CN113074046B - 一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于气路中多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机，用于涡喷或涡扇喷气式氨发动机，包括氨燃料源、空气源、氨分解箱、等离子体点火器、等离子体助燃器、控制系统、尾气余热回收系统，所述等离子体点火器安装在涡喷或涡扇喷气式氨发动机中的燃烧室内；所述等离子体助燃器分别安装在燃烧室和空气进气道中，安装在燃烧室内的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的安装在空气进气道中的等离子体助燃器包括介质阻挡放电装置DBD；所述的介质阻挡放电装置，具体安装在大气端进气道进气口位置，或安装在空气压缩机后端，即压缩空气端，所述介质阻挡放电装置包括高压电极、地电极、介质板，介质板分别固定在高压电极和地电极内侧。
Description
技术领域
本发明涉及涡喷或者涡扇喷气式发动机领域，具体是一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机。
背景技术
目前的喷气式发动机大部分都是使用化石燃料进行燃烧，但是化石燃料燃烧过程中产生的CO2会造成显著的温室效应，航空燃料的排放贡献了相当大一部分的温室效应。电池由于自重的原因和燃料密度低，不容易替代航空燃料。若要减少温室效应，采用新的燃料来替代或者部分替代现有的化石燃料是必经途径之一，氢能源作为一种清洁能源，燃烧过程稳定，燃烧释放的热值高，但是氢能源的储运问题始终无法得到有效地解决。因此，需要寻找新的清洁能源，氨能作为很好的储氢介质是一种十分有市场潜力的能源，不仅其燃烧过程中不会产生温室气体，而且氨燃料的辛烷值很高，因此其防爆性能优异，有着优异的安全性能，但是目前的氨能也仍然存在一定的问题，由于氨的燃点高和火焰的传播速率慢，因此当发动机使用纯氨作为燃料时，很容易燃烧不稳定，输出功率小，因此需要寻找新的技术手段对氨发动机进行优化，提高燃烧稳定性和燃烧充分性。
针对上述问题，我们提出了等离子体在线裂解、点火与助燃的氨发动机专利申请，详见申请号：202011331827.2。该专利主要针对内燃机。
本发明将上述专利扩展到喷气式航空发动机领域，结合喷气式航空发动机的进气道结构进行改进。
喷气式航空发动机在燃烧与工作方式上与内燃气有截然不同的特点，内燃机一般包括双冲程或四冲程工作方式，燃烧做功冲程在密闭腔体内完成，而喷气式航空发动机则是将压缩后的气体进入燃烧室，与燃料混合后经点燃形成燃烧膨胀做功，喷气式发动机维持运作需要高速气流源源不绝从前方进入，而燃料同样是需要源源不断进入到燃烧室内。氨的热值较低且燃烧速度较慢，因此直接将氨作为燃料通入喷气式发动机将无法稳定燃烧。同时，空气和燃料进入燃烧室需要克服燃烧室内的高温高压，需要进一步提高氨的燃烧速度和氨燃烧的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机，用于涡喷或者涡扇喷气式氨发动机，以提供航空发动机使用无碳排放的氨燃料，并解决氨燃料燃烧不稳定、燃烧不充分等问题。进一步的，本发明为了解决实时在线裂解氨燃料、氨制氢问题，在利用喷气式发动机尾气余热进行氨分解的基础上，利用滑动电弧等离子体或者其他等离子体对氨燃料进行快速重整，等离子体放电产生的高能电子能够打破氨分子的化学键，使其分解为原子态的氢原子和氮原子，两个氢原子结合产生氢气。为了解决氨燃料燃烧不充分问题，采用电火花等离子体对燃料进行点火，电火花放电电极上加载的电压在空载时可达两万伏特以上，即使燃烧室内的气压达到了十个大气压，也可以稳定地产生电火花等离子体，采用介质阻挡放电在空气进气端将空气电离形成富含高浓度、高氧化活性气体，增加气体中的有效氧化成分，增加燃烧室内的燃烧效率，采用微波等离子体对燃料燃烧进行助燃，对电火花等离子体产生的种子电子和离子可进一步地吸收微波，碰撞、激发、电离产生更多的自由电子和离子，进而产生微波等离子体。
本发明的技术方案为：一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机，用于涡喷或涡扇喷气式氨发动机，
包括氨燃料源、空气源、氨分解箱、等离子体点火器、等离子体助燃器、控制系统、尾气余热回收系统，
所述等离子体点火器安装在涡喷或涡扇喷气式氨发动机中的燃烧室内；
所述等离子体助燃器分别安装在燃烧室和空气进气道中，安装在燃烧室内的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的安装在空气进气道中的等离子体助燃器包括介质阻挡放电装置DBD；
所述的介质阻挡放电装置，具体安装在大气端进气道进气口位置，或安装在空气压缩机后端，即压缩空气端，所述介质阻挡放电装置包括高压电极、地电极、介质板，介质板分别固定在高压电极和地电极内侧。
进一步的，所述介质阻挡放电装置两侧都安装介质板，或者在高压电极内侧或地电极内侧单侧安装介质板，所述介质板的材质是石英材料、氧化铝陶瓷、普通玻璃之一。
进一步的，所述介质阻挡放电装置为阵列式同轴结构，以增加空气电离效率。
