CN112963273B - 凹腔火焰稳定器自引气煤油预燃裂解活化装置及方法 - Google Patents

凹腔火焰稳定器自引气煤油预燃裂解活化装置及方法 Download PDF

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Abstract

提供一种凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，点火器整体呈圆柱形状，包括预燃裂解活化装置基座下板(201)、预燃裂解活化装置基座上板(202)、预燃裂解活化装置外壳(203)、切向空气进口(204)、切向燃料进口(205)、高压电极(206)、圆柱形电极绝缘底座(207)、轴向燃料进口管(208)和燃油雾化喷口(209)。还提供一种凹腔火焰稳定器自引气煤油预燃裂解活化装置和凹腔火焰稳定器自引气煤油预燃裂解活化方法。本发明提高了凹腔火焰稳定器燃烧效率、拓宽了燃烧室的稳定燃烧范围，具有结构简单以及稳定性强等特点，还可以进一步通过与滑动弧放电复合作用，提供活化裂解效果。

Description

凹腔火焰稳定器自引气煤油预燃裂解活化装置及方法
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，特别涉及一种用于凹腔火焰稳定器的自引气燃油预燃裂解活化装置及方法。
背景技术
滑动弧等离子体是气流作用下，在间距逐渐变大的两个或更多个发散电极之间，通过热量损失循环产生的非平衡等离子体。
而旋流火焰具有火焰稳定、贫燃极限低、控制参数多等显著特点，在工业燃烧设计中获得广泛应用。将旋流滞止火焰应用于火焰合成领域的发明专利“一种基于多旋流强化混合的雾化火焰纳米颗粒合成系统”(公布号： CN207745881U)，通过设计切向和轴向两种前驱物进给方式，实现旋流气体燃料火焰和轴向液体燃料火焰共同调节，控制合成纳米颗粒的粒径、形态和晶相。
对于单纯的滑动放电由于功率有限，无法满足冲压燃烧室中大流量燃料的裂解的需求，需要对滑动弧预燃裂解活化装置的结构和参数做进一步调整优化。随着火焰合成技术的进一步发展，有望将旋流火焰活化装置与滑动弧等离子体放电结合起来，设计一种新型裂解活化装置。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种用于冲压发动机的凹腔火焰稳定器自引气燃油预燃裂解活化装置，用于发动机的地面与空中点火及恶劣工况下的燃油裂解助燃，提高发动机的稳定工作能力。通过切向和轴向两种燃料进给方式，切向燃料进给产生强旋流火焰，轴向进给的燃料通过强旋流火焰时实现燃油预燃裂解功能，可以进一步在滑动弧放电支持下提高预燃裂解效能。
提供一种凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，点火器整体呈圆柱形状，包括预燃裂解活化装置基座下板201、预燃裂解活化装置基座上板202、预燃裂解活化装置外壳203、切向空气进口204、切向燃料进口205、高压电极206、圆柱形电极绝缘底座207、轴向燃料进口管208和燃油雾化喷口209；其中
预燃裂解活化装置外壳203为中空圆柱形管，顶部与凹腔火焰稳定器103 底部固定连接，预燃裂解活化装置外壳203与凹腔火焰稳定器103内部连通；
预燃裂解活化装置基座上板202的形状为中空圆环状平板；预燃裂解活化装置基座下板201亦为中空圆环结构，二者内径相同；预燃裂解活化装置基座上板202的圆环内壁裹住预燃裂解活化装置外壳203底部外壁并接续向下伸出，预燃裂解活化装置基座下板201紧邻预燃裂解活化装置基座上板202布置，位于其下并与其固定连接；在预燃裂解活化装置基座下板201与预燃裂解活化装置基座上板202的交界处，加工出通向预燃裂解活化装置外壳203内部的通孔，通孔的形状和尺寸由相应切向空气进口204与切向燃料进口205所用圆管的外部尺寸确定，通孔的数量由切向空气进口204与切向燃料进口205的数量确定，通孔打通方向的轴线均与预燃裂解活化装置外壳203内侧圆周的切向方向平行；在预燃裂解活化装置基座上板202和预燃裂解活化装置基座下板201的相应位置各加工半个通孔，其中，预燃裂解活化装置基座上板202上加工通孔的上沿与预燃裂解活化装置外壳203的下边沿齐平；
