CN103925116B - 滑动弧点火装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑动弧点火装置，包括收缩-扩张型拉瓦尔喷管、外壳、气流挡板、电极安装座、高压阳极、锁紧螺母，所述收缩-扩张型拉瓦尔喷管和电极安装座通过螺纹固定在外壳上，所述外壳的径向位置开孔，用于安装进气接头，所述气流挡板夹持于外壳与电极安装座之间，所述高压阳极插入电极安装座中心孔中，通过密封胶粘接和锁紧螺母固定并锁紧在电极安装座上。本发明采用单独的燃料进口，点火成功后，可以通过加大燃料供应，使燃料在等离子区域通过催化，起到减小点火延迟时间、强化燃烧的作用。本发明装置以壳体为安装基准的设计思路，降低了加工难度，同时使用不同用途的气流挡板时，在外壳中部无约束安放，提高装配效率。

Description

滑动弧点火装置

技术领域

本发明涉及航天航空发动机领域，特别涉及一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧点火装置。

背景技术

根据等离子体的粒子温度，等离子体分为高温等离子体和低温等离子体，人类通过控制手段和科学方法，可以产生并大量利用于工农业生产的多为低温等离子体。根据电弧区域的热力学平衡特性，低温等离子体可以分为热等离子体和冷等离子体。冷等离子体是一种非热平衡等离子体，电子温度远远高于离子温度，离子温度又远远高于中性粒子的温度。从已有的文献来看，产生非平衡等离子体的方法主要有介质阻挡放电、高压脉冲电晕放电、高压辉光放电、射频放电、微波放电等等，滑动弧放电方式，也是产生大气压非平衡等离子体的主要方法之一。

20世纪90年代初，法国人首先提出用滑动弧放电产生大气压非平衡等离子体的概念，并做了许多开创性的工作，随后国内外科技工作者，对这种滑动电弧等离子体，应用于较大气流量，做成等离子体矩，在化工行业和环境工程应用方面做了大量的理论和试验性研究。研究发现，冷等离子体能够以很小的能量把原本主要用于加热和低能振动的能量，通过电子碰撞转移到分子分解、激发甚至电离上，产生大量的活性基，极大的加速了化学反应速度，这种低温等离子体，被认为同时具有平衡性和非平衡性，有平衡性，代表有足够的能量水平，从而保证较大的能量应用，具有非平衡性，可以维持宏观温度较低，同时通过产生电子以及激发的离子、原子和分子，促进化学反应的进行，实现很高的化学反应效率。发动机点火，就是燃料流从非反应状态到强烈放热反应状态的过渡过程，是发动机工作最基本的前提条件。

华中科技大学夏胜国在《非平衡等离子体燃烧强化》文中指出，在超声速燃烧和稀薄燃烧技术领域，非平衡等离子体点火方式比火花塞点火更具有应用潜力，并对脉冲电晕点火方式进行了详细介绍和应用举例。但同时也指出，非平衡等离子体燃烧强化技术仍处于燃烧强化机理的研究阶段，尚未达到成熟应用的程度。

装备学院张鹏等在论文《等离子体对碳氢燃料点火延迟时间影响的研究进展》中，提到超然冲压发动机燃烧室点火，以及减小点火延迟时间，冷等离子体被认为是最有效方法，并提出了高压纳秒脉冲放电等离子体的应用方法。

浙江大学陆胜勇等在《基于拉瓦尔喷管的滑动弧放电等离子体发生器及其工作特性分析》一文中，指出拉瓦尔喷管滑动弧放电产生于一个立体空间，比以往刀型电极滑动电弧会产生更大的放电区域，研究了不同流量工作气体条件下产生等离子体电弧的伏安特性，并强调了下一步重点在工业废气、废液处理方面进行研究。

发明内容

本发明旨在提供一种产生大气压非平衡等离子体的滑动弧点火装置，用于发动机地面试验或者其它燃烧设备的辅助点火和持续助燃，其结构简单，装配容易实现，主火焰引燃迅速，助燃稳定。

本发明的滑动弧点火装置，包括：包括：收缩-扩张型拉瓦尔喷管、外壳、气流挡板、电极安装座、高压阳极、锁紧螺母，所述收缩-扩张型拉瓦尔喷管和电极安装座通过螺纹固定在外壳上，所述外壳的径向位置开孔，用于安装进气接头，所述气流挡板夹持于外壳与电极安装座之间，所述高压阳极插入电极安装座中心孔中，通过密封胶粘接和锁紧螺母固定并锁紧在电极安装座上。

