CN111735078A - 一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体射流‑沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，包括等离子体射流机构、燃油喷射机构和沿面放电机构；所述等离子体射流机构包括铜针电极、绝缘壳体a，所述绝缘壳体a的截面呈T形，其包括垂直连接的水平壳体和竖直壳体；所述燃油喷射机构包括金属壳体a，所述金属壳体a内部为中空卡台结构，所述中空卡台结构内壁与竖直壳体外壁贴合，水平壳体底部与所述金属壳体a顶端面接触；所述沿面放电机构包括绝缘壳体b、铜电极a、铜电极b、旋流器、金属壳体b，所述金属壳体b连接在金属壳体a的下部外周；富含活性基团的油雾被含有沿面放电产生的大量高能活性物质的旋流气切割，实现了雾化燃油的二次等离子体激励。

Description

一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及燃油雾化喷嘴技术领域，具体涉及一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴。

背景技术

超高速飞行器的可靠推进技术是航空航天研究领域的前沿问题。超高速飞行能够极大的缩短飞行器的飞行时间，提高军用飞机的作战及战场生存能力，提升民用飞机的起降频次及运载效能。因此，超高速飞行将是未来先进飞行器的必备能力。在超高速飞行工况下，发动机进气速度极高、进气含氧量极低、油气混合时间极短，要实现燃油与空气迅速混合、并在燃烧室内各截面上形成一定的浓度分布变得异常困难。油气混合质量的恶化将导致高空点火失效、燃烧稳定性恶化、出口温度分布均匀性变差等一系列严重后果。可见，超高速飞行工况下良好燃油雾化的实现方法及技术，是未来先进航空发动机燃烧研究领域的关键所在。

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进行控制，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、燃烧组织及扩宽稀燃极限的优势，具有在航空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油喷嘴，将会极大地促进超高速飞行器的可靠推进技术的发展。

发明内容

为解决超高速飞行器高速进气工况下燃油雾化不足的问题,本申请提供一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，实现在超高速飞行工况下，提高油气混合质量、提高燃烧稳定性、提高点火可靠性的目的。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，包括等离子体射流机构、燃油喷射机构和沿面放电机构；

所述等离子体射流机构包括铜针电极、绝缘壳体a，所述绝缘壳体a的截面呈T形，其包括垂直连接的水平壳体和竖直壳体，在竖直壳体中开设有腔体c，所述竖直壳体一端上部连接有气体管路b，在气体管路b内开设有与腔体c连通的气体通道b，所述铜针电极穿过水平壳体伸进腔体c中；

所述燃油喷射机构包括金属壳体a，所述金属壳体a内部为中空卡台结构，所述中空卡台结构内壁与竖直壳体外壁贴合，水平壳体底部与所述金属壳体a顶端面接触，在金属壳体a上部开有连接燃油管路的油路安装孔，所述燃油管路内开设有与腔体a上部连通的燃油通道，所述腔体a位于金属壳体a的侧壁中，腔体a底部连接有倾斜向下的喷孔流道a、喷孔流道b，所述喷孔流道a、喷孔流道b下端部连通形成喷孔出口；

所述沿面放电机构包括绝缘壳体b、铜电极a、铜电极b、旋流器、金属壳体b，所述金属壳体b连接在金属壳体a的下部外周，两者形成的空间为腔体b，在金属壳体b一侧上部连接有气体管路a，所述气体管路a内开设有与腔体b上部连通的气体通道a，所述腔体b底部设有旋流器；在金属壳体b的底部安装有绝缘壳体b，所述绝缘壳体b的外壁上紧贴有铜电极a，内壁上紧贴有铜电极b。

进一步的，在绝缘壳体a的水平壳体顶端面和底端面凹设有容纳槽，两个容纳槽之间设有同心的电极通孔；每个容纳槽中安装有金属定位器，用来固定铜针电极以及上下位置的定位调整；在绝缘壳体a的竖直壳体一端上部开设有用于连接气体管路b的绝缘安装孔，所述竖直壳体底部内壁连接有空心圆柱插头。

