CN109967460B - 一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法 - Google Patents

一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，包括步骤1，积碳预防及清除装置布设安装，积碳预防及清除装置包括等离子体激励器、板式激励器和积碳观测装置；等离子体激励器包括喷嘴电极、中心电极、介质阻挡层一、导线和等离子体激励源；板式激励器包括高压板状电极、低压板状电极、介质阻挡层二和板式激励电源；步骤2，积碳预防；步骤3，积碳检测；步骤4，积碳清除；步骤5，先关闭易积碳喷嘴体，随后关闭等离子激励器和板式激励器，开启积碳观测装置，重复步骤3和步骤4，直至积碳检测值不超过设定的积碳判断标准值。本发明能够实时在线抑制和清除积碳，并能实时根据积碳情况快速调整激励器控制参数以应对积碳变化。

Description

一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机、航空发动机、内燃机等动力装置领域，特别是一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法。
背景技术
在航空发动机和火箭发动机研制的工作过程中，积碳一直是燃烧室部件中存在的突出问题之一。以液体火箭发动机为例，推进剂主要采用液氧和烃类燃料，其中燃气发生器通常采用富燃燃烧方式，可燃混合物在燃烧过程中没有得到充分燃烧，导致容易产生积碳。当发动机喷嘴产生各种积碳时，其雾化特性发生变化，有效喷射横截面积减小，改变了喷嘴结构参数，增大了流量损失，雾化质量严重下降，严重影响到发动机的性能和可靠性，极大增加了操作成本。对于航空发动机，航空燃料在氧和金属的催化作用下，经过氧化、热解、裂化、脱氢等一系列反应会生成积碳，一旦发生积碳就会在喷嘴等零部件表面沉积和聚集，达到一定程度时甚至会堵塞发动机喷嘴，致使发动机的油耗增加，动力性能下降，火焰偏向烧蚀，对飞行安全构成严重的威胁。
在各类常用的碳氢燃料中，煤油最容易产生积碳，丙烷其次，甲烷则产生较少，不过在液氧/甲烷火箭发动机的启动和关机瞬间也会产生少量积碳。积碳的成分主要是碳黑，还存在一些金属氧化物（碳化铁和碳化镍）、非金属氧化物、硫化物、碳酸盐等。现有研究表明，积碳是一个化学反应过程，会受到温度、压力、油气比和时间等参数的影响，在富燃燃烧过程中，燃料和氧化剂的混合比对积碳生成速率起主要影响作用；随着燃烧温度提高，燃烧产物积碳变得更为严重。
美国、俄罗斯、欧盟以及我国对积碳的形成机理均有一定的研究，但仍未从根本上找到解决发动机喷嘴积碳的最佳途径。目前对发动机积碳的清理主要有两种方法：
（1）将发动机拆卸后进行清理；这种方法，虽然能够在一定程度上清除积碳，但属于物理方式，费时费力，影响发动机动力和封闭性能，对发动机部件也会带来不可逆转的伤害，降低使用寿命。
（2）在燃料中添加一系列的添加剂，在发动机工作时候自身进行积碳清理。此方法，因抑制剂的加入会引起燃料组分及性能的改变，影响发动机工作的稳定性。
另外，在航空发动机中可利用文氏管在一定程度上防止积碳，但它的存在对燃烧室喷雾和燃烧性能都有很大的影响。
在发动机积碳清除方面，目前主要有CN 204851436和CN 205036454 U，然而这两份专利均存在如下不足：
1、在CN 204851436 U中，未能与发动机一体化设计，装置结构复杂，采用的积碳清除方法需要额外的加热和活化剂，且需要额外一个小推车，无法实现对发动机在线运行时的积碳去除。
2、在CN 205036454 U中，需要额外的氢气、氧气和臭氧，增加了推进剂储箱。
