（轮机工程专业论文）连续弧等离子点火电源技术研究.pdf

如 q c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho fc o n t i n u o u sa r cp l a s m a i g n i t i o n p o w e rt e c h n o l o k v c a n d i d a t e ：c h e nm i n g m i n s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gj i a l o n g a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m a r i n ee n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 010 d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 10 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 反 孑 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：，份。闹钦 日期： 乒吖d 年专月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可订在授予学位1 2 个月后0 解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：俘j 响敞 导师( 签字) ： 枷摩劫 日期： d o 年弓月p 日 & 护0 年弓月声日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 由燃气轮机向着使用高含氢低热值和含杂质较多的劣质气体燃料发展，部 。分燃机甚至使用重油，这对点火系统提出了很高的技术要求。连续弧等离子 点火技术作为一种具有很强助燃效果的新型点火方式，对改善燃气轮机的启 动特性和燃烧特性有着十分重要的意义。 本文对燃气轮机连续弧等离子点火技术进行了研究。首先结合连续弧等 离子点火机理和等离子弧的特性，选择了弱电弧区作为工作区域。并且根据 点火器的设计特点，提出了高压击穿、低压维持的工作方式。其次针对高低 压两部分分别设计了高频引弧器和电源主电路。电源主电路采用半桥式开关 拓扑。采用脉宽调制( p w m ) 技术对电源进行控制，控制方法为电流反馈电 压限制双环控制。控制电路采用霍尔电流传感器反馈t l 4 9 4 脉宽调制控 制芯片调节脉冲宽度i r 2 1 1 0 功率放大驱动m o s f e t 开关管的设计思路。 对主变压器进行了详细的参数设计，并给出了绕制方法。同时还设计了输入 整流、浪涌电流抑制、开关管保护电路等具有保护功能的电路。 采用o r c a d 软件对电源电路进行了仿真，并基于系统设计制作了实验 样机并进行了试验，结果表明与仿真结果非常吻合。 糕讯磁群斯触研舰漏糊拼h 眦删。 “ a b s t r a c t g a st u r b i n et o w a r dt h eu s eo fh i g hh y d r o g e n c o n t a i n i n gi m p u r i t i e sm o r e l o wc a l o r i f i cv a l u ea n dl o w - q u a l i t yf u e l g a sd e v e l o p m e n t ，a n dp a r to ft h eg a s t u r b i n ee v e nu s eh e a v yo i l ，w h i c hm a d et h ei g n i t i o ns y s t e mah i g ht e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s c o n t i n u o u sa r cp l a s m ai g n i t i o na san e wi g n i t i o nm o d et oi m p r o v e t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t a r t u pc h a r a c t e r i s t i c so f g a st u r b i n e i nt h i s p a p e r ，ac o n t i n u o u sa r cp l a s m ai g n i t i o nt e c h n o l o g yf o rg a st u r b i n e w e r es t u d i e d f i