CN111706877B

CN111706877B - 滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器

Info

Publication number: CN111706877B
Application number: CN202010482075.3A
Authority: CN
Inventors: 吴云; 张志波; 崔巍; 贾敏; 金迪; 宋慧敏; 朱益飞; 梁华; 李应红; 李军
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2040-05-29
Also published as: CN111706877A

Abstract

提供一种滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器，由绝缘体(103)、第一放电电极(101)、第二放电电极(102)、第三放电电极(104)、第四放电电极(105)组成；第一放电电极(101)、第二放电电极(102)和第三放电电极(104)、第四放电电极(105)分别组成第一、第二组等离子体激励器；第一放电电极(101)与第四放电电极(105)分别与等离子体电源(301)的阳极相连，第二放电电极(102)与第三放电104的各个长方形电极则分别与多个耦合电容(302)中的一个相串联，多个耦合电容(302)的另一端都与等离子体电源(301)的阴极相连。已有的凹腔火焰稳定器相比，本发明的滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器利用增强的多通道滑动弧等离子体的油气活化、裂解、加热作用，能够在不改变原有凹腔火焰稳定器结构基础上，减小火焰熄灭概率，拓宽熄火边界。

Description

滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器

技术领域

本发明属于冲压发动机燃烧室设计领域，具体涉及一种滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器，适用于低马赫数条件下冲压发动机燃烧室内的稳定燃烧。

背景技术

高超声速飞行器具有突防能力强、攻击范围广、快速全球到达等突出优势，是国内外竞相研制的技术制高点。这些独特优势来源于采用了革命性的动力系统-冲压发动机。相比于涡轮发动机，冲压发动机利用来流的冲压效应使气流增压，取消了压气机与涡轮部件，结构简单，重量轻。但这同样带来一个问题，当冲压发动机工作于低马赫数条件下时，来流总压、总温降低，引起燃烧室内燃料雾化蒸发困难、燃料化学活性低，导致燃烧不稳定，存在较大的熄火风险。这给冲压发动机的稳定可靠工作带来一定的安全风险，必须极力避免。虽然通过燃烧室几何型面调整能够减缓低马赫数条件下的熄火概率。但是机械式的可调结构必然引入较多的调控机构，系统复杂，增加冲压发动机体积重量。并且，在整个飞行过程中，冲压发动机工作于低马赫数条件下的情况较少。为了防止这些偏离设计点火的工况而引入复杂的可调几何结构，在工程上是否具有价值，仍是值得考虑的问题。因此，如何拓展冲压发动机燃烧室的稳定工作范围，即熄火边界，仍是冲压发动机研制过程中需要重点的关键问题。

针对这一现状，本发明提出一种滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器，利用滑动弧等离子体特有的活性效应、温升效应来提高燃烧稳定性，拓展熄火边界，为冲压发动机的稳定工作提供技术支撑。

发明内容

有鉴于此，针对现有冲压发动机燃烧室中常采用的凹腔式火焰稳定器熄火边界窄的突出问题，本发明提出一种滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器，其特征在于，由绝缘体103、第一放电电极101、第二放电电极102、第三放电电极104、第四放电电极105、等离子体电源301、耦合电容302组成；第一放电电极101、第二放电电极102和第三放电电极104、第四放电电极105分别组成第一、第二组等离子体激励器；其中

绝缘体103由耐高温绝缘体加工而成，整体构型为超燃冲压发动机常用的凹腔结构；凹腔前壁面与底面相垂直，保证来流形成较强的回流区；凹腔后壁面则与底面呈一定角度，以减小来流的阻力损失；

第一、第二、第三、第四放电电极101、102、104、105由耐高温金属材料加工而成；第一放电电极101由一整块电极板组成，布置于凹腔前竖直壁面靠近下端的位置，与下端存有间距，第一放电电极101整体呈长条型，其长度方向与凹腔底面和前壁面的交线平行，并且，第一放电电极101采用内嵌式安装，其表面与凹腔前壁面持平，第一放电电极101整体条型结构与凹腔底面和前壁面的交线平行；第二放电电极102由多个长方形电极组成，位于凹腔底面前部，多个长方形电极形成整齐的一排，彼此间隔，这排电极整体与凹腔底面和前壁面的交线平行，并与该交线之间存有间隔，第二放电电极102的数量由火焰稳定器尺寸决定，第二放电电极102同样采用内嵌式安装，电极表面与凹腔底面持平；第三放电电极104由多个长方形电极组成，位于凹腔底面后部，第三放电电极104的形状和布置方式与第二放电电极102类同；第四放电电极105由一整块电极板组成，布置于凹腔后部倾斜壁面，其形状和布置方式与第一放电电极101类同；