进一步的，所述铜针电极顶部裸露在外，其作为等离子体射流放电的高压电极。

进一步的，所述金属壳体a的中空卡台结构下部为喇叭形射流区域，所述喇叭形射流区域顶部与腔体c连通，底部与混合区连通；喷孔流道a、喷孔流道b、喷孔出口位于喇叭形金属壁中形成多个喷嘴，所述喷嘴横截面形状近似为被拉倒的小写字母“h”，且喷孔流道a、喷孔流道b的直径由燃油入口至喷孔出口不断缩小，为锥形通道。

进一步的，所述金属壳体a一侧顶部开设有使气体管路b穿过的金属安装孔，金属壳体a作为等离子体射流放电的低压电极。

更进一步的，所述铜电极a为薄壁空心锥台形铜电极，作为沿面放电低压电极；铜电极b为螺旋铜电极，其横截面为矩形，作为沿面放电高压电极。

更进一步的，所述螺旋铜电极的旋向与旋流器的旋向相同，相邻的螺旋铜电极线圈之间形成沿面放电区域，所述沿面放电区域位于混合区外侧。

更进一步的，所述绝缘壳体b为薄壁空心锥台结构，作为等离子体沿面放电的介质层。

作为更进一步的，燃油从燃油通道中进入腔体a后，流经喷孔流道a、喷孔流道b，最后从喷孔出口喷出形成油雾区域；铜针电极通电形成等离子体射流柱，所述等离子体射流柱进入油雾区域上部，形成一次激励后的雾化燃油。

作为更进一步的，在沿面放电区域形成等离子体面，所述等离子体面中的高能活性物质被来自旋流器的旋流气卷吸带走，经由等离子体射流一次激励的雾化燃油在此被旋流气切割，有利于雾液大颗粒破碎为小液滴，所述旋流气中带有由沿面放电产生的等离子体高能活性物质，对雾化燃油二次激励。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：采用沿面放电与等离子体射流技术相结合的双模式放电结构，燃油经由周向多个倒“h”形喷嘴喷出形成油雾，油雾被等离子体射流产生的高能活性物质激励后，部分燃料活化成高能基团，提高了燃油活性，富含活性基团的油雾被含有沿面放电产生的大量高能活性物质的旋流气切割，实现了雾化燃油的二次等离子体激励，同时也会进一步提高雾化质量，提高火焰传播速度，促进燃油的稳定高效燃烧。最终实现在超高速飞行工况下，提高油气混合质量、提高燃烧稳定性、提高点火可靠性的目的。

附图说明

本发明共有附图5幅：

图1为本申请燃油雾化喷嘴的剖视图；

图2为本申请燃油雾化喷嘴的仰视图；

图3为绝缘壳体a剖视图；

图4为金属壳体a剖视图；

图5为本申请燃油雾化喷嘴的燃料喷射及电离过程示意图。

其中，1-铜针电极，2-金属定位器，3-绝缘壳体a，4-金属壳体a，5-燃油管路，6-燃油通道，7-腔体a，8-绝缘壳体b，9-薄壁空心锥台形铜电极，10-螺旋铜电极，11-混合区，12-喷孔流道a，13-喷孔出口，14-喷孔流道b，15-喇叭形射流区域，16-沿面放电区域，17-旋流器，18-金属壳体b，19-腔体b，20-气体通道a，21-气体管路a，22-腔体c，23-气体通道b，24-气体管路b，25-燃油，26-激励后的雾化燃油，27-等离子体流柱，28-气体。

其中，3.1-电极通孔，3.2-容纳槽，3.3-水平壳体，3.4-空心圆柱插头，3.5-竖直壳体，3.6-绝缘安装孔。

其中，4.1-中空卡台结构，4.2-金属壳体a顶端面，4.3-油路安装孔，4.4-金属壳体a的侧壁，4.5-喇叭形金属壁，4.6-金属安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。