切向空气进口204与切向燃料进口205均为独立圆管，切向空气进口204 出口与切向燃料进口205的出口数量相等，在同一水平面上间隔交替分布，切向空气进口204与切向燃料进口205均被预燃裂解活化装置基座下板201及预燃裂解活化装置基座上板202上下夹紧，并固定安装在预燃裂解活化装置基座下板201和预燃裂解活化装置基座上板202之间；从切向空气进口204与切向燃料进口205流入的空气和燃料方向均为预燃裂解活化装置外壳203内侧圆周的切向方向；
圆柱形电极绝缘底座207同心安装在预燃裂解活化装置基座下板201的中空圆环中间，被预燃裂解活化装置基座下板201的圆环内壁包裹住；
高压电极206的下端与预燃裂解活化装置电源的高压端连接，上端穿过圆柱形电极绝缘底座207的中心深入到预燃裂解活化装置外壳203内部，直达预燃裂解活化装置外壳203中部；
高压电极206的内侧为中空圆柱体，可以容纳轴向燃料进口管208，高压电极206的内径与轴向燃料进口管208的外径一致，二者紧密接触，轴向燃料进口管208与供油系统相连；
轴向燃料进口管208的顶端安装有燃油雾化喷口209，高压电极206与燃油雾化喷口209固定连接。
在本发明的一个实施例中，预燃裂解活化装置外壳203为金属或陶瓷管；切向空气进口204与切向燃料进口205均为不锈钢圆管，在同一水平面上均匀间隔，切向空气进口204与切向燃料进口205的出口形状为圆孔或在圆管基础上加工为狭缝；高压电极206的上端穿过圆柱形电极绝缘底座207的中心直达预燃裂解活化装置外壳203中部。
在本发明的另一个实施例中，预燃裂解活化装置外壳203为金属或陶瓷管，预燃裂解活化装置外壳203内径10mm-20mm，高度范围30-100mm；切向空气进口204总数量为2-6个；切向燃料进口205的总数量为2-6个；圆柱形电极绝缘底座207绝缘材料为陶瓷；高压电极206深入预燃裂解活化装置外壳203内部0-40mm；轴向燃料进口管208外径为4-8mm，燃油雾化喷口209直径为4-8mm；
在本发明的一个具体实施例中，预燃裂解活化装置外壳203为陶瓷管，预燃裂解活化装置外壳203内径为16mm，高度为40mm；切向空气进口204总数量为4个；切向燃料进口205的总数量为4个；圆柱形电极绝缘底座207绝缘材料为氧化锆陶瓷；高压电极206深入预燃裂解活化装置外壳203内部30mm；轴向燃料进口管208材质为不锈钢金属管，外径为6mm，燃油雾化喷口209为通用压力雾化喷口，直径为6mm。
在本发明的又一个实施例中，切向空气进口204的出口形状为狭缝时，为高1-5mm、宽0.5-2mm的竖直狭缝；为圆孔时，为半径1-4mm的圆孔；切向燃料进口205的内侧出口形状为狭缝时，为高0.5-3mm、宽0.1-2mm的竖直狭缝；为圆孔时，为直径0.1-2mm的圆孔。
在本发明的另一个具体实施例中，切向空气进口204的出口形状为狭缝时，为高3mm、宽1mm的狭缝；为圆孔时，为半径2mm的圆孔；切向燃料进口205的内侧出口形状为狭缝时，为高1mm、宽0.3mm的狭缝；为圆孔时，为直径0.3mm 的圆孔。
还提供一种凹腔火焰稳定器自引气煤油预燃裂解活化装置，其特征在于，包括：引气管111，输气管路112，引气管路调节阀113，预燃裂解活化装置114；引气管111为空心金属弯管，进口垂直于来流方向，出口与输气管路112固定连接；引气管111进口以总压采集方式从主流引入空气，气流通过出口流入输气管路112；在输气管路112中安装有引气管路调节阀113，通过电控方式调整输气管路中的流量；输气管路112出口设置一分N接头，该接头将来自输气管路112的空气分为N个输出，这N个输出端分别与预燃裂解活化装置114的每个切向空气进口204的入口固定连接，因此，N的数量即为切向空气进口204的数量。
