CN109724107B - 一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法 - Google Patents
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Abstract
一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法，涉及一种抑制热声振荡现象中压力脉动的方法。本发明用侧面等离子体作为一种动态、主动的方式调控燃烧室在一定工况下燃烧过程中出现的压力脉动状态。本发明在燃烧室的火焰侧面利用介质阻挡(DBD)放电产生等离子体，通过调整火焰集中区域，改变火焰主释热区相对于燃烧室出口的距离，令燃烧室内压力脉动从燃烧室出口反射的回传路径长度改变，压力脉动与火焰热释放率的相位差发生变化，使得原先满足热声振荡的条件被破坏，进而实现燃烧室内压力脉动的减小甚至消失。
Description
技术领域
本发明涉及一种抑制燃烧压力脉动的方法。
背景技术
在一定运行工况下，燃烧室内部将产生一些意料之外的不稳定情况，即当声压和非定常热释放之间的相对相位介于+90°和-90°之间，燃烧系统的能量将得到放大。如果此放大的能量大于在燃烧室边界上消散的能量，那么燃烧室的一个振荡周期积累的平均净能量就会增加，并最终导致热声振荡现象的发生。一方面，这种不稳定现象能够促进燃料-空气的掺混，增强混合效果，有利于燃烧的进行；但是另一方面，这会导致额外的压力，流场和火焰的高振幅振荡，热负荷增高，污染物产生加剧，燃烧室和系统的正常工作受一定影响，严重时还会造成系统部件损伤和破坏。
在上式中，表示粒子速度，表示压强，为密度，声速度和是单位体积的热释放率。等式左边(LHS)项描述了燃烧室容积V中总声能(势能和动能之和)的变化率，等式右边第一项(RHS)表示不稳定热释放和声干扰之间的能量交换，最后一项表示燃烧室的边界表面等因素造成的的能量损失。当声压和非定常热释放之间的相对相位介于+90度和-90度之间，系统的能量就能得到放大。如果由不稳定燃烧所提供的声学能量大于在燃烧室边界上消散的能量，那么燃烧室的一个振荡周期的平均能量就会增加，并最终导致燃烧不稳定的发生。
传统的针对燃烧室内部热声振荡的控制方法主要可分为主动控制与被动控制两种方法。被动控制针对上式右端第二项，控制程度受限较大，往往只在一定范围内的操作条件下有效。主动控制针对上式右端第一项，即通过执行器控制燃烧系统的某些参数，以干扰热释放脉动与声学扰动结合引发热声振荡的条件，具有系统反馈性好，有较好的控制效果，适应性强的优点；但同时传统主动控制(如机械阀门)仍然存在作动频率不足(通常小于100Hz)、作动时间延迟大以及存在机械损失等问题。
发明内容
本发明是要解决现有的抑制燃烧压力脉动的方法存在作动频率不足、作动时间延迟大以及机械损失的技术问题，而提供一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法。
本发明的高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法是按以下步骤进行的：
将环形的DBD电极环绕置于燃烧室的侧壁上，且高度位于火焰的四周，环形的DBD电极与燃烧室外部的电源的输出端连接，向燃烧室内通入可燃预混气并点燃，当燃烧室内产生热声振荡现象并伴随一定程度的压力脉动时，启动燃烧室外部的电源，令环形的DBD电极在燃烧室内部产生等离子体放电，并作用于燃烧室内部发生热声振荡火焰的侧面，调节等离子体的放电频率为火焰脉动频率的整数倍(1kHz-50kHz)，同时调节等离子体的放电强度，实现燃烧室内压力脉动的抑制。
本发明在燃烧室的火焰侧面产生等离子体将改变火焰主释热区(火焰主体)相对于燃烧室出口的距离，即令燃烧室内压力脉动从燃烧室出口反射的回传路径长度改变，压力脉动与火焰热释放率的相位差发生变化。打破原先火焰热释放与声压之间满足的热声振荡条件，进而实现燃烧室内压力脉动的抑制。