r s t ，w i t ht h ec o n t i n u o u sa r cp l a s m ai g n i t i o nm e c h a n i s ma n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp l a s m aa r c ，c h o o s eaw e a ka r cr e g i o na st h ew o r ka r e a a n d a c c o r d a n c et h ed e s i g nf e a t u r e s i no ft h e i g n i t i o n ，p r o p o s e dt h eh i g h v o l t a g e b r e a k d o w n ，l o wm a i n t e n a n c ew a yo fw o r k i n g s e c o n d ，f o rt h eh i g ha n dl o w v o l t a g e ，t w op a r t sa r ed e s i g n e d t h e ya r et h eh i g h f r e q u e n c yi g n i t e ra n dt h em a i n p o w e rs u p p l yc i r c u i t t h em a i np o w e rs u p p l yc i r c u i tu s i n gh a l f - b r i d g es w i t c h i n g t o p o l o g y u s i n gt h ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) t e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h e p o w e r ，a n dt h ec o n t r o lm e t h o dw a sd o u b l e 1 0 0 pc u r r e n tf e e d b a c kc o n t r o lv o l t a g e l i m i t t h ed e s i g ni d e a sw e r eh a l lc u r r e n ts e n s o rc o n t r o lc i r c u i tw i t hf e e d b a c k t l 4 9 4p w mc o n t r o lc h i pp u l s e w i d t h i r 2110p o w e r a m p l i f i e rd r i v e rm o s f e t s w i t c h t h em a i nt r a n s f o r m e rw a sd e s i g n e di nd e t a i lp a r a m e t e r sa n dt h em e t h o d o fw i n d i n gi s g i v e n i ta l s oh a sd e s i g n e dt h ei n p u t r e c t i f i e r , s u r g ec u r r e n t s u p p r e s s i o n ，s w i t c hp r o t e c t i o nc i r c u i tf e a t u r e ss u c ha sa p r o t e c t i v ec i r c u i t u s i n go r c a dm a d et h ep o w e rc i r c u i ts i m u l a t i o n ，a n d d e s i g n e d a n e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p es y s t e m ，t h et e s tr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sa r cp l a s m ai g n i t i o n ；s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；h a l f - b r i d g e t o p o l o g y ；p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 争匕 火 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 目录 第1 章 绪论一l 1 1 研究的目的与意义1 1 2 点火技术的现状2 1 3 连续弧等离子点火机理一3 