CN111794865B - 一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器及点火方法 - Google Patents

一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器及点火方法 Download PDF

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Abstract

提供一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器，由绝缘体(101)、放电阴极(102)、放电接续电极(103)、放电阳极(104)组成。放电阴极(102)通过内置于绝缘体(101)的导线与等离子体电源(301)阴极相连；放电阳极(104)通过内置于绝缘体(101)的导线与等离子体电源(301)阳极相连；放电接续电极(103)、耦合电容(302)、等离子体电源(301)的阳极依次串联连接。与已有的点火器和火药式点火方法相比，本发明超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器和点火方法易于与现有航空发动机驱动电源结合使用，从而满足多次重复点火需求；与火花塞点火方法相比，本发明提出的点火方法的初始火核更大、火花能量更强，因此点火能力更强。

Description

一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器及点火方法
技术领域
本发明属于冲压发动机燃烧室设计领域，具体涉及一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器及点火方法，适用于超燃冲压燃烧室的可靠点火。
背景技术
超燃冲压发动机具有的重要军事意义及商用价值不言自明，各主要军事强国无不大力研究。相比于涡轮发动机，超燃发动机燃烧室内气流速度超过1000m/s，燃料驻留时间仅毫秒量级，给燃烧室的可靠稳定点火造成很大困难。使用高功率的火药柱点火器虽然具有较强的点火性能，但无法满足空地往返、重复起降等多次点火需要。而航空发动机上常采用的火花塞点火器由于点火能量较小，当应用于超燃发动机燃烧室，特别是燃料为煤油等液态燃料时，点火边界窄的问题还比较突出，无法满足工程上宽范围的应用需求。
针对这一现状，本发明提出一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器及点火方法，改变以往点火器产生初始火核小、点火环境适应性差的问题，通过增强点火能量、扩大初始火核尺寸、提高点火能力，同时该点火系统可采用航空发动机点火系统驱动，因此易于满足重复点火需要。
发明内容
有鉴于此，针对现有冲压发动机燃烧室中缺乏可靠重复点火方法的突出问题，本发明提出一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器，由绝缘体101、放电阴极102、放电接续电极103、放电阳极104、等离子体电源301、耦合电容302组成；其中
绝缘体101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；
放电阴极102、放电接续电极103、放电阳极104由耐高温金属材料加工而成，所有电极都嵌入凹腔底面，电极上表面与凹腔底面持平；放电阴极102由一长条形金属电极组成，布置于凹腔底部前端并与其保持间距；放电阳极104由一长条形金属电极组成，布置于凹腔底部后端并与其保持间距；放电接续电极103由多个彼此间隔的长条形金属电极组成，间隔距离与等离子体激励电源参数相关，数量与凹腔底面长度相匹配，安装于凹腔底面的放电阴极102和放电阳极104之间，放电接续电极103的各个电极之间，以及放电接续电极103与放电阴极102、放电阳极104之间，都存有间距；
放电阴极102通过内置于绝缘体101的导线与等离子体电源301阴极相连；放电阳极104通过内置于绝缘体101的导线与等离子体电源301阳极相连；放电接续电极103、耦合电容302、等离子体电源301的阳极依次串联连接。
在本发明的一个实施例中，
绝缘体101由耐高温的陶瓷加工而成，绝缘体101的凹腔深度为5～20mm，凹腔底面长度为100～200mm，凹腔底面的宽度根据实际情况适当选择，凹腔部后倾斜壁面的倾斜角度为30～60°；
放电阴极102为矩形单根金属条构成，电极长为30～80mm，宽5～15mm，与凹腔底面前端距离5～15mm；
放电阳极104为矩形单根金属条构成，电极长为30～80mm，宽5～15mm，与凹腔底面后端距离5～15mm；
放电接续电极103数量为3～8根，每根金属条长为30～80mm，宽5～15mm，放电接续电极103的各个电极之间，以及放电接续电极103与放电阴极102、放电阳极104之间距离为2～15mm；
等离子体电源301输出波形为脉冲高压；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101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°；
放电阴极102长为60mm，宽为10mm，与凹腔底面前端距离为10mm；
放电阳极104长为60mm，宽为10mm，与凹腔底面后端距离为10mm；
放电接续电极103数量为5根，每根金属条长为60mm，宽为10mm；放电接续电极103的各个电极之间，以及放电接续电极103与放电阴极102、放电阳极104之间距离为10mm；
放电阴极102、放电接续电极103、放电阳极104的长度和宽度都分别相同；
等离子体电源301输出电压为2～20KV，频率不小于5Hz，单位输出能量不小于12J；
耦合电容302的电容值范围为100～1000PF，耐压值为5～30KV。
在本发明的另一个更具体实施例中，
绝缘体101由氧化铝陶瓷加工而成；
放电阴极102、放电阳极104、放电接续电极103由镍基高温合金加工而成；
等离子体电源301输出波形为脉冲高压，输出电压为5KV，频率8Hz，单位输出能量20J；
耦合电容302的电容值为100PF，耐压值为10KV。
还提供一种基于上述超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器的点火方法，其特征在于：
