CN110792531B - 基于高压放电的智能雾化喷嘴及喷雾控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高压放电的智能雾化喷嘴及喷雾控制系统，包括内流体通道、外流体通道、高压电极、两个低压电极和高压电源；外流体通道用于通入液体燃料；内流体通道用于通入气体氧化剂，其下游末端短于外流体通道，形成缩进区；高压电极和两个低压电极均呈环形，且均与高压电源相连接；高压电极设在靠近尾部的内流体通道中，其外壁面贴附在内流体通道的内壁面；两个低压电极均等距嵌套在高压电极上游端和下游端的内流体通道的外壁面上；高压电极和任一个低压电极相接通，均形成一个放电激励器；两个放电激励器能形成两个方向的等离子体诱导射流。本发明能根据需求快速地调节雾化角、雾化液滴直径等参数，进而实现雾化效果的有效控制。

Description

基于高压放电的智能雾化喷嘴及喷雾控制系统

技术领域

本发明涉及空天动力装置领域，特别是一种基于高压放电的智能雾化喷嘴及喷雾控制系统。

背景技术

在液体火箭发动机、航空发动机等飞行器动力装置中，通常以液态煤油为燃料，液体燃料从燃烧室喷嘴喷出，要先后经历雾化、蒸发、混合、燃烧这几个子过程。其中，雾化作为第一个子过程其组织的好坏直接关系到随后的其它子过程，进而影响发动机燃烧室内点火成败、火焰稳定性、燃烧效率等。具体来说，当喷嘴产生的雾化液滴过大，则可能发生粗糙燃烧，蒸发时间变长，点火困难；当雾化后的液滴过细，则可能导致燃烧不稳定的发生。尤其对于液体火箭发动机内的燃烧过程对雾化极其敏感，液滴的雾化参数决定了推进剂空间分布，进而对燃烧室化学反应热的空间分布产生影响，而释热与压力振荡关系直接影响燃烧的稳定与否，推进剂雾化状态在很大程度上决定了燃烧效率与燃烧稳定性。

目前，用于航空航天领域的雾化喷嘴主要有直筒式、撞击式、同轴式，其中同轴式又分为同轴直流和同轴旋流。目前研究普遍认为直筒式喷嘴雾化距离长、效果差，在液体火箭发动机和航空发动机内基本不予采用；而撞击式喷嘴需要多股射流，雾化均匀度难以保证，也仅仅用在少数大型发动机上；同轴式喷嘴因雾化效果相对较好，装置结构紧凑，被广泛用于各类空天动力装置中。

然而对于某一型号发动机，其喷嘴构型是固定的，在发动机工作过程中由于各种内部和外部因素都可能导致燃料喷射参数发生难以预料的变化，当燃料雾化参数超出发动机正常工作范围后轻则导致燃烧效率降低，发动机推力下降，重则导致点火失败，甚至发生爆炸。现有的解决方案通常只能是调节推进剂流量，精确控制难度大，调节范围有限，且存在延迟响应等问题。因此，如何实现喷嘴雾化效果的动态、快速调节，以达到及时、有效地应对工况条件变化，是液体火箭发动机，乃至航空发动机、冲压发动机等采用液体燃料的动力装置面临的重要技术难题。

等离子体空天应用技术近年来受到广泛关注，利用高压放电产生等离子体能用于流动控制与辅助燃烧，国际上最新研究成果显示高压放电等离子体可以控制的气流速度范围覆盖了从低速到超音速，在燃烧方面则可以缩短点火延迟、提高燃烧效率、稳定火焰等。将高压放电等离子体技术应用于发动机喷嘴雾化，发挥电控效应迅速、无惯性部件、工作范围宽等优点，将能实现喷嘴雾化性能的智能、高效、宽范围控制。

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，而提供一种基于高压放电的智能雾化喷嘴及喷雾控制系统，该基于高压放电的智能雾化喷嘴及喷雾控制系统能够根据需求快速、有效地控制同轴式喷嘴的雾化效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于高压放电的智能雾化喷嘴，包括内流体通道、外流体通道、高压电极、两个低压电极和高压电源。