在本发明的一个实施例中，引气管111进口安装位置选择安装在隔离段或进气道的壁面；引气管111直径为4mm-10mm；输气管路112直径为4mm-10mm。
在本发明的一个具体实施例中，引气管111进口安装于进气道壁面；引气管111直径为6mm；输气管路112直径为6mm；N＝4。
此外，还提供一种凹腔火焰稳定器自引气煤油预燃裂解活化方法，其特征在于，该装置的预燃裂解活化工作模式由凹腔火焰稳定器的工况需要所决定，共有a、b两种模式；
模式a.仅包含单一强旋流火焰燃油预燃裂解活化模式
模式b强旋流火焰和滑动弧的联合燃油预燃裂解活化模式
处于模式a工作时，打开引气管路调节阀113，从引气管111以总压压力流入的空气经过输气管路112流入切向空气进口204，由于切向空气进口204的出口为较小尺寸的狭缝或圆孔，因此从出口流出的气体在预燃裂解活化装置外壳 203内侧形成较高速度的切向气流，并在预燃裂解活化装置外壳203的约束下成螺旋轨迹向预燃裂解活化装置外壳203的出口运动；从切向燃油进口205进入的燃油经出口圆孔雾化喷入预燃裂解活化装置外壳203内侧，与切向空气混合形成可燃混合气；预燃裂解活化装置外壳203通过导线与预燃裂解活化装置点火电源的低压端连接，打开预燃裂解活化装置点火电源，在高压电极206与预燃裂解活化装置外壳203之间放电点燃螺旋运动的可燃混合气，形成强旋流火焰301，火焰的末端及高温燃气由预燃裂解活化装置外壳203的出口喷出，此外切向进入的气体还可以在柱状预燃裂解活化装置外壳203内壁形成气膜，起到保护管壁的作用；点燃强旋流火焰301后，关闭点火电源，形成稳定运行的切向强旋流火焰；接通轴向燃料进口管208的供油，燃油雾化喷口209喷入强旋流火焰内侧，强旋流火焰301对喷入的雾化燃油302通过热作用进行预燃裂解活化，形成活化后的小分子产物303进入凹腔火焰稳定器与来流空气混合，提高燃烧效率；
处于模式b工作时，打开引气管路调节阀113，从引气管111以总压压力流入的空气经过输气管路112流入切向空气进口204，由于切向空气进口204的出口为较小尺寸的狭缝或圆孔，因此从出口流出的气体在预燃裂解活化装置外壳 203内侧形成较高速度的切向气流，并在预燃裂解活化装置外壳203的约束下成螺旋轨迹向出口运动；从切向燃油进口205进入的燃油经出口圆孔雾化喷入预燃裂解活化装置内侧，与切向空气混合形成可燃混合气；预燃裂解活化装置外壳203通过导线与预燃裂解活化装置点火电源的低压端连接，打开预燃裂解活化装置点火电源，在高压电极206与预燃裂解活化装置外壳203之间放电点燃螺旋运动的可燃混合气，形成强旋流火焰301所示的强旋流火焰，火焰的末端及高温燃气由预燃裂解活化装置出口喷出，此外切向进入的空气还可以在柱状外壳内壁形成气膜，起到保护管壁的作用；点燃强旋流火焰301后，形成稳定运行的切向强旋流火焰；接通轴向燃料进口管208的供油，燃油雾化喷口209 喷入强旋流火焰内侧，强旋流火焰301对喷入的雾化燃油通过热作用进行预燃裂解活化；与模式a不同，模式b工作时，持续打开点火电源，在高压电极206 与预燃裂解活化装置外壳203之间放电形成等离子体，等离子体在切向螺旋气流的吹动下向预燃裂解活化装置出口运动，形成滑动弧等离子体304，滑动弧等离子体同时通过化学及热作用对雾化燃油302进行活化；在切向强旋流火焰及滑动弧复合作用下形成活化后的小分子产物303由预燃裂解活化装置出口进入凹腔火焰稳定器与来流空气混合，提高燃烧效率。
本发明与现有发明相比，具有以下优点及突出的技术效果：
①本发明针对不同工况下，采用不同的引气方式实现为滑动弧装置供气，在高速飞行时，通过位于进气道上游的总压引气管实现供气，在速度不足或静止状态时通过机载压缩气瓶进行供气。