第一放电电极101与第四放电电极105分别与等离子体电源301的阳极相连，第二放电电极102与第三放电104的各个长方形电极则分别与多个耦合电容302中的一个相串联，多个耦合电容302的另一端都与等离子体电源301的阴极相连；耦合电容302的数量等于第二放电电极102与第三放电电极104的长方形电极数量之和。

在本发明的一个实施例中，

绝缘体103由耐高温的陶瓷加工而成，绝缘体103的凹腔深度为5～20mm，凹腔底面长度为100～200mm，凹腔部后倾斜壁面的倾斜角度为30～60°；

第一放电电极101与凹腔同宽，高度为5～20mm；第一放电电极101与凹腔底面距离为1～5mm；第二放电电极102数量为5～20；第二放电电极102的长方形电极之间的间隔距离为10～20mm，与凹腔底部前端距离为1～5mm；第三放电电极104与凹腔底面后端距离为1～5mm；第四放电电极105与凹腔底面和后壁面的交线的沿面距离为1～5mm；

等离子体电源301输出波形为双极性；

耦合电容302的电容值需与电源功率匹配。

在本发明的一个具体实施例中，

绝缘体103的凹腔深度为15mm，凹腔底面长度为100mm，凹腔部后倾斜壁面的倾斜角度为45°；

第一放电电极101的高度为15mm，与凹腔底面距离为2mm，长方形电极的长度方向垂直于凹腔底面和前壁面的交线，宽度方向平行于凹腔底面和前壁面的交线；第二放电电极102的数量为6块；长方形电极之间的间隔距离为15mm，与凹腔底部前端距离为2mm；第三放电电极104与凹腔底面后端距离为2mm；第四放电电极105与凹腔底面和后壁面的交线的沿面距离为2mm；

等离子体电源301为正弦波电源，输出电压为0～20KV，频率不小于5KHz；耦合电容302的电容值为100～1000PF，耐压值为10～50KV。

在本发明的另一个具体实施例中，

绝缘体103由氧化铝陶瓷加工而成；

第一、第二、第三、第四放电电极101、102、104、105由镍基高温合金加工而成；

等离子体电源301输出电压为5～20KV可调，频率6～30KHz可调；耦合电容302的电容值为330PF，耐压值为30KV。

还提供一种基于上述滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定的工作方法，其特征在于：

当凹腔火焰稳定器中火焰处于不稳定工况，易熄灭时，等离子体电源301输出交流高压信号，第一、第二组等离子体激励器工作，产生大面积的等离子体区域；第一、第二等离子体通道201、202分别为第一、第二组放电电极产生的等离子体区域；所产生的等离子体作用于油气混合物，通过裂解作用将大分子转化为易于燃烧的小分子，通过加热作用提高局部温度，通过气动作用增强油气掺混，从而使得燃烧更为容易，减少熄火风险，拓展熄火边界。

本发明的滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器通过在凹腔内部施加滑动弧等离子体激励，将大分子煤油裂解为易于燃烧的小分子，提高化学反应速率，通过放电注入能量提高当地温度，增强燃烧，从而达到拓展燃烧室熄火边界的能力。

本发明的滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器在原有凹腔火焰稳定器的前后角区嵌入多个放电电极组成两组放电结构。两组放电电极均由一长方形电极构成放电阳极，由多个长方形电极构成放电阴极。当接入并联式多通道放电电路后，阴阳极之间空气击穿后导通，形成等离子体放电。在凹腔气流作用下，等离子体放电通道跟随气流运动方向运动，形成滑动弧放电。由于阴极为多电极结构，此类滑动弧放电的等离子体通道不止一条，因此将在凹腔前后角区形成大范围的等离子体区域。等离子体具有油气活化、裂解、加热作用，有助于减小熄火概率，达到稳焰作用，从而有效提升原有凹腔火焰稳定器的低马赫数熄火边界。

与已有的凹腔火焰稳定器相比，本发明的滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器利用增强的多通道滑动弧等离子体的油气活化、裂解、加热作用，能够在不改变原有凹腔火焰稳定器结构基础上，减小火焰熄灭概率，拓宽熄火边界。

附图说明

图1为本发明一种滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器的结构示意图；

图2为本发明一种滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器工作过程示意图；

图3为本发明一种滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器的电路连接示意图。

附图标记：

101、102、104、105——第一、第二、第三、第四放电电极

103——绝缘型凹腔结构体(以下简称为“绝缘体”)

