CN110440291A - 采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴及控制方法，包括喷射器，接地电极，绝缘定位器，燃油通道，绝缘介质层，放电间隙，气体通道，旋流器一，旋流室一，等离子放电区，锥形绝缘介质环，燃油管路，高压电极接线器，壳体，等离子体电源负极，等离子体电源正极，其中，喷射器包括：油滤定位器、油滤、锥形收缩管路、旋流器二、旋流室二、喷孔，通过采用介质阻挡放电与等离子体射流技术相结合的双模式放电结构，燃油经由介质阻挡放电等离子体激励后，部分燃料裂解成活性基团，提高了燃油活性，富含活性基团的燃料经由喷嘴形成油雾，然后与等离子体射流产生的活性粒子相混合，实现二次激励，从而改善雾化效果，提高雾化质量。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃油喷嘴技术领域，具体为一种采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴及控制方法。
背景技术
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。日趋严格的节能环保要求已成为燃气轮机研究领域所面临的最大挑战。随着燃气轮机技术的不断推陈出新，在不同负荷、不同工况等条件下，要求燃烧室具有点火可靠、燃烧效率高、低污染排放等特性。因此，发展燃气轮机清洁燃烧技术十分迫切。
关于燃烧的研究表明，燃油喷嘴的雾化质量直接影响燃烧过程和污染物的生成。因此人们采用各种方法来提高雾化质量和对雾化流场的控制，如优化喷嘴结构、采用静电喷雾以及外加强电场、磁场对雾化流场进行调节控制。近年来，国内外研究人员将等离子体激励作用应用于燃气轮机燃油雾化流场。
等离子体激励技术由于具备扰动流场、提高反应活性等有益于燃油喷射、燃烧组织及降低排放的优势，具有在燃气轮机喷嘴上应用的巨大潜力。因此，设计开发基于等离子体激励技术的燃气轮机燃油喷嘴，将会极大地促进燃气轮机清洁燃烧技术的发展。
现有的等离子体燃油喷嘴激励模式单一，适用流量范围窄，强化雾化效果差、喷射压力高、可靠性低等问题。
因此，为解决上述问题，本发明采用介质阻挡放电与等离子体射流技术相结合的双模式放电结构，燃油经由介质阻挡放电等离子体激励后，部分燃料裂解成活性基团，提高了燃油活性，富含活性基团的燃料经由喷嘴形成油雾，然后与等离子体射流产生的活性粒子相混合，实现二次激励，从而改善雾化效果，提高雾化质量，提高火焰传播速度，促进燃料的稳定高效燃烧。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴，其能够解决上述现有技术中的问题。
为此，本发明采用了如下技术方案：包括喷射器，接地电极，绝缘定位器，燃油通道，绝缘介质层，放电间隙，气体通道，旋流器一，旋流室一，等离子放电区，锥形绝缘介质环，燃油管路，高压电极接线器，壳体，等离子体电源负极，等离子体电源正极，其中，所述喷射器包括：油滤定位器、油滤、锥形收缩管路、旋流器二、旋流室二、喷孔，组成喷射器的各个部件均由金属材料制成，喷射器即可以实现液体燃料的引入以及燃料喷射，又充当射流激励模式高压放电电极，实现等离子单电极射流放电；
所述油滤一端连接旋流器二，另一端连接油滤定位器，以实现过滤燃油以及固定定位旋流器二；所述旋流器二安装与油滤下部与锥形收缩管路之间，用以将初步电离的液体燃料转换为旋流燃料，所述旋流室二形成于旋流器二与锥形收缩管路之间，用于收缩来自旋流器二的旋流燃料，所述喷孔位于旋流室二下部，以实现液体燃料喷射，所述锥形收缩管路位于喷射器下部，最终实现单电极放电；
所述接地电极安装于绝缘定位器与绝缘介质层之中，用于连接等离子体电源负极；所属绝缘定位器，位于绝缘介质层与接地电极之间，用于固定以及定位接地电极安装位置；所述放电间隙，其形成于绝缘介质层与壳体上半部分之间，既是放电区域又是燃油通道，所述绝缘介质层整体呈凸字形，安装于壳体上部凹槽，中间有直径4mm的圆柱孔与接地电极相连，壳体与高压电极接线器相连，可视为高压电极，接地电极、绝缘介质层、放电间隙、壳体完成介质阻挡放电，用于初次激励燃料；
