CN102927570A - 介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于燃烧器稳燃、助燃的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，该装置包括：多组等离子体激励器、喷嘴出口段和高压电源，所述多组等离子体激励器沿周向均匀布置于所述喷嘴出口段上。通过在燃烧器喷嘴出口段施加适当强度的等离子体激励，一方面可以起到增强空气旋流的作用，另一方面通过电离空气产生活性自由基，进而达到稳燃、助燃提高燃烧效率的效果，有助于解决航空燃气轮机空中熄火的问题以及地面燃气轮机燃烧低热值气体时点火困难和燃烧不稳定的问题。本发明提供的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置具有机构简单紧凑、反应迅速、能耗低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及先进燃烧技术领域，具体地说，是一种提高气体燃料燃烧效率及燃烧稳定性的助燃装置，可用于航空、化工、发电、冶金等行业。特别地涉及一种介质阻挡放电等离子体稳燃、助燃装置。
背景技术
众所周知，航空燃气轮机在空中熄火后如果未能成功点火，往往会造成极大的飞行事故。由于高空中空气稀薄，空气中氧气含量低，压力和温度低，这些因素都增加了点火的难度，因此对于航空燃气轮机燃烧室的稳定燃烧和点火性能提出了很大的挑战，需要采用更加可靠的稳燃和点火装置。
在化学工业、石油工业、钢铁工业的生产过程中都会产生一些低热值的气体燃料。以高炉煤气为例，它是炼铁过程产生的伴生气，所含可燃成分CO、H2较少，而惰性气体CO2、N2较多，热值仅为2.5～3.5MJ/Nm3。燃气轮机在烧高炉煤气时遇到的问题有：1)热值较低使得点火困难；2)H2含量较少使得燃烧稳定性差，容易发生稀态熄火；3)低负荷工况下容易发生CO燃烧不完全的现象，致使燃烧效率明显下降。当前解决这些问题的主要方法有：1)使用焦炉煤气掺混入高炉煤气中以提高热值，使燃烧容易组织；2)在燃烧室中使用高炉煤气和燃油两种燃料，在缺少高炉煤气(低负荷)时可随时切换燃油，以确保燃烧稳定；3)使用轻质柴油点火并作为值班火焰以稳定燃烧。焦炉煤气、燃油及柴油等相对于高炉煤气来说都是高品位能源，为了有效利用高炉煤气而大量耗费这些高品位能源，无疑会增加系统运行成本，使得经济效益大打折扣。因此，我们迫切需要找到一种更为简单有效、经济实用的方法来实现低热值气体燃料在燃气轮机燃烧室中的可靠点火和稳定燃烧。
本项发明正是基于上述两方面的应用背景而提出的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，有助于解决燃气轮机燃烧低热值气体时点火困难和燃烧不稳定的问题。
为了达到上述目的，本发明的整体思路是在燃烧器喷嘴的出口段布置多组等离子体激励器，激励器接通高压电后，将附近空气电离产生等离子体，所产生的等离子体一方面可以增强空气的旋流，另一方面可以产生活性自由基，进而达到稳燃、助燃提高燃烧效率的效果。本发明的技术方案如下：
一种介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其特征在于，该装置包括：多组等离子体激励器、喷嘴出口段和高压电源，其中，
所述多组等离子体激励器沿周向均匀布置于所述喷嘴出口段上；
每组等离子体激励器包括一对金属电极和绝缘材料，这一对金属电极交错布置在所述喷嘴出口段的两侧，其中一个金属电极接所述高压电源的高压端，另一个金属电极接所述高压电极的接地端，接通高压电后将等离子体激励器附近空气电离，产生活性自由基，同时加速附近空气。
本发明提供的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置与目前燃烧器上旋流器相比具有以下优点：
1)该装置结构简单紧凑，体积小，容易安装在燃烧器上；
2)该装置通过将电能转化为空气的动能，使空气旋流，流动损失小；
3)该装置在使空气旋流的同时产生活性自由基；
4)该装置功耗较低，只消耗较少的电量就能保证燃烧器的可靠点火和稳定燃烧，不需要耗费燃油燃气等资源；
5)该装置操作简便，能够针对不同的工况调节不同的放电参数以满足需求。
附图说明
图1是本发明的等离子体轴向旋流装置的结构示意图。
图2是本发明的等离子体激励器的结构示意图。
图3是本发明的等离子体轴向旋流装置计算模型。
图4是来流速度5米/秒时静压力场和轴向速度场分布(不施加等离子体激励)示意图。
图5是来流速度为5米/秒时静压力场和轴向速度场分布(施加等离子体激励)示意图。
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。
图1是本发明的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置的结构示意图，其中图1a显示了组成所述介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置的喷嘴出口段、高压电源、高压电源的高压端和接地端、电极，在所述喷嘴出口段沿周向均匀布置多组等离子体激励器，例如由图1b的喷嘴出口段三维示意图以及图1c的喷嘴出口段俯视图可以看到喷嘴出口段沿周向均匀布置4组等离子体激励器的情况。接通高压电后等离子体激励器可将附近的空气电离，产生活性自由基，同时加速附近的空气。
图1a所示的所述介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置主要包括：等离子体激励器、喷嘴出口段和高压电源。其中，等离子体激励器由一对电极和绝缘材料组成，这两个电极交错布置在喷嘴出口段两侧；高压电源包括高压端和接地端；等离子体激励器中的一个电极与高压电源的高压端连接，另一个电极与高压电源的接地端连接，等离子体激励器中的绝缘材料可以是喷嘴出口段本身或喷嘴出口段的一部分，所述喷嘴出口段材料为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃，厚度为1-20mm。
