CN101158321A - 一种低温等离子体非热点火稳焰装置 - Google Patents

Abstract

一种低温等离子体非热点火稳焰装置，是一种采用低温等离子体使可燃混气中产生大量电子和离子等自由基和活性成分来实现大体积点燃可燃混气的装置，属于航空航天动力推进系统领域。由高压电源1、高压电极2、进气孔3、进气座4、阻挡介质5、低压电极6、整流体7、燃烧室8组成；高压电极2与进气座4密封连接，并与高压电极1连接；进气孔3在进气座4上开孔；进气座4内侧与阻挡介质5密封连接；整流体7的外壁紧靠阻挡介质5的内壁，上游为高压电极1，下游为燃烧室8；燃烧室8与阻挡介质5密封连接。本发明能实现大体积点火，大幅度降低电压幅值，结构简单，系统可靠，是一种非常有发展前途的航空航天和工业燃烧系统所使用的点火装置。

Description

一种低温等离子体非热点火稳焰装置

技术领域

本发明涉及一种航空航天推进系统低温等离子体非热点火组合装置，它是一种采用低温等离子体使可燃混气中产生大量电子和离子等自由基和活性成分来实现大体积点燃可燃混气的装置，属于航空航天动力推进系统领域。

背景技术

目前，航空航天推进系统燃料燃烧最为常用的点火方式有：(1)热表面或细丝；(2)值斑火焰；(3)激光诱导火花；(4)放电火花及等离子流。对第(1)种方式，其点火延迟时间较长，且热表面或细丝的寿命也较短。第(2)种则存在值斑火焰可能被吹熄而需要稳焰的不足。第(3)种激光诱导火花点火则需要聚焦高能激光脉冲。第(4)种电火花点火则是一种广泛应用，而且比较可靠的点火方式。但这些点火方式都存在点火区域小的问题，在气流速度较高时，需要设置如后台阶、钝体、沙丘等作为点火区域和稳焰措施。当燃烧工况进一步恶化时，如气流高速、低压、非均匀两相混气等，将导致点火困难或点火不成功。

介质阻挡放电是有固体绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，该放电能够在常压低压下产生具有较高电子能量的非平衡等离子体，因此具有十分广阔的工业应用前景，目前在臭氧合成、CO2激光器、紫外光源、环境保护、材料表面改性等方面得到了广泛的应用。

介质阻挡放电的工作原理是：当电极两端施加交流电压，当气隙中的场强达到气体击穿的场强时，气体被电离，分子历经激发、电离或离解，产生了新的激发态、亚稳态、游离粒子、活性基以及各种离子、电子、光子等低温等离子态活性物质。产生的电荷在外加电场的作用下，迁移到介质表面并在那里集聚下来，集聚电荷产生了一个与外加电场相反的附加电场，随电荷集聚的增加，附加电场的作用随之增强，气隙中总的电场强度下降，当气隙中的场强无法维持放电时，放电会熄灭，外加电压继续升高，气隙场强增大，放电重新开始。因此介质阻挡放电是一个放电、熄灭、重新放电的暂态过程。放电间隙中观察到大量时间和空间随机分布的放电细丝，每个放电细丝对应于一个微放电通道，并对应一个电流脉冲。介质阻挡放电过程中产生的大量等离子态活性离子和自由基主要分布于微放电通道之中，等离子体诱发的化学反应也主要在微放电通道区域快速进行。电子能量越高，所形成的活性粒子和自由基越多，化学反应越快。

图1为低温等离子体反应器的结构型式，电极和放电间隙可以为平面型，也可以为同轴圆柱型。介质阻挡层可以为单层或双层，如图1中的(a)或(b)所示(图1低温等离子体反应器的结构型式；(a)单侧介质阻挡；(b)双侧介质阻挡)。介质可覆盖在电极上或悬挂在放电空间中。介质阻挡放电设备结构简单、系统造价低，且由于电极间绝缘介质的存在，避免了电晕放电过程中易出现的局部放电或弧光放电，系统可靠性强。