外流体通道同轴设置在内流体通道的外侧，用于通入液体燃料。内流体通道的上游首端为气体氧化剂入口，内流体通道的下游末端短于外流体通道，形成缩进区。

高压电极和两个低压电极均呈环形，且均与高压电源相连接。高压电极设置在靠近尾部的内流体通道中，高压电极的外壁面贴附在内流体通道的内壁面。

两个低压电极均等距嵌套在高压电极上游端和下游端的内流体通道的外壁面上。

高压电极和任一个低压电极相接通，均形成一个放电激励器。两个放电激励器能形成两个方向的等离子体诱导射流。

位于下游端的低压电极的外侧端面与内流体通道的出口端面相平齐。

外流体通道的上游首端与若干个沿径向均匀布设的燃料入口通道相连接，燃料入口通道设置在位于上游端的低压电极的上游侧。

每个燃料入口通道均采取直流或旋流的布设方式。

高压电极的环形厚度为0.05-1mm，高压电极与低压电极之间的轴向间隙的长度为0-1mm，低压电极的轴向长度不小于高压电极的轴向长度。

放电激励器为介质阻挡放电，高压电源的类型为高频交流或微秒/纳秒/皮秒脉冲。

高压电极和低压电极均为金属导电材质，智能雾化喷嘴整体采用绝缘材质。

一种基于高压放电的智能喷雾控制系统，包括智能雾化喷嘴、火箭发动机推力室、温度传感器、压力传感器和计算机。

智能雾化喷嘴，设置在火箭发动机推力室的喷注面板上。

温度传感器和压力传感器设置在火箭发动机推力室内，分别用于监测喷注在火箭发动机推力室内的雾化推进剂的喷后温度和喷后压力。

温度传感器、压力传感器、高压电源均与计算机相连接，形成喷雾效果的闭环控制。

还包括集线器，用于将温度传感器和压力传感器与计算机相连接的传输线进行收纳整理。

本发明具有如下有益效果：

1、改变了传统机械式控制雾化方式，利用非对称表面介质阻挡放电产生切向诱导射流特性，能实现对环缝液体燃料雾化形态、参数的有效调控，通过整个闭环控制系统，能够实现对喷雾场的智能控制，响应迅速、参数可调范围宽、电极可连续、长期运行，功耗很低。

2、本发明采用非平衡态等离子体，利用放电等离子体高温作用影响的主要是蒸发、点火和燃烧，对雾化从根本上影响是间接的。本发明中产生的非平衡态等离子体宏观温度几乎为常温，为装置的稳定、可靠、长时间工作带来了便利，并且本发明通过合理的设计，充分发挥了非平衡等离子体对流体介质动量的改变能力，这是对雾化过程的直接干预。

3、本发明能实现喷嘴雾化场中雾化角、雾化液滴直径等参数的调节，进而改善燃料和氧化剂的混合和燃烧状态，实现可靠点火、稳定燃烧及高效燃烧。

附图说明

图1显示了本发明基于高压放电的智能雾化喷嘴的整体结构示意图。

图2显示了本发明基于高压放电的智能雾化喷嘴的外形示意图。

图3显示了本发明基于高压放电的智能雾化喷嘴的剖视及尺寸示例图。。

图4显示了本发明基于高压放电的智能雾化喷嘴的透视图。

图5显示了图4的俯视透视图。

图6显示了本发明基于高压放电的智能喷雾控制系统的结构示意图。

图7显示了本发明中高压电极与低压电极之间高压放电的工作原理示意图。

图8显示了高压放电时等离子体诱导射流速度云图。

图9显示了高压电极的结构示意图。

图10显示了低压电极的结构示意图。

其中有：

100.智能喷雾喷嘴；

110.第一圆柱段；120.螺母段；130.螺纹段；140.长圆柱段；150.出口圆柱段；160.内流体通道；170.外流体通道；171. 燃料入口通道；180.高压电极；190.低压电极；

200.高压电源；300.计算机；400.温度传感器；500.压力传感器；600.火箭发动机推力室；

700.集线器；800.等离子体。

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6所示，一种基于高压放电的智能喷雾控制系统，包括智能雾化喷嘴100、高压电源200、计算机300、温度传感器400、压力传感器500、火箭发动机推力室600、集线器700和示波器等。

