CN110107406A - 一种阳极自冷却式等离子体点火器 - Google Patents

Abstract

一种阳极自冷却式等离子体点火器，点火器阴极、绝缘套和阴极安装座同轴安装在点火器核心层内腔，绝缘套下端外表面与点火器核心层内表面之间形成气体通道；点火器阴极固定在阴极安装座内，并使引弧端伸出绝缘套的下端面后在电离区与点火器核心层之间形成高温电弧，从而在电离区产生高温等离子体。本发明的点火器外壳与点火器内隔层之间有一级冷却通道，点火器内隔层与点火器核心层之间有二级冷却通道。本发明提高了等离子体点火器的工作可靠性，延长了点火器的使用寿命，并且极大地简化了将现有等离子体点火器在航空发动机上应用的进气装置，更有利于等离子体点火器在航空发动机燃烧室对点火器尺寸、进气形式等有特殊要求的动力装置上的应用。

Description

一种阳极自冷却式等离子体点火器

技术领域

本发明涉及能源动力领域动力装置的等离子体点火与燃烧强化技术，具体是一种阳极自冷却式等离子体点火器。

背景技术

随着能源动力装置的快速发展，对极端条件下点火与熄火后再点火技术提出了更高的要求。目前我国航空发动机燃烧室中的点火装置存在点火能量低，点火边界窄，熄火后难以再次进行点火启动，很难满足燃烧室在宽参数变化条件特别是极端条件下对可靠点火与燃烧强化技术的要求。

等离子体点火技术具有点火温度高、能量大、化学活性强等技术优势和特点，能够提高发动机在高机动、恶劣条件下的点火可靠性，扩大点火范围。美、俄等航空发达国家十分重视等离子体点火技术的研究和发展，纷纷开展了将等离子体点火技术应用于航空航天动力装置中的研究工作。1992年，美国GE公司以发动机主燃烧室或加力燃烧室为应用对象申请了等离子体点火系统的专利。2009年中国科技大学与皖能集团联合研发“电站锅炉等离子体煤粉点火系统”，具有点火热效率高，适应工况范围广等特点。但上述等离子体点火装置体积和重量大、结构复杂，无法满足航空发动机等动力装置对小型化点火装置的需求。空军工程大学针对上述特点在2013年提出了一种航空发动机空气旋流等离子体点火器，专利授权号为ZL 201310084697.0，该点火器实现了体积和重量小、结构简单、使用和维护方便等特点，但点火器电极烧蚀严重，会降低点火器的工作可靠性和使用寿命。针对此问题，空军工程大学2014年提出了一种拉长电弧等离子体射流点火器，专利授权号为ZL201410568885.5，该点火器通过点火器内腔及阳极的结构，使得电弧弧根不与阳极通道的内壁面接触，而是穿过阳极喷口，与阳极外表面直接接触，电弧电压升高，在驱动电源输出功率一定的情况下，电弧电流降低，减轻对电极的烧蚀，但点火器工作可靠性与寿命仍无法满足发动机长时间工作的要求。

因此本发明研制一种阳极自冷却式等离子体点火器，通过结构设计使得流入点火器的工作介质气体流经内部结构形成的气体通道，利用工作介质气体对阳极材料进行冷却，达到进一步减轻电极材料烧蚀、提高点火器工作可靠性与寿命的目的。同时，本发明不需要专门的管路对其供气，利用发动机燃烧室二股通道内的气流引入等离子体点火器内腔形成高温等离子体射流。

发明内容

为克服现有技术中存在的点火器工作可靠性与寿命仍无法满足发动机长时间工作要求的不足，本发明提出了一种阳极自冷却式等离子体点火器。

本发明包括点火器外壳、点火器内隔层、点火器核心层、点火器阴极、绝缘套和阴极安装座组成，其特征在于，所述绝缘套安装在点火器核心层内腔；该绝缘套上端与点火器核心层上端干涉配合，绝缘套下端外表面与点火器核心层内表面之间有间隙，并有该间隙形成气室；所述点火器核心层的圆周上均布有径向的通孔，该通孔形成气体通道。所述绝缘套下端外径与点火器核心层下端内径的比值为5：8。点火器阴极与阴极安装座均位于该绝缘套套内，并使该点火器阴极的外螺纹端装入阴极安装座下端端面中心的阴极安装座安装孔内。所述阴极安装座的下端面安放在所述绝缘套内圆周表面上径向凸出的定位凸台上。所述点火器阴极的另一端为引弧端；该引弧端伸出绝缘套的下端面并位于电离区内；所述引弧端在电离区内与点火器核心层之间形成高温电弧，电弧将电离区的工作介质气体电离产生高温等离子体。点火器内隔层上端的内螺纹与位于点火器核心层中段的外螺纹连接，点火器内隔层内表面与点火器核心层外表面的间隙形成了二级冷却通道。