3、CN 204851436中的部件（模块）为汽车发动机特有，与航空、航天发动机不一致，且需要额外的加热设备、气泵、活化剂罐等，整体结构复杂，增加重量较多，而航空航天运输器对推力与自身重量的比值要求远高于汽车，采用该专利则效费比难以较高，仅适合地面积碳清理。CN 205036454 U中明确针对汽车技术领域，且涉及的工质气体种类如臭氧等不适合航空、航天发动机，因为不同推进剂燃烧特性不同，对航空、航天发动机结构要求也不同，如果用该装置则整个发动机要重新设计。因而，CN 204851436和CN 205036454 U均仅针对汽车发动机，都不适合于航空航天发动机，且难以实时在线抑制和清除积碳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，该基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法能够实时在线抑制和清除积碳。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，包括如下步骤。
步骤1，积碳预防及清除装置布设安装：积碳预防及清除装置包括等离子体激励器、板式激励器和积碳观测装置；等离子体激励器包括喷嘴电极、中心电极、介质阻挡层一、导线和等离子体激励源；将易产生积碳喷嘴体作为喷嘴电极，中心电极插设在喷嘴电极中，介质阻挡层一布设在中心电极和喷嘴电极之间，喷嘴电极和中心电极均通过导线与等离子体激励源相连接；等离子体激励源的类型为高频交流电源、微秒/纳秒/皮秒脉冲电源；板式激励器布设在位于易产生积碳喷嘴体下游的燃烧室内，板式激励器包括高压板状电极、低压板状电极和板式激励电源；高压板状电极和低压板状电极分别通过导线与板式激励电源相连接，板式激励电源为直流电源或交流电源；积碳观测装置布设在易产生积碳喷嘴体的外侧。
步骤2，积碳预防：同步开启易产生积碳喷嘴体和等离子体激励器，并点火；等离子体激励源持续放电，将位于易积碳喷嘴体中的推进剂电离而形成等离子体，射向易产生积碳喷嘴体的出口，进而调节燃料和氧化剂的混合比，防止积碳的产生。
步骤3，积碳检测：先关闭易积碳喷嘴体，随后关闭等离子激励器，开启积碳观测装置，对易产生积碳喷嘴体出口和外周面上的积碳进行检测，并将检测结果与设定的积碳判断标准值进行比较。
步骤4，积碳清除：当步骤3中的积碳检测值超过设定的积碳判断标准值时，等离子体激励器和板式激励器同步开启。
步骤5，先关闭易积碳喷嘴体，随后关闭等离子激励器和板式激励器，开启积碳观测装置，重复步骤3和步骤4，直至积碳检测值不超过设定的积碳判断标准值。
易产生积碳喷嘴体为燃料喷嘴，燃料喷嘴作为地电极，中心电极为金属圆柱杆，作为高压电极。
介质阻挡层一敷设在金属圆柱杆的外壁面和/或燃料喷嘴的内壁面。
易产生积碳喷嘴体为同轴式喷嘴，燃料喷嘴同轴套设在氧化剂喷嘴的外侧；中心电极为圆柱杆，圆柱杆和燃料喷嘴均作为地电极，氧化剂喷嘴作为高压电极。
介质阻挡层一敷设在圆柱杆外壁面、氧化剂喷嘴内壁面、氧化剂喷嘴外壁面和燃料喷嘴内壁面中的一个或多个。
步骤2和步骤4中，当等离子体激励器开启时，通过调整等离子体激励源的类型、电压、频率和脉宽参数，调节推进剂混合比，进而实现对积碳生成的抑制。
燃料为碳氢类，包括煤油、柴油、天然气、丙烷或甲烷等。
等离子体激励器和板式激励器中均设置有电流检测装置，通过检测等离子体激励器和板式激励器中电流大小是否发生跃变，进而保证电极间不发射电弧放电。
高压板状电极和低压板状电极之间布设介质阻挡层二，介质阻挡层一和介质阻挡层二均为石英或陶瓷。
积碳观测装置为相机、电子显微镜、纹影或X射线能谱分析仪。
本发明具有如下有益效果：
1、与传统积碳抑制和去除方法相比，本发明无需添加剂、无需拆卸发动机，从航空航天动力装置试验与运行方面来看，降低了实施难度和成本，利用等离子体的响应迅速、无惯性部件、激励参数可灵活调节等特点，使得能主动应对变工况条件下的发动机喷嘴积碳问题，且不会对发动机性能造成负面影响。
2、与已有发动机积碳清除专利CN 204851436 U相比，本发明采用了一体化设计，结构简单，不需要额外的加热和活化剂，也不需要额外的小推车，能够实现对发动机的在线运行时的积碳去除。
3、与已有积碳去除专利CN 205036454 U相比，本发明不需要额外的工质，充分利用发动机自身推进剂，从而能减轻飞机或火箭的飞行重量。
4、本发明由于采用了激励器与发动机喷嘴一体化设计方式，对发动机本身构型等方面几乎无改变，容易实现，额外增加重量少，且根据实验研究放电功率在100 W以内，效费比很高，所以非常适合于航空航天发动机，能够实时在线抑制和清除积碳。