本发明的优点是：相比于传统主动控制如机械阀门等作动方式，本发明利用等离子体作为一种新型的主动控制方式，由于其自身的高频作动特性(通常为上千赫兹)，能够完美的解决传统主动控制手段的频率限制、以及作动时间延迟和存在机械损失等问题。从现象上看，启动等离子体可看到燃烧室内火焰能够明显被吸附于电极附近，火焰形态稳定，受气流扰动影响小。通过连接不同的电源，调节不同的参数可以获得一系列影响程度不同的燃烧室压力脉动抑制、减缓效果。对于一个动态燃烧压力脉动，具有良好的反馈调节实施条件，通过调节各项相关参数，实现最佳压力脉动的抑制、减缓效果。
本发明对于一个在燃烧室内满足热声振荡条件的火焰，在其侧面处施加等离子体放电，能够显著改变压力脉动和热释放率的相位差，从而打破燃烧室内部火焰热释放与声压之间原有的、满足热声振荡的形成条件，实现热声振荡现象的减缓，压力脉动得到抑制，并且压力脉动幅度能够减缓为之前的十分之一。
附图说明
图1为试验一中高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法示意图；
图2为图1中区域A的放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法，具体是按以下步骤进行的：
将环形的DBD电极环绕置于燃烧室的侧壁上，且高度位于火焰的四周，环形的DBD电极与燃烧室外部的电源的输出端连接，向燃烧室内通入可燃预混气并点燃，当燃烧室内产生热声振荡现象并伴随一定程度的压力脉动时，启动燃烧室外部的电源，令环形的DBD电极在燃烧室内部产生等离子体放电，并作用于燃烧室内部发生热声振荡火焰的侧面，调节等离子体的放电频率均为火焰脉动频率的整数倍(1kHz-50kHz)，同时调节等离子体的放电强度，实现燃烧室内压力脉动的抑制。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的环形的DBD电极由高压电极端、绝缘介质和地电极端组成；高压电极端与燃烧室外部的电源的输出端连接，地电极端接地，绝缘介质呈环形紧贴于燃烧室的内壁，高压电极端呈环形紧贴于绝缘介质的内壁，地电极端呈环形紧贴于绝缘介质的内壁，高压电极端与地电极端平行且高压电极端位于地电极端的上方。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的电源为脉冲电源，电压为0～10kV，脉冲重复频率最大可达3kHz。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的电源为交流电源，输出电压为0～30kV，频率范围为1kHz～100kHz。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的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二形成的电源，其中直流电源功率为10kW，电流最大0.3A；交流电源频率为1kHz～100kHz，电压为0-30kV。其他与具体实施方式四相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种高频激励放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧压力脉动的方法，如图1和2所示，具体是按以下步骤进行的：
将环形的DBD电极2环绕置于燃烧室1的侧壁上，且高度位于火焰7的四周，环形的DBD电极2与燃烧室1外部的电源5的输出端连接，环形的DBD电极2与燃烧室1外部的电源5的输出端连接，向燃烧室1内通入可燃预混气6并点燃，当燃烧室1内产生热声振荡现象并伴随一定程度的压力脉动时，启动燃烧室1外部的电源5，令环形的DBD电极2在燃烧室1内部产生等离子体放电，并作用于燃烧室1内部发生热声振荡火焰7的侧面，调节等离子体的放电频率为火焰脉动频率的整数倍(1kHz-50kHz)，同时调节等离子体的放电强度，实现燃烧室1内压力脉动的抑制。