近几年来，很多科学家研究强电离放电形成方法及其产生臭氧的等离子体反应过程，促使臭氧产生技术有突破性进展，开发了高效率、高浓度、产生大量臭氧的装置。在1个标准大气压、温度为273K的条件下，臭氧浓度从20g·m^-3提高到200g·m^-3，臭氧产生效率从25g·(kW·h)^-1提高到100g·(kW·h)^-1。

图2为介质阻挡放电产生臭氧的原理结构，其由高频高压电源、高压电极、阻挡介质、接地电极组成，反应器中心为圆柱高压电极，外环为接地电极，高压电极表面覆盖阻挡介质，接地电极内表面覆盖阻挡介质，两阻挡介质之间为环形通道，氧气流过环形通道时，在电场的作用下，形成大量微细丝状的脉冲微放电，犹如火花放电过程的流光放电，它们非常均匀、稳定地充满整个间隙，从而产生臭氧。

介质阻挡放电(DBD)能够在常压下产生具有高电子能量的非平衡等离子体，十分适合于材料的表面改性，又不影响材料的基体特性等优点。图3为低温等离子体对聚酯薄膜表面改性的原理结构，由高频高压电源、高压电极，地电极和阻挡介质组成。上下电极直径均为40mm的圆型黄铜平板电极，在其表面分别覆盖厚度为0.1mm、面积为55mm×55mm的陶瓷薄片，用于产生DBD。处理材料放在下电极覆盖的介质上，电极间隙的调节范围为1～4mm。将预处理的PET薄膜放入放电空间，在电场的作用下，达到对PET薄膜进行表面改性处理的目的。

点火的关键是产生初始自由基，由于低温等离子体是在可燃混气中产生初始活性自由基的很好方式，能够在一个较大的体积中用较低的能量持续电离出初始自由基，不需要把可燃混气加热到较高的温度来产生初始自由基。因此，与常规热点火相比，低温等离子体非热点火能够实现大体积点火，能大大缩短着火延迟时间和改善着火极限，而且往混气中以非热方式加入活性自由基能使点火温度和点火延迟时间大大降低。从而能够克服常规热点火的缺陷，进而提高系统点火的可靠性、拓宽系统的稳定工作范围。低温等离子体非热点火对在亚燃和超燃条件下实现可靠点火和充分燃烧具有重要意义

美国研究机构开展的非热点火装置是采用可加工陶瓷双侧多个电极阻挡的结构，如图4中的(a)所示。其由电源、高压电极、低压电极和陶瓷介质组成，每侧电极由3个小电极组成，采用双侧陶瓷介质阻挡形式。当可燃混气通过放电空间时，就会发生着火。其不足是：槽道产生的辉光放电需要的电压高，陶瓷容易击穿，寿命短。可燃混气点火的压力和气体流速低，一般气体压力在0.01-0.03Mpa，气体流速小于30m/s，这样窄的工作范围，极大地限制了其在航空航天推进系统中的应用。经过大量研究，我们研究小组提出了采用电极单侧介质阻挡的低温等离子体反应器结构型式，如图4中的(b)所示，其优点是：降低产生丝状微放电通道的电压值，增加了负半周期放电微通道数量和微放电宽度，降低了可燃混气点火的电压值，从而降低电源设备高电压和高频带来的风险，该设备简单，重量降低，陶瓷的工作寿命大幅度延长，提高点火性能，扩宽点火工作范围。大大提高了点火的气体压力和流速，可以在大气压及高于大气压下实现点火，并稳定燃烧，可燃气体速度70m/s以上，从而将低温等离子体产生自由基的原理方法应用到航空航天推进系统化学燃烧领域，这是从低温等离子体的一般工业的局部物理化学过程向航空航天完全化学燃烧过程的应用转变，该研究为在航天航空推进系统应用奠定了坚实的基础。

因此，低温等离子体非热点火装置不仅实现大体积点火，使流过等离子反应器的可燃混气同时燃烧，其可与火焰稳定器等组成复合点火装置，从而提高点火的可靠性。由于本发明结构简单、适合更高的气流压力和流速，是航空航天推进系统较为理想的点火装置。

