CN105221319A - 一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器 - Google Patents

一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器 Download PDF

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章程
牛宗涛
邵涛
严萍
王瑞雪
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Abstract

本发明公开了一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器，包括：由两个管状交叉形成的十字交叉四通管状绝缘装置；通过粘合胶安装在一对电极安装口处的一对滑动放电电极；位于十字交叉处与出气口之间的燃烧区域；位于一对滑动放电电极之间的起弧端；通过导线连接到一个滑动放电电极一端的等离子体激励电源；连接气体流量计的气源。本发明的有益效果为：采用针-针放电装置产生的滑动弧放电，以及在各个针电极上加装合适的耐热玻璃管形成较强的介质阻挡放电，装置简单，可以将其应用于气体燃料进气口与发动机连接处，缩短点火时间，增加接触面积，加速燃料燃烧，由于滑动放电产生的等离子体具有较高的电子密度，可有提高燃料燃烧效率。

Description

一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，具体而言，涉及一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器。
背景技术
随着航空航天技术的迅猛发展，其核心部件发动机对于燃料燃烧的稳定性和效率的要求也越来越高。等离子体辅助燃烧是近些年空间技术领域兴起的新技术，而非平衡态的低温等离子体在该领域显示出潜在的巨大优势。低温等离子体含有大量不同种类的活性粒子，比如电子、各种激发态分子以及自由基等，这些活性粒子具有广泛的能量分布，较高的能量密度，因此在助燃过程中可以加快反应速率，减小点火延迟，使燃料充分燃烧，提高燃料利用率。另一方面，放电产生的等离子体能对气体流场产生扰动，提高气流的湍流度，增加燃烧的接触面积，因而可以增强燃烧的稳定性。由于等离子体助燃的以上优势，因此受到研究人员的广泛关注。
滑动弧放电是一种结构简单，等离子体通道集中，产生电子密度较高的放电形式。其放电表现为气流驱动火花/辉光通道在气隙里滑动。滑动放电的特点是能够产生持续的非平衡态等离子体，且放电等离子体中的电子和中性分子的碰撞常常能够引起气体分子的离解、激发和电离，产生大量的活性原子和基团，这些活性基团可以加速可燃气体的燃烧，因此能够有效的应用到等离子体辅助燃烧中。
目前用于辅助气体燃烧的主要方法或装置包括：
(1)专利CN1842488A“重整气辅助燃烧”，采用具有重整器形式的氢气发生器制备氢气和其他组分气体的混合气体，作为压缩发动机的部分燃料。重整产物中不需要除去非氢气组分，因此可以节约成本。热蒸汽或者其它气源引入金属格栅作为催化剂的重整器中，通过重整器中的等离子体装置对蒸汽进行分解，生成氢气和其它组分气体。
(2)专利CN102953808A“一种用于发动机富氧辅助燃烧装置的取力装置”，通过从发动机中提取动力，发动机主轴的主动轮带动风机主轴的从动轮转动，进而使风机和气环真空泵转动工作，节省空间，降低成本，维护方便。
(3)专利CN1185524A“高效的发动机辅助燃烧系统”，利用装置产生正电荷，用于中和空气或燃料中的负离子，提高燃烧效率，减少废气物排放。
(4)文献“Plasma-inducedignitionandplasma-assistedcombustioninhigh-speedflow”，利用梯状气孔放电系统对氢气点火的各项参数进行分析，从而得出降低点火延迟时间、火焰的稳定和使燃料充分燃烧的方法。
