CN110961253B - 一种用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，该装置的不锈钢圆筒的直径小于开孔石英管的直径，二者通过一号异径接头同轴连接，开孔石英管的直径小于接地外壳的直径，二者通过二号异径接头同轴连接；开孔橡胶塞插入开孔石英管的管壁，石英套管贯穿开孔橡胶塞插入开孔石英管内部，金属棒包括长边和短边，长边和短边互相垂直呈“L”形，金属棒的长边位于开孔石英管和接地外壳的轴线处，金属棒的短边向上穿出石英套管。解决现有技术中的线筒式荷电装置因绝缘材料失效等原因所产生的爬电和局部击穿等现象，提供了一种用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，保证了各部件之间的绝缘性，大大降低了实验过程中的安全隐患。

Description

一种用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置

技术领域

本发明公开了一种用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，属于航空发动机技术领域。

背景技术

在一些特定的运行工况下，航空发动机处于富油燃烧状态，不可避免地产生一些碳烟颗粒，因不完全燃烧而产生的大量的碳烟颗粒会沉积在发动机喷油嘴的表面，影响燃油的雾化与燃烧效果，严重时会导致喷嘴堵塞，造成空中停车事故。积碳类故障的危害巨大，而现有的积碳抑制手段都或多或少地影响发动机的工作性能，且无法彻底地消除积碳，因此如何在保证发动机正常工作的条件下，抑制积碳类故障的发生，成了航空发动机关键瓶颈问题之一。

利用连续可调的静电场清除积碳具有巨大的优势以及潜力，一方面电场能够对带电物体产生力的作用，从而使其做定向运动，另一方面静电场可以通过电晕放电的方式使原本不带电的细小颗粒物带上一定量的电荷(此过程被称为荷电)，由此可知，在航空发动机喷嘴处引入特定形式的电场可以实现使碳烟颗粒定向远离的目的，有效地防止了碳烟在喷嘴处的沉积，并从根本上使积碳类问题得以解决。目前对于这方面的研究尚处于起步阶段，为了能够顺利地完成对颗粒物的荷电特性以及带电颗粒的运动规律等相关问题的研究，诚需一种能承受较大放电电压的固态颗粒物荷电装置。

在众多荷电装置中，线筒式荷电装置产生的电场较为均匀，且放电稳定，因而得到了较为广泛的应用，传统的线筒式荷电装置是通过事先在筒状接地外壳的侧壁面某处开出特定尺寸的圆孔，将用于放电的电晕电极由侧壁上的圆孔插入装置中的方式构造出了能够产生电晕放电的线筒式电极，尽管采用了陶瓷或刚玉等绝缘材料对电晕电极与接地外壳之间进行了绝缘处理，但这样的结构不可避免地会使实验装置因绝缘材料失效等原因产生爬电现象，严重时也可导致放电极与接地极在连接处局部击穿而使装置失效，这一系列问题极大地限制了线筒式荷电装置所能承受的最高放电电压，同时也给使用者带来了一定的安全隐患，此外颗粒物在实验装置内的沉积对后续的实验精度也存在不利影响。

发明内容

本发明目的是为解决现有技术中的线筒式荷电装置因绝缘材料失效等原因所产生的爬电和局部击穿等现象，提供了一种用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，保证了各部件之间的绝缘性，大大降低了实验过程中的安全隐患。

本发明为达此目的，采用以下技术方案：一种用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置包括不锈钢圆筒、一号异径接头、开孔石英管、开孔橡胶塞、石英套管、金属棒、二号异径接头和接地外壳；所述不锈钢圆筒的直径小于开孔石英管的直径，二者通过一号异径接头同轴连接，所述开孔石英管的直径小于接地外壳的直径，二者通过二号异径接头同轴连接；所述开孔石英管的管壁一侧设置有通孔一，所述开孔橡胶塞插入通孔一，所述开孔橡胶塞设置有通孔二，所述石英套管贯穿通孔二插入开孔石英管内部，所述金属棒包括长边和短边，所述长边和短边互相垂直呈“L”形，所述金属棒的长边位于开孔石英管和接地外壳的轴线处，所述金属棒的短边向上穿出石英套管。