进一步的，所述的等离子体助燃器分为两部分安装：其一是安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机燃烧室中，其二是安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机空气进口段；安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机燃烧室中的所述等离子体助燃器是微波等离子体，微波等离子体由微波功率击穿燃烧室中的气体产生，所述微波功率经由微波源、微波传输系统、微波调谐系统、微波窗口等传输进所述燃烧室中；
安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机空气进口段的所述等离子体助燃器由介质阻挡放电形式产生，该介质阻挡放电击穿通入所述燃烧室中的空气，使其富含高浓度强氧化成分，然后经由空气管道进入所述燃烧室中增强燃烧。
进一步的，所述的等离子体点火器包括电火花等离子体发生器，所述的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的等离子体点火器和等离子体助燃器安装在氨发动机的燃烧室内；所述的尾气余热回收系统安装在发动机的出气口；所述的控制系统控制的信号包括：气体压力传感器的压力信号、氨燃料箱氢组分传感器信号、进气温度传感器的温度信号、转速传感器的转速信号。
进一步的，空气源在入气口由空压机加压，以提高空气和燃料混合比例。
根据本发明的另一方面，提出一种控制前述的一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机的控制方法，具体包括如下步骤：
步骤(1)燃料分解设定步骤，在控制系统的设定单元中根据氨分解箱中氢气传感器信号或者预先设定的氨燃料氢气比例设定等离子体射频功率；
步骤(2)介质阻挡放电装置DBD工作设定步骤，在燃料分解设定步骤完成后，在控制系统的设定单元中根据氨分解箱中氢气传感器信号或者预先设定的氨燃料氢气比例设定进空气流量和介质阻挡放电装置DBD放电功率；
步骤(3)火花塞和微波点火时间优化步骤，在发动机正常运转时，控制系统根据所设定的燃料组分以及进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器的数值，从控制系统的存储器中查找最佳的点火时间数值和微波等离子体输入功率；
步骤(4)计算步骤，控制系统根据所述查找步骤中获取的点火时间数据计算得出延时时长。
有益效果：
本发明的发动机通过在空气进气端放置介质阻挡放电结构产生高浓度、高活性氧化成分，实现氨/氢混合物稳定地点火与助燃，有效地提升燃料燃烧效率和燃烧充分度；同时，通过在氨燃料的进料管道内引入滑动电弧等离子体的方式，对氨燃料进行快速重整，并且可以通过调节等离子体放电功率可以精确调节氨气/氢气的比例，理想比例是氢气和氨气体积比1％到20％，使得氨/氢混合燃料能够在发动机燃烧室内稳定地燃烧。通过在燃烧室内安装等离子体点火器和等离子体助燃器。通过等离子体改变发动机的工作气体成分和在发动机内产生等离子体，将会有效提高氨发动机的稳定性。
附图说明
图1是本发明设计的一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机的示意图；
图2氨发动机的供电系统示意图；
图3介质阻挡放电等离子体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机，用于涡喷或涡扇喷气式氨发动机，包括氨燃料源、空气源、氨分解箱、等离子体点火器、等离子体助燃器、控制系统、尾气余热回收系统，换热器。
所述等离子体点火器安装在涡喷或涡扇喷气式氨发动机中的燃烧室内；
所述等离子体助燃器分别安装在燃烧室和空气进气道中，安装在燃烧室内的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的安装在空气进气道中的等离子体助燃器包括介质阻挡放电装置DBD；
所述的介质阻挡放电装置，具体安装在大气端进气道进气口位置，或安装在空气压缩机后端，即压缩空气端，所述介质阻挡放电装置包括高压电极、地电极、介质板，介质板分别固定在高压电极和地电极内侧。
氨燃料源依次经过尾气余热回收系统、氨分解箱后，再与空气源混合，氨分解箱包含有滑动电弧等离子体发生器、温度、压力和氢组分传感器；
所述的控制系统控制的信号包括：燃料组分、点火时间、气压力传感器的压力信号、进气温度传感器的温度信号、转速传感器的转速信号。
进一步的，如图3所示，所述介质阻挡放电装置两侧都安装介质板，或者在高压电极内侧或地电极内侧单侧安装介质板，所述介质板的材质是石英材料、氧化铝陶瓷、普通玻璃之一。
进一步的，所述介质阻挡放电装置为阵列式同轴结构，以增加空气电离效率。
进一步的，所述的等离子体助燃器分为两部分安装：其一是安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机燃烧室中，其二是安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机空气进口段；安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机燃烧室中的所述等离子体助燃器是微波等离子体，微波等离子体由微波功率击穿燃烧室中的气体产生，所述微波功率经由微波源、微波传输系统、微波调谐系统、微波窗口等传输进所述燃烧室中；
安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机空气进口段的所述等离子体助燃器由介质阻挡放电形式产生，该介质阻挡放电击穿通入所述燃烧室中的空气，使其富含高浓度强氧化成分，然后经由空气管道进入所述燃烧室中增强燃烧。