所述点火器阴极、绝缘套和阴极安装座同轴。所述绝缘套的内圆周表面与所述阴极安装座的外圆周表面之间干涉配合。

所述点火器内隔层内表面与点火器核心层外表面之间的间隙为2～3mm。

所述点火器壳体外层上有椭圆形的点火器进气孔，该点火器进气孔横截面几何中心的中心线与该点火器壳体的轴线垂直相交，并且该点火器进气孔横截面几何中心至点火器外壳下端面的垂直距离h₅＝30～40mm。点火器外壳内表面与点火器内隔层外表面之间形成一级冷却通道，下端端盖与点火器内隔层下端面配合，点火器外壳下端端盖外缘处有斜倒角，在垂直斜倒角表面均布18～24个三级冷却孔，冷却孔直径为0.5～2mm，冷却孔中心线方向与点火器轴线方向成45°～60°的夹角。

所述点火器内隔层的中部有上、下两排内隔层进气孔，并且各内隔层进气孔的中心线均与该点火器内隔层的中心线垂直相交；下排进气孔的中心与该点火器内隔层下端面之间的轴向距离h₃为20～40mm，上排进气孔的中心与点火器内隔层下端面的轴向距离h₄为50～60mm；每排进气孔的数量为4～6个，内隔层进气孔的直径均为3mm。点火器内隔层内表面与点火器核心层外表面之间形成气体通道，且点火器内隔层内部凸台与点火器核心层中段外部锥形台配合，将所述气体通道分割成隔绝的两部分，上部气体通道中的工作介质气体由上排内隔层进气孔进入，从上排核心层进气孔流出，进入到电离区，下部气体通道即为所述二级冷却通道，工作介质气体从下排内隔层进气孔进入二级冷却通道，从下排核心层进气孔流出，进入到电离区，点火器内隔层下端端盖中心处有喷口，喷口处垂直内表面均布3～6个二级冷却孔，喷口周向均布10～12个供工作介质气体流通的一级冷却孔。

所述点火器核心层的壳体上有上、下两排核心层进气孔，并且各所述核心层进气孔的中心线均与该点火器核心层的中心线垂直相交；所述下排进气孔的中心距离点火器核心层下端面的轴向距离h₁为30～40mm，上排进气中心孔距离点火器核心层下端面的轴向距离h₂为50～60mm；每排进气孔的数量为4～6个，核心层进气孔的直径均为2mm，点火器核心层7内表面与绝缘套外表面之间形成气体通道，该气体通道的径向距离保持1～3mm，工作介质气体从核心层进气孔进入气体通道以后，在点火器阴极下端的气体通道，即电离区，被高温电弧击穿产生等离子体。

所述点火器阴极的外螺纹端固定在阴极安装座底端，点火器阴极的引弧端伸出绝缘套的下端面，并与点火器核心层下端面的轴向距离保持在20～30mm之间。阴极的引弧端为锥体，引弧端的下端面带斜倒角或者为圆球型，并与点火器核心层内表面保持1～3mm的径向距离。