优选地，所述金属棒作为电晕电极，所述金属棒的短边作为导电端与高压电源的放电极相连，用于传导放电电压，所述金属棒的长边作为放电端与接地外壳构成线筒式电极，通过电晕放电对进入接地外壳中的固态颗粒物进行荷电处理。

优选地，所述石英套管的长度小于金属棒的短边，二者的底部对齐，并在金属棒的短边顶部预留出多余的金属棒用于连接导线。

优选地，所述金属棒的短边与石英套管通过在之间的空隙中填充耐高温粘合剂固定连接。

优选地，所述一号异径接头和二号异径接头的材质为硅橡胶。

优选地，所述开孔橡胶塞的材质为硅橡胶。

优选地，所述开孔橡胶塞与石英套管通过余隙配合紧密连接。

本发明所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置的工作原理为：

利用电场抑制喷嘴积碳的关键在于对碳烟颗粒的荷电处理，连续可调电场成为抑制喷嘴积碳的有效措施，一方面，通过连续可调的电场在喷嘴附近产生电晕放电，对该区域的固态碳烟颗粒进行荷电处理，由于同种电性的相互排斥的作用，带电颗粒之间难以因碰撞而产生二次聚集和成核现象；另一方面，带电颗粒会在电场的作用下定向运动，从而有效地防止其在喷嘴处的沉积。

本发明提供了一种用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，该装置主要由入口段、导电段、放电段三部分组成，其中导电段由金属棒、石英套管、开孔橡胶塞以及在侧壁开孔的石英管构成，金属棒在导电段处与高压电源的放电极相连，并在放电段与接地外壳构成了线筒式电极，通过在一定温度条件下电晕放电，对由入口段进入到实验装置放电段的固态颗粒物进行荷电。该装置采用了特殊的“三段结构”，增强了放电电极与接地外壳等其他金属部件之间得绝缘性，从而使装置所能承受的放电电压也远高于传统的线筒式荷电装置，避免了爬电现象的发生。本发明中的开孔橡胶塞与异径接头等密封原件均采用可加工橡胶类材料制作而成，通过余隙配合实现不同部件间的连接与固定，可自由拆卸，能够定期地对装置内部残留的颗粒物进行清理，保证后续的实验精度。此外，本发明设计了特殊结构的异径接头，有效地防止了颗粒物在装置的在异径连接处因流场的扰动而产生大量沉积的现象。

相比于传统的荷电装置，本发明所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置的有益效果为：

(1)、本发明所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置由三段功能不同的部件同轴连接而成，各部件间通过可加工橡胶类材料的密封元件固定并密封，在满足实验装置密封要求的同时可自由拆卸，方便对装置内残留的固体颗粒进行清理，保证后续的实验精度，同时，放电金属棒与开孔橡胶塞是通过余隙配合连接在一起的，二者之间也可自由拆卸或调整位置，故而可以较为方便地更换不同尺寸、材料、形状的电极进行实验，且能够定期地对装置内部残留的颗粒物进行清理，保证后续的实验精度。

(2)、本发明所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置利用开孔石英管与开孔橡胶塞实现了实验装置与放电金属棒之间的连接与固定，装置的导电段的主要功能是将高压电源所提供的放电电压提供给金属棒，其主体部件是具有良好绝缘性的石英管，该设计大大提高了金属棒的短边导电端与接地外壳和不锈钢圆筒之间的击穿电压，有效地保证了放电金属棒与装置中其他金属部件之间的绝缘性，使得该装置能够承受更大的放电。此外连接件由耐高温的绝缘材料制成，保证了各部件之间的绝缘性，大大降低了实验过程整的安全隐患。