201、202——第一、第二等离子体通道

301——等离子体激励电源(以下简称为“等离子体电源”)

302——等离子体放电耦合电容(以下简称为“耦合电容”)

具体实施方式

现结合附图1、附图2、附图3对本发明作进一步描述。本发明滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器由绝缘体103、第一放电电极101、第二放电电极102、第三放电电极104、第四放电电极105组成。第一放电电极101、第二放电电极102和第三放电电极104、第四放电电极105分别组成前后两组等离子体激励器。绝缘体103由耐高温的陶瓷加工而成，整体构型为超燃冲压发动机常用的凹腔结构。凹腔前壁面与底面相垂直，保证来流形成较强的回流区；凹腔后壁面则与底面呈一定角度，以减小来流的阻力损失。第一、第二、第三、第四放电电极101、102、104、105由耐高温金属材料加工而成。

第一放电电极101由一整块电极板组成，布置于凹腔前竖直壁面靠近下端的位置，与下端存有一定间距，第一放电电极101整体呈长条型，其长度方向与凹腔底面和前壁面的交线平行，其表面与凹腔前壁面持平。

第二放电电极102由多个长方形电极组成，位于凹腔底面前部，与第二放电电极101组成第一组放电电极，多个长方形电极形成整齐的一排，彼此间隔，这排电极整体与凹腔底面和前壁面的交线平行，并与该交线之间存有一定间隔。长方形电极的长度方向垂直于凹腔底面和前壁面的交线，宽度方向平行于凹腔底面和前壁面的交线。

第三放电电极104由多个长方形电极组成，位于凹腔底面后部，与第四放电电极105组成第二组放电电极，第三放电电极104的形状和布置方式与第二放电电极102类同。

第四放电电极105由一整块电极板组成，布置于凹腔后部倾斜壁面，其形状和布置方式与第一放电电极101类同。

第一放电电极101与第四放电电极105分别与等离子体电源301的阳极相连，第二放电电极102与第三放电104的各个长方形电极则分别与多个耦合电容302中的一个相串联，多个耦合电容302的另一端都与等离子体电源301的阴极相连。耦合电容302的数量等于第二放电电极102与第三放电电极104的长方形电极数量之和。

在本发明的一个实施例中，绝缘体103由耐高温绝缘体加工而成，一般选用氧化铝陶瓷，凹腔深度为5～20mm，优选15mm，凹腔底面长度为100～200mm，优选100mm，凹腔部后倾斜壁面的倾斜角度为30～60°，优选45°。第一、第二、第三、第四放电电极101、102、104、105由耐高温金属材料加工而成，优选镍基高温合金。第一放电电极101与凹腔同宽，高度为5～20mm，优选15mm，采用内嵌式安装，以减小对原有凹腔结构的影响；第一放电电极101整体与凹腔底面和前壁面的交线平行，第一放电电极101与凹腔底面的距离为1～5mm，优选2mm。第二放电电极102由多个方形长方形电极构成，长方形电极的数量由火焰稳定器尺寸决定，常选用5～20，第二放电电极102同样采用内嵌式安装，电极表面与凹腔底面持平。长方形电极之间的间隔距离为10～20mm，优选15mm，与凹腔底部前端距离为1～5mm，优选2mm。第三放电电极104与第二放电电极102形状和布置方式类似，安装于凹腔后部底面，与凹腔底面后端距离为1～5mm，优选2mm。第四放电电极105与第一放电电极101形状和布置方式类似，安装于凹腔后倾斜壁面，与凹腔底面和后壁面的交线的沿面距离为1～5mm，优选2mm。等离子体电源301输出波形为双极性，优选正弦波电源，输出电压为5～20KV，频率不小于5KHz。耦合电容302的电容值需与电源功率匹配，范围为100～1000PF，耐压值为10～30KV。

该火焰稳定器的工作过程如下：当凹腔火焰稳定器中火焰处于不稳定工况，易熄灭时，等离子体电源301输出交流高压信号，前后两组等离子体激励器工作，产生大面积的等离子体区域。第一、第二等离子体通道201、202分别为前后两部分等离子体区域。等离子体作用于油气混合物，通过裂解作用将大分子转化为易于燃烧的小分子，通过加热作用提高局部温度，通过气动作用增强油气掺混，从而使得燃烧更为容易，减少熄火风险，拓展熄火边界。