所述绝缘套上端与点火器核心层上端干涉配合，绝缘套下端外表面与点火器核心层内表面之间形成气体通道；绝缘套中心内孔的孔径与阴极安装座的外径为干涉配合。

所述阴极安装座同轴安装于绝缘套内腔，通过绝缘套内腔的凸台固定，阴极安装座的顶端与点火器电源电缆中的阴极接线柱接触，底端的螺纹孔用于安装点火器阴极。

本发明提出了一种结构紧凑、工作可靠性高和寿命长的阳极自冷却式等离子体点火器。

与现有技术相比较，本发明具有以下效果和优点：

1、本发明在现有等离子体点火器的基础上，将点火器的阳极设计成由点火器外壳、点火器内隔层和点火器核心层三部分组成，并且在点火器外壳和点火器内隔层之间设计有一级冷却通道，点火器内隔层和点火器核心层之间设计有二级冷却通道，当本发明加装在发动机燃烧室时，发动机燃烧室二股通道内的气流就会从点火器进气孔进入到等离子体点火器内腔，部分气流沿一级冷却通道末端的一级冷却孔、二级冷却孔和三级冷却孔流出点火器内腔，另一部分气流从内隔层进气孔进入到二级冷却通道，这样可以充分利用发动机燃烧室二股通道内的气流对等离子体点火器进行冷却，提高了等离子体点火器的工作可靠性，使点火器的工作使用寿命延长了2倍以上；

2、与现有等离子体点火器相比，本发明无需设置专门的管路给点火器供气，一种阳极自冷却式等离子体点火器能够直接将主燃烧室二股通道内的气流通过点火器外壳上的椭圆形进气孔引入到点火器内腔，极大地简化了将现有等离子体点火器在航空发动机上应用的进气装置，更有利于等离子体点火器在航空发动机燃烧室对点火器尺寸、进气形式等有特殊要求的动力装置上的应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的剖视图。

图3是点火器核心层的结构示意图，其中图3a是主视图，图3b是图3a的剖示图。

图4是点火器内隔层的结构示意图，其中其中图4a是主视图，图4b是图4a的剖示图，图4c是图4a中A部位的局部放大图，图4d是图4b中B部位的局部放大图。

图5是点火器外壳的结构示意图，其中图5a是主视图，图5b是图5a的剖示图。

图6是绝缘套的结构示意图，其中图6a是主视图，图6b是图6a的剖示图。

图7是阴极安装座的结构示意图，其中图7a是主视图，图7b是图7a的剖示图。

图8是点火器阴极的结构示意图，其中图8a是主视图，图8b是图8a的剖示图。

图中：1.点火器外壳；2.点火器内隔层；3.点火器核心层；4.点火器阴极；5.绝缘套；6.阴极安装座；7.核心层进气孔；8.内隔层进气孔；9.电离区；10.二级冷却通道；11.一级冷却通道；12.三级冷却孔；13.二级冷却孔；14.一级冷却孔；15.点火器进气孔；16.斜倒角；17.引弧端。

具体实施方式

本实施例是一种阳极自冷却式等离子体点火器，包括点火器外壳1、点火器内隔层2、点火器核心层3、点火器阴极4、绝缘套5、阴极安装座6。其中：

所述点火器阴极4与阴极安装座6均位于所述绝缘套5套内，并使该点火器阴极4的外螺纹端装入阴极安装座6下端端面中心的阴极安装座安装孔内。所述阴极安装座的下端面安放在所述绝缘套内圆周表面上径向凸出的定位凸台上。所述点火器阴极4的另一端为引弧端17；该引弧端伸出绝缘套5的下端面并位于电离区9内；所述引弧端17在电离区9内与点火器核心层3之间形成高温电弧，电弧将电离区9的工作介质气体电离产生高温等离子体。点火器内隔层2上端的内螺纹与位于点火器核心层3中段的外螺纹连接，点火器内隔层2内表面与点火器核心层3外表面之间有2～3mm的间隙，该间隙形成了二级冷却通道10。

所述点火器阴极4、绝缘套5和阴极安装座6同轴。

所述绝缘套的内圆周表面与所述阴极安装座的外圆周表面之间干涉配合。

所述点火器阴极4、绝缘套5和阴极安装座6安装在点火器核心层3内腔，绝缘套5上端与点火器核心层3上端干涉配合，绝缘套5下端外表面与点火器核心层3内表面之间有间隙，并有该间隙形成气室；所述点火器核心层的圆周上均布有径向的通孔，该通孔形成气体通道。所述绝缘套5下端外径与点火器核心层3下端内径的比值为5：8。