优选所述外壳的径向位置开设有两个孔，该两孔为油汽燃料进口和辅助气体进口。

优选在所述外壳与所述收缩-扩张型拉瓦尔喷管的连接处的端面设有凹槽，在在该凹槽内安装有密封垫，该密封垫的材质为紫铜，在所述外壳与所述电极安装座连接处的端面也设有凹槽，在该内凹槽内安装有密封垫，该密封垫的材质为耐油橡胶。

优选所述收缩-扩张型拉瓦尔喷管为斜切喷管或非斜切喷管。

优选所述气流挡板的材质为聚四氟乙烯、陶瓷或电工胶木。

优选所述高压阳极的金属棒上设有环形凹槽，在高压阳极的一个端部设有外螺纹。。

应用本发明的技术方案，在拉瓦尔喷管通入辅助空气，在电极之间接通12KV电源，喷管喉部和中心高压阳极之间形成强大的电场，空气在电场的作用下被击穿，形成等离子体电弧放电，在气流的推动下电弧向下游移动，弧长在渐扩型的拉瓦尔喷管内壁逐渐增加，到一定长度时电弧被吹灭，同时在喉道处产生新的滑动电弧。随着通气流量的不同，有不同的电弧击穿频率，喷管内形成像火焰一样的混合气体。通入一定混合比的燃料，在喷管口形成燃烧火焰，火焰区域可以利用辅助空气的大小，吹离喷管口。

本发明采用单独的燃料进口，点火成功后，可以通过加大燃料供应，使燃料在等离子区域通过催化，起到减小点火延迟时间、强化燃烧的作用。本发明装置以壳体为安装基准的设计思路，降低了加工难度，同时使用不同用途的气流挡板时，在外壳中部无约束安放，提高装配效率。

附图说明

图1为实施例1的产生大气压非平衡等离子体的滑动弧点火装置示意图。

图2为实施例1的收缩-扩张型拉瓦尔喷管的结构示意图。

图3为实施例1的外壳结构示意图。

图4为实施例1的气流挡板的结构示意图。

图5为实施例1的电极安装座的结构示意图。

图6为实施例1的锁紧螺母的结构示意图。

图7为实施例1的高压阳极的结构示意图。

图8为实施例1的高压阳极、电极安装座、锁紧螺母组装后的结构示意图。

图9为实施例2的收缩-扩张型拉瓦尔斜切喷管的结构示意图。

图10为实施例3的气流挡板的结构示意图。

图1中1、火焰连接管；2、收缩-扩张型拉瓦尔喷管；3、密封垫；4、外壳；5、气流挡板；6、油汽燃料进口；7、辅助气体进口；8、电极安装座；9、密封垫；10、高压阳极；11、锁紧螺母。

具体实施方式

下面参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1：

如图1所示，本发明的滑动弧点火装置包括收缩-扩张型拉瓦尔喷管2、外壳4、气流挡板5、电极安装座8、高压阳极10和锁紧螺母11，所述收缩-扩张型拉瓦尔喷管2和电极安装座8通过螺纹固定在外壳4上，在外壳4上设有油汽燃料进口6和辅助气体进口7，所述气流挡板5夹持于外壳4与电极安装座8，所述高压阳极10插入电极安装座8中心孔中，在高压阳极10端部有外螺纹，用于连接锁紧螺母11。高压阳极10通过密封胶粘接和锁紧螺母11固定并锁紧在电极安装座8上

火焰连接管1安装在发动机或设备外壳支架上，形成对点火装置的支撑作用，通过法兰连接固定。密封的管道内可以安装火焰筒，根据需要通入空气产生富氧燃烧。本实施例为圆形管道，使用法兰盘连接发动机壳体。其它实施例，也可以为方形和椭圆形等。

如图2所示，收缩-扩张型拉瓦尔喷管2，作为放电的阴极，在气流的吹动下，喉道和喷管内壁上持续形成滑动电弧放电。喷管2与外壳4通过螺纹连接，两者同为金属材料是等电位的，共同接电源的阴极，本实施例为接地。

如图3所示，外壳4用于连接拉瓦尔喷管2和高压阳极10，在其内部有气流挡板5。外壳4在径向位置开设有油汽燃料进气口6和辅助气体进口7。油汽燃料进气口6用于安装管路接头，以引入油汽混和气，或者可燃气体，为点火装置提供燃料。辅助气体进口7用于安装管路接头，以引入压缩空气作为产生滑动弧的辅助气体，并降低喉道位置的温度。

在拉瓦尔喷管2与外壳4之间垫有密封垫3，对拉瓦尔喷管2与外壳4的连接处进行密封，用于防止高压油汽的混合气体泄漏，密封垫3安装在外壳4端面的凹槽内，其材料为紫铜。

如图4所示，气流挡板5被夹持于外壳2与电极安装座8之间，用于改变气流的旋转程度，使气流与电弧的掺混更加充分，在射流角度不同时，会产生不同的火焰喷射结构，以期获得不同使用目的的旋转气流。本实施例中该材料为聚四氟乙烯，但也可以选用陶瓷、电工胶木等。通过气流挡板5的形状不同可以实现切向进气与轴向进气的比例的不同分配，图4所示的本实施例的气流挡板5为漏斗型，根据需要，可以采用其他形状。