智能雾化喷嘴，设置在火箭发动机推力室的喷注面板上。

温度传感器和压力传感器设置在火箭发动机推力室内，分别用于监测喷注在火箭发动机推力室内雾化推进剂的喷后温度和喷后压力。温度传感器和压力传感器，根据需要，可以设置多组。

温度传感器、压力传感器、高压电源均与计算机相连接，形成喷雾效果的闭环控制。

上述集线器，用于将温度传感器和压力传感器与计算机相连接的传输线进行收纳整理。

如图2所示，一种基于高压放电的智能雾化喷嘴，从氧化剂入口至喷嘴出口，沿轴向依次包括同轴设置的第一短圆柱段110、螺母段120、螺纹段130、长圆柱段140和出口圆柱段150。智能雾化喷嘴的剖视图及尺寸如图3所示，尺寸单位为mm。其中，螺纹段用于将智能雾化喷嘴插入发动机头部，也即安装在火箭发动机推力室的喷注面板上。螺母段则方便利用扳手安装喷嘴。

如图1、图4和图5所示，一种基于高压放电的智能雾化喷嘴，在其内部设置有内流体通道160、外流体通道170、高压电极180和两个低压电极190。

本发明中的基于高压放电的智能雾化喷嘴，主要应用对象为液体火箭发动机，也可以用于航空发动机、冲压发动机等动力装置。

外流体通道同轴设置在内流体通道的外侧，且位于长圆柱段140和出口圆柱段150中，用于通入液体燃料。外流体通道同轴呈环形，也称为环缝。

上述液体燃料可以是各类煤油、柴油等燃料，当仅仅作为雾化研究时候，也可以是水等液体。

外流体通道的上游首端与若干个沿径向均匀布设的燃料入口通道171相连接，燃料入口通道优选设置在位于上游端的低压电极的上游侧，从而能够保证放电等离子体气动效应。

燃料入口通道布置方案均优选为直流通道方案或旋流通道方案。图3中给出的是切向液体燃料进入方式，即液体燃料以旋流方式进入，实际也可以直流方式，即侧壁打的孔轴线与喷嘴轴线相交；另外，燃料入口通道的数量在尺寸不矛盾下可以增加，一般为3-4个，图3和图4中优选为3个。

内流体通道位于智能雾化喷嘴的中心轴线上，其上游首端为氧化剂入口，与喷嘴入口端面相平齐，其下游末端短于外流体通道，形成缩进区。

上述氧化剂优选为氧气、空气等。

燃料和氧化剂在缩进区内发生部分雾化与掺混。

喷嘴雾化的基本原理为：其中燃料为液态，氧化剂为气态，外流体通道喷出的液体与内流体通道喷出的气体在出口处受流体的剪切和惯性作用，在气流的作用下，液体射流发生失稳、破碎以及液滴的二次雾化，气体射流的状态（介质类型、速度大小、速度方向、温度等）变化直接影响了其对液体射流的作用效果，也就改变了液体燃料的雾化效果。

高压电极和两个低压电极均呈环形，且均与高压电源相连接。其中，高压电极的结构，如图9所示，低压电极的结构，如图10所示。

高压电极设在靠近尾部的内流体通道中，高压电极的外壁面贴附在内流体通道的内壁面。

两个低压电极均等距嵌套在高压电极上游端和下游端的内流体通道的外壁面上。优选在内流体通道的外壁面铣2道环形槽，然后，将两个低压电极其分别嵌套在其中，低压电极的外表面与优选与内流体通道外表面平齐。