实施例1

如图1-5所示，本实施例提供一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，包括等离子体射流机构、燃油喷射机构和沿面放电机构；

所述等离子体射流机构包括铜针电极1、金属定位器2、绝缘壳体a3、腔体c22、气体通道b23、气体管路b24。所述绝缘壳体a3的截面呈T形，包括垂直连接的水平壳体和竖直壳体，水平壳体中心开有4mm左右的电极通孔3.1，用以使铜针电极1穿过，水平壳体顶面和底面凹设有与电极通孔同心的容纳槽3.2，用于安装金属定位器2；竖直壳体中开设有10mm左右的圆柱孔，为腔体c22。所述铜针电极1上部位于电极通孔3.1中，金属定位器2实现铜针电极1的固定以及上下位置的定位调整，铜针电极1下部位于腔体c22中，作为等离子体射流放电的高压电极。腔体c22与气体通道b23相连通，用以运输稳定来自气体通道b23的气体；气体管路b24一端连接外部气源(图中未给出)，另一端穿过金属安装孔4.6与位于绝缘壳体a3一端上部的绝缘安装孔3.6相连，用以实现外部气源的连接；气体通道b23位于气体管路b24内部，用以实现气体(一般为氦气、氩气、氮气)引入。铜针电极1-腔体c22-竖直壳体下部-金属壳体a4，可以实现等离子体射流放电，在喇叭形射流区域形成等离子体流柱，用于一次激励雾化燃油。

所述燃油喷射机构包括金属壳体a4、燃油管路5、燃油通道6、腔体a7、喷孔流道a12、喷孔出口13、喷孔流道b14、喇叭形射流区域15；所述金属壳体a4包裹于竖直壳体外壁，且顶端面与水平壳体底部接触，用以承载其他部件，作为等离子体射流电的低压电极。所述燃油管路5与金属壳体a4的金属安装孔4.3连通，用以实现与外部燃油管路的连接；所述燃油通道6位于燃油管路5内部，且与腔体a7相连通，用以实现燃油引入。所述腔体a7位于金属壳体a的侧壁中，其上部与燃油通道6相连，用以运输稳定来自燃油通道6的燃油，并为底部连通的喷孔流道a12、喷孔流道b14提供燃油。所述喷孔流道a12、喷孔出口13、喷孔流道b14位于喇叭形金属壁中形成多个喷嘴，优选的周向分布6个喷嘴，其横截面形状近似为被拉倒的小写字母“h”，且两个喷孔流道的直径由燃油入口至喷孔出口不断缩小，为锥形通道。燃油雾化的主要过程为：燃油由腔体a7分别进入喷孔流道a12、喷孔流道b14，随着流道直径的缩小，流速变大，喷孔流道a12为直线流道，燃油速度方向沿流道中线方向，不发生改变，喷孔流道b14前部分为直线流道、后部分为弧线流道，且其流道出口与喷孔流道a12相交于喷嘴出口13后端，喷孔流道a12、喷孔流道b14中心线的夹角为锐角；当燃油流经两流道，并在相交处发生撞击，会增大喷孔流道a12处的燃油径向运动速度与轴周向运动速度，有利于燃油在喷嘴出口射流两侧产生较强破碎，大量的细小液滴从液核中剥离出来，有利于燃油的雾化。喇叭形金属壁4.5围成了喇叭形射流区域15，所述喇叭形射流区域上部与腔体c22连通，下部与混合区11连通，主要为射流产生的等离子体与雾化燃油的初步混合激励提供场所。