发明内容

本发明的一种低温等离子体非热点火稳焰装置，能够实现大体积点火，能够在更高的气流压力和流速下成功实现点火，点火温度和点火延迟时间大大降低，具备在航天航空推进系统应用的条件，克服国外类似装置工作参数范围过窄的缺陷。其结构简单，性能可靠，可与火焰稳定器组成复合点火装置，从而提高点火的可靠性。

一种低温等离子体非热点火稳焰装置，包括交流高压电源1、高压电极2、进气孔3、进气座4、阻挡介质5(低压下可不采用)、低压电极6、整流体7、燃烧室8组成；所述的高压交流电源1是指产生高压高频的交流电压装置，频率可为几K千赫到几百兆赫，相当于提供现有点火方式的点火变压器电源，可以放在远离燃烧通道的任何位置，其与高压电极2及低压电极6连接；所述的高压电极2是指圆柱形高性能的导电材料(紫铜或耐高温材料)，顺气流方向，与进气座4密封连接，并与高压电极1连接；所述的进气孔3是指在进气座4上开孔或采用其它进气型式；所述的进气座4是指用绝缘材料制成圆型端盖，中心密封安装高压电极2，内侧与阻挡介质5密封连接；所述的阻挡介质5是指耐高温陶瓷材料制成的圆管，内部为高压电极2，上游为与其密封的进气座4，外壁覆盖低压电极6；所述的低压电极6是指高性能的导电材料(紫铜)制成的圆管，其内径紧靠阻挡介质5的外壁，外侧与高压电源1连接；所述的整流体7是指高性能的绝缘材料制成的收放圆柱锥体，其外壁紧靠阻挡介质5的内壁，上游为高压电极1，下游为稳定器8；所述的燃烧室8是充满可燃混气的火焰稳定器，其上游与阻挡介质5密封连接。

安装顺序：高压电极2与进气座4连接，整流体7与阻挡介质5连接，低压电极6与阻挡介质5连接，阻挡介质5与进气座4连接，高压电极2和低压电极6通过引线与高压电源1连接，阻挡介质5与燃烧室8连接。

本发明依据点火的关键是产生初始自由基的基本原理，采用电极单侧绝缘介质阻挡，当可燃混气通过放电空间时，在电极间隙形成大量微细丝状的脉冲微放电，它们非常均匀、稳定地充满整个间隙，由此产生大量的H、O、OH等自由基，浓度达到一定程度便产生化学燃烧反应，达到点火的目的。其比国外电极双侧绝缘介质阻挡的等离子体的点火组合装置具有如下优点：

①.陶瓷绝缘阻挡介质的介电常数进一步降低，大幅度降低点火交流电压幅值和频率；

②.延长高温陶瓷阻挡介质的寿命，提高点火系统长时间工作的性能；

③.大大扩宽了装置的工作参数范围，气体点火压力提高到一个大气压或以上，流速超过100m/s；

④.替代常规点火装置，实现大体积点火；

⑤.结构简单，系统可靠，延长工作寿命；

⑥.通过电极、绝缘介质和电极间隙的合理设计，可以作为各种燃料的点火稳焰装置；

因此，航空航天推进系统低温等离子体非热点火组合装置，具有实现大体积点火，比双侧介质阻挡大幅度降低电压幅值，大幅度扩宽点火范围，大为改善系统工作寿命，结构简单，系统可靠，是一种非常有发展前途的航空航天和工业燃烧系统所使用的点火装置。

附图说明

图1低温等离子体反应器的结构型式，(a)单侧介质阻挡；(b)双侧介质阻挡。

图2介质阻挡放电产生臭氧的原理结构。

图3低温等离子体对聚酯薄膜表面改性的原理结构。

图4低温等离子体点火装置的结构型式(a)双侧陶瓷介质阻挡；(b)单侧陶瓷介质阻挡。

图5一种低温等离子体非热点火稳焰装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明的实施方式。

图5为一种低温等离子体非热点火稳焰装置示意图，其由高压电源1、高压电极2、进气孔3、进气座4、阻挡介质5、低压电极6、整流体7、燃烧室8组成。

高压电极2与进气座4密封连接，并与高压电极1连接；进气孔3在进气座4上开孔或采用其它进气型式；进气座4与高压电极2密封连接，内侧与阻挡介质5密封连接；阻挡介质5的内部为高压电极2，上游与进气座4密封连接，外壁覆盖低压电极6；低压电极6的内径紧靠阻挡介质5的外壁，外侧与高压电源1连接；整流体7的外壁紧靠阻挡介质5的内壁，上游为高压电极1，下游为燃烧室8；燃烧室8与阻挡介质5密封连接。