进一步的，所述的等离子体点火器包括电火花等离子体发生器，所述的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的等离子体点火器和等离子体助燃器安装在氨发动机的燃烧室内；所述的尾气余热回收系统安装在发动机的出气口；所述的控制系统控制的信号包括：气体压力传感器的压力信号、氨燃料箱氢组分传感器信号、进气温度传感器的温度信号、转速传感器的转速信号。
进一步的，空气源在入气口由空压机加压，以提高空气和燃料混合比例。
如图2所示，氨发动机的供电系统示意图，发动机的供电系统来源于电池或者发电机，发电机产生的电能给四个子系统或部件供电，分别是等离子体点火器的点火塞、等离子体助燃器的助燃塞、氨部分转氢滑动电弧等离子体发生器和负载。
根据本发明的一个实施例，控制系统的控制步骤如下：
(1)燃料分解设定步骤，在控制系统的设定单元中根据氨分解箱中氢气传感器信号或者预先设定的氨燃料氢气比例设定等离子体射频功率；
(2)介质阻挡放电装置DBD工作设定步骤，在燃料分解步骤完成后，在控制系统的设定单元中根据氨分解箱中氢气传感器信号或者预先设定的氨燃料氢气比例设定进空气流量和DBD放电功率；例如空气流量10L/min-5000L/min，DBD放电功率100W-10kW，空气等离子体中臭氧、羟基、氧原子浓度0.01-1％；臭氧、羟基、氧原子具有较高的化学氧化电势，将极大促进涡喷发动机或涡扇发动机燃烧室内部的燃烧效率和燃烧速度，与微波等离子体助燃相耦合共同促进氨燃料的充分燃烧，利于发动机的功率稳定输出；
(3)火花塞和微波点火时间优化步骤，在发动机正常运转时，控制系统根据所设定的燃料组分以及进气压力传感器、进气温度传感器、转速传感器的数值，从控制系统的存储器中查找最佳的点火时间数值和微波等离子体输入功率；
(4)计算步骤，控制系统根据所述查找步骤中获取的点火时间数据计算得出延时时长。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机，用于涡喷或涡扇喷气式氨发动机，其特征在于：
包括氨燃料源、空气源、氨分解箱、等离子体点火器、等离子体助燃器、控制系统、尾气余热回收系统；
所述等离子体点火器安装在涡喷或涡扇喷气式氨发动机中的燃烧室内；
所述等离子体助燃器分别安装在燃烧室和空气进气道中，安装在燃烧室内的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的安装在空气进气道中的等离子体助燃器包括介质阻挡放电装置DBD；
所述的介质阻挡放电装置，具体安装在大气端进气道进气口位置，或安装在空气压缩机后端，即压缩空气端，所述介质阻挡放电装置包括高压电极、地电极、介质板，介质板分别固定在高压电极和地电极内侧，在高压电极内侧或地电极内侧单侧安装介质板；
所述介质阻挡放电装置为阵列式同轴结构，以增加空气电离效率；
同时，通过在氨燃料的进料管道内引入滑动电弧等离子体的方式，对氨燃料进行快速重整，并且可以通过调节等离子体放电功率可以精确调节氨气/氢气的比例，理想比例是氢气和氨气体积比1％到20％，使得氨/氢混合燃料能够在发动机燃烧室内稳定地燃烧；
安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机空气进口段的所述等离子体助燃器由介质阻挡放电形式产生，该介质阻挡放电击穿通入所述燃烧室中的空气，使其富含高浓度强氧化成分，然后经由空气管道进入所述燃烧室中增强燃烧。
2.根据权利要求1所述的一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机，其特征在于：
所述介质阻挡放电装置两侧都安装介质板，或者，所述介质板的材质是石英材料、氧化铝陶瓷、普通玻璃之一。
3.根据权利要求1所述的一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机，其特征在于：
所述的等离子体助燃器分为两部分安装：其一是安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机燃烧室中，其二是安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机空气进口段；安装在所述涡喷或涡扇喷气式氨发动机燃烧室中的所述等离子体助燃器是微波等离子体，微波等离子体由微波功率击穿燃烧室中的气体产生，所述微波功率经由微波源、微波传输系统、微波调谐系统、微波窗口传输进所述燃烧室中。
4.根据权利要求1所述的一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机，其特征在于：
所述的等离子体点火器包括电火花等离子体发生器，所述的等离子体助燃器包括微波等离子体发生器，所述的等离子体点火器和等离子体助燃器安装在氨发动机的燃烧室内；所述的尾气余热回收系统安装在发动机的出气口；所述的控制系统控制的信号包括：气体压力传感器的压力信号、氨燃料箱氢组分传感器信号、进气温度传感器的温度信号、转速传感器的转速信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于多个等离子体装置点火与助燃的喷气式氨发动机，其特征在于：
空气源在入气口由空压机加压，以提高空气和燃料混合比例。
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