所述的环形的DBD电极2由高压电极端2-1、绝缘介质2-2和地电极端2-3组成；高压电极端2-1与燃烧室1外部的电源5的输出端连接，地电极端2-3接地，绝缘介质2-2呈环形紧贴于燃烧室1的内壁，高压电极端2-1呈环形紧贴于绝缘介质2-2的内壁，地电极端2-3呈环形紧贴于绝缘介质2-2的内壁，高压电极端2-1与地电极端2-3平行且高压电极端2-1位于地电极端2-3的上方；
所述的电源5为交流电源；3号为喷射管，4为收缩部分；
本试验在燃烧室1发生一定程度的热声振荡之后，打开电源5在环形的DBD电极2处产生等离子体作用于脉动火焰7的侧面，调节等离子体的频率均为火焰脉动频率的整数倍，使得火焰7受到等离子体的热效应、化学效应和电磁效应影响而令其受气流流动扰动的影响减小，释热稳定性相应得到提高；并且火焰7热释放规律得到调整，使得燃烧室1脉动能量的放大程度减小，即流场波动影响燃烧放热率波动的通路被隔断，进而实现燃烧室1内压力脉动的减小甚至消失。
Claims (6)
1.一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法是按以下步骤进行的：
将环形的DBD电极环绕置于燃烧室的侧壁上，且高度位于火焰的四周，环形的DBD电极与燃烧室外部的电源的输出端连接，向燃烧室内通入可燃预混气并点燃，当燃烧室内产生热声振荡现象并伴随压力脉动时，启动燃烧室外部的电源，调节等离子体的放电频率为火焰脉动频率的整数倍，令环形的DBD电极在燃烧室内部产生等离子体放电，并作用于燃烧室内部发生热声振荡火焰的侧面，等离子体吸附火焰于燃烧室的侧壁位置，使火焰热释放集中区域改变，压力脉动与火焰热释放率的相位差发生变化，实现燃烧室内压力脉动的抑制；调节等离子体激励电源的频率、电压或电流幅值，实现燃烧压力脉动减缓或抑制；
所述环形DBD电极高度位置可控，不同的放电位置可使等离子体吸附火焰主体于不同壁面电极处，火焰释热集中区域沿气流方向位置可调，从而燃烧室内压力脉动回传路径长度可调，压力脉动和热释放率的相位差可相应调整；
所述环形的DBD电极由高压电极端、绝缘介质和地电极端组成；高压电极端与燃烧室外部的电源的输出端连接，地电极端接地，绝缘介质呈环形紧贴于燃烧室的内壁，高压电极端呈环形紧贴于绝缘介质的内壁，地电极端呈环形紧贴于绝缘介质的内壁，高压电极端与地电极端平行且高压电极端位于地电极端的上方；多组环形DBD电极沿预混气体流动方向间隔均匀地布置在火焰四周，实现在火焰不同高度的吸附效果。
2.根据权利要求1所述的一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于环形的DBD电极产生的等离子体作用于火焰的侧面并影响火焰，且等离子体输入能量达到一定程度，可以将火焰主体吸附于壁面环形的DBD电极附近，火焰主要释热区域变化，进而改变燃烧室内压力脉动回传路径长度，使压力脉动和热释放率的相位差发生变化，打破原先火焰热释放与声压之间满足的热声振荡条件，实现燃烧室内压力脉动的抑制。
3.根据权利要求1所述的一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于等离子体作为一种主动控制方式，本身具备输入能量可调、无机械损耗的优点，能够较好的解决传统控制手段的作用范围小，存在机械损耗的问题。
4.根据权利要求1所述的一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于等离子体放电频率的选择依据综合考虑燃烧室热声振荡的主频率为50Hz～200Hz，将等离子体放电频率范围设为1kHz～50kHz，使等离子体能有效吸附火焰主体部分于壁面环形DBD电极周围。
5.根据权利要求1所述的一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于所述的电源为脉冲电源，电压为0～10kV，脉冲重复频率最大可达3kHz。
6.根据权利要求1所述的一种高频激励放电侧面等离子体抑制燃烧压力脉动的方法，其特征在于所述的电源为交流电源，输出电压为0～30kV，频率范围为1-100kHz。
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