[发明专利]一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法

说明书

本发明公开了一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法，包括步骤1，积碳预防及清除装置布设安装，积碳预防及清除装置包括等离子体激励器、板式激励器和积碳观测装置；等离子体激励器包括喷嘴电极、中心电极、介质阻挡层一、导线和等离子体激励源；板式激励器包括高压板状电极、低压板状电极、介质阻挡层二和板式激励电源；步骤2，积碳预防；步骤3，积碳检测；步骤4，积碳清除；步骤5，先关闭易积碳喷嘴体，随后关闭等离子激励器和板式激励器，开启积碳观测装置，重复步骤3和步骤4，直至积碳检测值不超过设定的积碳判断标准值。本发明能够实时在线抑制和清除积碳，并能实时根据积碳情况快速调整激励器控制参数以应对积碳变化。

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机、航空发动机、内燃机等动力装置领域，特别是一种基于低温等离子体的发动机喷嘴积碳去除方法。

背景技术

在航空发动机和火箭发动机研制的工作过程中，积碳一直是燃烧室部件中存在的突出问题之一。以液体火箭发动机为例，推进剂主要采用液氧和烃类燃料，其中燃气发生器通常采用富燃燃烧方式，可燃混合物在燃烧过程中没有得到充分燃烧，导致容易产生积碳。当发动机喷嘴产生各种积碳时，其雾化特性发生变化，有效喷射横截面积减小，改变了喷嘴结构参数，增大了流量损失，雾化质量严重下降，严重影响到发动机的性能和可靠性，极大增加了操作成本。对于航空发动机，航空燃料在氧和金属的催化作用下，经过氧化、热解、裂化、脱氢等一系列反应会生成积碳，一旦发生积碳就会在喷嘴等零部件表面沉积和聚集，达到一定程度时甚至会堵塞发动机喷嘴，致使发动机的油耗增加，动力性能下降，火焰偏向烧蚀，对飞行安全构成严重的威胁。

在各类常用的碳氢燃料中，煤油最容易产生积碳，丙烷其次，甲烷则产生较少，不过在液氧/甲烷火箭发动机的启动和关机瞬间也会产生少量积碳。积碳的成分主要是碳黑，还存在一些金属氧化物（碳化铁和碳化镍）、非金属氧化物、硫化物、碳酸盐等。现有研究表明，积碳是一个化学反应过程，会受到温度、压力、油气比和时间等参数的影响，在富燃燃烧过程中，燃料和氧化剂的混合比对积碳生成速率起主要影响作用；随着燃烧温度提高，燃烧产物积碳变得更为严重。

美国、俄罗斯、欧盟以及我国对积碳的形成机理均有一定的研究，但仍未从根本上找到解决发动机喷嘴积碳的最佳途径。目前对发动机积碳的清理主要有两种方法：

（1）将发动机拆卸后进行清理；这种方法，虽然能够在一定程度上清除积碳，但属于物理方式，费时费力，影响发动机动力和封闭性能，对发动机部件也会带来不可逆转的伤害，降低使用寿命。

（2）在燃料中添加一系列的添加剂，在发动机工作时候自身进行积碳清理。此方法，因抑制剂的加入会引起燃料组分及性能的改变，影响发动机工作的稳定性。

另外，在航空发动机中可利用文氏管在一定程度上防止积碳，但它的存在对燃烧室喷雾和燃烧性能都有很大的影响。

在发动机积碳清除方面，目前主要有CN 204851436和CN 205036454 U，然而这两份专利均存在如下不足：

1、在CN 204851436 U中，未能与发动机一体化设计，装置结构复杂，采用的积碳清除方法需要额外的加热和活化剂，且需要额外一个小推车，无法实现对发动机在线运行时的积碳去除。

2、在CN 205036454 U中，需要额外的氢气、氧气和臭氧，增加了推进剂储箱。