5、能有效提高燃烧效率，抑制发动机喷嘴积碳的生成或是清除积碳至所需条件，并能实时根据发动机喷嘴积碳情况快速调节激励器控制参数以应对积碳变化。
附图说明
图1显示了本发明一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法的示意图。
图2显示了积碳预防及清除装置的结构示意图。
图3显示了实施例1中易产生积碳喷嘴体为燃料喷嘴时的电极布设示意图。
图4显示了实施例2中易产生积碳喷嘴体为同轴式喷嘴时的电极布设示意图。
图5显示了板式激励器的布设位置示意图。
其中有：
10.等离子体激励器；
11.中心电极；12.喷嘴电极；13.介质阻挡层一；14.高压电极；15.地电极；
20.板式激励器；21.高压板状电极；22.低压板状电极；
30. 碳黑；40.火焰；50.易产生积碳喷嘴体。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，包括如下步骤。
步骤1，积碳预防及清除装置布设安装。
如图2所示，积碳预防及清除装置包括等离子体激励器10、板式激励器20和积碳观测装置。
等离子体激励器也称激励器1，其包括喷嘴电极12、中心电极11、介质阻挡层一13、导线和等离子体激励源。
将易产生积碳喷嘴体50作为喷嘴电极，中心电极插设在喷嘴电极中，介质阻挡层一布设在中心电极和喷嘴电极之间，喷嘴电极和中心电极均通过导线与等离子体激励源相连接。
上述易产生积碳喷嘴体，有如下两种优选实施例。
实施例1 燃料喷嘴
如图3所示，易产生积碳喷嘴体为圆筒状的燃料喷嘴，燃料喷嘴作为地电极15，中心电极为金属圆柱杆，作为高压电极14。反之，也可以将金属圆柱杆作为地电极、燃料喷嘴作为高压电极。通过对流经喷嘴的燃料电离产生等离子体射流，也即改变了燃料射流的成分，进而改变了燃料和氧化剂之间的反应过程。燃料优选为碳氢类，包括煤油、柴油、天然气、丙烷或甲烷等，但也可以为汽油等其他替代燃料。
介质阻挡层一敷设在金属圆柱杆的外壁面和/或燃料喷嘴的内壁面，介质阻挡层一为石英或陶瓷等。
实施例2同轴式喷嘴
燃料喷嘴同轴套设在氧化剂喷嘴的外侧；中心电极为圆柱杆，圆柱杆和燃料喷嘴均作为地电极15，氧化剂喷嘴作为高压电极14。施加放电后再两通道内分别产生氧化剂等离子体和燃料等离子体。
介质阻挡层一敷设在圆柱杆外壁面、氧化剂喷嘴内壁面、氧化剂喷嘴外壁面和燃料喷嘴内壁面中的一个或多个上，介质阻挡层一为石英或陶瓷等。
上述等离子体激励源的类型为高频交流电源、微秒/纳秒/皮秒脉冲电源等。
板式激励器，也称激励器2，同轴布设在位于易产生积碳喷嘴体下游的燃烧室内，板式激励器包括高压板状电极21、低压板状电极22、介质阻挡层二和板式激励电源。
高压板状电极和低压板状电极之间的距离优选大于易产生积碳喷嘴体外径。
介质阻挡层二根据需要进行布设，优选布设在高压板状电极和低压板状电极之间，介质阻挡层二为石英或陶瓷等。
高压板状电极和低压板状电极分别通过导线与板式激励电源相连接，板式激励电源为直流电源或交流电源。
上述积碳观测装置布设在易产生积碳喷嘴体的外侧，优选为相机、电子显微镜、纹影或X射线能谱分析仪等。
进一步，等离子体激励器和板式激励器中均优选设置有电流检测装置，通过检测等离子体激励器和板式激励器中电流大小是否发生跃变，进而保证电极间不发生电弧放电。
步骤2，积碳预防：同步开启易产生积碳喷嘴体和等离子体激励器，并点火。以实施例1为例，具体优选操作方式为：首先选取存在积碳问题的发动机喷嘴（也即易产生积碳喷嘴体），利用同步触发器触发激励器1电源和燃料电磁阀，对激励器1喷嘴出口射流施加点火。
等离子体激励源持续放电，将位于易积碳喷嘴体中的推进剂电离而形成等离子体，射向易产生积碳喷嘴体的出口，进而调节燃料和氧化剂的混合比，防止积碳的产生。