所述燃油通道位于壳体上部，实现引入液体燃料，所述气体通道位于壳体下部，用于引入电离气体(一般为氦气、氮气)，所述旋流器一安装于锥形收缩管路与壳体之间，用于将来自气体通道的气体转换为旋流气体，旋流气体一方面切割破坏油膜，提高雾化质量，另一方面为等离子体射流放电提供电离气体，所述旋流室一形成于壳体下端与锥形收缩管路之间，将收缩来自旋流器一的旋流气体；
所述燃油管路上端与壳体内壁螺纹连接，燃油管路下部与油滤定位器螺纹连接，实现喷射器整体的固定；
所述等离子放电区，位于喷孔下部与锥形绝缘介质环之间，经由一次激励的雾化燃油与射流产生的等离子体在此混合实现二次激励；
所述壳体用于承载其他部件及结构以及充当导线作用，导通高压电极接线器与锥形收缩管路。所述高压电极接线器用于连接壳体与等离子体电源正极。所述锥形绝缘环装于壳体最下端，用于提供等离子体射流所需的气体通道。
采用上述一种采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴进行雾化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：启动燃气轮机，开启所述气体通道，高压气体进入气体通道，经由旋流器一形成旋流气，旋流气经所述锥形收缩管路到达等离子放电区，传感器读取等离子放电区处风速，若风速未达到设定值，则调节气体通道处供气压力，直到风速达设定值；若风速已达设定值，则ECU电子控制单元向等离子体电源发出指令；
步骤二：等离子体电源接到放电指令后，向所述高压电极接线器输出某一较高电压，锥形收缩管路与壳体相连，壳体与高压电极接线器相连，组成高压放电电极，与锥形绝缘介质环形成等离子体射流放电，被电离的气体向下运动，进入等离子放电区；
步骤三：传感器读取所述等离子放电区处光谱信息，继而ECU电子控制单元算出等离子体电子密度，若等离子体电子密度未达设定值，则调节等离子体电源电压，直到等离子放电区处电子密度达到设定值；若电子密度已达设定值，则所述燃油通道开启、液体燃料进入放电间隙，传感器读取放电间隙处活性基团密度，若活性基团密度未达到设定值，则调节等离子体电源电压，直到风速活性基团密度达设定值；若活性基团密度已达设定值，初步电离的液体燃料进入喷射器，完成液体燃料雾化，带有等离子体活性基团的油雾，与等离子体射流产生的等离子体在所述等离子放电区最终混合，最后带有等离子且雾化良好的液体燃料进入燃烧室；
本发明的有益效果是：通过本发明提供的一种采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴及控制方法，很好的解决现有等离子体燃油喷嘴单一激励模式，适用流量范围窄，强化雾化效果差、喷射压力高、可靠性低等弊端，具有以下优势：采用介质阻挡放电与等离子体射流技术相结合的双模式放电结构，燃油经由介质阻挡放电等离子体激励后，部分燃料裂解成活性基团，提高了燃油活性，富含活性基团的燃料经由喷嘴形成油雾，然后与等离子体射流产生的活性粒子相混合，实现二次激励，从而改善雾化效果，提高雾化质量，提高火焰传播速度，促进燃料的稳定高效燃烧。最终实现降低有害燃烧产物排放水平及降低着火范围以及清洁燃烧的目的。同时，当本方案中的喷嘴体不通电时，本方案可以作为普通喷嘴正常工作。
附图说明
图1为本发明喷嘴总体结构图；
图2为本发明燃料喷射及电离过程示意图；
图3为本发明中控制方法示意图。
图中符号说明：1-接地电极，2-绝缘定位器，3-燃油通道，4-绝缘介质层，5-放电间隙，6-气体通道，7-旋流器一，8-锥形收缩管路，9-旋流室一，10-旋流室二，11-喷孔，12-等离子放电区，13-锥形绝缘介质环，14-旋流器二，15-油滤，16-油滤定位器，17-燃油管路，18-高压电极接线器，19-壳体，20-等离子体电源负极，21-燃油，22-等离子体电源正极，23-氮气，24-等离子体流，25-油雾。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