所述沿面放电机构包括绝缘壳体b8、薄壁空心锥台形铜电极9、螺旋铜电极10、沿面放电区域16、旋流器17、金属壳体b18、腔体b19、气体通道a20、气体管路a21；所述金属壳体b连接在金属壳体a的下部外周。气体管路a一端与外部气源管路连接，另一端安装在金属壳体b18外壁上部，用以实现外部气源的连接；气体通道a20位于气体管路a21内部，与腔体b19连通，用以实现气体(一般为氦气、氩气、氮气)引入。所述腔体b19位于金属壳体b与金属壳体a之间，其上部与气体通道a20连通，用于运输稳定来自气体通道a20的气体。其下部固定有旋流器17，用于将来自腔体b19的气体转换为旋流气，旋流气一方面切割破坏油膜，提高雾化质量，另一方面为等离子沿面放电提供电离气体同时也将沿面放电产生的高能活性物质带离放电区域，促进高能活性物质与雾化燃油的混合。所述绝缘壳体b8安装于金属壳体b18底部，其结构为薄壁空心锥台，作为等离子体沿面放电的介质层。所述薄壁空心锥台形铜电极紧贴安装于绝缘壳体b8外侧，其功能为沿面放电低压电极；螺旋铜电极10紧贴安装于绝缘壳体b8内侧，其横截面为矩形(其长可以为3mm，宽为1mm)，螺旋铜电极的旋向与旋流器的旋向一致，其功能为沿面放电高压电极。薄壁空心锥台形铜电极9-绝缘壳体b8-螺旋铜电极10，可以实现等离子体沿面放电，在沿面放电区域16形成等离子体面，用于二次激励雾化燃油。所述混合区11位于喇叭形射流区域下部，经由等离子体射流一次激励的雾化燃油在此被旋流气切割，有利于雾液大颗粒破碎为小液滴，并且旋流气中带有由沿面放电产生的等离子体高能活性物质，对雾化燃油二次激励。

上述燃油雾化喷嘴的控制方法为：

首先启动命令开始后，气体管路b24开启，高压气体进入气体通道b23，经由腔体c22，到达喇叭形射流区域15，流速计读取喇叭形射流区域15处风速，若风速未达到设定值，则调节气体管路b24处供气压力，直到风速达设定值；若风速已达设定值，则EUC向等离子体电源A发出指令；

等离子体电源A接到放电指令后，向铜针电极1输出某一较高电压，铜针电极1-腔体c22-竖直壳体下部-金属壳体a4，实现等离子体射流放电，被电离的气体向下运动，进入喇叭形射流区域15。测量装置读取喇叭形射流区域15处电子密度，若等离子体电子密度未达设定值，则调节等离子体电源A电压，直到电离区域15处电子密度达到设定值；

若电子密度已达设定值，气体管路a20开启，高压气体进入气体通道a20，经由腔体b19到达旋流器17，经由旋流器17形成旋流气，旋流气体到达沿面放电区域16，流速计读取沿面放电区域16处风速，若风速未达到设定值，则调节气体管路a20处供气压力，直到风速达设定值；若风速已达设定值，则EUC向等离子体电源B发出指令。

等离子体电源B接到放电指令后，向螺旋铜电极10输出某一较高电压，螺旋铜电极10-薄壁空心锥台形铜电极9-绝缘壳体b8，实现等离子体沿面放电，等离子体进入沿面放电区域16。测量装置读取沿面放电区域16处电子密度，若等离子体电子密度未达设定值，则调节等离子体电源B电压，直到沿面放电区域16处电子密度达到设定值。

若电子密度已达设定值，则燃油管路5开启、液体燃料进入腔体a7，经由喷嘴形成小雾液，可以启动点火器点火。

上述测量装置包括光谱仪、计算处理器，其中光谱仪的光谱探头用于采集光谱信息，光谱仪将获得的光谱信息进行分析处理成为波长-强度光谱信息数据组，计算处理器获取所述波长-强度光谱信息数据组，选择合适波长的谱线，利用斯塔克展宽法计算电子密度。在喇叭形射流区域、沿面放电区域分别安装有流速计；所述ECU分别和流速计、等离子体电源A、等离子体电源B、计算处理器电连接。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，包括等离子体射流机构、燃油喷射机构和沿面放电机构；