虽然上述方法和装置具有辅助燃烧的作用，但是上述装置燃料燃烧的效率不高，燃烧不充分，大多是从装置上去改进，虽然效率有所增加，但其装置复杂性也增加了不少结构复杂，运行及其维护成本高，不利于推广应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种装置简单、燃烧效率高、成本低、利于推广的用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器。
本发明提供了一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器，包括：十字交叉四通管状绝缘装置，其由两个管状交叉形成，包括十字交叉处、进气口、出气口、第一电极安装口和第二电极安装口；
第一滑动放电电极，其通过粘合胶安装在所述第一电极安装口处；
第二滑动放电电极，其通过粘合胶安装在所述第二电极安装口处，所述第二滑动放电电极通过导线连接到接地端；
燃烧区域，其位于所述十字交叉处与所述出气口之间；
起弧端，其为所述第一滑动放电电极和所述第二滑动放电电极之间的区域，所述第一滑动放电电极和所述第二滑动放电电极之间的距离为5mm；
等离子体激励电源，其高压端通过导线连接到所述第一滑动放电电极的一端；
气源，其通过导气管连接气体流量计，所述气体流量计通过导气管连接所述进气口。
作为本发明进一步的改进，还包括：
第一耐热绝缘装置，其为一端封闭的腔体，所述第一滑动放电电极的放电端插入所述第一耐热绝缘装置内；
第二耐热绝缘装置，其为一端封闭的腔体，所述第二滑动放电电极的放电端插入所述第二耐热绝缘装置内。
作为本发明进一步的改进，所述出气口距离所述十字交叉处4～10mm，所述进气口距离所述十字交叉处30～50mm，所述第一电极安装口距离所述十字交叉处20～30mm，所述第二电极安装口距离所述十字交叉处20～30mm，所述进气口的直径为8～12mm，所述出气口的直径为8～12mm，所述第一电极安装口和所述第二电极安装口直径均为5mm。
作为本发明进一步的改进，所述第一滑动放电电极和所述第二滑动放电电极采用金属材料；所述第一滑动放电电极和所述第二滑动放电电极为针状结构电极或棒状结构电极或管状结构电极，且直径均为1～4mm。
作为本发明进一步的改进，所述金属材料为铜或铝或钨或不锈钢。
作为本发明进一步的改进，所述等离子体激励电源为直流电源或交流电源或脉冲电源，电压激励范围为0～40kV，频率为1～3000Hz。
作为本发明进一步的改进，所述等离子体激励电源为脉冲电源。
作为本发明进一步的改进，所述十字交叉四通管状绝缘装置的绝缘介质材料为石英玻璃或聚四氟乙烯或陶瓷。
作为本发明进一步的改进，所述十字交叉四通管状绝缘装置的绝缘介质材料为石英玻璃。
作为本发明进一步的改进，所述气源采用的气体为H/C≥2的富氢气体。
作为本发明进一步的改进，所述富氢气体为H2或甲烷或乙烷。
本发明的有益效果为：
1、本装置的电极与气体的反应位置在耐热绝缘管状介质内，气流不受到外界环境的影响，且不影响观察放电特征；
2、由于滑动放电产生的等离子体具有较高的电子密度，有效的提高了燃料的燃烧效率；
3、滑动弧的电弧温度较高，对燃料有预热效应，进一步提高了燃料的燃烧效率；
4、缩短点火时间，增大了电弧与可燃气体的接触面积，加速了燃料的燃烧；
5、装置结构简单，成本低，易操作，产品易扩大，易于工业转化。
附图说明
图1为本发明第一实施例所述的一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器的结构示意图；
图2为本发明第二实施例所述的一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器的结构示意图。
图中，
