CN109084328B - 一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明属于超燃冲压发动机燃料喷注与火焰稳定技术和燃烧组织技术领域，公开了一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器，包括安装基板，所述安装基板上设有支板本体，所述支板本体的尾部设有阵列式滑移弧放电模块，所述阵列式滑移弧放电模块与高频高压功率源电连接，所述支板本体的尾部内部插设有喷油杆，所述喷油杆内部设有空腔，所述喷油杆上设有与所述空腔相连通的液态燃料喷孔。本发明结构简单、紧凑，集液体燃料喷注、雾化、混合增强、点火与燃烧强化功能于一体。

Description

一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器

技术领域

本发明属于超燃冲压发动机燃料喷注与火焰稳定技术和燃烧组织技术领域，具体地涉及一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器。

背景技术

超燃冲压发动机没有自启动能力，典型的飞行工作过程是在Ma4条件下点火启动，并不断加速到达Ma6的巡航工况。在这两种工况下，燃烧室气流状态呈现出不同的特点。在低马赫的启动工况下，来流总温低，燃料无法实现自点火，需要外加能量激励进行强迫点火。随着飞行Ma数的增加，总温不断增加，由点火延迟时间决定点火发生位置。与此同时，超声速燃烧来流速度快，燃料在燃烧室内的滞留时间只有毫秒级，要在如此短的时间内完成燃料与来流的混合、点火、形成扩散火焰并传播至整个燃烧室，实现稳定、高效的燃烧流场，难度很大。尤其是液体碳氢燃料，还要考虑液滴破碎、雾化和蒸发过程，更加增加了流动燃烧组织过程的复杂性和困难性。就液体碳氢燃料超声速燃烧过程而言，关键技术包括：液体在超声速气流中的雾化、点火技术、火焰稳定技术和燃料喷注与混合增强技术。

等离子体点火助燃方案可适应以上工况下燃烧组织过程的需求。一方面在低马赫数情形下提供高温点火能源，另一方面为高马赫数下提供活性离子基团、缩短点火延迟时间、辅助火焰稳定。针对液体碳氢燃料的超声速燃烧点火过程，技术人员都做了不同程度的研究，尤其是在如何缩短点火延迟时间、增强点火和提高火焰扩散能力方面做了大量的工作。针对液体碳氢燃料尝试成功了多种点火方式，如：氢气引导火焰点火、诱导激波点火、等离子体点火器、火炬点火器等。其中等离子体点火器是其中的一个重要的技术发展方向。通过放电产生等离子体来激活反应物更加有效，可以瞬间并持续产生活性粒子使燃烧更加迅速。等离子体的升温效应也能够在一定程度上增加燃烧反应速度。另外，在高速流场中，燃料与氧化剂混合气体的当量比低于一定值后，燃烧反应无法继续进行，即所谓的贫燃烧极限，等离子体也可以有效地扩展燃料的燃烧极限，提高火焰稳定性。目前广泛采用的等离子体发生方式主要有放电等离子体和激光诱导等离子体，放电方式有很多种如弧光、辉光、电晕、介质阻挡、微波、射频放电等。文献《Plasma-Assisted Ignition and Flameholding inHigh-Speed Flow》AIAA 2006-563列示了各种等离子体放电强化超声速火焰燃烧的使用方式，并对比了其优缺点。

滑移弧是产生大体积放电的一种有效方法。滑移弧放电是位于层流或湍流气流中的至少两个扩张电极之间的自动振荡周期现象。自启动放电首先在上游最窄间隙形成。放电弧柱在气流的冲刷下向下游移动。放电弧柱长度随着电极间距的增加而增长，直到达到临界值。临界值大小通常由电源功率限制决定。在临界点之后，放电熄灭，放电电极之间的最小距离位置又瞬间重新点燃起弧，开始一个新的周期。滑移弧柱在扩张型电极通道内往复移动，由于滑移弧在扩张型电极通道内往复移动，不存在电弧长时间驻留的引弧点，可减轻电弧对电极的烧蚀作用，延长装置使用寿命。滑移弧放电产生的等离子体温度可在800－10000K范围内。根据功率源的工作特性，滑移弧放电可产生平衡和非平衡等离子体等各种等离子体环境条件，可为点火提供高能量效率和选择性。滑移弧放电等离子体中产生的能量密度较高，有助于喷雾燃油液滴的剧烈蒸发和热解。大分子碳氢燃料通过氢和氧原子的作用有助于促进裂解化学反应的进行，生成大量的活性小分子燃料，大大加速燃烧过程。