所述点火器外壳1为中空腔体结构。该点火器外壳1壳体上有有椭圆形的点火器进气孔15。该点火器进气孔横截面几何中心的中心线与该点火器壳体的轴线垂直相交，并且该点火器进气孔横截面几何中心至点火器外壳1下端面的垂直距离h₅＝30～40mm。点火器外壳1内表面与点火器内隔层2外表面之间形成一级冷却通道11，下端端盖与点火器内隔层2下端面配合，点火器外壳1下端端盖外缘处有斜倒角16，在垂直斜倒角16表面均布18～24个三级冷却孔12，冷却孔直径为0.5～2mm，冷却孔中心线方向与点火器轴线方向成45°～60°的夹角。

所述点火器内隔层2为中空腔体结构。在该点火器内隔层2的中部有上、下两排内隔层进气孔8，并且各内隔层进气孔的中心线与该点火器内隔层的中心线垂直相交；下排进气孔的中心与该点火器内隔层8下端面之间的轴向距离h₃为20～40mm，上排进气孔的中心与点火器内隔层8下端面的轴向距离h₄为50～60mm；每排进气孔的数量为4～6个，内隔层进气孔8的直径均为3mm，点火器内隔层2内表面与点火器核心层3外表面之间形成气体通道，且点火器内隔层2内部凸台与点火器核心层3中段外部锥形台配合，将所述气体通道分割成隔绝的两部分，上部气体通道中的工作介质气体由上排内隔层进气孔8进入，从上排核心层进气孔7流出，进入到电离区9，下部气体通道即为所述二级冷却通道10，工作介质气体从下排内隔层进气孔8进入二级冷却通道10，从下排核心层进气孔7流出，进入到电离区9，点火器内隔层2下端端盖中心处有喷口，喷口处垂直内表面均布3～6个二级冷却孔13，喷口周向均布10～12个供工作介质气体流通的一级冷却孔14。

所述点火器核心层3为中空腔体结构，该点火器核心层3的壳体上有上、下两排核心层进气孔7，并且各所述核心层进气孔的中心线均与该点火器核心层的中心线垂直相交；所述下排进气孔的中心距离点火器核心层3下端面的轴向距离h₁为30～40mm，上排进气中心孔距离点火器核心层3下端面的轴向距离h₂为50～60mm。每排进气孔的数量为4～6个，核心层进气孔7的直径均为2mm，点火器核心层7内表面与绝缘套5外表面之间形成气体通道，该气体通道的径向距离保持1～3mm，工作介质气体从核心层进气孔7进入气体通道以后，在点火器阴极4下端的气体通道，即电离区9，被高温电弧击穿产生等离子体。

所述点火器阴极4的外螺纹端固定在阴极安装座6底端，点火器阴极4的引弧端17伸出绝缘套5的下端面，并与点火器核心层3下端面的轴向距离保持在20～30mm之间。阴极的引弧端17为锥体，引弧端17的下端面带斜倒角或者为圆球型，并与点火器核心层3内表面保持1～3mm的径向距离。

所述绝缘套5上端与点火器核心层3上端干涉配合，绝缘套5下端外表面与点火器核心层3内表面之间形成气体通道；绝缘套5中心内孔的孔径与阴极安装座6的外径为干涉配合。

所述阴极安装座6同轴安装于绝缘套5内腔，通过绝缘套5内腔的凸台固定，阴极安装座6的顶端与点火器电源电缆中的阴极接线柱接触，底端的螺纹孔用于安装点火器阴极4。

Claims (9)

1.一种阳极自冷却式等离子体点火器，包括点火器外壳、点火器内隔层、点火器核心层、点火器阴极、绝缘套和阴极安装座组成，其特征在于，所述绝缘套安装在点火器核心层内腔；该绝缘套上端与点火器核心层上端干涉配合，绝缘套下端外表面与点火器核心层内表面之间有间隙，并有该间隙形成气室；所述点火器核心层的圆周上均布有径向的通孔，该通孔形成气体通道；所述绝缘套下端外径与点火器核心层下端内径的比值为5：8；点火器阴极与阴极安装座均位于该绝缘套套内，并使该点火器阴极的外螺纹端装入阴极安装座下端端面中心的阴极安装座安装孔内；所述阴极安装座的下端面安放在所述绝缘套内圆周表面上径向凸出的定位凸台上；所述点火器阴极的另一端为引弧端；该引弧端伸出绝缘套的下端面并位于电离区内；所述引弧端在电离区内与点火器核心层之间形成高温电弧，电弧将电离区的工作介质气体电离产生高温等离子体；点火器内隔层上端的内螺纹与位于点火器核心层中段的外螺纹连接，点火器内隔层内表面与点火器核心层外表面的间隙形成了二级冷却通道。