1 4 等离子点火技术的发展一5 1 5 论文的难点及主要研究内容一9 第2 章连续弧等离子点火及开关电源原理1 1 2 1 等离子体的定义与分类11 2 2 直流等离子电弧的基本特性1 3 2 2 1 等离子弧的特点1 3 2 2 2 等离子弧的伏安特性1 5 2 2 3 弧压最小值原理18 2 2 4 等离子弧参数之间的关系1 8 2 3 开关电源技术原理2 0 2 3 1 开关拓扑形式及选择2 0 2 3 2 半桥拓扑的原理2 1 2 3 3系统的数学模型2 6 2 3 4 电弧连续的边界条件2 7 2 3 5 电源控制原理2 8 2 4 本章小结2 9 第3 章连续弧等离子点火器引弧电路设计3 0 3 1引弧电路工作方式与原理3 0 3 2 引弧电路设计3 3 3 2 1 电路结构原理3 3 3 2 2 高频振荡发生电路设计3 5 入 ， 0 f k q 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 2 3 辅助供电电路设计一3 7 3 3 提高引弧性能的方法_ 3 8 3 4 本章小结3 9 第4 章主电路方案设计与仿真4 0 4 1主电路外特性参数的试验与分析4 0 4 1 。1 高漏抗变压器原理与设计4 0 4 1 2 高漏抗变压器特性仿真4 2 4 1 3 试验电路设计4 5 4 1 4 主电路外特性参数的选择“4 6 4 2 主电路方案设计4 8 4 2 1 输入整流电路设计4 9 4 2 2 主电路参数设计5 0 4 3主变压器的设计5 2 4 3 1 变压器铁芯的选择5 3 4 3 2 变压器参数计算”5 4 4 4 脉宽调制控制电路设计5 6 4 4 1 脉宽调制控制电路设计一5 6 4 4 2 反馈控制电路设计”5 9 4 4 2 驱动电路设计6 1 4 5 电路仿真与分析6 3 4 5 1电源输出性能仿真“6 4 4 5 2 引弧电路性能仿真6 8 4 5 3 输入整流电路仿真“7 3 4 5 4 高频变压器的建模与仿真7 6 4 5 5 脉宽调制控制电路仿真7 8 4 6 本章小结81 第5 章连续弧等离子点火器试验8 2 h 气 q 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的与意义 燃气轮机是将燃料的化学能转变为燃气的热能然后在经过燃气涡轮时 将热能转变为机械能的原动机。和其他类型原动机相比它具有体积小、重量 轻、运行可靠、机动性好、自动化程度高、维护简单等优点，因而在船舶动 力装置中得到广泛的重视与应用n 1 。 燃气轮机在启动时点火的可靠性是影响燃气轮机的机动性和安全性的 重要因素之一。如果燃气轮机一次点火不成功，则需要进行彻底冷吹后才能 进行二次点火，这不但会在紧急工况下使发动机的启动时间成倍增加，而且 由于在燃烧室内、涡轮流道内以及排气管内都可能会存在积油而在二次点火 时引起燃烧室的爆燃甚至是发动机着火。因此，点火的可靠性直接关系到整 个动力装置的机动性和安全性，甚至关系到整个船舶的安全。 现阶段，燃气轮机主要应用高能点火技术砼埘。这种点火方式的点火能力 受制于其工作模式和点火电极的寿命，若加大点火功率则会加剧点火电极的 烧蚀而大大缩短点火电极的使用寿命h 1 。因此，等离子点火技术得到了国内 外学者的广泛关注，其具有以下优点聆儿引： 1 、点火能力强，等离子射流温度可达5 0 0 0 k 以上，远高于高能火花( 一 般为10 0 0 k - - 2 0 0 0 k 左右) ； 2 、点火器体积小、重量轻，由于逆变技术与电子器件的高速发展，摈弃 了笨重的工频变压器和大功率可控硅设备，体积重量大为缩小，点火器电源 效率和寿命也随之提高； 3 、点火电极寿命长，采用柔和的连续电弧激发等离子体，避免了脉冲高 能火花对点火电极的瞬间大电流冲击，对电极材料的烧蚀问题大大改善； 4 、对燃气轮机燃烧室改动小，可以直接替换原有的电火花点火器； 5 、对燃烧有更高的强化作用，提高燃机启动初期的燃烧效率。 入 。 _ 哈尔溟工程大学硕七学位论文 因此，对连续弧等离子点火技术展开理论和试验研究工作，对指导等离 子点火技术的发展与应用、改善燃气轮机的起动工况与工作稳定性具有重要 的意义。 1 2 点火技术的现状 目前常见的强制点火方法主要有以下几种： 1 、高能点火 高能点火器采用电容储能放电原理，将工频电源通过升压、整流后获得 3 k v 左右直流高压向储能电容充电。采用气体放电管为控制开关元件，使电 容上高压击穿放电管，快速对半导体电嘴放电，产生脉冲电弧引燃燃料。这 是现阶段在中小型热力设备上应用最广泛的点火装置，有着点火能力较强、 恶劣环境适应性好的特点。但在其工作原理上，受制于电容耐压程度，输出 高压有限，因此限制了点火能量的提高。同时半导体点火电嘴的寿命较短也 影响整个点火器的使用寿命。 