CN103982303A - 一种基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的方法及装置，所述方法为：步骤一、将可燃气体通入喷嘴；步骤二、激光器发射激光，经扩束准直后入射到微透镜阵列上，在喷嘴轴线上方的混合燃气中诱导产生多个等离子体，并将可燃气体点燃。所述装置包括燃料气源、氧化剂气源、配气系统、喷嘴、以及沿光轴方向依次设置的激光器、扩束准直系统和微透镜阵列，燃料气源和氧化剂气源的出气口与配气系统的进气口相连，配气系统的出气口与喷嘴的入气口相连，喷嘴位于微透镜阵列的焦距处。本发明能够大幅提高激光等离子体点火的可靠性。

Description

一种基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种实现可燃气体多点激光等离子体点火的方法及实现该方法的装置。

背景技术

为了提高贫燃燃烧系统的点火可靠性，传统的电火花塞点火系统需要工作在高达几十kV的电压下，极易造成电极的腐蚀，缩短了火花塞的寿命。激光等离子体点火具有点火位置和点火时间方便可控、当量比适用范围宽、电磁兼容性好等优点。在航空航天领域，对发动机的点火可靠性具有很高的要求，点火失败很容易在燃烧室内产生具有破坏性的压力峰，甚至造成燃烧室的爆炸，影响飞行器的安全。因此，如何提高可燃气体的点火可靠性成为激光等离子体点火领域面临的一个重要课题，而通过多点点火有利于增加冗余度，提高点火可靠性。    

发明内容

为了提高可燃气体激光等离子体点火的可靠性，本发明提供了一种基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的方法及实现该方法的装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、将可燃气体通入喷嘴；

步骤二、激光器发射激光，经扩束准直后入射到微透镜阵列上，在喷嘴轴线上方的混合燃气中诱导产生多个等离子体，并将可燃气体点燃。

一种实现上述方法的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，包括燃料气源、氧化剂气源、配气系统、喷嘴、以及沿光轴方向依次设置的激光器、扩束准直系统和微透镜阵列；燃料气源和氧化剂气源的出气口与配气系统的进气口相连，配气系统的出气口与喷嘴的入气口相连，喷嘴位于微透镜阵列的焦距处。激光器产生的激光经扩束准直后入射到微透镜阵列上，在喷嘴轴线上方的混合燃气中诱导产生多个等离子体，并将可燃气体点燃。

本发明中，所述燃料为甲烷、丙烷、氢气、天然气中的一种；氧化剂为氮气/氧气混合气，且氧气的体积分数为5-100%。

本发明中，所述激光器为脉冲固体激光、脉冲准分子激光的一种，激光波长为1064 nm及其高阶倍频、694.3 nm及其高阶倍频、308 nm、248 nm的一种，激光重频为10-1000 Hz，激光脉冲能量为5-2000 mJ。

本发明中，所述微透镜阵列的焦距为5-2000 mm，微透镜排布阵列为m×n，m和n为大于等于1且小于等于50的自然数，微透镜直径（圆形）或边长（正方形）为2-10 mm。

本发明中，所述聚焦点的位置距离喷嘴出口端面5倍喷嘴直径范围内。

本发明提出一种基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的方法及装置，通过微透镜阵列在可燃气体中同时诱导产生多个等离子体。在这些等离子体引起的热效应和燃烧化学反应的作用下，点燃可燃气体。由于多个等离子体的同时作用，增加了点火系统的冗余度，从而能够大幅提高激光等离子体点火的可靠性。本发明适用于航空航天发动机领域的可靠重复点火场合。

附图说明

图1为本发明中装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，包括燃料气源2、氧化剂气源1、配气系统3、喷嘴4、以及沿光轴方向依次设置的激光器7、扩束准直系统6和微透镜阵列5；燃料气源2和氧化剂气源1的出气口与配气系统3的进气口相连，配气系统3的出气口与喷嘴4的入气口相连，喷嘴4位于微透镜阵列5的焦距处。使用时，将可燃气体通入喷嘴；激光器发射激光，经扩束准直后入射到微透镜阵列上，在喷嘴轴线上方的混合燃气中诱导产生多个等离子体，并将可燃气体点燃。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述燃料为甲烷、丙烷、氢气、天然气中的一种；氧化剂为氮气/氧气混合气，且氧气的体积分数为5-100%。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，所述激光器为脉冲固体激光、脉冲准分子激光的一种，激光波长为1064 nm及其高阶倍频、694.3 nm及其高阶倍频、308 nm、248 nm的一种，激光重频为10-1000 Hz，激光脉冲能量为5-2000 mJ。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是，所述微透镜阵列的焦距为5-2000 mm。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述微透镜排布阵列为m×n，m和n为大于等于1且小于等于50的自然数。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，所述微透镜直径（圆形）或边长（正方形）为2-10 mm。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是，所述聚焦点的位置距离喷嘴出口端面5倍喷嘴直径范围内。

Claims (10)

1.一种基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，其特征在于所述装置包括燃料气源、氧化剂气源、配气系统、喷嘴、以及沿光轴方向依次设置的激光器、扩束准直系统和微透镜阵列；燃料气源和氧化剂气源的出气口与配气系统的进气口相连，配气系统的出气口与喷嘴的入气口相连，喷嘴位于微透镜阵列的焦距处。

2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，其特征在于所述燃料为甲烷、丙烷、氢气、天然气中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，其特征在于所述氧化剂为氮气/氧气混合气，且氧气的体积分数为5-100%。

4.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，其特征在于所述激光器为脉冲固体激光、脉冲准分子激光的一种。

5.根据权利要求4所述的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，其特征在于所述激光波长为1064 nm及其高阶倍频、694.3 nm及其高阶倍频、308 nm、248 nm的一种。

6.根据权利要求4所述的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，其特征在于所述激光重频为10-1000 Hz，激光脉冲能量为5-2000 mJ。

7.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，其特征在于所述微透镜阵列的焦距为5-2000 mm。

8.根据权利要求1或7所述的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，其特征在于所述微透镜阵列为m×n，m和n为大于等于1且小于等于50的自然数，微透镜为圆形或正方形，直径或边长为2-10 mm。

9.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置，其特征在于所述聚焦点的位置距离喷嘴出口端面5倍喷嘴直径范围内。

10.一种利用权利要求1-9任一权利要求所述的基于微透镜阵列实现可燃气体多点激光等离子体点火的装置实现可燃气体多点激光等离子体点火的方法，其特征在于所述方法由以下步骤实现：

步骤一、将可燃气体通入喷嘴；

步骤二、激光器发射激光，经扩束准直后入射到微透镜阵列上，在喷嘴轴线上方的混合燃气中诱导产生多个等离子体，并将可燃气体点燃。