②本发明的滑动弧与旋流相结合的燃油预燃裂解活化装置具有燃料轴向进口及切向进口；燃烧器切向进口包含燃料切向进口和空气切向进口，燃料由切向燃料进口进入旋流火焰燃烧器后，在燃烧器基座内部与空气切向进口进入的空气快速混合，有效避免燃油空气形成预混火焰的回火危险。
③本发明针对不同喷注形式及不同流量的燃料能够通过切向和轴向两个进口实现进给控制，切向燃料进给产生强旋流火焰，轴向进给的燃料通过强旋流火焰时实现燃油预燃裂解功能，并且可以进一步在滑动弧放电支持下提高预燃裂解效能。
④本发明的技术方案在旋流燃烧器基座的切向空气进口通入空气，在燃烧室中形成旋流气体，将电极座连接高压电源，击穿后产生的等离子体在旋流气流的推动下，电弧向出口移动并被拉长直至熄灭，如此在电极座与燃烧器基体和柱状外壳间形成连续的滑动弧等离子体放电。燃油仅通过切向进口进给时，滑动弧点燃切向旋流空气燃料混合气，在柱状外壳的限制下形成稳定的强旋流火焰。通过调节空气及切向燃料流量，可以调整强旋流火焰长度及温度。
⑤在燃烧器轴向通过燃油雾化喷口喷射燃油，强旋流火焰后可以对由轴向喷口喷出的燃油液滴进行预燃裂解，可以调节雾化喷口在强旋流火焰中的长度，控制雾化燃油进入火焰的位置，有利于调控裂解产物的组分及液滴蒸发程度。此时可进一步接通滑动弧放电装置，通过强旋流火焰的热作用及滑动弧等离子体的联合作用进行裂解及促进蒸发，极大提高促进裂解和蒸发的效果；
⑥所述的通过切向喷注形成的强旋流火焰旋流数高，稳定性较好，有利于与滑动弧共同作用促进轴向进给燃料的裂解与蒸发。
附图说明
图1为凹腔火焰稳定器自引气燃油预燃裂解活化装置114的示意图，其中 图1(a)为凹腔火焰稳定器自引气燃油预燃裂解活化装置114侧视图，图1(b) 为俯视图；只看到一个图；
图2为凹腔火焰稳定器自引气燃油预燃裂解活化装置及方法的引气系统示意图
图3为凹腔火焰稳定器自引气燃油预燃裂解活化装置及方法的工作模式示意图，其中图3(a)为模式a，图3(b)为模式b。
附图标记
进气道101，燃烧室102，凹腔稳定器103，引气管111，输气管路112，引气管路调节阀113，自引气预燃裂解活化装置114
预燃裂解活化装置基座下板201，预燃裂解活化装置基座上板202，预燃裂解活化装置外壳203，切向空气进口204，切向燃料进口205，高压电极206，电极绝缘底座207，轴向燃料进口208，燃油雾化喷口209
强旋流火焰301，燃油喷雾302，预燃裂解活化后的小分子产物303，放电产生的滑动弧等离子体304
具体实施方式
下面参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供一种凹腔火焰稳定器自引气燃油预燃裂解活化装置及方法。对燃油进行预燃裂解活化时，该装置可以在强旋流火焰支持及滑动弧强旋流火焰耦合两种模式之间切换工作。本发明中的滑动弧强旋流火焰耦合模式可以进一步通过与强旋流火焰的耦合放大作用，通过强旋流火焰的热作用及滑动弧等离子体的联合作用进行裂解及促进蒸发，极大提高和促进裂解和蒸发的效果。
如图1所示，凹腔火焰稳定器自引气燃油预燃裂解活化装置整体呈圆柱形状，包括预燃裂解活化装置基座下板201、预燃裂解活化装置基座上板202、预燃裂解活化装置外壳203、切向空气进口204、切向燃料进口205、高压电极206 与圆柱形电极绝缘底座207。
预燃裂解活化装置基座上板202的形状为中空圆环状平板。预燃裂解活化装置基座下板201亦为中空圆环结构。预燃裂解活化装置基座下板201、预燃裂解活化装置基座上板202内径相同，外径可以相同或不同。预燃裂解活化装置基座上板202的圆环内壁裹住预燃裂解活化装置外壳203底部外壁并接续向下伸出，预燃裂解活化装置基座下板201紧邻预燃裂解活化装置基座上板202布置，位于其下并与其固定连接；在预燃裂解活化装置基座下板201与预燃裂解活化装置基座上板202的交界处，加工出通向预燃裂解活化装置外壳203内部的通孔，通孔的形状和尺寸由相应切向空气进口204与切向燃料进口205所用圆管的外部尺寸确定，通孔的数量由切向空气进口204与切向燃料进口205的数量确定，通孔打通方向的轴线均与预燃裂解活化装置外壳203内侧圆周的切向方向平行；在预燃裂解活化装置基座上板202和预燃裂解活化装置基座下板201的相应位置各加工半个通孔，其中，预燃裂解活化装置基座上板202上加工通孔的上沿与预燃裂解活化装置外壳203的下边沿齐平；