2 、小油枪点火 所n 4 , 油枪点火就是先单独为点火系统供给易燃的燃油点燃，形成一股 稳定的小火焰，然后以这股小火焰为能源去点燃较难着火的混合气流n 1 1 。例 如温度较低，流速却比较大的可燃气流或不易用较小能量的炽热物体或电火 花点燃的可燃混合气。这种方法在工程燃烧设备中，如锅炉和发电用燃气轮 机燃烧室中是比较常用的一种点火方法，具有较大的点火能量是它最大的优 点。 3 、电火花点火 电火花点火就是在两电极间利用高压电击穿空隙中的空气使气体放电产 生火花然后使部分可燃混合气温度升高产生爆燃。这种点火方式大多是用来 点燃低速易燃的可燃混合气，如一般的汽油发动机n 2 h 婚1 。它简单易行，但由 于点火能量较小，所以使用范围受到一定的限制。对于温度较低、流速( 或 流量) 却较大的可燃混合气，直接用电火花来点火是不可靠的，甚至是不可 2 丸 厂 - 哈尔滨工程大学硕十学何论文 能的，有时先用它点燃- - + 股易燃气流，然后再用来点燃高速大流量的可燃 气流。 4 、等离子点火 等离子点火是在预燃火焰点火技术的基础上发展起来的更先进的点火技 术。在贫氧状态下它利用电离的空气对点火燃料进行热裂解，使等离子点火 发生器中反应物的活化度得到提高，然后再用含有被高度活化的化学等离子 气流去点燃主火炬n 们。 等离子点火具有点火能量高，能有效扩大点火的浓度极限，增加火焰的 传播速度，使燃烧过程特征时间下降，大幅度提高点火的可靠性及稳定性等 特点n 司n 剐。在燃气轮机燃烧室中采用等离子点火技术，可以在很大程度上提 高点火的可靠性和燃烧的稳定性。在等离子射流的作用下，等离子体与燃料 雾化粒子产生等离子化学反应，提高了燃气混合气的反应能力，加快了燃烧 的化学反应速度，因此提高了燃烧效率，使燃料可在低浓度燃气混合气中进 行燃烧，从而避免了在燃烧室中可能发生的“爆燃”，并使总的温度分布不均 匀程度下降，从而明显改善了热力设备的经济性，延长了燃烧设备的使用寿 命1 7 m 3 。 1 3 连续弧等离子点火机理 等离子点火技术是基于等离子体的高速射流所固有的理化特征发展起来 的一种高效点火技术。等离子体由处于电离状态下的等量的正、负离子的混 合物构成，因而具有显著的电磁性。常见气体的等离子体是经过分子的离解 而产生的。在常压下，多数气体的等离子体只能在高温时才能保持离解状态； 反之，正、负离子就会不断地重新聚合成分子，在聚合过程中释放出大量的 能量。 连续弧等离子点火技术的基本原理是通过稳定电弧连续地激发高温等离 子气体进而引燃燃料。而电弧实际上就是一种释放能量低于强弧的极间等离 子体放电现象，由于极间等离子体对电流形成电阻，所以放电电弧释放出热 瓤 ： 吨 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 能和光能。当通过特殊手段( 如机械压缩或磁压缩) 使电弧收缩时，便形成了 压缩等离子弧。这种等离子弧加强了电离度，缩小了电弧断面，从而能向较 小的区域集中传递能量。工程上常采取的措施是使放电电弧处于被外壁包围 的约束空间中，以便放电电弧放热膨胀时，等离子体以高速射流的形式穿过 尺寸有限的外壁孔道( 如锥形或收敛扩散形孔道) 喷i 向j b 界。在热收缩效应和 磁收缩效应的作用下，等离子体射流核心能保持很高的温度，成为有效的燃 烧器点火源。 连续弧等离子点火发生器依靠的就是高温等离子体的高速射流效应。当 等离子体以高速射流方式喷射到燃烧介质中时，就会产生化学效应和气动效 应。化学效应的产生是由于等离子生成相当数量的氢和氧原子基团大大加快 了化学反应速率，火焰的传播速度也会得到相应的增加；气动效应是高速等 离子射流穿过油气混合气时穿透深度增大、紊流度提高而产生的，它扩大了 火焰的焰峰面积。在热收缩效应和磁收缩效应的作用下，等离子体射流核心 往往保持很高的温度( 约为几千摄氏度) ，成为有效的燃烧器点火源。连续 弧等离子点火器就是基于这一原理设计的。 连续弧等离子点火器是等离子体技术在航空工业、造船业等领域中应用 而产生的种新型的点火装置。本文主要是将其应用在燃气轮机的燃烧室上， 因为燃烧室是燃气轮机的主要核心部件之一，因此它的工作情况对整台燃机 具有不可估量的影响。 连续弧等离子点火发生器的特点是：通过电极间维持放电( 或其他方式) 使产生的等离子流不间断的喷出。这种系统点火能力很强，若处理得当能满 足航空发动机的工作要求。 连续弧等离子体点火器的高密度能量对空气或可燃混合物进行热学作 用，产生大量等离子体活性载体，使燃烧室点火的贫油燃烧和富油燃烧极限 范围变宽，点火的可靠性增强。同时加速了化学反应速率，使燃料燃烧效率 大大提高，同时节约了燃料，而对燃烧室来说，燃烧的稳定性也增强了。该 项技术主要点火设备能量集中并且具有较大的放电能量。在连续等离子弧作 4 氏 f w 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用下，等离子体与燃料雾化粒子发生一定的化学反应，容易形成稳定的高温 点火核心。