一种滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法技术

本发明专利技术公开了一种滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法。利用二维刀型滑动弧和三相旋转滑动弧分别在火焰两侧和根部产生等离子体，火焰两侧施加的等离子体通过改变火焰主释热区与燃烧室出口的相对距离，进而改变燃烧室内压力脉动从燃烧室出口反射回来的路径长度，使燃烧释热率与压力脉动之间的相位差无法满足瑞利准则；火焰根部施加的等离子体产生局部释热，形成的高温区将影响火焰释热率的相位和频率，进而火焰对燃烧室内气流扰动的响应程度发生改变。这两处等离子体协同作用将破坏原先火焰不稳定释热和声波之间的耦合关系，达到抑制燃烧室燃烧振荡的目的。目的。目的。

【技术实现步骤摘要】
一种滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法


[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，特别涉及一种滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法。

技术介绍

[0002]对排放要求的日益严格迫使现代航空发动机以及燃气轮机等燃烧器普遍采用贫燃预混燃烧技术，该燃烧技术可显著降低NOx、碳烟等污染物的排放，但该燃烧技术在工程应用中常伴随燃烧振荡现象。燃烧振荡也称“热声振荡”或“燃烧不稳定”，是由于火焰释热率脉动和燃烧室内固有声学特性之间耦合形成的一种周期性现象。“瑞利准则”被广泛用于燃烧振荡的判断和分析。瑞利准则指出：燃烧室内同时存在放热率脉动和压力脉动，当燃烧区的压力和放热率的相位差小于90
°
时，不稳定燃烧释放的热量将传输给压力脉动，若这部分能量大于声压在各边界处耗散的总能量时，则压力脉动被持续加强直至达到平衡，引起燃烧振荡；反之，当燃烧区的热释放和压力脉动的相位差大于90
°
时，则不可能产生燃烧振荡。燃烧振荡发生时，燃烧释热率和压力会呈大幅度周期性脉动，并释放高分贝噪声，这种放热率的变化会导致局部高温以及局部燃烧不完全，进而造成污染物排放增加，此外高强度的压力脉动还可能对燃烧室结构造成损坏。因此，为了避免该现象的发生，需要对燃烧系统的燃烧振荡现象进行控制。
[0003]目前燃烧振荡的控制方法主要包括主动控制和被动控制两大类。被动控制是指在燃烧装置中通过增加固定的结构件，改变燃烧系统的声学或流动等结构，实现对热声振荡的规避或抑制。常见的有各类声学元器件，例如四分之一波长管或亥姆霍兹共振器，用以增加对特定频率的声波的阻尼和耗散，进而抑制振荡。但是这些声学元件体积大，且仅对特定设备的特定振荡条件起作用，在低频区域往往失效。此外，被动控制技术只针对某一类型的具体燃烧器进行开发，导致开发周期长，开发费用高等一系列问题。主动控制主要是通过增加人工的作动器，对燃烧系统的空气流量或燃料流量进行调制，以破坏自激振荡时声波和非定常释热的耦合关系，具有系统反馈性好，有较好的控制效果，适应性强的优点；但同时作动器也存在作动频率不足(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201811639692.9、201811635818.5、201811635817.0等，采用的方案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，加之燃气轮机、航空发动机等燃烧室工作环境恶劣，导致其介质层更易受损，因此DBD放电不便于应用在这些燃烧室上。