而技术背景部分已经指出，混合比等参数对积碳生成速率有很大影响，因此通过高压放电产生等离子体射流的方式将可以调控喷嘴出口附近的燃料和氧化剂混合比。根据积碳变化情况，可以通过调节激励器控制参数，例如采用不同激励电源、不同电压、频率、脉宽等参数，实现对积碳生成的有效抑制。通过调节激励器控制参数，使得喷嘴附近气流掺混更合理，局部原本过高混合比得到降低，从而能减少积碳产生。如增大电压、提高脉冲频率有利于促进氧化剂和燃料更好地混合，进而使得燃烧更充分，抑制积碳。
在激励器1工作过程中需要保证电极间不发射电弧放电，判断方式上以观察到电弧或者利用电流测量装置检测到电流大小发生跃变。
步骤3，积碳检测：先关闭易积碳喷嘴体，随后关闭等离子激励器。以实施例1为例，具体优选操作方式为：燃料喷嘴持续工作10 min后关闭燃料电磁阀，3 s后关闭激励器1的电源。
然后，开启积碳观测装置，对易产生积碳喷嘴体出口和外周面上的积碳进行检测。具体优选操作方式为：对熄火后的喷嘴内外表面利用相机拍照、扫面电子显微镜、纹影、X射线能谱分析等方式进行积碳检测，并将检测结果与设定的积碳判断标准值进行比较，如无积碳则认为激励器1独立工作即可实现积碳的抑制。
步骤4，积碳清除：当步骤3中的积碳检测值超过设定的积碳判断标准值时，等离子体激励器和板式激励器同步开启，优选同步工作约5 min，关闭两者电源。
实际使用布置有激励器1的发动机喷嘴时当喷嘴工作后即施加放电产生低温等离子体射流，由于等离子体射流具有高化学活性、气动效应等作用，理论上能提高燃料燃烧效率，从而抑制积碳的生成。因此，当采用激励器1方案（含同轴式）后如果能良好地抑制积碳产生，则无需进行积碳去除工作。
当等离子体激励器开启时，通过调整等离子体激励源的类型、电压、频率和脉宽等参数，调节推进剂混合比，进而实现对积碳生成的抑制。
由于激励器1的放电仅存在于易产生积碳喷嘴体内，而射流火焰覆盖范围在径向上远大于易产生积碳喷嘴体外径，且可能扩展至喷嘴上游一段距离，当喷嘴外燃烧不充分时，喷嘴出口端面以及外部也会形成积碳，如图3所示，对于这部分积碳激励器1无法清除。因此，当检测到喷嘴端面和外部出现积碳时，需要开启位于喷嘴出口下游的激励器2。当燃料等离子体射流喷出后与氧化剂混合发生燃烧反应，由于积碳的主要成分是碳黑以及一些金属氧化物等，碳黑30具有一定导电性，通过在激励器2电极间采用直流电源持续施加放电，会使得碳黑以及还未来得及形成氧化物的一些金属离子、氧离子、氢离子等按照各自带电状态分别定向运动至高压板状电极和低压板状电极（地电极），即实现了沉积物的吸附，从而能抑制及去除喷嘴出口壁面一带形成的积碳。激励器选择直流电源而不能是交流电源是保证对带电粒子的定向吸附。在激励器2工作过程中需要保证电极间不发生电弧放电，判断方式上以观察到电弧或者利用电流测量装置检测到电流大小发生跃变。激励器2中两电极内表面可以选择性布置介质阻挡层，即两者都布置或仅布置一方，介质层材料为陶瓷或者石英。
作为替换，当步骤3中的积碳检测值超过设定的积碳判断标准值时，也可只开启激励器2。
如图5所示，激励器2中高压板状电极和低压板状电极之间的间距DG大于易产生积碳喷嘴体的外径DJ，且高压板状电极和低压板状电极到易产生积碳喷嘴体的距离相等，均为d，即在易产生积碳喷嘴体的径向上激励器2对其形成包裹，且在保证DG<d条件下d尽可能小，也即取DG<d时的最小值。激励器2的位置布设，既能保证易产生积碳喷嘴体出口附近积碳被激励器2吸附分离，又能防止激励器2与激励器1之间直接放电。
易产生积碳喷嘴体内如果产生积碳只能是出现在近出口处，因此当激励器2工作时，也能利用直流电场使得该处积碳被分离与吸附。激励器2起到的作用是对喷嘴内外积碳的分离与吸附，即清除了喷嘴的积碳，是直接的物理作用，激励器1的不足关键就是不能对喷嘴外壁面和出口端面的积碳进行控制，这方面只能由激励器2来完成。
另外，如果将对激励器2施加的电源换成交流电源，则会对喷嘴激励器1产生的等离子体射流产生周期性扰动，因为等离子体射流中富含大量带电粒子，电场的变化引起带电粒子的运动方向变化，带电粒子运动又会与中性粒子发生碰撞，改变中性粒子运动轨迹，从而实现对喷嘴射流整体的扰动，这种扰动会在一定程度上促进喷嘴出口附近燃料与氧化剂的混合，有利于燃烧充分，减少积碳，即肯定对积碳的去除效果优于单独使用激励器1。