这使得等离子点火跟普通的燃烧过程区别十分明显：空气经过高 温被电离后，产生了等离子气流，燃料分子的化学键被打断，形成新的活性 很强的离子，这样在和燃料产生化学反应时，就会使燃料的化学反应相应加 快，在具有相等的能量的情况下，就加快了化学反应速率。高温和剧烈的湍 流作用会在该反应过程中产生，该作用将燃烧的火焰能量迅速从高温点火核 心向周围可燃混合物传递，使燃料进行可靠、稳定的点火，使出口截面处的 温度场在径向的不均匀度下降。提高了燃气混合气的反应能力，使燃料可以 在低浓度燃气混合气中进行燃烧，保证在地面和飞行升高限度之内的各种高 度上启动燃气轮机时能都能形成可靠的点火源。等离子点火器能使燃机在低 工况下的工作性能得到很大改善和提高，使点火工况时燃料的燃烧效率提高， 使耗油率降低，使炭黑含量下降，降低活性致癌物多环芳香烃碳氢化合物的 数量等等。 1 4 等离子点火技术的发展 等离子流点火技术早在2 0 世纪7 0 年代初就已引起了各国专家们的注 意。但由于当时的技术条件限制，其研究仅限于工业燃烧器方面。直到7 0 年代末至8 0 年代初，才正式出现了一些用于大型工业燃烧设备上的等离子点 火装置n 引。不过在当时技术背景下，用于燃煤锅炉这类工业燃烧设备上的等 离子流点火系统仅限于采用笨重的工频变压器和水冷式等离子点火装置。 8 0 年代中期，等离子流点火技术开始转向地面燃机和船舶动力装置的应 用研究上。这期间也正是船舶技术全面发展的时期，随着燃烧动力学和其他 高科技的发展，等离子流点火技术以它固有的特点和潜在的优势逐渐成为船 舶动力装置的候选先进技术方案之一。前苏联( 包括现在的俄罗斯) 、美、日、 英、法、德等国，均投人大量的人力、物力、财力从事等离子流点火技术的 研究，国际竞争十分激烈。独联体国家研究等离子点火技术部门有乌克兰国 立海洋技术大学、俄罗斯科学院新西伯利亚分院、布列斯特工学院等科研院 爽 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所。其中乌克兰国立海洋技术大学以罗曼诺夫斯基教授为首的研究小组最早 开展了此项研究工作，在这领域中进行了大量的理论研究和试验，率先将等 离子点火技术应用于舰用燃气轮机和从西伯利亚到欧洲的远距离输油干线泵 站用的燃气轮机上。 燃气轮机等离子点火技术的研究开始于上世纪8 0 年代初期，在对碳氢 燃料燃烧的理论方面进行了大量的研究和实验之后，1 9 8 8 年乌克兰国立海洋 技术大学将等离子点火技术应用于现代舰船燃气轮机及各种型号的地面燃气 轮机的点火系统中。9 0 年代中期以后，他们开始进行等离子强化燃烧技术的 研究，在部分负荷工况下将等离子发生器作为值班喷嘴使用，使得燃机在低 工况下的工作性能得到很大的改善和提高。 1 9 8 7 年，美国执行了一项由政府、工业界、学术界联合实施的“综合高 性能涡轮发动机技术( i h p t e t ) 计划”，目的是为2 0 0 3 年以后更先进的高 性能、高推重比航空涡轮发动机提供技术保障，而用于发动机燃烧室的连续 弧等离子点火器就是该计划第二发展阶段的重点研制项目之一，其先进性和 可行性可见一斑【5 j 。1 9 8 8 年，英国r r 公司燃烧研究室和利兹大学机械工程 系一起利用a i t 高空试验台在发动机环管型燃烧室上对火花塞集束放电等离 子流点火器成功的进行了试验，成功验证了该技术在航空发动机上应用的可 行性和加强高空二次点火能力。在2 0 0 5 年的第4 3 届a i a a 航天科学会议上， 德雷赛尔大学等离子研究所的弗里德曼等人发表的文章中也指出在航空发动 机上采用等离子点火技术，能够使发动机在1 2 0 0 0 米高空可靠启动 6 】。使用 等离子点火的燃料喷嘴能够实现燃油同步雾化、点火而在小范围体积内提高 燃烧性能。同时第二代等离子辅助燃烧系统的亚音速和超音速低温等离子体 发生器也被开发出来，旋转的高压直流电弧的使用也提高了点火电极的寿命。 同时还有将等离子技术应用于内燃机辅助点火的研究。如汽油机的点火 就是最常用的电火花点火，而日本日产汽车公司在2 0 0 9 年7 月创新性地在汽 车汽油发动机上应用了纳秒级的脉冲低温等离子辅助点火技术，在点火电弧 产生之前形成一个等离子团来提高燃烧速率，从而使每个冲程的最初燃烧周 6 杈 q 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 期大大缩短【刀。 在国内，从七十年代中期开始，一些单位就陆续开展了针对燃煤锅炉的 等离子点火技术的研究工作。清华大学、哈尔滨锅炉厂等多家单位都进行过 长期的开发研究工作。后来，清华大学、黑龙江省电科院、潍坊电厂、佳木 斯电厂四个单位联合研制了锅炉煤粉等离子点火系统，并于2 0 0 2 年通过鉴定 乜妇啪1 。虽然该系统功率为1 2 0 k w ，但成本较高，尺寸重量大，而且是借用大 功率等离子切割机的电源，所以不太适合用作发动机的点火。 