本发明中的上游和下游，是指沿着喷注流体的流动方向进行划分。

本发明中，由于高压电极直接与位于内流体通道中的氧化剂相接触，故而也称为暴露电极。由于两个低压电极均等距嵌套在内流体通道的外壁面上，故而也称为植入电极。

喷嘴整体为绝缘材质，例如石英、云母、陶瓷、聚四氟乙烯等；电极为金属导电材质，例如铜、不锈钢等。

如图7所示，高压电极的环形厚度d₂优选为0.05-1mm，以减小对喷嘴内结构尺寸的要求。高压电极与低压电极之间的轴向间隙的长度d₁应尽可能小，优选为0-1mm，低压电极的轴向长度L₂不小于高压电极的轴向长度L₁。L₁和L₂对诱导射流速度影响可以忽略，故选择相同尺寸以利于加工或是选择低压电极的轴向长度L₂略长于高压电极的轴向长度L₁，以使得等离子体覆盖区域更广，例如本例中都取1-3 mm，低压电极对应的绝缘介质层厚度（也即低压电极对应的长圆柱段壁厚）则为喷嘴内流体通道壁厚减去低压电极的厚度。

位于下游端的低压电极的外侧端面优选与内流体通道的出口端面相平齐。这样是为了保证产生的等离子体动量效应对喷出的气体作用效果最强时与环缝喷出的液体相作用。

高压电极和任一个低压电极相接通，均形成一个放电激励器。两个放电激励器能形成两个方向的等离子体诱导射流。

上述高压电源的类型优选为高频交流或微秒/纳秒/皮秒脉冲等。

上述高压电极、两个低压电极和高压电源形成高压放电装置。

放电激励器的放电类型为介质阻挡放电。使用时：接通一对电极（高压和其中一个低压电极），当接通靠近下游端低压电极和高压电极时，则会产生正向诱导射流，使得内流体通道气体加速；当接通上游端低压电极和高压电极时，则会产生逆向射流，使得内流体通道气体减速。

通过调节高压放电装置的激励参数（例如放电电压、电压波形、频率等），就可以实现改变内流体通道中气体流速的效果，进而改变了气体对外流体通道喷出的液体射流的剪切、撞击等作用，从而达到改变喷嘴雾化场的目的。

高压放电能产生诱导射流的原理为：如图7所示，嵌入绝缘介质的植入电极为低压电极，暴露电极为高压电极，当两电极接通电源后，施加一定幅值的电压后，暴露电极右侧和植入电极上方之间的区域会发生气体放电而产生非平衡等离子体，等离子体800中带电粒子通过与中性粒子碰撞将动量和能量传递给周围的气体，产生诱导射流，影响边界层，改变流场结构，图8就是采用图7所示电极布局在一定放电条件下产生的诱导射流，这种平板交错式放电方式产生的射流主体上沿x方向（也即喷嘴轴向），在y方向（也即喷嘴径向）上也能产生相对叫小的诱导射流，利用电极的非对称布局产生了切向加速效果，这种放电作用学术上称之为等离子体动量传输效应。

高压气体放电产生等离子体诱导射流的同时，也会改变气体组分，也就改变了气体介质的物性参数，而物性参数（密度、比热等）的变化也间接影响了喷嘴中内流体通道喷出的气体对周围液体射流的作用，即也会在一定程度上影响喷嘴雾化效果，不过研究表明主要是等离子体动量传输效应影响射流流场。

本发明闭环控制的工作过程，包括如下步骤：

步骤1，正常喷注与点火：未开启高压电源，喷嘴正常喷射氧化剂和燃料至发动机燃烧室并点火。

步骤2，燃烧数据采集：利用燃烧室壁面的多组压力传感器和温度传感器采集燃烧室内流场参数，采集数据经过集线器送入控制计算机。

步骤3，燃烧数据分析：计算机根据设计的燃烧状态分析采集数据。

步骤4，雾化效果调整：当计算机分析得出发动机内燃烧状态偏离设计范围时，根据具体偏离状态开启高压电源，选择性接通两个放电激励器中的一个，进行雾化效果调整，调整方法如上所述，如通过调节高压放电装置的激励参数（例如放电电压、电压波形、频率等），就可以实现改变内流体通道中气体流速的效果，进而改变了气体对外流体通道喷出的液体射流的剪切、撞击等作用，从而达到改变喷嘴雾化场的目的。