预燃裂解活化装置外壳203为中空圆柱形金属或陶瓷管，底部通过例如螺纹、胶粘或卡口等连接手段与预燃裂解活化装置基座上板202的内侧紧密固定连接，顶部通过例如螺纹、胶粘或卡口等连接手段与凹腔火焰稳定器103底部固定连接，预燃裂解活化装置外壳203与凹腔火焰稳定器103内部连通。
切向空气进口204与切向燃料进口205均为独立不锈钢圆管，切向空气进口204出口与切向燃料进口205出口数量相等，在同一水平面上间隔交替分布。切向空气进口204与切向燃料进口205均被预燃裂解活化装置基座下板201及预燃裂解活化装置基座上板202上下夹紧，并通过例如螺栓或者焊接方式固定在预燃裂解活化装置基座下板201和预燃裂解活化装置基座上板202之间，切向空气进口204与切向燃料进口205的出口(即通向预燃裂解活化装置外壳203 内部的口)形状为竖直狭缝或圆孔，如图1(b)所示。从切向空气进口204与切向燃料进口205流入的空气和燃料方向均为预燃裂解活化装置外壳203内侧圆周的切向方向；从切向空气进口204流入的空气主要为滑动弧提供工作气源；切向燃料进口205与供油系统相连，为预燃裂解活化装置提供燃料。
圆柱形电极绝缘底座207通过例如螺纹或卡扣的安装方式同心安装在预燃裂解活化装置基座下板201的中空圆环中间，被预燃裂解活化装置基座下板201 的圆环内壁包裹住。
高压电极206的下端与预燃裂解活化装置电源的高压端连接，上端穿过圆柱形电极绝缘底座207的中心深入到预燃裂解活化装置外壳203内部，直达预燃裂解活化装置外壳203中部。高压电极206的内侧为中空圆柱体，可以容纳轴向燃料进口管208，高压电极206的内径与轴向燃料进口管208的外径一致，二者紧密接触，轴向燃料进口管208与供油系统相连，轴向燃料进口管208的顶端安装有燃油雾化喷口209，高压电极206与燃油雾化喷口209的连接方式为固定连接，燃油雾化喷口209的形状和作用以及其连接方法为本领域技术人员熟知，不再累述。
如图2所示，本发明的凹腔火焰稳定器自引气燃油预燃裂解活化装置包含引气管111，输气管路112，引气管路调节阀113，自引气燃油预燃裂解活化装置114。图中所示的进气道101为常见的超燃冲压发动机进气道(不包含在本发明中)，超燃冲压发动机燃烧室102(不包含在本发明中)，超燃冲压燃烧室中的凹腔火焰稳定器103(不包含在本发明中)，作为辅助说明必不可少的部分，加入到图2中。引气管111为空心金属弯管，进口垂直于来流方向，出口与输气管路112通过例如螺纹或者焊接进行固定连接。引气管111进口以总压采集方式从主流引入空气，气流通过出口流入输气管路112。在输气管路112中安装有引气管路调节阀113，通过电控方式调整输气管路中的流量。输气管路112出口设置一分N接头，该接头将来自输气管路112的空气分为N个输出，这N个输出端分别与每个切向空气进口204入口通过例如焊接或螺纹方式连接，因此，N 的数量即为切向空气进口204的数量。