2 0 世纪9 0 年代初期，我国一些院校在预燃室的基础上研究等离子点火 技术，由于引弧等关键技术不过关而未成功。烟台龙源电力技术有限公司、 烟台发电厂、华北电力科学研究院有限责任公司、佳木斯发电厂、元宝山发 电厂、内蒙古电力( 集团) 有限责任公司等单位联合研制了功率为1 2 0 k w 的 d l z 2 0 0 型等离子点火煤粉燃烧器，并于2 0 0 0 年在烟台电厂2 0 0 t h 锅炉上 点火成功，于2 0 0 2 年通过鉴定。这是世界上首次利用等离子点火及稳燃技术 实现了贫煤锅炉无油启动和稳燃，并达到工业应用的水平，现已成功的应用 在国内十数家电厂4 5 0 余台各型号机组锅炉上。2 0 0 3 年中俄合作的“烈火一 1 ”型等离子燃煤点火装置在河南洛阳高新区重兴工程技术公司问世，这种等 离子发生器的功率达到4 0 0 k w ，工作寿命达到2 0 0 小时以上，并获得国家专 利，其运行费用比现行火电厂燃油点火节省7 5 。但其尺寸重量影响了它在 燃气轮机上的推广使用，尤其是在舰用发动机上。 目前就世界范围内，等离子点火与稳燃的技术主要有以下两种。一是以 俄罗斯为代表的热裂解型等离子点火技术，也就是通常所说的煤气化点火技 术，其基本的技术原理是：将燃料混合物分成两部分，将经过浓缩的少量燃 料送入等离子体裂化处理室，进行等离子体热裂解处理。用这部分经过处理 后部分燃烧的燃料火焰，去引燃主燃烧器内的燃料。这与现阶段应用于俄罗 斯产的燃气轮机上的等离子点火技术相类似。 再者，就是以中国烟台龙源电力技术公司为代表的直接点燃型等离子点 火技术，其主要技术原理是：直接将锅炉主燃烧器改为兼有等离子点火功能 7 眠。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 的燃烧器，即直接在原来的主燃烧器上安装等离子发生器，在锅炉启停和低 负荷稳燃时，投入等离子发生器，起到点火燃烧器的作用，当锅炉高负荷正 常运行时，等离子发生器停运。可以看出，直接点燃型等离子技术是俄罗斯 煤气化点火技术的改进，从热裂解技术逐步完善到多级燃烧。直接点燃型等 离子点火技术是未来的发展趋势，连续弧等离子点火也属于该型点火技术。 从点火电源的工作方式来看，所有采用电能来驱动的点火方式可以分为 三种，种是脉冲式，主要应用有高能点火、脉冲等离子点火等。该方式采 用电容储能，可控硅产生低频脉冲的方式工作，一般工作频率都在1 0 h z 以 下，依靠单个脉冲能量来点燃燃料。现阶段几乎所有的高能点火都采用此类 工作方式。第二种是高频式，主要应用于汽车发动机上的电火花点火，其工 作特点是采用电感储能放电，火花频率高，单个火花能量小。其控制开关传 统的为使用触点式开关，通过触电的接触与分开，产生高频火花，因此其寿 命较短。8 0 年代后期随着大功率三极管的应用，采用触发电路控制三极管的 高频开关，大大提高了点火器电源的寿命。第三种为直流式，在七十年代以 前，该方式主要采用工频变压器结合大功率可控硅整流的方式获取直流。后 来随着高频逆变技术的发展，获取直流电弧的电源体积大大缩小。烟台龙源 电力技术公司设计的d l z 2 0 0 型燃煤锅炉等离子点火电源亦采用高频逆变技 术设计。 等离子点火技术在其他热力设备如导弹、火箭发动机上也得到了研究和 应用，2 0 0 4 年哈尔滨工业大学对地空导弹发动机的等离子点火技术的研究取 得了较大进展，其采用高频高压开关电源设计的等离子点火装置功率为 5 0 w ，对导弹发动机的性能提高有很大作用【6 8 。2 0 0 7 年南京理工大学也对应 用于膏体推进剂等离子弧的多次点火技术展开了工程研究，与哈尔滨工业大 学的设计思路相类似，亦采用了单端反激式的升压电路、功率型p w m 推动， 自动检测等离子点火器状态并调整相应的工作模式，实现了引弧和稳弧的双 重功能【2 引。这两类等离子点火器有共同的应用背景，其燃料的易燃程度较好， 对点火能量要求不高，因此其功率很小，也不能直接用于燃气轮机的点火。 ， 舨 q 哈尔滨工程大学硕士学位论文 哈尔滨工程大学于2 0 世纪9 0 年代中期开始燃气轮机的等离子点火与强 化燃烧技术研究工作。完成的功率为o 1 k w 的脉冲式等离子点火系统在2 0 0 2 年进行了配机试验，并于2 0 0 5 年通过技术鉴定。实验表明，本单位研制的脉 冲式等离子点火系统全面达到并超过了同类引进设备的设计指标的要求，填 补了国内空白。目前，哈尔滨工程大学己成功地将脉冲式等离子点火系统应 用于三种型号的燃气轮机。因此可以说，针对燃气轮机的等离子点火技术， 我校是国内领先的。在此基础上，提出了本课题的研究构想，展开了对燃气 轮机下一代的连续弧等离子点火系统的先期研究，将等离子点火技术向高频 化、小型化、功率密集化、模块化等方向发展。 1 5 论文的难点及主要研究内容 由于本校在用于燃气轮机的等离子点火技术在国内处于领先地位，而国 外相关研究的公开资料也甚少。