下面参照图1-3来描述根据本发明的实施例提供的一种采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴及控制方法。
如图1所示，本发明包括喷射器，接地电极1，绝缘定位器2，燃油通道3，绝缘介质层4，放电间隙5，气体通道6，旋流器一7，旋流室一9，等离子放电区12，锥形绝缘介质环13，燃油管路17，高压电极接线器18，壳体19，等离子体电源负极20，等离子体电源正极22，其中，喷射器包括：油滤定位器16、油滤15、锥形收缩管路8、旋流器二14、旋流室二10、喷孔11，组成喷射器的各个部件均由金属材料制成，喷射器即可以实现液体燃料的引入以及燃料喷射，又充当射流激励模式高压放电电极，实现等离子单电极射流放电；
油滤15一端连接旋流器二14，另一端连接油滤定位器16，以实现过滤燃油以及固定定位旋流器二14；旋流器二14安装与油滤15下部与锥形收缩管路8之间，用以将初步电离的液体燃料转换为旋流燃料，旋流室二10形成于旋流器二14与锥形收缩管路8之间，用于收缩来自旋流器二14的旋流燃料，喷孔11位于旋流室二10下部，以实现液体燃料喷射，锥形收缩管路8位于喷射器下部，最终实现单电极放电；
接地电极1安装于绝缘定位器2与绝缘介质层4之中，用于连接等离子体电源负极20；绝缘定位器2，位于绝缘介质层4与接地电极1之间，用于固定以及定位接地电极1安装位置；放电间隙5，其形成于绝缘介质层4与壳体19上半部分之间，既是放电区域又是燃油通道，绝缘介质层4整体呈凸字形，安装于壳体19上部凹槽，中间有直径4mm的圆柱孔与接地电极1相连，壳体19与高压电极接线器18相连，可视为高压电极，接地电极1、绝缘介质层4、放电间隙5、壳体19完成介质阻挡放电，用于初次激励燃料；
燃油通道3位于壳体19上部，实现引入液体燃料，气体通道6位于壳体19下部，用于引入电离气体(一般为氦气、氮气)，旋流器一7安装于锥形收缩管路8与壳体19之间，用于将来自气体通道6的气体转换为旋流气体，旋流气体一方面切割破坏油膜，提高雾化质量，另一方面为等离子体射流放电提供电离气体，旋流室一9形成于壳体19下端与锥形收缩管路8之间，将收缩来自旋流器一7的旋流气体；
燃油管路17上端与壳体19内壁螺纹连接，燃油管路17下部与油滤定位器16螺纹连接，实现喷射器整体的固定；
等离子放电区12，位于喷孔11下部与锥形绝缘介质环13之间，经由一次激励的雾化燃油与射流产生的等离子体在此混合实现二次激励；
壳体19用于承载其他部件及结构以及充当导线作用，导通高压电极接线器18与锥形收缩管路8。高压电极接线器18用于连接壳体19与等离子体电源正极22。锥形绝缘环13装于壳体最下端，用于提供等离子体射流所需的气体通道。
结合如图2及图3所示，启动燃气轮机，气体通道6开启，高压气体进入气体通道6，经由旋流器一7形成旋流气，旋流器流经锥形收缩管路8到达等离子放电区12，传感器读取等离子放电区12处风速，若风速未达到设定值，则调节气体通道6处供气压力，直到风速达设定值；若风速已达设定值，则EUC电子控制单元向等离子体电源发出指令；
等离子体电源接到放电指令后，向高压电极接线器18输出某一较高电压，锥形收缩管路8与壳体19相连，壳体19与高压电极接线器18相连，组成高压放电电极，与锥形绝缘介质环13形成等离子体射流放电，被电离的气体向下运动，进入等离子放电区12；
传感器读取等离子放电区12处光谱信息，继而ECU电子控制单元算出等离子体电子密度，若等离子体电子密度未达设定值，则调节等离子体电源电压，直到等离子放电区12处电子密度达到设定值；若电子密度已达设定值，则燃油通道3开启、液体燃料进入放电间隙5，传感器读取放电间隙5处活性基团密度，若活性基团密度未达到设定值，则调节等离子体电源电压，直到风速活性基团密度达设定值；若活性基团密度已达设定值，初步电离的液体燃料进入喷射器，完成液体燃料雾化，带有等离子体活性基团的油雾，与等离子体射流产生的等离子体在等离子放电区12最终混合，最后带有等离子且雾化良好的液体燃料进入燃烧室。
