CN111787680A - 一种适用于高气压条件下的等离子体合成射流激励器 - Google Patents

Abstract

一种用于高气压条件下的等离子体合成射流激励器，包括激励器本体及薄片状矩形盖板，激励器本体包括阳极放电电极、阴极放电电极、半导体涂层、激励器壳体。激励器壳体顶部与盖板的下表面密封连接，盖板上自上而下开有斜向直通的射流孔，激励器壳体左、右端面板上开有通孔，阳极放电电极、阴极放电电极通过通孔伸入激励器壳体内部。本发明针对燃烧室内流压力较高的工作环境，利用半导体涂层大大减小阴、阳极间放电电压，从而保证在高气压下激励器仍然维持较大的电极间距，同时利用较大的放电腔体积及竖切圆柱体的几何构造，增大放电能量的转化效率，提升激励器射流效果，从而解决了现有技术在冲压发动机燃烧室内的不适用问题。

Description

一种适用于高气压条件下的等离子体合成射流激励器

技术领域

本发明涉及等离子体技术，具体涉及一种通过半导体及新结构实现高气压条件下工作的高效等离子体合成射流激励器，更具体地涉及一种适用于高气压条件下的等离子体合成射流激励器。

背景技术

等离子体合成射流激励器是一种依靠火花放电产生高能射流，进而对流动施加有效干扰的高速流场主动流动控制装置。相比其他流动控制手段，等离子体合成射流激励器具有不需要外部气源、工作频带宽、射流速度高及环境适应性强等优点，是目前高速流场主动流动控制激励器中更具有应用潜能、更有望实现实际工程应用突破的一种流动控制激励器形式。

在当前的流动控制研究领域中，等离子体合成射流激励器一般应用于飞行器外表面，利用脉冲电源放电对激励器腔体内气体增温增压，从而产生高速射流通过射流孔对外流场产生扰动，工作环境气压、温度一般较低且变化范围窄。然而，随着高超声速推进系统的发展，尤其是冲压发动机的进步，燃烧室内来流速度越来越快，使得流动与燃料的混合、燃烧过程紧密耦合，流场结构对于燃烧室表现的影响十分显著，而等离子体合成射流激励器由于其较高的射流速度等特性，有望在冲压发动机燃烧室中得到应用。但是，通过进气道增压后，冲压发动机燃烧室来流速度、温度、压力都显著高于外流场，此时若保持相同的电极间距，极间击穿电压相对显著增大，而减小电极间距则会使激励器控制效果下降，放电稳定性也会变差。同时，较高的空气温度及来流速度使得等离子体合成射流激励器射流效果相比应用在外流场情况时产生明显衰退，另外，受到总压损失的限制，冲压发动机燃烧室内部一般不允许出现侵入性机械结构，意味着激励器往往固定嵌入在燃烧室侧壁面，这使得激励器产生的射流效果相对单一且固定。因此，直接将采用现有激励器形式并不能产生较好的流动控制效果。

综上所述，目前等离子体合成射流激励器应用于发动机内流场调控时，存在击穿电压高、射流效果差、灵活性不高等突出问题，限制了其在燃烧室高速内流中的应用前景。

发明内容

有鉴于此，针对目前等离子体合成射流激励器应用于发动机内流场调控时，存在的击穿电压高、射流效果差、灵活性不高等突出问题，本发明提出一种用于高气压条件下的等离子体合成射流激励器103，包括激励器本体101及薄片状矩形盖板102，激励器本体101包括阳极放电电极202、阴极放电电极203、半导体涂层204、激励器壳体205；其中

激励器壳体205整体呈竖切圆柱形中空壳体，由两端封闭的中空圆柱体切割而成，左、右两端具有左端面板和右端面板，且竖切后所剩分圆圆心角大于180度，激励器壳体205顶部与盖板206的下表面密封连接，盖板206上自上而下开有斜向直通的射流孔201，激励器壳体205左端面板和右端面板上开有位置对应的左、右通孔，左、右通孔的圆心相对，位于左端面板和右端面板圆心偏下部，通孔尺寸由放电阳极202及放电阴极203的尺寸确定，保证放电阳极202与放电阴极伸入放电腔时形成紧配合；阳极放电电极202、阴极放电电极203分别通过左、右通孔伸入激励器壳体205内部，两个电极与激励器壳体205之间采用耐高温硅胶密封，以确保激励器壳体205的气密性及可靠连接；半导体涂层204涂敷在激励器壳体205内侧圆柱面及左端面板和右端面板的内表面上，并与放电阳极202、放电阴极203紧密接触，确保半导体性能在放电过程中的可靠发挥；盖板206上表面中央位置开有斜向直通射流孔201，射流孔201是通孔，激励器壳体205内部为放电腔，放电腔整体呈竖切圆柱体。