连续弧等离子点火技术又是一个新提出的技 术概念，没有成功的方案或经验可供参考，研究工作需要从源头摸索。 现阶段用于参考的其他领域发生等离子体的电源主要有两类： 是焊接型电源，其特点是工作电压低( 考虑操作人员安全一般不超过 3 6 v ) ，工作电流大( 一般在1 0 a - 4 0 0 a 之间) ，因此电弧粗短，能量集中用 于融化金属。因此其应用角度与等离子点火是恰恰相反的，等离子点火要求 主要能量转变为工质气体的热能和电离能，而对电极的烧蚀应降至最低。 二是低温等离子体发生电源，常见的用于制备臭氧、介质阻拦放电等， 其特点是工作电压高( 达数千伏甚至数万伏) ，- i - 作电流极小( 般不超过数 十毫安) 。其电极间隙很宽，产生的是细长的低温等离子电晕，能量主要用于 激发等离子体的电离能，而发热量很低。这类电源的工作特点也不适合，因 为等离子点火的首要作用是点火，其次是助燃，因此需要有一定的高温能引 燃燃料，还能激发等离子体助燃。 从以上分析可以看出，连续弧等离子点火电源是一种不同于现阶段所有 现成电源的特种电源。这是对其展开先期研究的最大难点。针对所预计的等 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 离子点火器工作特点，主要需要解决以下问题： 1 、等离子弧工作区域的选定及其伏安特性分析。 等离子电弧随工作电流的不同，其伏安特性变化非常大，因此需要根据 需要的工作状况，选定合适的等离子弧工作区域，并对其伏安特性进行详细 分析。 2 、选择电源工作方式 要针对等离子点火发生器的工作形式，以及等离子弧的伏案特性，选择 合适的电源工作方式。 3 、选定合适的电源外特性参数 由于电源的输出负载是一种特殊状态的等离子电弧，无法通过常规的计 算机建模来获取其外特性参数，因此需要通过实验来探索出合适的电源外特 性参数。 4 、选定方案设计电源 针对选定的电源外特性参数，选定合理的电源设计方案，进行详细的电 路设计，并进行性能仿真和实验对比确定电源设计是否合理。这是论文工作 量最大的一部分。 1 0 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第2 章连续弧等离子点火及开关电源原理 2 1 等离子体的定义与分类 等离子体是1 9 2 8 年朗缪尔( l a n g m u i r ) 引自生物学，并用以描述真空放 电管中辉光放电正柱区。现在，等离子体这个概念已大大地扩展了。一般说 来，等离子体就是指电离的气态物质，它被称为物质第四态。作为物质存在 的一种独立形态，它具有以下基本特点嘶1 ： ( 1 ) 导电性，由于存在自由电子和带正、负电荷的离子，因此等离子体 具有很强的导电性： ( 2 ) 准电中性，虽然等离子体内部具有很多荷电粒子，但是在足够小的 空间和时间尺度上，粒子所带的正电荷数总是等于负电荷数，所以称之为电 准中性。因为任何微小的空间电荷密度的存在，将产生巨大的电场度使其恢 复原状而保持电中性，所以等离子体中电荷分离的空间尺度和时间尺度是很 小的； ( 3 ) 与磁场的可用性，由于等离子体是由荷电粒子组成的导电体，因此 可用磁场控制它的位置、形状和运动，如电弧的旋转、电弧的稳定以及电弧 熄灭等。与此同时，荷电粒子集体运动的结果又可以形成电磁场。 等离子体本身就是- i 3 交叉学科，在其发展的不同阶段和从不同的研究 角度，它的分类方法也不同，本文介绍的是它的常用的分类方法汹儿矧。 ( 1 ) 按温度分它可以分为高温等离子体和低温等离子体两类。高温等离 子体是1 0 6 - 1 0 8 k 范围内，如太阳，核聚变和激光聚变均属于高温等离子体。 低温等离子体则是指温度在室温到3 x 1 0 4 k 左右的粒子，而低温等离子体按 重粒子温度水平还可分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体是指重粒子 温度在3 1 0 3k 到3 x 1 0 4 k 范围内的粒子，热等离子体基本上能达到热力学平 衡状态，因此，它具有统的热力学温度，例如电弧等离子体、高频等离子 体等；冷等离子体是指温度只有室温左右的重粒子，但是电子的温度却可以 哈尔滨工程大学硕七学位论文 达到上万度，所以冷等离子体远离热力学平衡状态，辉光放电就属于冷等离 子体。 ( 2 ) 按粒子密度它可以分为致密等离子体( 或高压等离子体) 和稀薄等 离子体( 或低压等离子体) 两类。致密等离子体或高压等离子体是指密度 刀 1 0 1 5 - 璩c m 3 时的粒子。这时粒子间的碰撞起主要作用。例如，p - - o 1 m p a 以 上的电弧均可看作致密等离子体。稀薄等离子体或低压等离子体是指密度 ，z 0 ( 2 2 ) d t 若i o i o ，电流将继续增加，而电流增加使电压进一步降低，造成它与电 源电压之间的差值更大，结果则是使电流增加的更快，直至等离子点火器或 其他部件烧坏为止。