Claims (3)
1.一种采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴，其特征在于，包括喷射器，接地电极(1)，绝缘定位器(2)，燃油通道(3)，绝缘介质层(4)，放电间隙(5)，气体通道(6)，旋流器一(7)，旋流室一(9)，等离子放电区(12)，锥形绝缘介质环(13)，高压电极接线器(18)，壳体(19)，等离子体电源负极(20)，等离子体电源正极(22)，其中，所述喷射器包括：油滤定位器(16)、油滤(15)、锥形收缩管路(8)、旋流器二(14)、旋流室二(10)、喷孔(11)；
所述油滤(15)一端连接旋流器二(14)，另一端连接油滤定位器(16)；
所述旋流器二(14)安装与油滤(15)下部与锥形收缩管路(8)之间，所述旋流室二(10)形成于旋流器二(14)与锥形收缩管路(8)之间，所述喷孔(11)位于旋流室二(10)下部，所述锥形收缩管路(8)位于喷射器下部。
2.根据权利要求1所述一种采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述接地电极(1)安装于绝缘定位器(2)与绝缘介质层(4)之中；
所述放电间隙(5)，其形成于绝缘介质层(4)与壳体(19)上半部分之间，既是放电区域又是燃油通道，所述绝缘介质层(4)整体呈凸字形，安装于壳体(19)上部凹槽，中间有直径4mm的圆柱孔与接地电极(1)相连，壳体(19)与高压电极接线器(18)相连，可视为高压电极，接地电极(1)、绝缘介质层(4)、放电间隙(5)、壳体(19)完成介质阻挡放电，用于初次激励燃料；
所述燃油通道(3)位于壳体(19)上部，所述气体通道(6)位于壳体(19)下部，所述旋流器一(7)安装于锥形收缩管路(8)与壳体(19)之间，所述旋流室一(9)形成于壳体(19)下端与锥形收缩管路(8)之间；
所述等离子放电区(12)，位于喷孔(11)下部与锥形绝缘介质环(13)之间，经由一次激励的雾化燃油与射流产生的等离子体在此混合实现二次激励。
3.采用权利要求1所述一种采用双模式激励的等离子体燃油雾化喷嘴进行雾化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：启动燃气轮机，开启所述气体通道(6)，高压气体进入气体通道(6)，经由旋流器一(7)形成旋流气，旋流器流经所述锥形收缩管路(8)到达等离子放电区(12)，传感器读取等离子放电区(12)处风速，若风速未达到设定值，则调节气体通道(6)处供气压力，直到风速达设定值；若风速已达设定值，则ECU电子控制单元向等离子体电源发出指令；
步骤二：等离子体电源接到放电指令后，向所述高压电极接线器(18)输出某一较高电压，锥形收缩管路(8)与壳体(19)相连，壳体(19)与高压电极接线器(18)相连，组成高压放电电极，与锥形绝缘介质环(13)形成等离子体射流放电，被电离的气体向下运动，进入等离子放电区(12)；
步骤三：传感器读取所述等离子放电区(12)处光谱信息，继而ECU电子控制单元算出等离子体电子密度，若等离子体电子密度未达设定值，则调节等离子体电源电压，直到等离子放电区(12)处电子密度达到设定值；若电子密度已达设定值，则所述燃油通道(3)开启、液体燃料进入放电间隙(5)，传感器读取放电间隙(5)处活性基团密度，若活性基团密度未达到设定值，则调节等离子体电源电压，直到风速活性基团密度达设定值；若活性基团密度已达设定值，初步电离的液体燃料进入喷射器，完成液体燃料雾化，带有等离子体活性基团的油雾，与等离子体射流产生的等离子体在所述等离子放电区(12)最终混合，最后带有等离子且雾化良好的液体燃料进入燃烧室。
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