所述等离子体射流机构包括铜针电极、绝缘壳体a，所述绝缘壳体a的截面呈T形，其包括垂直连接的水平壳体和竖直壳体，在竖直壳体中开设有腔体c，所述竖直壳体一端上部连接有气体管路b，在气体管路b内开设有与腔体c连通的气体通道b，所述铜针电极穿过水平壳体伸进腔体c中；

所述燃油喷射机构包括金属壳体a，所述金属壳体a内部为中空卡台结构，所述中空卡台结构内壁与竖直壳体外壁贴合，水平壳体底部与所述金属壳体a顶端面接触，在金属壳体a上部开有连接燃油管路的油路安装孔，所述燃油管路内开设有与腔体a上部连通的燃油通道，所述腔体a位于金属壳体a的侧壁中，腔体a底部连接有倾斜向下的喷孔流道a、喷孔流道b，所述喷孔流道a、喷孔流道b下端部连通形成喷孔出口；

所述沿面放电机构包括绝缘壳体b、铜电极a、铜电极b、旋流器、金属壳体b，所述金属壳体b连接在金属壳体a的下部外周，两者形成的空间为腔体b，在金属壳体b一侧上部连接有气体管路a，所述气体管路a内开设有与腔体b上部连通的气体通道a，所述腔体b底部设有旋流器；在金属壳体b的底部安装有绝缘壳体b，所述绝缘壳体b的外壁上紧贴有铜电极a，内壁上紧贴有铜电极b。

2.根据权利要求1所述一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，在绝缘壳体a的水平壳体顶端面和底端面凹设有容纳槽，两个容纳槽之间设有同心的电极通孔；每个容纳槽中安装有金属定位器，用来固定铜针电极以及上下位置的定位调整；在绝缘壳体a的竖直壳体一端上部开设有用于连接气体管路b的绝缘安装孔，所述竖直壳体底部内壁连接有空心圆柱插头。

3.根据权利要求1所述一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述铜针电极顶部裸露在外，其作为等离子体射流放电的高压电极。

4.根据权利要求1所述一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述金属壳体a的中空卡台结构下部为喇叭形射流区域，所述喇叭形射流区域顶部与腔体c连通，底部与混合区连通；喷孔流道a、喷孔流道b、喷孔出口位于喇叭形金属壁中形成多个喷嘴，所述喷嘴横截面形状近似为被拉倒的小写字母“h”，且喷孔流道a、喷孔流道b的直径由燃油入口至喷孔出口不断缩小，为锥形通道。

5.根据权利要求1所述一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述金属壳体a一侧顶部开设有使气体管路b穿过的金属安装孔，金属壳体a作为等离子体射流放电的低压电极。

6.根据权利要求1所述一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述铜电极a为薄壁空心锥台形铜电极，作为沿面放电低压电极；铜电极b为螺旋铜电极，其横截面为矩形，作为沿面放电高压电极。

7.根据权利要求6所述一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述螺旋铜电极的旋向与旋流器的旋向相同，相邻的螺旋铜电极线圈之间形成沿面放电区域，所述沿面放电区域位于混合区外侧。

8.根据权利要求1所述一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述绝缘壳体b为薄壁空心锥台结构，作为等离子体沿面放电的介质层。

9.根据权利要求1所述一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，燃油从燃油通道中进入腔体a后，流经喷孔流道a、喷孔流道b，最后从喷孔出口喷出形成油雾区域；铜针电极通电形成等离子体射流柱，所述等离子体射流柱进入油雾区域上部，形成一次激励后的雾化燃油。

10.根据权利要求7所述一种等离子体射流-沿面放电双模式的燃油雾化喷嘴，其特征在于，在沿面放电区域形成等离子体面，所述等离子体面中的高能活性物质被来自旋流器的旋流气卷吸带走，经由等离子体射流一次激励的雾化燃油在此被旋流气切割，有利于雾液大颗粒破碎为小液滴，所述旋流气中带有由沿面放电产生的等离子体高能活性物质，对雾化燃油二次激励。

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