相反，若i o i o ，此时电流值必然向减小的方向变化，而 且速度越来越快，直至电弧熄灭为止。由上述分析可知图2 3 中的交点“a ” 不是电弧稳定的工作点，一点微小的扰动就能够破坏电弧的工作状态，以上 论述同时表明，工作点处伏安特性曲线的斜率起着重要的作用。现假设将电 路中的电阻r 1 增大了恐，则此时加在等离子弧两端的伏安特性是一条下降陡 度较大的曲线m 2 ，如图2 4 所示： 图2 4 系统特性曲线，其中m 1 为等离子弧 伏安特性曲线，m 2 为电源伏安特性曲线 它和等离子弧伏安特性曲线m 有两个交点“a ”，“b ”，其中交点“a ”如 图2 3 中分析，是不稳定点。现对“b 点稳定情况分析如下：设“b ”点对 应电流为麾，假设此时有某一扰动使“b ”点偏移至“c ”处，此时对应电流 为厄，则在此瞬间有下式成立： d i 三云2 c t o 一( 量+ r ) 一 i g ，则您将向减小的方向变化靠近尾；若x g 、一， 3 壤 锄 图4 2 5占空比为4 0 时的输出电压波形 时间( s ) 图4 2 6占空比为4 0 时的输出电流波形 由图4 2 3 图4 2 6 可以看出，将占空比分别向上和向下变化1 0 ，输 出性能也相应发生改变。当减小占空比至2 0 时，输出电压稳定值约为1 6 5 v ， 电流稳定值为1 3 a ，与3 0 占空比时相比降低了约3 4 ；当增大占空比至 4 0 时，输出电压稳定值约为3 3 0 v ，电流稳定值为2 6 5 a ，与3 0 占空比时 相比增加了约3 2 。由此可以得到以下结论： 1 、电路输出性能与理论设计和外特性参数试验结果都相符合； 2 、占空比的变化对电路输出的影响呈约3 倍的线性放大量关系，跟随 性好。 4 5 2 引弧电路性能仿真 在o r c a d 中建立了引弧电路的仿真模型如下图所示，其中给定输入电 压为直流3 5 v ，选择m o s 管型号为i r f 2 5 0 ，并采用脉冲信号源来驱动。设 哈尔滨工程大学硕十学位论文 计变压器原副边电感量分别为1 0 0 u h 和8 0 0 m h ，电容c 1 为l n f ，二极管 d 1 的反向击穿电压无限大。 图4 2 7 引弧电路仿真模型 甬 2 0 k 假定占空比为2 5 ，p w 值为2 5 u s ，负载电阻为2 0 k f z ，仿真结果如下： ； 1 l 1 l6 lil、弛l6 毽6州i i ：i6m 6ii师i l i l lml8m llm 俐”斟孙，mm鼬 射1，v邪”1 孙带 钔w，”i她川1 0 s1 0 0 u 5 avc c l ：z i 图4 2 8 输入电压3 5 v ，占空比2 5 ，频率1 0 0 k h z ，负载电阻2 0 k f 2 的电路输出波形 从仿真波形上可以看出，输出的峰值电压达3 4 0 0 v ，与设计的l m m 电极 间隙空气的击穿电压( 3 0 0 0 v 4 0 0 0 v ) 相吻合。其次，采用高频脉冲设计的 引弧器的高压上电速度极快，延迟很小，达到峰值电压的时间仅为5 u s 。同 时，火花放电器的火花频率达1 0 0 k h z ，而且电压底值仍达到2 4 0 0 v ，表明放 电电弧电流为连续震荡，这对引燃等离子弧极为有利，同时与中频引弧器引 弧过程中的断续重击穿相比，高频电磁干扰小。 在此基础上，本文针对该仿真模型，分别对v 1 ，p w 值以及r 1 进行调 料 盯 肼 0 0 0 3 z l 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 整，以分析输入电压、占空比、以及负载电阻的不同对电路工作状态的影响。 l 、输入电压对电路输出状态的影响 保持其他参数不变，分别调整输入电压为2 5 v 和4 5 v ，仿真结果如下： ! iil 毓v锇”讯嗽”l 懒吣矾槲畸帆弧掀黼m 敝燃u 1 l 1 il l 1ltl1 l 1 i16 i 1 号l1 1 1 1 1l 1 1 ltll ： ： 0 s工0 0 u s2 0 0 u s3 0 0 u s av c 1 ：2 ) t i m e 图4 2 9 输入电压2 5 v ，占空比2 5 ，频率1 0 0 k h z ，负载电阻2 0 k q 的电路输出波形 。铺能lai|5l蚺i 点懒她m l ：蚴 斫乃 ”川 i引坩斗ii 5 琶1i1 1 f 甜 、11 ” ” u 5上u u u sz 1 o u $3 0 d u s 4 0 0 u s5 0 0 u $ av i c 上：2 t i m e 图4 3 0 输入电压4 5 v ，占空比2 5 ，频率1 0 0 k h z ，负载电阻2 0 k q 的电路输出波形 从图4 2 9 和图4 3 0 中可以看出，其他参数固定时，输入电压对引弧电路 的输出有较大影响。在输入电压为2 5 v 时，输出电压峰峰值降至约 1 8 0 0 v - 2 7 0 0 v ，相比输入电压3 5