CN110454810A - 采用单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴及控制方法 - Google Patents

采用单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴及控制方法，包括喷射器，绝缘法兰，绝缘壳体，高压电极接线器，燃油管路，旋流器一，旋流器室一，旋流器三，旋流器室三，气体管路，等离子放电区，腔体，其中，喷射器包括：油滤定位器、油滤、旋流器二、旋流室二、喷口、锥形收缩管路，喷射器即可以实现液体燃料的引入以及燃料喷射，又充当高压电极，实现等离子单电极射流放电，通过利用非平衡等离子体气动效应改善燃油雾化的分布范围，利用非平衡等离子体化学效应改善油雾的反应活性，最终实现改善雾化、改善燃烧、降低有害燃烧产物排放水平及降低着火范围的目的。

Description

采用单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴及控制方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃油喷嘴技术领域，具体为一种采用单电极等离子体射流的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。
现有的燃气轮机等离子强化雾化喷嘴结构相对复杂，一般由喷嘴体、介质层、内电极、外电极、绝缘层组成。工作时，电源高压端与内电极相连，液体燃料流经介质层与外电极之间，实现介质阻挡放电，液体燃料被电离，经由喷嘴完成雾化，但因介质阻挡放电的特性，放电间距较小，难以实现宽范围、大流量的液体燃料电离，电离效果相对较差，且因液体燃料被电离而产生正负活性粒子，随液体燃料流经金属喷嘴时，部分会与金属壁碰撞而失去活性，强化效果变差。
因此，为解决上述为采用介质阻挡放电技术的等离子强化喷嘴流量范围窄，强化雾化效果差、喷射压力高、可靠性低等问题，本发明提供了一种采用单电极等离子体射流技术的燃油雾化喷嘴及其控制方法，即可以实现改善液体雾化的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴，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，绝缘法兰，绝缘壳体，高压电极接线器，燃油管路，旋流器一，旋流室一，旋流器三，旋流室三，气体管路，等离子放电区，腔体，其中，所述喷射器包括：油滤定位器、油滤、旋流器二、旋流室二、喷孔、锥形收缩管路，组成喷射器的各个部均件由金属材料制成，喷射器即可以实现液体燃料的引入以及燃料喷射，又充当高压电极，实现等离子单电极射流放电；
所述油滤定位器位于燃油管路底部，由螺纹与燃油管路内壁连接，可以实现小幅度的上下调整；
所述油滤上部连接油滤固定器，油滤下部与旋流器二连接，油滤用于燃油过滤；
所述旋流器二安装在油滤底部；所述旋流室二形成于旋流器二与锥形收缩管路之间，旋流器二将来自旋流室二的来流燃料转换为旋流燃料；
所述喷孔位于旋流室二底部，喷孔用于实现液体燃料喷射；
所述锥形收缩管路尖端放电产生的等离子体与喷射而出的液体燃料在等离子体放电区域初步接触混合，锥形收缩管路用于实现单电极放电；
所述高压电极接线器安装于燃油管路外壁，一端连接燃油管路，另一端连接等离子体电源正极；
所述燃油管路顶端与绝缘法兰相连，燃油管路外壁与高压电极接线器相连，燃油管路由绝缘壳体与高压电极接线器完成固定，燃油管路用于实现引入液体燃料；
气体管路一，实现引入电离气体；
腔体三，其形成于绝缘壳体与燃油管路之间，用于运输和稳定来流气体；
气体管路三上部与腔体三相连通，气体管路三下部外侧与旋流器一相连，下部内侧与旋流器三相连，实现气体运输与旋流器一和旋流器三的固定与定位；
气体管路二，实现用于引入空气；
腔体一形成于气体管路三与燃油管路之间，用于运输来自腔体三的气体；
腔体二形成于气体管路三与绝缘壳体之间，位于旋流器一上部，用于运输来自气体管路二的空气；
所述旋流器一安装于气体管路三与绝缘壳体之间，位于气体管路三下部，用于将来自腔体二的气体转换为旋流气体，所述旋流室一形成于气体管路三下部锥形段与绝缘壳体之间，以实现收缩来自旋流器一的旋流气体；
所述旋流器三安装于气体管路三与燃油管路之间，用于将来自腔体三的气体转换为旋流气体，所述旋流室三形成于气体管路三下部锥形段与锥形收缩管路之间，实现压缩来自旋流器三的旋流气体；
所述绝缘壳体由绝缘材料制作；
所述绝缘法兰用于连接燃油管路与其他供油设备，保护供油管路。
采用上述一种采用单电极等离子体射流的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，所述气体管路一开启，高压气体进入气体管路一，经由所述旋流器三形成旋流气，流经锥形收缩管路到达所述等离子体放电区域，传感器读取等离子体放电区域处风速，若风速未达到设定值，则调节气体管路一处供气压力，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，所述燃油管路、锥形收缩管路与高压电极接线器相连，组成高压放电电极，与绝缘壳体形成等离子体射流放电，被电离的气体向下运动，进入等离子体放电区域；