在本发明的一个实施例中，激励器壳体205与盖板206的材料必须为具有一定强度与刚度的耐高温绝缘材料；激励器壳体205内腔长度范围4-20mm；直径范围3-20mm；竖切面弦长范围3-20mm；壳体柱面及端面厚度1-3mm；放电电极横截面最大尺寸0.5-2mm，伸入放电腔长度1-3mm。

在本发明的一个具体实施例中，激励器壳体205与盖板206的材料为氧化铝陶瓷或加工微晶玻璃陶瓷，半导体涂层204材料为SiC半导体陶瓷。

在本发明的另一个具体实施例中，激励器壳体205内腔长度9mm；直径5mm；竖切面切线弦长不超过柱体直径；壳体柱面及端面厚度2mm；放电电极横截面最大尺寸1mm，伸入放电腔长度2mm。

在本发明的又一个具体实施例中，激励器壳体205竖切面切线弦长为6mm。

在本发明的一个实施例中，盖板102与激励器本体101竖切面紧密贴合，长度大于或等于激励器本体101竖切面长度，宽度大于或等于激励器本体101竖切面宽度；盖板102上的斜向直通射流孔201深度为0.5-5mm，孔径为0.5-2mm。

在本发明的一个具体实施例中，盖板102上的斜向直通射流孔201深度为1.5mm，孔径为1mm，射流孔201与盖板102上表面法向方向所成角度不超过30度。

在本发明的另一个具体实施例中，射流孔201与盖板102上表面法向方向所成角度为15度。

还提供上述等离子体合成射流激励器103的工作过程，具体为：

当激励器工作时，高压电源向放电电极对施加脉冲电压，由于半导体允许一股微弱的电流通过，从而预先对通道上的气体进行加热电离，故沿半导体涂层204表面击穿电压大大减小，因而阴阳极间放电通道出现在半导体表面；通过火花放电，电能被转化为放电腔内气体的内能，气体增温增压后通过射流孔201高速喷出，产生对流场起控制作用的合成射流。

相对于现有技术，本发明适用于高气压条件下的高效等离子体合成射流激励器的有益效果为：在放电阴极、阳极之间设置半导体涂层，大大降低了击穿电压，从而保证了激励器在燃烧室内流场高压环境下仍然能够维持较长的电极间距，因此可以有效维持火花放电的能量转化效率，提升激励器表现；激励器放电腔采用竖切圆柱体构造，配合较长的电极间距，使得激励器能够在较大的放电腔体积下对腔内气体进行充分的均匀加热，从而获得更为优异的控制效果；另外，激励器采用斜向射流孔，射流孔角度可以根据实际需要适当取舍，有助于提升激励器在几何构造相对固定的发动机燃烧室内的应用范围与及流场控制的灵活性。本发明针对燃烧室内流压力较高的工作环境，利用半导体涂层大大减小阴、阳极间放电电压，从而保证在高气压下激励器仍然维持较大的电极间距，同时利用较大的放电腔体积及竖切圆柱体的几何构造，增大放电能量的转化效率，提升激励器射流效果，从而解决了现有技术在冲压发动机燃烧室内的不适用问题。

附图说明

图1为本发明高气压条件下的等离子体合成射流激励器整体结构示意图；

图2为激励器内部结构剖视图。

具体实施方式

参考附图1及附图2，为本发明一种用于高气压条件下的等离子体合成射流激励器103，包括激励器本体101及薄片状矩形盖板102，激励器本体101包括阳极放电电极202、阴极放电电极203、半导体涂层204、激励器壳体205。