如图5所示，电极安装座8通过螺纹连接在外壳4上，电极安装座8具有轴向的中心孔。电极安装座8的材料为高电压下的电绝缘体，本实施例中该材料为聚四氟乙烯，但也可以选用陶瓷、电工胶木等。

在外壳4与电极安装座8之间安装有密封垫9，用于防止辅助空气的泄露，密封垫9安装在外壳4的端面凹槽内，其材料为耐油橡胶。外壳4具有良好的绝缘等级，能承受高电压

如图6、图7和图8所示，高压阳极10为金属材料，连接高压电源。在高压阳极10金属板棒上具有环形凹槽，用于涂胶，高压阳极10插入电极安装座8的中心孔中，通过凹槽内的涂胶与电极安装座8粘结为一体。高压阳极10的一个端部设有外螺纹，用于连接锁紧螺母11，通过胶粘接和锁紧螺母11将高压阳极10紧固地固定在电极安装座8上，并产生预紧力，有利于电极柱和孔的密封。本实施例中，最关键的要素是，高压阳极10在喉道段处的直径为3mm，喉道直径为11mm，所以最小的放电间距为4mm，采用10KV以上的高压点火电源，就很容易产生电弧放电。本实施例采用12KV高压点火电源，工程使用中，可以根据不同能量要求定制所需功率的电源。

锁紧螺母11将高压阳极10固定在电极安装座8上，用于紧固高压阳极10，锁紧螺母11端面有较大的平面，便于外部引线的固定和导体间良好接触。

实施例2：

根据不同的点火火焰流动方式，本实施例采用收缩-扩张型拉瓦尔斜切喷管，如图9所示，以适应点火要求，其余各部件与实施例1相同。

实施例3：

本实施例采用了另外一种气流挡板，如图10所示，其余各部件与实施例1相同。

从以上的描述中可以看出，本发明上述的实施例实现了如下的技术效果：通过引入滑动弧辅助气源，在中心高压阳极和拉瓦尔喷管内壁产生一定能量强度的滑动电弧，通过燃料入口引入可燃气体或者一定配比的油汽混合物，通过电弧区域时着火燃烧，火焰喷出喷管，并且靠气流的吹动脱离喷管，出现一定间距的脱火区，点火装置处于温度较低的安全状态，加大燃料供应量，在电弧的作用下，燃料可以预先催化，再喷入燃烧室，起到持续助燃的作用。由于滑动弧喷管和中心电极在壳体端部安装，可以方便更换内部气流挡板，同样，喷管阴极和高压阳极中心电极分开加工，降低加工难度，采用两个进气孔的设计，可以产生不同的气流配比方式，用途更广，也有利于标准化生产。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种滑动弧点火装置，其特征在于，包括：收缩-扩张型拉瓦尔喷管、外壳、气流挡板、电极安装座、高压阳极、锁紧螺母，所述收缩-扩张型拉瓦尔喷管和电极安装座通过螺纹固定在外壳上，所述外壳的径向位置开孔，用于安装进气接头，所述气流挡板夹持于所述外壳与所述电极安装座之间，所述高压阳极插入所述电极安装座中心孔中，通过密封胶粘接和锁紧螺母固定并锁紧在所述电极安装座上。

2.根据权利要求1所述的滑动弧点火装置，其特征在于：所述外壳的径向位置开设有两个孔，该两孔为油汽燃料进口和辅助气体进口。

3.根据权利要求1所述的滑动弧点火装置，其特征在于：在所述外壳与所述收缩-扩张型拉瓦尔喷管的连接处的端面设有凹槽，在该凹槽内安装有密封垫，该密封垫的材质为紫铜，在所述外壳与所述电极安装座连接处的端面也设有凹槽，在该内凹槽内安装有密封垫，该密封垫的材质为耐油橡胶。

4.根据权利要求1所述的滑动弧点火装置，其特征在于：所述收缩-扩张型拉瓦尔喷管为斜切喷管或非斜切喷管。

5.根据权利要求1所述的滑动弧点火装置，其特征在于：所述气流挡板的材质为聚四氟乙烯、陶瓷或电工胶木。

6.根据权利要求1所述的滑动弧点火装置，其特征在于：所述高压阳极的金属棒上设有环形凹槽，在所述高压阳极的一个端部设有外螺纹，所述高压阳极（10）在喉道段处的直径为3mm，喉道直径为11mm。