步骤三：传感器读取所述等离子体放电区域处光谱信息，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，直到等离子体放电区域处电子密度达到设定值；若电子密度已达设定值，则所述气体管路二开启、供油开启，液体燃料进入燃油管路，经由喷孔，完成液体燃料雾化，来自气体管路二处的高压气体，经由所述旋流器一形成旋流气体，进一步促进液体燃料雾化，电离生成的等离子体与雾化的液体燃料在等离子体放电区域混合，最后带有等离子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单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴及控制方法，很好的解决了现有等离子强化雾化喷嘴结构的弊端，具有以下优势：本发明是采用单电极射流放电模式，对旋流气体进行电离，能够利用非平衡等离子体气动效应改善燃油雾化的分布范围，利用非平衡等离子体化学效应改善油雾的反应活性，最终实现改善雾化、改善燃烧、降低有害燃烧产物排放水平及降低着火范围的目的，同时结构简单，降低了生产成本，且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-绝缘法兰，2-高压电极接线器，3-气体管路一，4-气体管路二，5-腔体一，6-腔体二，7-旋流器一，8-油滤定位器，9-旋流室一，10-油滤，11-锥形收缩管路，12-旋流室二，13-等离子放电区，14-喷孔，15-旋流器二，16-旋流室三，17-旋流器三，18-绝缘壳体，19-燃油管路，20-气体管路三，21-腔体三，22-燃油，23-等离子体电源正极，24-氮气，25-空气，26-等离子体流，27-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单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴及控制方法。
如图1所示，本发明包括喷射器，绝缘法兰1，绝缘壳体18，高压电极接线器2，燃油管路19，旋流器一7，旋流室一9，旋流器三17，旋流室三16，气体管路，等离子放电区13，腔体，其中，喷射器包括：油滤定位器8、油滤10、旋流器二15、旋流室二12、喷孔14、锥形收缩管路11，组成喷射器的各个部均件由金属材料制成，喷射器即可以实现液体燃料的引入以及燃料喷射，又充当高压电极，实现等离子单电极射流放电；油滤定位器8位于燃油管路底部，由螺纹与燃油管路内壁连接，可以实现小幅度的上下调整；
油滤定位器8位于燃油管路19底部，由螺纹与燃油管路19内壁连接，可以实现小幅度的上下调整；
油滤10上部连接油滤固定器8，油滤10下部与旋流器二15连接，油滤用于燃油过滤；旋流器二15安装在油滤10底部，旋流室二12形成于旋流器二15与锥形收缩管路11之间，旋流器二将来自旋流室二的来流燃料转换为旋流燃料，喷孔14位于旋流室二12底部，喷孔用于实现液体燃料喷射；
高压电极接线器2安装于燃油管路19外壁，一端连接燃油管路19，另一端连接等离子体电源正极；燃油管路19顶端与绝缘法兰1相连，燃油管路19外壁与高压电极接线器2相连，燃油管路19由绝缘壳体18与高压电极接线器2完成固定，燃油管路19用于实现引入液体燃料；
气体管路一3，实现引入电离气体；腔体三21，其形成于绝缘壳体18与燃油管路19之间，用于运输和稳定来流气体；
气体管路三20上部与腔体三21相连通，气体管路三20下部外侧与旋流器一7相连，下部内侧与旋流室三16相连，实现气体运输与旋流器一7和旋流器三17的固定与定位；
气体管路二4，用于引入空气；
腔体一5形成于气体管路三20与燃油管路19之间，用于运输来自腔体三21的气体；
腔体二6形成于气体管路三20与绝缘壳体18之间，位于旋流器一7上部，用于运输来自气体管路二4的空气；
旋流器一7安装于气体管路三20与绝缘壳体18之间，位于气体管路三20下部，用于将来自腔体二6的气体转换为旋流气体，旋流室一9形成于气体管路三20下部锥形段与绝缘壳体18之间，以实现收缩来自旋流器一7的旋流气体；
旋流器三17安装于气体管路三20与燃油管路19之间，用于将来自腔体三21的气体转换为旋流气体；
旋流室三16形成于气体管路三20下部锥形段与锥形收缩管路11之间，实现压缩来自旋流器三17的旋流气体；
绝缘壳体18由绝缘材料制作；
绝缘法兰1用于连接燃油管路19与其他供油设备，保护供油管路；
锥形收缩管路11尖端放电产生的等离子体与喷射而出的液体燃料在等离子体放电区域13初步接触混合，锥形收缩管路11用于实现单电极放电。
结合如图2及图3所示，启动燃气轮机，气体管路一3开启，高压气体进入气体管路一3，经由旋流室三16形成旋流气，流经锥形收缩管路11到达等离子体放电区域13，传感器读取等离子体放电区域13处风速，若风速未达到设定值，则调节气体管路一3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；
等离子体电源接到放电指令后，向高压电极接线器2输出某一较高电压，燃油管路19、锥形收缩管路11与高压电极接线器2相连，组成高压放电电极，与绝缘壳体18形成等离子体射流放电，被电离的气体向下运动，进入等离子体放电区域13；
传感器读取等离子体放电区域13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，直到等离子体放电区域13处电子密度达到设定值；若电子密度已达设定值，则气体管路二4开启、供油开启，液体燃料进入燃油管路19，经由喷孔14，完成液体燃料雾化，来自气体管路二4处的高压气体，经由旋流器一7形成旋流气体，进一步促进液体燃料雾化，电离生成的等离子体与雾化的液体燃料在等离子体放电区域13混合，最后带有等离子的液体燃料进入燃烧室。