(3)、本发明所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，同轴连接的各部件的尺寸各不相同，为防止固态颗粒物在异径连接处大量沉积，将各异径接头通孔的末端做成喇叭筒状“渐扩结构”，此外异径接头采用绝缘的橡胶类材料制成，不会对放电段的电场分布造成影响，有效地防止了颗粒物在装置的在异径连接处因流场的扰动而产生大量沉积的现象。

附图说明

图1是本发明所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置的结构示意图；

图2是本发明所述的异径接头结构示意图，其中一号异径接头与二号异径接头统称为异径接头，尺寸不同结构相同，其中A表示异径接头的通孔直径，B表示异径接头的外径，C表示两个同轴连接部件中直径较小的部件的壳体厚度；

图中：1-不锈钢圆筒；2-一号异径接头；3-开孔石英管；4-开孔橡胶塞；5-石英套管；6-L形金属棒；7-二号异径接头；8-接地外壳。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

具体实施方式一、参见图1-图2说明本实施方式，本实施方式所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置包括不锈钢圆筒1、一号异径接头2、开孔石英管3、开孔橡胶塞4、石英套管5、金属棒6、二号异径接头7和接地外壳8；所述不锈钢圆筒1的直径小于开孔石英管3的直径，二者通过一号异径接头2同轴连接，所述开孔石英管3的直径小于接地外壳8的直径，二者通过二号异径接头7同轴连接；所述开孔石英管3的管壁一侧设置有通孔一，所述开孔橡胶塞4插入通孔一，所述开孔橡胶塞4设置有通孔二，所述石英套管5贯穿通孔二插入开孔石英管3内部，所述金属棒6包括长边和短边，所述长边和短边互相垂直呈“L”形，所述金属棒6的长边位于开孔石英管3和接地外壳8的轴线处，所述金属棒6的短边向上穿出石英套管5。

所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置主要由入口段、导电段、放电段三部分组成，形成“三段结构”，其中导电段由金属棒6、石英套管5、开孔橡胶塞4以及在侧壁开孔的石英管3构成，入口段由不锈钢圆筒1和一号异径接头2组成，放电段由接地外壳8和二号异径接头7组成。所述不锈钢圆筒1、一号异径接头2、开孔石英管3、二号异径接头7和接地外壳8依次同轴连接。

所述金属棒6作为电晕电极，所述金属棒6的短边作为导电端与高压电源的放电极相连，用于传导放电电压，所述金属棒6的长边作为放电端与接地外壳8构成线筒式电极，通过电晕放电对进入接地外壳8中的固态颗粒物进行荷电处理。

所述石英套管5的长度小于金属棒6的短边，二者的底部对齐，并在金属棒6的短边顶部预留出多余的金属棒用于连接导线。所述金属棒6的短边与石英套管5通过在之间的空隙中填充耐高温粘合剂固定连接。所述开孔橡胶塞4与石英套管5通过余隙配合紧密连接。

所述石英套管5套在金属棒6的短边外周，即导电端外部，为其提供绝缘保护，石英套管5的长度略小于金属棒6的短边，二者的底部对齐，并在顶部预留出多余的金属棒用于连接导线，通过在金属棒6的短边与石英套管5的空隙中填充耐高温粘合剂来使石英套管5与金属棒6组合成为一体结构。石英套管5插入到开孔橡胶塞4的通孔中，利用橡胶塞自身的弹性余隙配合实现固定与密封，随后开孔橡胶塞4插入到开孔石英管3侧壁面上的圆孔中，其作用在于固定金属棒6位置的同时保证实验装置的密封。为了防止装置在实验过程中出现局部击穿的现象，实验前需保证金属棒6的长边与开孔石英管3的轴线重合。

所述一号异径接头2和二号异径接头7为自主设计的非标准密封件，材质为硅橡胶，可承受的最高温度为280℃，其结构如图2所示，其中A表示异径接头的通孔直径，B为接头的外径，C等于两个同轴连接部件中直径较小的部件的壳体厚度，将通孔的末端设计成喇叭筒状的“渐扩结构”，从而消除了因异径连接而产生的“凸台结构”，使送料气流在不同部件连接处平缓过度，有效地防止了因通道直径突变而造成的颗粒沉积现象。异径接头的外径B以及通孔直径A跟据根据连接部件的尺寸以及实验的密封要求决定。