2.如权利要求1所述阳极自冷却式等离子体点火器，其特征在于，所述点火器阴极、绝缘套和阴极安装座同轴；所述绝缘套的内圆周表面与所述阴极安装座的外圆周表面之间干涉配合。

3.如权利要求1所述阳极自冷却式等离子体点火器，其特征在于，所述点火器内隔层内表面与点火器核心层外表面之间的间隙为2～3mm。

4.如权利要求1所述阳极自冷却式等离子体点火器，其特征在于，所述点火器壳体外层上有椭圆形的点火器进气孔，该点火器进气孔横截面几何中心的中心线与该点火器壳体的轴线垂直相交，并且该点火器进气孔横截面几何中心至点火器外壳下端面的垂直距离h₅＝30～40mm；点火器外壳内表面与点火器内隔层外表面之间形成一级冷却通道，下端端盖与点火器内隔层下端面配合，点火器外壳下端端盖外缘处有斜倒角，在垂直斜倒角表面均布18～24个三级冷却孔，冷却孔直径为0.5～2mm，冷却孔中心线方向与点火器轴线方向成45°～60°的夹角。

5.如权利要求1所述阳极自冷却式等离子体点火器，其特征在于，所述点火器内隔层的中部有上、下两排内隔层进气孔，并且各内隔层进气孔的中心线均与该点火器内隔层的中心线垂直相交；下排进气孔的中心与该点火器内隔层下端面之间的轴向距离h₃为20～40mm，上排进气孔的中心与点火器内隔层下端面的轴向距离h₄为50～60mm；每排进气孔的数量为4～6个，内隔层进气孔的直径均为3mm；点火器内隔层内表面与点火器核心层外表面之间形成气体通道，且点火器内隔层内部凸台与点火器核心层中段外部锥形台配合，将所述气体通道分割成隔绝的两部分，上部气体通道中的工作介质气体由上排内隔层进气孔进入，从上排核心层进气孔流出，进入到电离区，下部气体通道即为所述二级冷却通道，工作介质气体从下排内隔层进气孔进入二级冷却通道，从下排核心层进气孔流出，进入到电离区，点火器内隔层下端端盖中心处有喷口，喷口处垂直内表面均布3～6个二级冷却孔，喷口周向均布10～12个供工作介质气体流通的一级冷却孔。

6.如权利要求1所述阳极自冷却式等离子体点火器，其特征在于，所述点火器核心层的壳体上有上、下两排核心层进气孔，并且各所述核心层进气孔的中心线均与该点火器核心层的中心线垂直相交；所述下排进气孔的中心距离点火器核心层下端面的轴向距离h₁为30～40mm，上排进气中心孔距离点火器核心层下端面的轴向距离h₂为50～60mm；每排进气孔的数量为4～6个，核心层进气孔的直径均为2mm，点火器核心层7内表面与绝缘套外表面之间形成气体通道，该气体通道的径向距离保持1～3mm，工作介质气体从核心层进气孔进入气体通道以后，在点火器阴极下端的气体通道，即电离区，被高温电弧击穿产生等离子体。

7.如权利要求1所述阳极自冷却式等离子体点火器，其特征在于，所述点火器阴极的外螺纹端固定在阴极安装座底端，点火器阴极的引弧端伸出绝缘套的下端面，并与点火器核心层下端面的轴向距离保持在20～30mm之间；阴极的引弧端为锥体，引弧端的下端面带斜倒角或者为圆球型，并与点火器核心层内表面保持1～3mm的径向距离。

8.如权利要求1所述阳极自冷却式等离子体点火器，其特征在于，所述绝缘套上端与点火器核心层上端干涉配合，绝缘套下端外表面与点火器核心层内表面之间形成气体通道；绝缘套中心内孔的孔径与阴极安装座的外径为干涉配合。

9.如权利要求1所述阳极自冷却式等离子体点火器，其特征在于，所述阴极安装座同轴安装于绝缘套内腔，通过绝缘套内腔的凸台固定，阴极安装座的顶端与点火器电源电缆中的阴极接线柱接触，底端的螺纹孔用于安装点火器阴极。