等离子体电源301输出脉冲高压信号，在耦合电容302的作用下，放电阴极102、放电接续电极103及放电阳极104之间形成的多间隙结构依次击穿，形成多个放电通道201；放电通道201形成后，等离子体电源301通过放电通道201迅速释放能量，形成大范围的初始火核。
本发明的点火器和点火方法利用沿流向间距布置多个放电电极，实现大范围的初始火核。同时巧妙利用来流作用，通过空间的多点放电实现单点的高频点火。通过这些举措，提升点火器的点火能力。
本发明的超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器和点火方法不同于传统火花塞点火实现的单点点火，而是利用多路放电电路，将多个放电电极布置于超燃冲压燃烧室常用的凹腔火稳定器底部。利用多路放电的独特优势，实现多个放电通道同时放电，从而实现点火器产生大面积放电，产生较大的初始火核。同时，有效利用来流对火花的气动作用，使点火器产生的火核能够依次通过某一区域，产生高频激励，从而增加点火成功概率。
与已有的点火器和火药式点火方法相比，本发明超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器和点火方法易于与现有航空发动机驱动电源结合使用，从而满足多次重复点火需求；与火花塞点火方法相比，本发明提出的点火方法的初始火核更大、火花能量更强，因此点火能力更强。
附图说明
图1为本发明一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火的结构示意图；
图2为本发明一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火工作过程示意图；
图3为本发明一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火的电路连接示意图。
附图标记：
101——绝缘型凹腔结构体(以下简称为“绝缘体”)
102——放电阴极
103——放电接续电极
104——放电阳极
201——放电产生的多个放电火花
301——等离子体电源
302——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。
本发明一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器由绝缘体101、放电阴极102、放电接续电极103、放电阳极104组成。绝缘体101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。放电阴极102、放电接续电极103、放电阳极104由耐高温金属材料加工而成，所有电极都嵌入凹腔底面，安装时均应保证电极上表面与凹腔底面持平，保证光滑过渡，以尽量减小阻力。放电阴极102由一长条形金属电极组成，布置于凹腔底部前端并与其保持间距，放电阴极102通过内置于绝缘体101的导线与等离子体电源301阴极相连。放电阳极104由一长条形金属电极组成，布置于凹腔底部后端并与其保持间距，通过内置于绝缘体101的导线与等离子体电源301阳极相连。放电接续电极103由彼此间隔的多个长条形金属电极组成，间隔安装于凹腔底面的放电阴极102和放电阳极104之间，放电接续电极103与放电阴极102、放电阳极104之间存有间距。放电接续电极103、耦合电容302、等离子体电源301的阳极依次串联连接。
在本发明的一个实施例中，绝缘体101由耐高温绝缘体加工而成，一般选用氧化铝陶瓷。绝缘体101的凹腔深度为5～20mm，优选15mm；凹腔底面长度为100～200mm，优选100mm；凹腔底面的宽度根据实际情况适当选择；凹腔部后倾斜壁面的倾斜角度为30～60°，优选45°。放电阴极102、放电阳极104、放电接续电极103由耐高温金属材料加工而成，优选镍基高温合金。放电阴极102为矩形单根金属条构成，电极长为30～80mm，优选60mm，宽5～15mm，优选10mm，安装于凹腔底面前部中心区域，离前端距离5～15mm，优选10mm，放电阴极102与等离子体电源301阴极相连。放电阳极104为矩形单根金属条构成，电极长为30～80mm，优选60mm，宽5～15mm，优选10mm，安装于凹腔底面后部中心区域，离后端距离5～15mm，优选10mm，与等离子体电源301阳极相连。放电接续电极103由多根矩形金属条构成，数量与凹腔底面长度相匹配，数量范围为3～8根，每根金属条长为30～80mm，优选60mm，宽5～15mm，优选10mm；放电接续电极103间隔安装于凹腔底面阴阳电极之间，间隔距离与等离子体激励电源参数相关，范围为2～15mm，优选10mm，三个电极的长度和宽度可以不同，但优选相同。放电接续电极103、耦合电容302、等离子体电源301阳极依次串联连接。等离子体电源301输出波形为脉冲高压，输出电压为5～20KV，频率不小于5Hz，单位输出能量不小于12J。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5～30KV。
该等离子体点火器的工作过程如下：等离子体电源301输出脉冲高压信号，在耦合电容302的作用下，放电阴极102、放电接续电极103及放电阳极104之间形成的多间隙结构依次击穿，形成多个放电通道201。放电通道201形成后，等离子体电源301通过放电通道201迅速释放能量，形成大范围的初始火核。由于火核覆盖区域大，能有效弥补常规火花塞点火器由于点火范围小引起的环境应用差的问题，有效提高点火可靠性。
具体实施例
在本发明的一个具体实施例中，绝缘体101由耐高温氧化铝陶瓷烧结而成，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°。放电阴极102、放电阳极104、放电接续电极103由耐高温金属材料加工而成，优选镍基高温合金。放电阴极102为矩形单根金属条构成，电极长60mm，宽10mm，安装于凹腔底面前部中心区域，离前端距离10mm，放电阴极102与等离子体电源301阴极相连。放电阳极104为矩形单根金属条构成，电极长为60mm，宽10mm，安装于凹腔底面后部中心区域，离后端距离10mm，与等离子体电源301阳极相连。放电接续电极103由5根矩形金属块构成，每根金属块长为60mm，宽10mm，间隔安装于凹腔底面阴阳电极之间，间隔距离与为10mm，放电接续电极103、耦合电容302、等离子体电源301阳极依次串联连接。等离子体电源301输出波形为脉冲高压，输出电压为5KV，频率8Hz，单位输出能量20J。耦合电容302的电容值为100PF，耐压值为10KV。