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滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法，其第一目的在于解决主动控制燃烧振荡的方法中的作动频率不足、作动时间延迟以及机械损失问题；第二目的在于解决DBD放电产生等离子抑制压力脉动方法中存在的放电不均匀、介质层极易受热不均而发生破裂、电极被损坏，不能适应燃气轮机、航空发动机燃烧室恶劣工作环境的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法，包括：
[0008]在燃烧室中，沿其轴向对称安装有两个倾斜的第一电极，所述两个第一电极在靠近燃烧室出口的一端的间距，大于远离燃烧室出口一端的间距；一个第一电极连接第一电源，另一个第一电极接地；
[0009]在燃烧室头部中，沿周向均布安装有三个第二电极，三个所述第二电极分别连接第二电源A、第二电源B和第二电源C；所述第二电源A、第二电源B和第二电源C为输出具有相位差的正弦交流电源；
[0010]向燃烧室内注入可燃预混气并点燃，当燃烧室发生燃烧振荡并伴随一定幅值的压力与热释放率波动时，开启所述第一电源和各第二电源，在燃烧室中，两个第一电极之间最小距离处产生二维刀型滑动弧放电电弧，二维刀型滑动弧放电电弧在可燃预混气的推动下向下游滑动形成均匀分布的空间放电，产生的等离子体作用于火焰的两侧；在燃烧室头部，通过三个不同相位的第二电极间的电势差变化并配合旋流气流，产生三相旋转滑动弧放电电弧，所述三相旋转滑动弧放电电弧在三个第二电极之间旋转滑动，形成等离子体并作用于火焰的根部；两处等离子体协同作用破坏火焰不稳定释热和声波之间的耦合关系，抑制燃烧室的燃烧振荡。
[0011]在一个实施例中，调节两个所述等离子体的放电频率均为火焰压力脉动主频的整数倍，同时调节等离子体的放电强度，促使悬浮火焰吸附于第一电极和第二电极附近。
[0012]在一个实施例中，对于施加于火焰两侧的等离子体，调节等离子体的放电强度使火焰吸附于第一电极附近，进而导致燃烧释热率与压力脉动之间的相位差无法满足瑞利准则；对于施加于火焰根部的等离子体，调节放电频率为火焰压力脉动主频的整数倍，进而影响火焰的释热率的相位和频率。
[0013]在一个实施例中，所述第一电极为L形结构，且竖直部倾斜，顶端位于燃烧室的出口端面附近，水平部位于火焰的根部附近，向外伸出燃烧室，接第一电源或接地。
[0014]在一个实施例中，所述两个第一电极的顶端靠在燃烧室的出口端的内壁上，所述两个第一电极的底端的间距等于燃烧室头部的出口直径。
[0015]在一个实施例中，所述三个所述第二电极均位于燃烧器头部上下端壁面的中间位置。
[0016]在一个实施例中，所述燃烧室头部中位于三个所述第二电极的上游安装有旋流器，所述旋流器朝向燃烧室的一侧安装有轴向的钝体。
[0017]在一个实施例中，所述第二电源A、第二电源B和第二电源C连接三相调压器的输出端，所述三相调压器与相序控制器的输出端连接，通过在所述相序控制器中输入相序，并调节三相调压器，进而调节第二电源A、第二电源B和第二电源C输出端的电压正弦波相位以及
电压幅值。
[0018]在一个实施例中，所述第二电源A、第二电源B和第二电源C为输出幅值一致、相位相差120
°
的正弦交流电源。
[0019]在一个实施例中，所述第二电源A、第二电源B和第二电源C中，至少有一个的输出为正弦高压交变波形。
[0020]在一个实施例中，所述第一电源为纳秒脉冲电源、高频交流电源或直流交流耦合电源。
[0021]本专利技术对于一个燃烧室内发生燃烧振荡的火焰，在其根部和两侧同时施加滑动弧等离子放电，能够显著改变火焰的热释放规律，进而打破燃烧室内火焰释热率与压力之间满足燃烧振荡的形成条件，实现释热脉动和压力脉动的减缓，燃烧振荡得到抑制。实验发现压力振荡的幅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法，其特征在于，包括：在燃烧室(10)中，沿其轴向对称安装有两个倾斜的第一电极(3)，所述两个第一电极(3)在靠近燃烧室(10)出口的一端的间距，大于远离燃烧室(10)出口一端的间距；一个第一电极(3)连接第一电源(1)，另一个第一电极(3)接地；在燃烧室头部(9)中，沿周向均布安装有三个第二电极(4)，三个所述第二电极(4)分别连接第二电源A(2
‑
1)、第二电源B(2
‑
2)和第二电源C(2
‑
3)；所述第二电源A(2
‑
1)、第二电源B(2
‑
2)和第二电源C(2
‑
3)为输出具有相位差的正弦交流电源；向燃烧室(10)内注入可燃预混气(5)并点燃，当燃烧室(10)发生燃烧振荡并伴随一定幅值的压力与热释放率波动时，开启所述第一电源(1)和各第二电源，在燃烧室(10)中，两个第一电极(3)之间最小距离处产生二维刀型滑动弧放电电弧(12)，二维刀型滑动弧放电电弧(12)在可燃预混气(5)的推动下向下游滑动形成均匀分布的空间放电，产生的等离子体作用于火焰(11)的两侧；在燃烧室头部(9)，通过三个不同相位的第二电极(4)间的电势差变化并配合旋流气流，产生三相旋转滑动弧放电电弧(13)，所述三相旋转滑动弧放电电弧(13)在三个第二电极(4)之间旋转滑动，形成等离子体并作用于火焰(11)的根部；两处等离子体协同作用破坏火焰(11)不稳定释热和声波之间的耦合关系，抑制燃烧室(10)的燃烧振荡。2.根据权利要求1所述滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法，其特征在于，调节两个所述等离子体的放电频率均为火焰(11)压力脉动主频的整数倍，同时调节等离子体的放电强度，促使悬浮火焰吸附于第一电极(3)和第二电极(4)附近。3.根据权利要求1所述滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法，其特征在于，对于施加于火焰(11)两侧的等离子体，调节等离子体的放电强度使火焰吸附于第一电极(3)附近，进而导致燃烧释热率与压力脉动之间的相位差无法满足瑞利准则；对于施加于火焰(11)根部的等离子体，调节放电频率为火焰(11)压力脉动主频的整数倍，进而影响火焰的释热率的相位和频率。4.根据权利要求1所述滑动弧放电中心等离子体与侧面等离子体协同抑制燃烧振荡的方法，其特征在于，所述第一电极(3)为L形结构，且竖直部倾斜，顶端位于燃烧...

【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：