101、第一滑动放电电极；102、第二滑动放电电极；2、十字交叉四通管状绝缘装置；201、进气口；202、出气口；203、第一电极安装口；204、第二电极安装口；3、燃烧区域；4、粘合胶；5、起弧端；6、等离子体激励电源；7、高压端；8、接地端；9、气源；10、气体流量计；11、第一耐热绝缘装置；12、第二耐热绝缘装置。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1所示，本发明第一实施例的一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器，包括燃烧室、气路、电路等。燃烧室由第一滑动放电电极101、第二滑动放电电极102、十字交叉四通管状绝缘装置2、燃烧区域3、粘合胶4和起弧端5组成。气路由气源9的气体通过气体流量计10经过进气口201进入燃烧室。电路由等离子体激励电源6、高压端7、接地端8、第一滑动放电电极101、第二滑动放电电极102组成。接通等离子体激励电源6和气源9，可以对可燃气体进行点火和辅助燃烧。
十字交叉四通管状绝缘装置2由两个管状交叉形成，包括十字交叉处、进气口201、出气口202、第一电极安装口203和第二电极安装口204，出气口202距离十字交叉处4～10mm，进气口201距离十字交叉处30～50mm，第一电极安装口203距离十字交叉处20～30mm，第二电极安装口204距离十字交叉处20～30mm，进气口201的直径为8～12mm，出气口202的直径为8～12mm，第一电极安装口203和第二电极安装口204直径均为5mm。第一滑动放电电极101通过粘合胶4安装在第一电极安装口203处，第二滑动放电电极102通过粘合胶4安装在第二电极安装口204处。粘合胶4距离第一电极安装口203和第二电极安装口204较近，且第一滑动放电电极101和第二滑动放电电极102之间的距离为5mm。燃烧区域3位于十字交叉处与出气口203之间。起弧端5为第一滑动放电电极101和第二滑动放电电极102之间的区域。等离子体激励电源6的高压端7通过导线连接到第一滑动放电电极101的一端，第二滑动放电电极12通过导线连接到接地端8。等离子体激励电源6的低压端也通过导线接地，从而构成完整的电路回路。气源9通过导气管连接气体流量计10，气体流量计10通过导气管连接进气口201。富氢气体从气源9中产生，经过气体流量计10的调节控制，进入进气口201，当等离子体激励电源6工作时，在等离子体激励电源6的作用下滑动放电在起弧端5处产生电弧，在气流的作用下向出气口处滑动，并且富氢气体在燃烧区域3燃烧。
其中，第一滑动放电电极101和第二滑动放电电极102采用金属材料，金属材料优选为铜或铝或钨或不锈钢。第一滑动放电电极101和第二滑动放电电极102为针状结构电极，当选用针状结构电极时，直径为1～4mm。第一滑动放电电极101和第二滑动放电电极102还可选用棒状结构或管状结构，此时直径为2mm～4mm。十字交叉四通管状绝缘装置2的绝缘介质材料为石英玻璃或聚四氟乙烯或陶瓷，优选为石英玻璃。粘合胶4为耐热绝缘、粘接性能良好的硅橡胶。等离子体激励电源6为直流电源或交流电源或脉冲电源，电压激励范围为0～40kV，频率为1～3000Hz，优选为脉冲电源。气源9采用的气体为H/C≥2的富氢气体，优选为H2或甲烷或乙烷。气体流量计10通过调节气体的位置控制气体的流量，调节范围为0～10L/min。
具体使用时，本实施例的反应器操作步骤如下：
步骤1，接通气源9，并使富氢气体充满整个反应器；
步骤2，接通等离子体激励电源6，激发滑动电弧，产生等离子体；
步骤3，使滑动电弧产生的等离子体与富氢气体接触，从而进行点火，并且保持滑动电弧的存在，辅助富氢气体进行燃烧。
其中，步骤2中产生等离子的密度为1020～1022m-3，具有强氧化性。