激励器壳体205整体呈竖切圆柱形中空壳体，由两端封闭的中空圆柱体切割而成，左、右两端具有左端面板和右端面板，且竖切后所剩分圆圆心角一般大于180度，激励器壳体205顶部与盖板206的下表面紧密胶接，盖板206上自上而下开有斜向直通的射流孔201，激励器壳体205左端面板和右端面板上开有位置对应的左、右通孔，左、右通孔的圆心相对，位于左端面板和右端面板圆心偏下部，通孔尺寸由放电阳极202及放电阴极203的尺寸确定，保证放电阳极202与放电阴极伸入放电腔时形成紧配合。阳极放电电极202、阴极放电电极203分别通过左、右通孔伸入激励器壳体205内部，两个电极与激励器壳体205之间采用耐高温硅胶密封，以确保激励器壳体205的气密性及可靠连接。半导体涂层204涂敷在激励器壳体205内侧圆柱面及左端面板和右端面板的内表面上，并与放电阳极202、放电阴极203紧密接触，确保半导体性能在放电过程中的可靠发挥。半导体涂层204的存在可以保证激励器在高气压下的工作可靠性，使阳极与阴极之间的击穿电压不会因气压的提高而高于脉冲电源输出电压峰值。布置在圆柱体两端的放电电极可以有效提高放电腔内气体的加热效果，提高能量利用效率，同时保证存在足够大的放电能量，对于提升流动控制效果来说具有显著意义。激励器壳体205左端面板和右端面板上的左、右通孔，其截面形状要和插入的电极横截面形状一致，可以是矩形，也可以是圆形，或其他适宜的形状。

如图2所示，激励器壳体205由具有一定强度与刚度的耐高温绝缘材料制成，顶部与盖板102紧密相接，盖板102的下表面能够完全覆盖激励器壳体205的顶部，使用过程中将盖板102嵌入发动机内壁面事先加工的槽内并紧固装配，避免因构造产生的流场变化及不稳定，盖板206上表面中央位置开有斜向直通射流孔201，射流孔201是通孔，激励器壳体205内部为放电腔，能够想象，放电腔整体呈竖切圆柱体，放电腔左、右两端具有上述通孔，放电产生的高压高速射流自放电腔从射流孔201向外喷出，对流场产生控制效果，与盖板206上表面成一定角度的射流孔201使得激励器能够在位置与方向相对固定的条件下产生较为灵活的高速射流，从而提升流场干预效果的灵活性。

激励器壳体205与盖板206的材料必须为具有一定强度与刚度的耐高温绝缘材料，可选自氧化铝陶瓷、加工微晶玻璃陶瓷等。激励器壳体205内腔长度范围4-20mm，优选9mm；直径范围3-20mm，优选5mm；竖切面弦长范围3-20mm，但一般不超过柱体直径；壳体柱面及端面厚度1-3mm，优选2mm。放电腔内布置的电极材料可选用铜、镍基高温合金、钨等，放电电极形状一般为圆柱形，截面半径0.5-2mm，优选1mm，伸入放电腔长度1-3mm，优选2mm，从图2看到放电电极凸到激励器壳体205外面，这只是为了与外接电源相连，并不构成本发明的必要条件；半导体涂层204材料为SiC半导体陶瓷，加工过程中均匀烧制在激励器壳体内表面。

盖板102与激励器本体101竖切面紧密贴合，长度大于或等于激励器本体101竖切面长度，宽度大于或等于激励器本体101竖切面宽度。盖板102上的斜向直通射流孔201，射流孔201深度(即盖板厚度)为0.5-5mm，优选1.5mm，孔径0.5-2mm，优选1mm，射流孔201与盖板102上表面法向方向所成角度由实际应用过程中的需要适当取值，但一般不超过30度。

当激励器工作时，高压电源向放电电极对施加脉冲电压，由于半导体允许一股微弱的电流通过，从而预先对通道上的气体进行加热电离，故沿半导体涂层204表面击穿电压大大减小，因而阴阳极间放电通道出现在半导体表面。通过火花放电，电能被转化为放电腔内气体的内能，气体增温增压后通过射流孔201高速喷出，产生对流场起控制作用的合成射流。本发明适用于高气压条件下的高效等离子体合成射流激励器的控制对象主要为冲压发动机内部高温、高压、高速流场，与常规等离子体合成射流激励器不同的是，半导体涂层204的存在使得阴阳极间击穿电压大大减小，保证了高压条件下较大的电极间距。同时，通过改变激励器几何形状，充分发挥了较长放电通道的作用，使得在增大放电腔体积的前提下，气体能够得到充分的加热，对于提升能量转化效率，增加射流效果来说具有显著意义。另外，针对冲压发动机为减小总压损失而机械构造相对简单固定的特点，将射流孔201设置为斜向，从而获得较为灵活的流场干预效果。综上所述，本发明的适用于高气压条件下的高效等离子体合成射流激励器针对特定的工作环境，能够保证高效的控制能力。