等离子体激励器接通高压电后，将附近空气电离产生低温的非平衡等离子体。非平衡等离子体中的高能电子与反应物分子的碰撞，将会导致分子键松弛、断裂或裂解成自由基。而自由基(即活性粒子)在燃烧反应中的作用很重要，这是因为燃料氧化的化学反应，特别是连锁反应，是通过生成的活化中心(链载体)进行的，这些活化中心通常是原子和基团等活性粒子，且连锁反应的速度取决于燃烧区内活性粒子的浓度。因此，如果在燃烧前或者燃烧过程中利用放电等离子体在未燃区产生一定数量的活性成分，燃烧速度就有可能提高。
图2是本发明的等离子体轴向旋流装置中所采用的等离子体激励器的结构示意图，在绝缘材料1两侧非对称地，比如交错地布置两块金属电极：裸露电极和掩埋电极，其中裸露电极暴露在周围的空气中，掩埋电极嵌在绝缘材料2里，本发明可以采用但不限于比如铜、钨、钼、钢、或耐高温合金制成的长方形的金属电极，绝缘材料可以采用但不限于比如聚四氟乙烯或石英玻璃等，掩埋电极与裸露电极之间的间距为0-5mm。另外，金属电极的组数可为1-100组，具体根据喷嘴出口段的大小来确定所使用的电极数目。
在高压高频交流电源的作用下，可在嵌入绝缘材料2内的掩埋电极上方生成弱电离的低温等离子体，通过离子与中性气体分子的碰撞向边界层输送能量，产生如图所示的诱导流动，使周围空气形成静流量为零(ZNMF)的水平方向射流，加速附面层内的气流流动。等离子体轴向旋流装置由多组这样的等离子体激励器组成，这些等离子体激励器沿喷嘴出口段周向布置，与一组等离子体激励器相比，多组等离子体激励器会产生一个累积的效果，起到更好的辅助燃烧的作用，也就是说，所述金属电极的布置方式使得等离子体诱导流动的旋转方向与空气旋流方向相同。
等离子体轴向旋流装置的计算模型如图3所示，图中采用一管内流动来模拟等离子体轴向旋流装置作用下的燃烧器喷嘴流动。在圆管周向对称布置4组等离子体激励器，这些激励器布置在圆管的中部，圆管直径30mm，壁厚2mm，等离子体激励器电极长度为50mm，电极宽度为1-20mm，优选地，为约4mm，等离子体激励器的布置方式如图3a所示；图3b给出了等离子体激励器在管内诱导流动方向的示意图，从图中可以看到，每一组等离子体激励器在管内均可产生某一方向上的诱导空气流动，在所述在圆管周向对称布置的四组等离子体激励器的共同作用下，管内就能够诱导出如图3b所示的逆时针方向的空气旋流。
图4给出了来流速度为5m/s不施加等离子体激励的计算结果。为了分析管内的流场特点，沿轴向不同位置截取了6个截面，图4a和图4b分别给出了这6个截面上的静压力场和轴向速度场分布。图4中的中间4个截面对应等离子体激励区。此外图4c还给出了某一直径截面上的静压力分布。由图4a和图4b可见截面上静压分布均匀，轴向速度在附面层以外的区域也是均匀分布。附面层沿轴向逐渐发展加厚，由于主流受到了附面层的排挤，沿轴向主流速度略有增加。由于轴对称的原因，流线没有扭曲。
图5给出了来流速度为5m/s时在等离子体激励作用下的静压力场和轴向速度场分布。由图5可见，施加等离子体激励后，每一组等离子体激励器都会加速附近的空气，使附近的空气形成一流动方向，在周向对称布置的四组等离子体激励器的共同作用下，可以诱导出逆时针方向的空气旋流，由于等离子体诱导旋流的作用，附面层厚度减小，轴向截面上的静压和轴向速度分布变得不均匀。经过等离子体激励器区后附面层附近的流线发生了大角度扭转，主流流线的扭转也很明显。通过对进出口流线位置的对比可以发现主流流线的周向扭转角度超过了30度，由此可见主流发生了旋流，进而造成了轴心附近的低压、低速区，在燃烧过程中，该区域有助于稳定火焰，增强燃烧的稳定性。
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)
1.一种介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其特征在于，该装置包括：多组等离子体激励器、喷嘴出口段和高压电源，其中，
所述多组等离子体激励器沿周向均匀布置于所述喷嘴出口段上；
每组等离子体激励器包括一对金属电极和绝缘材料，这一对金属电极交错布置在所述喷嘴出口段的两侧，其中一个金属电极接所述高压电源的高压端，另一个金属电极接所述高压电极的接地端，接通高压电后将等离子体激励器附近空气电离，产生活性自由基，同时加速附近空气。
2.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其中，所述一对金属电极分别为裸露电极和掩埋电极，所述裸露电极暴露在周围的空气中，所述掩埋电极嵌在绝缘材料里，且掩埋掩埋电极的绝缘材料为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃。
3.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其中，所述喷嘴出口段材料为耐高温绝缘陶瓷或耐高温绝缘石英玻璃。
4.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其中，所述喷嘴出口段的厚度为1-20mm。
5.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其中，所述金属电极材料为钨、钼、钢、或耐高温合金。
6.如权利要求1所述的的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其中，所述金属电极形状为长方形。
7.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其中，所述金属电极宽度为1-20mm。
8.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其中，所述金属电极的组数为1-100组，根据喷嘴出口段的大小来确定使用的电极数目。
9.如权利要求2所述的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其中，每对金属电极交错布置，每对金属电极中掩埋电极与裸露电极之间的间距为0-5mm。
10.如权利要求1所述的介质阻挡放电等离子体轴向旋流装置，其中，所述金属电极的布置方式使得等离子体诱导流动的旋转方向与空气旋流方向相同。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130213 |