C_mH_n+O→CO+H₂O

C_mH_n+H→CH₄+H₂

除了点火和促进燃烧的需求外，超声速燃烧室中还有一个技术难题是，如何把燃料喷注到主流中去。通过壁面喷注的方法，往往由于射流穿透度太小而难以奏效。采用在主流中设置喷注支板的方式是一条有效解决途径。通过在燃烧室的来流中心设置一个喷注燃料的支板，以此来获得更好的燃料分布范围，并增强燃料与空气的混合，可提高燃烧效率。文献《Electrical Discharge in Deeply Subcritical Field ofMicrowave Beam in aHigh-Speed Air Stream and inPropane-Air Mixture》(AIAA 2009-1551)公开了一种在插入气流中的支板上耦合微波放电增强超声速燃烧的一种方法，综合了支板和等离子体放电的优点，然而微波放电系统复杂。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种集液体燃料喷注、雾化、混合增强、点火与燃烧强化功能于一体的滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器。

为了实现上述目的，本发明提供一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器，包括安装基板，所述安装基板上设有支板本体，所述支板本体的尾部设有阵列式滑移弧放电模块，所述阵列式滑移弧放电模块与高频高压功率源电连接，所述支板本体的尾部内部插设有喷油杆，所述喷油杆内部设有空腔，所述喷油杆上设有与所述空腔相连通的液态燃料喷孔。

优选地，所述阵列式滑移弧放电模块包括多个沿所述支板本体的尾部长度方向间隔均布的滑移弧放电模块，各所述滑移弧放电模块均包括凹槽，所述凹槽的上端面和凹槽的下端面为对称设置的滑移弧结构，所述凹槽的上端面和凹槽的下端面之间的距离由内到外依次增大，所述凹槽的上端面和凹槽的下端面上均镶嵌有电极，所述电极与所述高频高压功率源电连接。

优选地，所述喷油杆贯穿各所述凹槽，所述喷油杆上在贯穿各所述凹槽的位置处均设有所述液态燃料喷孔。

优选地，各所述液态燃料喷孔均为阵列式液态燃料喷孔。

优选地，所述支板本体下端设有多个支板固定脚，所述支板本体通过所述支板固定脚安装在所述安装基板上。

优选地，所述多个支板固定脚中的其中一个支板固定脚内部设有通孔，所述通孔上端与所述喷油杆的空腔下端相连通，所述通孔下端连接有液态燃料入口接嘴。

通过上述技术方案，本发明的有益效果为：

(1)本发明结构简单、紧凑，集液体燃料喷注、雾化、混合增强、点火与燃烧强化功能于一体；

(2)本发明在支板本体尾部设置阵列式滑移弧放电模块，各滑移弧放电模块均产生滑移弧放电，滑移弧放电会产生平衡和非平衡等离子体，从而在支板本体的尾部形成大体积分布的等离子体区域，形成的等离子体区域的温度很高，可促进气雾液滴的蒸发，并富含活性很高的氢、氧原子，加速大分子碳氢燃料的裂解，形成更易燃烧的小分子燃料，从而大大加速了燃烧过程；

(3)各滑移弧放电模块中的放电电极与高频高压功率源相连接，根据功率源特性可产生平衡或非平衡等离子体，电极放电过程可控制，能量效率高；

(4)各滑移弧放电模块产生的滑移弧柱在扩张型电极通道内往复移动，不存在电弧长时间驻留的引弧点，由于引弧位置不固定，可减轻电弧对电极的烧蚀作用，另外加上气雾对电极的冷却作用，使得电极的抗烧蚀能力较强，从而延长电极的使用寿命；在支板尾部阵列式布置的扩张型放电通道，能在超声速气流流场中形成逆压梯度，诱导流向涡的形成，有利于燃料与超声速气流的掺混；

(5)本发明中喷油杆插入支板本体的尾部内，喷油杆采用插入式分立设计，可以根据燃烧组织过程的需要，更换喷油杆，以调节液态燃料喷孔的大小、数量、方向，进而调节燃料流量。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图；

图2是图1中A处放大结构示意图；

图3是本发明的一个实施例的工作原理图。

附图标记说明

1支板本体 2安装基板

3支板固定脚 4液态燃料入口接嘴

5滑移弧放电模块 51凹槽的上端面

52凹槽 53凹槽的下端面

54电极 6喷油杆

61液态燃料喷孔 7滑移弧柱

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器，如图1所示，包括安装基板2，所述安装基板2上设有支板本体1，所述支板本体1的尾部设有阵列式滑移弧放电模块，所述阵列式滑移弧放电模块与高频高压功率源电连接，所述支板本体1的尾部内部插设有喷油杆6，所述喷油杆6内部设有空腔，所述喷油杆6上设有与所述空腔相连通的液态燃料喷孔61。

其中，如图1和图2所示，所述阵列式滑移弧放电模块包括多个沿所述支板本体1的尾部长度方向间隔均布的滑移弧放电模块5，各所述滑移弧放电模块5均包括凹槽52，所述凹槽的上端面51和凹槽的下端面53为对称设置的滑移弧结构，所述凹槽的上端面51和凹槽的下端面53之间的距离由内到外依次增大，所述凹槽的上端面51和凹槽的下端面53上均镶嵌有电极54，两个电极54极性相反，从而构成扩张型电极通道，所述电极54与所述高频高压功率源电连接。