本发明采用的高压电源1安装在远离燃烧区，为低温等离子体反应器提供电源系统，保证在两个电极之间产生放电微通道；高压电极2与进气座紧密连接，保证高压电极2与阻挡介质5之间的缝隙相同，从而产生均匀的微放电通道；进气孔3布置在进气座4上，保证可燃气体在通道内周向分布均匀；阻挡介质5与进气座4紧密连接，高压电极2与阻挡介质5之间的缝隙相同；低压电极6紧靠阻挡介质5的外壁，防止电极对两者之间对间隙气体产生放电现象，绝缘介质面积要大于电极面积，避免电极放电绕过陶瓷产生电弧放电；低压电极6与高压电极2在垂直于气流的方向上的投影要完全重合，保证两个电极相对应的位置距离相同，使电离区域产生的电场强度相同；整流体7安装在阻挡介质5的内部，保证可燃气体低速均匀稳定的流动模式；阻挡介质5与燃烧室8连接，保证点燃的混气稳定燃烧；

本发明的航空航天推进系统低温等离子体非热点火组合装置工作过程如下：在可燃混气通过低温等离子体反应器的电极间通道时，高压电源工作，电极间的电压提高至点火电压工作范围，通过的可燃混气点火燃烧，在稳定器内保证火焰稳定。要使燃烧系统停止工作，只需停止供应燃料即可，并同时电源停止工作，再启动只要重复上述过程。

从以上叙述可知，本发明是利用绝缘介质电极单侧阻挡，使得通过电极间的可燃气体产生大量的活性自由基，即使在低温下，也能够实现大体积点燃可燃混气的工作过程。国外现有的研究装置只能在低压低速(气体压力在0.01-0.03Mpa内，气体流速小于30m/s)的范围工作，本发明大大扩宽了点火参数范围范围(气体压力在0.001Mpa-0.30Mpa内，气体流速超过100m/s)，并降低了电压幅值，提高了系统的工作寿命。本发明通过合理设计，可以满足航空航天和工业燃烧系统的点火和稳定火焰的要求。

本发明的航空航天推进系统低温等离子体非热点火装置，适用范围为气体燃或液体燃料，交流电压幅值2-50KV，频率几个千赫到几百兆赫。气体的压力范围在0.001Mpa-0.30Mpa，气流速度为100m/s以上。气体电离间隙3-15mm，可替代常规点火装置，实现大体积点火，降低点火温度和点火延迟时间。该装置结构简单，性能可靠。本发明可作为航空航天和工业燃烧系统的点火组合装置。

Claims (1)

1.一种低温等离子体非热点火稳焰装置，其特征在于，该低温等离子体非热点火稳焰装置由高压电源(1)、高压电极(2)、进气孔(3)、进气座(4)、阻挡介质(5)、低压电极(6)、整流体(7)、燃烧室(8)组成；

高压电极(2)与进气座(4)密封连接，并与高压电极(1)连接；

进气孔(3)在进气座(4)上开孔；

进气座(4)与高压电极(2)密封连接，内侧与阻挡介质(5)密封连接；

阻挡介质(5)的内部为高压电极(2)，上游与进气座(4)密封连接，外壁覆盖低压电极(6)；

低压电极(6)的内径紧靠阻挡介质(5)的外壁，外侧与高压电源(1)连接；

整流体(7)的外壁紧靠阻挡介质(5)的内壁，上游为高压电极(1)，下游为燃烧室(8)；

燃烧室(8)与阻挡介质(5)密封连接。

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