所述开孔橡胶塞4的材质为硅橡胶，最高可承受280℃的高温，通过将其插入开孔石英管3侧壁处的通孔一中来实现金属棒6的固定以及导电段的密封，开孔橡胶塞4的具体尺寸依据实验的装置内部压力密封要求等条件决定。

本发明所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置的具体操作过程为：

实验过程中，作为实验对象的固态颗粒经气力输送由不锈钢圆筒1进入实验装置中，在放电段内通过电场荷电的形式带上一定量的电荷，实验的温度范围在25℃-270℃，如无特殊需要，应尽量保证实验装置内部处于常压状态根据相关文献资料显示，压力对颗粒物的荷电情况无太大影响。实验前对接地外壳8进行接地处理，并在接地回路中串联微安电流表用于测量回路中的二次电流，以此来判断实验装置内部的放电状态，即当电流表能够检测到10^-6A级别的二次电流时，装置内部处于电晕放电状态，即放电电极通过电离装置内部的气体介质，产生大量的带电粒子，其中与放电电极所带电性相同的粒子在线筒式电极所产生的电场的作用下向接地极运动，与进入这一放电区域的颗粒发生碰撞，由此使颗粒带电，这一过程称之为电场荷电或场致荷电，带电后的颗粒有放电段的出口排除，并跟据实验者的需要作进一步的处理。需要注意的是若二次电流出现阶跃性增长，且持续保持较大的数值则说明荷电装置处于击穿状态，需尽快降低电源输出电压。

虽然本发明已以明确的数据和实施例公开，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的本质范围内，都可以做适当的参数修改，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，其特征在于，包括不锈钢圆筒(1)、一号异径接头(2)、开孔石英管(3)、开孔橡胶塞(4)、石英套管(5)、金属棒(6)、二号异径接头(7)和接地外壳(8)；所述不锈钢圆筒(1)的直径小于开孔石英管(3)的直径，二者通过一号异径接头(2)同轴连接，所述开孔石英管(3)的直径小于接地外壳(8)的直径，二者通过二号异径接头(7)同轴连接；所述开孔石英管(3)的管壁一侧设置有通孔一，所述开孔橡胶塞(4)插入通孔一，所述开孔橡胶塞(4)设置有通孔二，所述石英套管(5)贯穿通孔二插入开孔石英管(3)内部，所述金属棒(6)包括长边和短边，所述长边和短边互相垂直呈“L”形，所述金属棒(6)的长边位于开孔石英管(3)和接地外壳(8)的轴线处，所述金属棒(6)的短边向上穿出石英套管(5)；

所述金属棒(6)作为电晕电极，所述金属棒(6)的短边作为导电端与高压电源的放电极相连，用于传导放电电压，所述金属棒(6)的长边作为放电端与接地外壳(8)构成线筒式电极，通过电晕放电对进入接地外壳(8)中的固态颗粒物进行荷电处理；

所述石英套管(5)的长度小于金属棒(6)的短边，为其提供绝缘保护，二者的底部对齐，并在金属棒(6)的短边顶部预留出多余的金属棒用于连接导线。

2.根据权利要求1所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，其特征在于，所述金属棒(6)的短边与石英套管(5)通过在其之间的空隙中填充耐高温粘合剂固定连接。

3.根据权利要求1所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，其特征在于，所述一号异径接头(2)和二号异径接头(7)的材质为硅橡胶，形状为喇叭筒状的“渐扩结构”。

4.根据权利要求1所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，其特征在于，所述开孔橡胶塞(4)的材质为硅橡胶。

5.根据权利要求1所述的用于固态颗粒物荷电的线筒式单极荷电装置，其特征在于，所述开孔橡胶塞(4)与石英套管(5)通过余隙配合紧密连接。

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