实施例2，如图2所示，本发明第二实施例的一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器，与第一实施例不同之处在于，还包括第一耐热绝缘装置11和第二耐热绝缘装置12。第一耐热绝缘装置11为一端封闭的腔体，第一滑动放电电极101的放电端插入第一耐热绝缘装置11内。第二耐热绝缘装置12为一端封闭的腔体，第二滑动放电电极102的放电端插入第二耐热绝缘装置12内。第一耐热绝缘装置11和第二耐热绝缘装置12可以进行介质阻挡放电(DBD)，由于介质阻挡放电具有良好的均匀性等特性，因此，也可以将其应用到辅助燃烧中。第一耐热绝缘装置11和第二耐热绝缘装置12的绝缘介质采用耐热玻璃管。
本发明采用针-针放电装置产生的滑动弧放电，以及在各个针电极上加装合适的耐热玻璃管形成较强的介质阻挡放电(DBD)，装置简单，可以将其应用于气体燃料进气口与发动机连接处，缩短点火时间，增加接触面积，加速燃料燃烧，由于滑动放电产生的等离子体具有较高的电子密度，可有提高燃料燃烧效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于点火和辅助燃烧的滑动放电反应器，其特征在于，包括：
十字交叉四通管状绝缘装置(2)，其由两个管状交叉形成，包括十字交叉处、进气口(201)、出气口(202)、第一电极安装口(203)和第二电极安装口(204)；
第一滑动放电电极(101)，其通过粘合胶(4)安装在所述第一电极安装口(203)处；
第二滑动放电电极(102)，其通过粘合胶(4)安装在所述第二电极安装口(204)处，所述第二滑动放电电极(12)通过导线连接到接地端(8)；
燃烧区域(3)，其位于所述十字交叉处与所述出气口(203)之间；
起弧端(5)，其为所述第一滑动放电电极(101)和所述第二滑动放电电极(102)之间的区域，所述第一滑动放电电极(101)和所述第二滑动放电电极(102)之间的距离为5mm；
等离子体激励电源(6)，其高压端(7)通过导线连接到所述第一滑动放电电极(101)的一端；
气源(9)，其通过导气管连接气体流量计(10)，所述气体流量计(10)通过导气管连接所述进气口(201)。
2.根据权利要求1所述的滑动放电反应器，其特征在于，还包括：
第一耐热绝缘装置(11)，其为一端封闭的腔体，所述第一滑动放电电极(101)的放电端插入所述第一耐热绝缘装置(11)内；
第二耐热绝缘装置(12)，其为一端封闭的腔体，所述第二滑动放电电极(102)的放电端插入所述第二耐热绝缘装置(12)内。
3.根据权利要求1或2所述的滑动放电反应器，其特征在于，
所述出气口(202)距离所述十字交叉处4～10mm，所述进气口(201)距离所述十字交叉处30～50mm，所述第一电极安装口(203)距离所述十字交叉处20～30mm，所述第二电极安装口(204)距离所述十字交叉处20～30mm，所述进气口(201)的直径为8～12mm，所述出气口(202)的直径为8～12mm，所述第一电极安装口(203)和所述第二电极安装口(204)直径均为5mm。
4.根据权利要求1或2所述的滑动放电反应器，其特征在于，所述第一滑动放电电极(101)和所述第二滑动放电电极(102)采用金属材料；
所述第一滑动放电电极(101)和所述第二滑动放电电极(102)为针状结构电极或棒状结构电极或管状结构电极，且直径均为1～4mm。
5.根据权利要求4所述的滑动放电反应器，其特征在于，
所述金属材料为铜或铝或钨或不锈钢。
6.根据权利要求1或2所述的滑动放电反应器，其特征在于，所述等离子体激励电源(6)为直流电源或交流电源或脉冲电源，电压激励范围为0～40kV，频率为1～3000Hz。
7.根据权利要求6所述的滑动放电反应器，其特征在于，所述等离子体激励电源(6)为脉冲电源。
8.根据权利要求1或2所述的滑动放电反应器，其特征在于，所述十字交叉四通管状绝缘装置(2)的绝缘介质材料为石英玻璃或聚四氟乙烯或陶瓷。
9.根据权利要求1或2所述的滑动放电反应器，其特征在于，所述气源(9)采用的气体为H/C≥2的富氢气体。
10.根据权利要求9所述的滑动放电反应器，其特征在于，所述富氢气体为H2或甲烷或乙烷。
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