具体实施例

在本发明的一个具体实施例中，绝缘体103由耐高温氧化铝陶瓷经高温烧结而成，凹腔深度同15mm，凹腔底面长度为100mm，凹腔部后倾斜壁面的倾斜角度为45°。第一、第二、第三、第四放电电极101、102、104、105由耐高温金属镍基高温合金加工而成。第一放电电极101与凹腔同宽，高度为15mm，与凹腔底面距离为2mm。第二放电电极102由6块方形长方形电极构成；长方形电极间隔距离为15mm，与凹腔底部前端距离为2mm。第四放电电极105与第一放电电极101形状和布置方式类似，安装于凹腔后倾斜壁面，与凹腔底面沿面距离为2mm。第三放电电极104与第二放电电极102形状和布置方式类似，安装于凹腔后部底面，与凹腔底面后端距离为2mm。第一放电电极101与第四放电电极105分别与等离子体电源301的阳极相连，第二放电电极102与第三放电104则分别与多个耦合电容302相串联，多个耦合电容302的另一端分别与等离子体电源301的阴极相连。等离子体电源301选用正弦波电源，输出电压为0～20KV可调，频率为6～30KHz可调。电容302的电容值为330PF，耐压值为30KV。

Claims

1.滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器，其特征在于，由绝缘体(103)、第一放电电极(101)、第二放电电极(102)、第三放电电极(104)、第四放电电极(105)、等离子体电源(301)、耦合电容(302)组成；第一放电电极(101)、第二放电电极(102)和第三放电电极(104)、第四放电电极(105)分别组成第一、第二组等离子体激励器；其中

绝缘体(103)由耐高温绝缘体加工而成，整体构型为超燃冲压发动机常用的凹腔结构；凹腔前壁面与底面相垂直，保证来流形成较强的回流区；凹腔后壁面则与底面呈一定角度，以减小来流的阻力损失；

第一、第二、第三、第四放电电极(101、102、104、105)由耐高温金属材料加工而成；第一放电电极(101)由一整块电极板组成，布置于凹腔前竖直壁面靠近下端的位置，与下端存有间距，第一放电电极(101)整体呈长条型，其长度方向与凹腔底面和前壁面的交线平行，并且，第一放电电极(101)采用内嵌式安装，其表面与凹腔前壁面持平，第一放电电极(101)整体条型结构与凹腔底面和前壁面的交线平行；第二放电电极(102)由多个长方形电极组成，位于凹腔底面前部，多个长方形电极形成整齐的一排，彼此间隔，这排电极整体与凹腔底面和前壁面的交线平行，并与该交线之间存有间隔，第二放电电极(102)的数量由火焰稳定器尺寸决定，第二放电电极(102)同样采用内嵌式安装，电极表面与凹腔底面持平；第三放电电极(104)由多个长方形电极组成，位于凹腔底面后部，第三放电电极(104)的形状和布置方式与第二放电电极(102)类同；第四放电电极(105)由一整块电极板组成，布置于凹腔后部倾斜壁面，其形状和布置方式与第一放电电极(101)类同；

第一放电电极(101)与第四放电电极(105)分别与等离子体电源(301)的阳极相连，第二放电电极(102)与第三放电104的各个长方形电极则分别与多个耦合电容(302)中的一个相串联，多个耦合电容(302)的另一端都与等离子体电源(301)的阴极相连；耦合电容(302)的数量等于第二放电电极(102)与第三放电电极(104)的长方形电极数量之和。

2.如权利要求1所述的滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器，其特征在于：

绝缘体(103)由氧化铝陶瓷加工而成；

第一、第二、第三、第四放电电极(101、102、104、105)由镍基高温合金加工而成；

等离子体电源(301)输出电压为5～20KV可调，频率6～30KHz可调；耦合电容(302)的电容值为330PF，耐压值为30KV。

3.一种使滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定的工作方法，其基于权利要求1或2所述的滑动弧等离子体激励式凹腔火焰稳定器，其特征在于：

当凹腔火焰稳定器中火焰处于不稳定工况，易熄灭时，等离子体电源(301)输出交流高压信号，第一、第二组等离子体激励器工作，产生大面积的等离子体区域；第一、第二等离子体通道(201、202)分别为第一、第二组放电电极产生的等离子体区域；所产生的等离子体作用于油气混合物，通过裂解作用将大分子转化为易于燃烧的小分子，通过加热作用提高局部温度，通过气动作用增强油气掺混，从而使得燃烧更为容易，减少熄火风险，拓展熄火边界。