导流动方向如图中箭头方向所示，能够阻碍气流的运动，进而对燃料与空气的掺混程度进行调控。
62.本发明第五实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，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。
63.图8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。为了使图示更加简要明了，图8给出的是对应一个气流通道的局部视图。
64.如图8所示，本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴结构与第一实施例的区别在于：该等离子体激励器分别布置于喷嘴的入口气流孔和出口气流孔上。
65.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。
66.通过本发明的实施例，在这两个等离子体激励器的共同作用下，能够更有效的调节燃料与空气的掺混程度。
67.本发明第六实施例的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴，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。
68.图9示意性示出了根据本发明第六实施例的具有串联喷嘴的三维结构图。为了使图示更加简要明了，图9给出的是对应一个气流通道的局部视图。
69.本实施例中的可抑制燃烧室振荡燃烧的喷嘴结构与第一实施例的区别在于：喷嘴的布置形式包括以下中的一种：喷嘴为多个且相互串联，其中，位于上游的喷嘴气流孔直径
小于位于下游的喷嘴气流孔直径，位于上游的喷嘴高度小于位于下游的喷嘴高度；或者，喷嘴为多个且相互并联。
70.具体来说，如图9所示，例如两个喷嘴串联在一起，此时，喷嘴出口气流孔直径d1、喷嘴中间层气流孔直径d2和喷嘴入口气流孔直径d3之间的关系是d1＞d2＞d3。位于上游的喷嘴高度h2小于位于下游的喷嘴高度h1，即h1＞h2。
71.需要说明的是，如图9仅仅给出了两个喷嘴相互串联的布置形式，在其他实施例中，多个喷嘴还可以并联在一起阵列使用。
72.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喷嘴，该喷嘴的入口有多个燃料管和空气管，燃料和空气通过这些管路进入同一个腔体，在燃料管路和空气管路位于腔体内的出口处布置等离子体激励器的高压电极，等离子体激励器的接地电极嵌入腔体的底部。不施加等离子体激励时，进入腔体的燃料和空气，在腔体内依然保持与轴向平行的运动，通过对应出口流出腔体，燃料和空气在腔体内并不掺混，在喷嘴出口进行扩散燃烧；施加等离子体激励后，在等离子体激励诱导流动作用下，流动发生扩张、偏转，无法保持沿轴向的运动，这样在等离子体激励的作用下，燃料与空气在腔体内进行掺混，燃料与空气的掺混程度与等离子体激励强度有关，流出腔体的是燃料与空气的混合物，在喷嘴出口进行预混燃烧或部分预混燃烧。
73.总之，本发明通过等离子体激励来调控燃料与空气的掺混程度，通过调整等离子体激励的频率，空气和燃料的掺混程度也会相应出现周期的波动，进而对燃烧的稳定性和燃烧室振荡燃烧进行调控，具有体积小、响应迅速、激励频带宽、没有运动部件等优点。
74.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。
75.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。
76.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。
77.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。