本发明的工作原理如图3所示，本发明在支板本体1的尾部设置阵列式滑移弧放电模块，各滑移弧放电模块均产生滑移弧放电，即在凹槽的上端面51和凹槽的下端面53的电极之间的最小间隙处产生滑移弧柱7，滑移弧柱7在超声速气流冲刷下向外侧发展，滑移弧柱7的长度随着电极54之间间距的增加而增长，到达到临界拉伸长度后熄弧，新的弧柱重新在最小间隙处产生，往复形成，从而在支板本体1的尾部产生大面积的滑移弧放电区域，同时滑移弧放电会产生平衡和非平衡等离子体，从而在支板本体1的尾部形成大体积分布的等离子体区域，液态燃料从液态燃料喷孔61内喷出后，与超声速气流来流空气掺混形成超声速燃料液滴气雾，气雾经过滑移弧放电区域后，被放电区域的高温氛围加热，促进气雾液滴的蒸发，并与平衡和非平衡等离子体中的氧原子和氢原子发生裂解反应，形成更易燃烧的小分子燃料，从而大大加速了燃烧过程。其中，图3中虚线箭头表示滑移弧柱7的移动方向，虚线表示超声速燃料液滴气雾。

其中，滑移弧柱7在扩张型电极通道内往复移动，不存在电弧长时间驻留的引弧点，由于引弧位置不固定，可减轻电弧对电极的烧蚀作用，另外加上气雾对电极54的冷却作用，使得电极54的抗烧蚀能力较强，从而延长电极54的使用寿命；在支板尾部阵列式布置的扩张型放电通道，能在超声速气流流场中形成逆压梯度，诱导流向涡的形成，有利于燃料与超声速气流的掺混。

本发明中电极54与高频高压功率源电连接，根据功率源特性，滑移弧放电可产生平衡和非平衡等离子体，且滑移弧放电过程可控制，能量效率高。

本发明中喷油杆6插入支板本体1的尾部内，喷油杆6采用插入式分立设计，可以根据燃烧组织过程的需要，更换喷油杆6，以调节液态燃料喷孔61的大小、数量、方向，进而调节燃料流量。

其中，所述喷油杆6贯穿各所述凹槽52，所述喷油杆6上在贯穿各所述凹槽52的位置处均设有所述液态燃料喷孔61，从而使得从液态燃料喷孔61内喷出的液态燃料能够流经滑移弧放电区域，从而被点燃；其中，各所述液态燃料喷孔61均为阵列式液态燃料喷孔，能够扩大喷雾范围，有利于喷雾燃烧。

本发明中所述支板本体1下端设有多个支板固定脚3，所述支板本体1通过所述支板固定脚3安装在所述安装基板2上。其中，所述多个支板固定脚3中的其中一个支板固定脚3内部设有通孔，所述通孔上端与所述喷油杆6的空腔下端相连通，所述通孔下端连接有液态燃料入口接嘴4，液态燃料通过支板固定脚3进入喷油杆6，再从喷油杆6上的液态燃料喷孔61内喷出。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器，其特征在于，包括安装基板(2)，所述安装基板(2)上设有支板本体(1)，所述支板本体(1)的尾部设有阵列式滑移弧放电模块，所述阵列式滑移弧放电模块与高频高压功率源电连接，所述支板本体(1)的尾部内部插设有喷油杆(6)，所述喷油杆(6)内部设有空腔，所述喷油杆(6)上设有与所述空腔相连通的液态燃料喷孔(61)，所述阵列式滑移弧放电模块包括多个沿所述支板本体(1)的尾部长度方向间隔均布的滑移弧放电模块(5)，各所述滑移弧放电模块(5)均包括凹槽(52)，凹槽的上端面(51)和凹槽的下端面(53)为对称设置的滑移弧结构，所述凹槽的上端面(51)和凹槽的下端面(53)之间的距离由内到外依次增大，所述凹槽的上端面(51)和凹槽的下端面(53)上均镶嵌有电极(54)，所述电极(54)与所述高频高压功率源电连接。

2.根据权利要求1所述的滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器，其特征在于，所述喷油杆(6)贯穿各所述凹槽(52)，所述喷油杆(6)上在贯穿各所述凹槽(52)的位置处均设有所述液态燃料喷孔(61)。

3.根据权利要求2所述的滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器，其特征在于，各所述液态燃料喷孔(61)均为阵列式液态燃料喷孔。

4.根据权利要求1所述的滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器，其特征在于，所述支板本体(1)下端设有多个支板固定脚(3)，所述支板本体(1)通过所述支板固定脚(3)安装在所述安装基板(2)上。

5.根据权利要求4所述的滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器，其特征在于，多个所述支板固定脚(3)中的其中一个支板固定脚(3)内部设有通孔，所述通孔上端与所述喷油杆(6)的空腔下端相连通，所述通孔下端连接有液态燃料入口接嘴(4)。

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