Claims (4)

1.一种采用单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴，其特征在于，包括喷射器，绝缘法兰(1)，绝缘壳体(18)，高压电极接线器(2)，燃油管路(19)，旋流器一(7)，旋流室一(9)，旋流器三(17)，旋流室三(16)，气体管路，等离子放电区(13)，腔体，其中，所述喷射器包括：油滤定位器(8)、油滤(10)、旋流器二(15)、旋流室二(12)、喷孔(14)、锥形收缩管路(11)；
所述油滤定位器(8)位于燃油管路(19)底部，由螺纹与燃油管路(19)内壁连接，可以实现小幅度的上下调整；
所述油滤(10)上部连接油滤固定器(8)，油滤(10)下部与旋流器二(15)连接；
所述旋流器二(15)安装在油滤(10)底部，所述旋流室二(12)形成于旋流器二(15)与锥形收缩管路(11)之间，所述喷孔(14)位于旋流室二(12)底部；
所述锥形收缩管路(11)尖端放电产生的等离子体与喷射而出的液体燃料在等离子体放电区域(13)初步接触混合。
2.根据权利要求1所述一种采用单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述高压电极接线器(2)安装于燃油管路(19)外壁，一端连接燃油管路(19)，另一端连接等离子体电源正极；
所述燃油管路(19)顶端与绝缘法兰(1)相连，燃油管路(19)由绝缘壳体(18)与高压电极接线器(2)完成固定。
3.根据权利要求1所述一种采用单电极等离子体射流的燃油雾化喷嘴，其特征在于，腔体三(21)，其形成于绝缘壳体(18)与燃油管路(19)之间；
气体管路三(20)上部与腔体三(21)相连通，所述气体管路三(20)下部外侧与旋流器一(7)相连，下部内侧与旋流器三(17)相连；
腔体一(5)形成于所述气体管路三(20)与燃油管路(19)之间；
腔体二(6)形成于所述气体管路三(20)与绝缘壳体(18)之间，位于旋流器一(7)上部；
所述旋流器一(7)安装于气体管路三(20)与绝缘壳体(18)之间，位于气体管路三(20)下部，所述旋流室一(9)形成于气体管路三(20)下部锥形段与绝缘壳体(18)之间；
所述旋流器三(17)安装于气体管路三(20)与燃油管路(19)之间，所述旋流室三(16)形成于气体管路三(20)下部锥形段与锥形收缩管路(11)之间；
所述绝缘壳体(18)由绝缘材料制作。
4.采用权利要求1所述的一种采用单电极等离子体射流技术的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，所述开启气体管路一(3)，高压气体进入气体管路一(3)，经由所述旋流器三(17)形成旋流气，流经锥形收缩管路(11)到达所述等离子体放电区域(13)，传感器读取等离子体放电区域(13)处风速，若风速未达到设定值，则调节气体管路一(3)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(2)输出某一较高电压，所述燃油管路(19)、锥形收缩管路(11)与高压电极接线器(2)相连，组成高压放电电极，与绝缘壳体(18)形成等离子体射流放电，被电离的气体向下运动，进入等离子体放电区域(13)；
步骤三：传感器读取所述等离子体放电区域(13)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，直到等离子体放电区域(13)处电子密度达到设定值；若电子密度已达设定值，则所述气体管路二(4)开启、供油开启，液体燃料进入燃油管路(19)，经由喷孔(14)，完成液体燃料雾化，来自气体管路二(4)处的高压气体，经由所述旋流器一(7)形成旋流气体，进一步促进液体燃料雾化，电离生成的等离子体与雾化的液体燃料在等离子体放电区域(13)混合，最后带有等离子的液体燃料进入燃烧室。
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