Claims (5)

1.一种超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器，其特征在于，由绝缘体(101)、放电阴极(102)、放电接续电极(103)、放电阳极(104)、等离子体电源(301)、耦合电容(302)组成；其中
绝缘体(101)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；
放电阴极(102)、放电接续电极(103)、放电阳极(104)由耐高温金属材料加工而成，所有电极都嵌入凹腔底面，电极上表面与凹腔底面持平；放电阴极(102)由一长条形金属电极组成，布置于凹腔底部前端并与其保持间距；放电阳极(104)由一长条形金属电极组成，布置于凹腔底部后端并与其保持间距；放电接续电极(103)由多个彼此间隔的长条形金属电极组成，间隔距离与等离子体激励电源参数相关，数量与凹腔底面长度相匹配，安装于凹腔底面的放电阴极(102)和放电阳极(104)之间，放电接续电极(103)的各个电极之间，以及放电接续电极(103)与放电阴极(102)、放电阳极(104)之间，都存有间距；
放电阴极(102)通过内置于绝缘体(101)的导线与等离子体电源(301)阴极相连；放电阳极(104)通过内置于绝缘体(101)的导线与等离子体电源(301)阳极相连；放电接续电极(103)与耦合电容(302)数量相同；每一个放电接续电极(103)与耦合电容(302)串联后连接到等离子体电源(301)的阳极。
2.如权利要求1所述的超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器，其特征在于：
绝缘体(101)由耐高温的陶瓷加工而成，绝缘体(101)的凹腔深度为5～20mm，凹腔底面长度为100～200mm，凹腔底面的宽度根据实际情况适当选择，凹腔部后倾斜壁面的倾斜角度为30～60°；
放电阴极(102)为矩形单根金属条构成，电极长为30～80mm，宽5～15mm，与凹腔底面前端距离5～15mm；
放电阳极(104)为矩形单根金属条构成，电极长为30～80mm，宽5～15mm，与凹腔底面后端距离5～15mm；
放电接续电极(103)数量为3～8根，每根金属条长为30～80mm，宽5～15mm，放电接续电极(103)的各个电极之间，以及放电接续电极(103)与放电阴极(102)、放电阳极(104)之间距离为2～15mm；
等离子体电源(301)输出波形为脉冲高压；耦合电容(302)的电容值需与电源功率匹配。
3.如权利要求2所述的超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器，其特征在于：
绝缘体(101)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°；
放电阴极(102)长为60mm，宽为10mm，与凹腔底面前端距离为10mm；
放电阳极(104)长为60mm，宽为10mm，与凹腔底面后端距离为10mm；
放电接续电极(103)数量为5根，每根金属条长为60mm，宽为10mm；放电接续电极(103)的各个电极之间，以及放电接续电极(103)与放电阴极(102)、放电阳极(104)之间距离为10mm；
放电阴极(102)、放电接续电极(103)、放电阳极(104)的长度和宽度都分别相同；
等离子体电源(301)输出电压为2～20KV，频率不小于5Hz，单位输出能量不小于12J；
耦合电容(302)的电容值范围为100～1000PF，耐压值为5～30KV。
4.如权利要求3所述的超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器，其特征在于：
绝缘体(101)由氧化铝陶瓷加工而成；
放电阴极(102)、放电阳极(104)、放电接续电极(103)由镍基高温合金加工而成；
等离子体电源(301)输出波形为脉冲高压，输出电压为5KV，频率8Hz，单位输出能量20J；
耦合电容(302)的电容值为100PF，耐压值为10KV。
5.基于如权利要求1-4的任何一项所述的超燃冲压燃烧室流向直线型等离子体点火器的点火方法，其特征在于：
等离子体电源(301)输出脉冲高压信号，在耦合电容(302)的作用下，放电阴极(102)、放电接续电极(103)及放电阳极(104)之间形成的多间隙结构依次击穿，形成多个放电通道(201)；放电通道(201)形成后，等离子体电源(301)通过放电通道(201)迅速释放能量，形成大范围的初始火核。
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