具体实施例

考虑到使用环境主要为温度、压力较高的发动机内壁面，等离子体合成射流激励器主体101及盖板102选用氧化铝陶瓷。激励器壳体205内部腔体直径5mm，长9mm，壁厚2mm，竖切面切线弦长6mm。盖板长13mm，宽12mm，厚1.5mm，射流孔201与盖板102上表面法线方向成15度角。阳极放电电极202与阴极放电电极203由半径为1mm的钨针制成。

Claims (9)

1.一种用于高气压条件下的等离子体合成射流激励器103，其特征在于，包括激励器本体101及薄片状矩形盖板102，激励器本体101包括阳极放电电极202、阴极放电电极203、半导体涂层204、激励器壳体205；其中

激励器壳体205整体呈竖切圆柱形中空壳体，由两端封闭的中空圆柱体切割而成，左、右两端具有左端面板和右端面板，且竖切后所剩分圆圆心角大于180度，激励器壳体205顶部与盖板206的下表面密封连接，盖板206上自上而下开有斜向直通的射流孔201，激励器壳体205左端面板和右端面板上开有位置对应的左、右通孔，左、右通孔的圆心相对，位于左端面板和右端面板圆心偏下部，通孔尺寸由放电阳极202及放电阴极203的尺寸确定，保证放电阳极202与放电阴极伸入放电腔时形成紧配合；阳极放电电极202、阴极放电电极203分别通过左、右通孔伸入激励器壳体205内部，两个电极与激励器壳体205之间采用耐高温硅胶密封，以确保激励器壳体205的气密性及可靠连接；半导体涂层204涂敷在激励器壳体205内侧圆柱面及左端面板和右端面板的内表面上，并与放电阳极202、放电阴极203紧密接触，确保半导体性能在放电过程中的可靠发挥；盖板206上表面中央位置开有斜向直通射流孔201，射流孔201是通孔，激励器壳体205内部为放电腔，放电腔整体呈竖切圆柱体。

2.如权利要求1所述的等离子体合成射流激励器103，其特征在于，激励器壳体205与盖板206的材料必须为具有一定强度与刚度的耐高温绝缘材料；激励器壳体205内腔长度范围4-20mm；直径范围3-20mm；竖切面弦长范围3-20mm；壳体柱面及端面厚度1-3mm；放电电极横截面最大尺寸0.5-2mm，伸入放电腔长度1-3mm。

3.如权利要求2所述的等离子体合成射流激励器103，其特征在于，激励器壳体205与盖板206的材料为氧化铝陶瓷或加工微晶玻璃陶瓷，半导体涂层204材料为SiC半导体陶瓷。

4.如权利要求2所述的等离子体合成射流激励器103，其特征在于，激励器壳体205内腔长度9mm；直径5mm；竖切面切线弦长不超过柱体直径；壳体柱面及端面厚度2mm；放电电极横截面最大尺寸1mm，伸入放电腔长度2mm。

5.如权利要求4所述的等离子体合成射流激励器103，其特征在于，激励器壳体205竖切面切线弦长为6mm。

6.如权利要求1所述的等离子体合成射流激励器103，其特征在于，盖板102与激励器本体101竖切面紧密贴合，长度大于或等于激励器本体101竖切面长度，宽度大于或等于激励器本体101竖切面宽度；盖板102上的斜向直通射流孔201深度为0.5-5mm，孔径为0.5-2mm。

7.如权利要求6所述的等离子体合成射流激励器103，其特征在于，盖板102上的斜向直通射流孔201深度为1.5mm，孔径为1mm，射流孔201与盖板102上表面法向方向所成角度不超过30度。

8.如权利要求7所述的等离子体合成射流激励器103，其特征在于，射流孔201与盖板102上表面法向方向所成角度为15度。

9.如权利要求1至8的任何一项所述的等离子体合成射流激励器103，其特征在于，其工作过程为：

当激励器工作时，高压电源向放电电极对施加脉冲电压，由于半导体允许一股微弱的电流通过，从而预先对通道上的气体进行加热电离，故沿半导体涂层204表面击穿电压大大减小，因而阴阳极间放电通道出现在半导体表面；通过火花放电，电能被转化为放电腔内气体的内能，气体增温增压后通过射流孔201高速喷出，产生对流场起控制作用的合成射流。

Images