步骤5，先关闭易积碳喷嘴体，随后关闭等离子激励器和板式激励器，开启积碳观测装置，重复步骤3和步骤4，直至积碳检测值不超过设定的积碳判断标准值。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，积碳预防及清除装置布设安装：积碳预防及清除装置包括等离子体激励器、板式激励器和积碳观测装置；等离子体激励器包括喷嘴电极、中心电极、介质阻挡层一、导线和等离子体激励源；将易产生积碳喷嘴体作为喷嘴电极，中心电极插设在喷嘴电极中，介质阻挡层一布设在中心电极和喷嘴电极之间，喷嘴电极和中心电极均通过导线与等离子体激励源相连接；等离子体激励源的类型为高频交流电源、微秒/纳秒/皮秒脉冲电源；板式激励器布设在位于易产生积碳喷嘴体下游的燃烧室内，板式激励器包括高压板状电极、低压板状电极和板式激励电源；高压板状电极和低压板状电极分别通过导线与板式激励电源相连接，板式激励电源为直流电源或交流电源；积碳观测装置布设在易产生积碳喷嘴体的外侧；
步骤2，积碳预防：同步开启易产生积碳喷嘴体和等离子体激励器，并点火；等离子体激励源持续放电，将位于易产生积碳喷嘴体中的推进剂电离而形成等离子体，射向易产生积碳喷嘴体的出口，进而调节燃料和氧化剂的混合比，防止积碳的产生；
步骤3，积碳检测：先关闭易产生积碳喷嘴体，随后关闭等离子体激励器，开启积碳观测装置，对易产生积碳喷嘴体出口和外周面上的积碳进行检测，并将检测结果与设定的积碳判断标准值进行比较；
步骤4，积碳清除：当步骤3中的积碳检测值超过设定的积碳判断标准值时，等离子体激励器和板式激励器同步开启；
步骤5，先关闭易产生积碳喷嘴体，随后关闭等离子体激励器和板式激励器，开启积碳观测装置，重复步骤3和步骤4，直至积碳检测值不超过设定的积碳判断标准值。
2.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：易产生积碳喷嘴体为燃料喷嘴，燃料喷嘴作为地电极，中心电极为金属圆柱杆，作为高压电极。
3.根据权利要求2所述的基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：介质阻挡层一敷设在金属圆柱杆的外壁面和/或燃料喷嘴的内壁面。
4.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：易产生积碳喷嘴体为同轴式喷嘴，燃料喷嘴同轴套设在氧化剂喷嘴的外侧；中心电极为圆柱杆，圆柱杆和燃料喷嘴均作为地电极，氧化剂喷嘴作为高压电极。
5.根据权利要求4所述的基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：介质阻挡层一敷设在圆柱杆外壁面、氧化剂喷嘴内壁面、氧化剂喷嘴外壁面和燃料喷嘴内壁面中的一个或多个。
6.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：步骤2和步骤4中，当等离子体激励器开启时，通过调整等离子体激励源的类型、电压、频率和脉宽参数，调节推进剂混合比，进而实现对积碳生成的抑制。
7.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：燃料为碳氢类，包括煤油、柴油、天然气、丙烷或甲烷。
8.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：等离子体激励器和板式激励器中均设置有电流检测装置，通过检测等离子体激励器和板式激励器中电流大小是否发生跃变，进而保证电极间不发生电弧放电。
9.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：高压板状电极和低压板状电极之间布设介质阻挡层二，介质阻挡层一和介质阻挡层二均为石英或陶瓷。
10.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，其特征在于：积碳观测装置为相机、电子显微镜、纹影或X射线能谱分析仪。
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