步骤5，雾化调整效果再次监测：重复步骤2至步骤4，进行雾化调整效果再次监测与调整。另外，高压电源的放电参数也通过示波器和数据线传入控制计算机，通过调节电源控制参数，改变雾化参数直至采集的发动机数据达到设计范围，进而实现喷雾燃烧状态的闭环控制。

本发明以图3所示尺寸的某液体火箭发动机小型喷嘴为例，当喷嘴工作时候，由于燃料和氧化剂流量、密度等参数发生变化，导致两者在喷嘴混合区未能实现希望的雾化效果，例如雾化椎角过大或过小，雾化颗粒过细或过粗。此时，根据智能雾化喷嘴控制系统中采集的燃烧室压力、温度数据，打开高压电源，通过控制计算机，选择电极对，调节电源参数，从而实现对喷嘴中心通道氧化剂气体射流速度的增大或减小，甚至利用脉冲激励源，实现气体射流径向速度的变化，进而改变两股射流在出口接触界面的剪切力和惯性力，从而改变了液体燃料的雾化参数；随着雾化参数的变化，发动机监测参数也发射改变，通过控制计算机不断监测数据并响应调节电源，实现对喷嘴雾化场的闭环控制。

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 (9)

1.一种基于高压放电的智能雾化喷嘴，其特征在于：包括内流体通道、外流体通道、高压电极、两个低压电极和高压电源；

外流体通道同轴设置在内流体通道的外侧，用于通入液体燃料；内流体通道的上游首端为气体氧化剂入口，内流体通道的下游末端短于外流体通道，形成缩进区；

高压电极和两个低压电极均呈环形，且均与高压电源相连接；高压电极设置在靠近尾部的内流体通道中，高压电极的外壁面贴附在内流体通道的内壁面；

两个低压电极均等距嵌套在高压电极上游端和下游端的内流体通道的外壁面上；

高压电极和任一个低压电极相接通，均形成一个放电激励器；两个放电激励器能形成两个方向的等离子体诱导射流；

利用非对称表面介质阻挡放电产生切向诱导射流特性，能实现对环缝液体燃料雾化形态、参数的有效调控，通过整个闭环控制系统，能够实现对喷雾场的智能控制。

2.根据权利要求1所述的基于高压放电的智能雾化喷嘴，其特征在于：位于下游端的低压电极的外侧端面与内流体通道的出口端面相平齐。

3.根据权利要求1或2所述的基于高压放电的智能雾化喷嘴，其特征在于：外流体通道的上游首端与若干个沿径向均匀布设的燃料入口通道相连接，燃料入口通道设置在位于上游端的低压电极的上游侧。

4.根据权利要求3所述的基于高压放电的智能雾化喷嘴，其特征在于：每个燃料入口通道均采取直流或旋流的布设方式。

5.根据权利要求3所述的基于高压放电的智能雾化喷嘴，其特征在于：高压电极的环形厚度为0.05-1mm，高压电极与低压电极之间的轴向间隙的长度为0-1mm，低压电极的轴向长度不小于高压电极的轴向长度。

6.根据权利要求5所述的基于高压放电的智能雾化喷嘴，其特征在于：放电激励器为介质阻挡放电，高压电源的类型为高频交流或微秒/纳秒/皮秒脉冲。

7.根据权利要求5所述的基于高压放电的智能雾化喷嘴，其特征在于：高压电极和低压电极均为金属导电材质，智能雾化喷嘴整体采用绝缘材质。

8.一种基于高压放电的智能喷雾控制系统，其特征在于：包括如权利要求1-7任一项所述的基于高压放电的智能雾化喷嘴、火箭发动机推力室、温度传感器、压力传感器和计算机；

智能雾化喷嘴设置在火箭发动机推力室的喷注面板上；

温度传感器和压力传感器设置在火箭发动机推力室内，分别用于监测喷注在火箭发动机推力室内雾化推进剂的喷后温度和喷后压力；

温度传感器、压力传感器、高压电源均与计算机相连接，形成喷雾效果的闭环控制。

9.根据权利要求8所述的基于高压放电的智能喷雾控制系统，其特征在于：还包括集线器，用于将温度传感器和压力传感器与计算机相连接的传输线进行收纳整理。

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