在本发明的一个实施例中，预燃裂解活化装置外壳203为中空圆柱形金属或陶瓷管，优选陶瓷材料；预燃裂解活化装置外壳203内径Φ10mm-20mm，高度 30-100mm，优选16mm内径，高度优选40mm。预燃裂解活化装置外壳203底部与预燃裂解活化装置基座上板202通过例如焊接方式固定连接，顶部与凹腔火焰稳定器103底部通过例如螺纹的方式固定连接，该连接为本领域技术人员熟知，不再累述。预燃裂解活化装置基座下板201与预燃裂解活化装置基座上板202 的接合面开有适合切向空气进口204、切向燃料进口205切向形状的槽，便于它们穿过槽，通向预燃裂解活化装置预燃裂解活化装置外壳203内部；在本发明的一个实施例中，预燃裂解活化装置基座下板201与预燃裂解活化装置基座上板202的接合面各开有尺寸对应的半圆凹槽，预燃裂解活化装置基座下板201 及预燃裂解活化装置基座上板202通过例如焊接方式将切向空气进口204及切向燃料进口205固定槽内。切向燃料进口205与供油系统通过Φ1mm-4mm供油管相连，优选2mm。切向空气进口204的出口形状为狭缝或圆孔，与预燃裂解活化装置外壳203内侧的圆形腔体相切(如上所述)，为狭缝时，尺寸为高1-5mm、宽0.5-2mm的狭缝，优选为高3mm、宽1mm的狭缝；为圆孔时，尺寸为半径1-4mm 的圆孔，优选为半径2mm的圆孔。切向燃料进口205的出口形状为狭缝或圆孔，为狭缝时，尺寸为高0.5-3mm、宽0.1-2mm的狭缝，优选为高1mm、宽0.3mm的狭缝；为圆孔时，尺寸为直径0.1-2mm的圆孔，优选为直径0.3mm的圆孔。切向空气进口204出口与切向燃料进口205出口数量相等且呈等间距布置，或者 205紧贴204内侧出口下游，优选切向空气进口204内侧出口与切向燃料进口 205内侧出口等间距布置；切向空气进口204总数量为2-6个，优选为4个、切向燃料进口205的总数量为2-6个，优选为4个；圆柱形电极绝缘底座207绝缘材料为陶瓷，优选氧化锆陶瓷，通过例如螺纹或卡扣等方式同心安装在预燃裂解活化装置基座下板201中间，优选通过M16x1mm螺纹安装。高压电极206 的材质为金属，优选高温合金，通过例如螺纹或卡扣穿过207的中心、深入预燃裂解活化装置外壳203的中部，优选通过M10x1mm螺纹穿过207，深入预燃裂解活化装置外壳2030-40mm，优选深入10mm。高压电极206的外径为6-10mm，优选10mm。高压电极206的内侧同轴安装有轴向燃料进口管208，高压电极206 的内径与轴向燃料进口管208的外径一致，二者紧密接触，轴向燃料进口管208 材质为不锈钢金属管，外径为4-8mm，优选外径为6mm，轴向燃料进口208的顶端安装有燃油雾化喷口209。燃油雾化喷口209为通用压力雾化喷口，直径为 4-8mm，优选6mm。
在本发明的另一个实施例中，引气管111进口安装位置可以选择安装在隔离段或进气道的壁面，优选安装与进气道壁面。引气管111直径为Φ4mm-10mm，优选6mm。输气管路112直径为Φ4mm-10mm，优选6mm。引气管111与输气管路 112通过例如螺纹或者焊接方式固定连接，优选通过螺纹卡套连接。引气管路调节阀113与输气管路112通过例如螺纹或者焊接方式固定连接，优选通过螺纹卡套连接。输气管路112出口设置一个一分N接头，引气气体由一分N接头分流为N路，每一路优选通过Φ4mm波纹管与自引气预燃裂解活化装置114的切向空气进口204通过例如焊接或螺纹方式固定连接，优选通过螺纹卡套连接。
本发明预燃裂解活化装置的燃油预燃裂解活化方法如图3所示，该装置的燃油预燃裂解活化工作模式由凹腔火焰稳定器的工况需要所决定，共有a、b两种模式。
模式a.仅包含单一强旋流火焰燃油预燃裂解活化模式
模式b强旋流火焰和滑动弧的联合燃油预燃裂解活化模式
处于模式a工作时，打开引气管路调节阀113，从引气管111以总压压力流入的空气经过输气管路112流入切向空气进口204，由于切向空气进口204的出口为较小尺寸的狭缝或圆孔，因此从出口流出的气体在预燃裂解活化装置外壳 203内侧形成较高速度的切向气流，并在预燃裂解活化装置外壳203的约束下成螺旋轨迹向预燃裂解活化装置外壳203的出口运动。从切向燃油进口205进入的燃油经出口圆孔雾化喷入预燃裂解活化装置外壳203内侧，与切向空气混合形成可燃混合气。预燃裂解活化装置外壳203通过导线与预燃裂解活化装置点火电源的低压端连接，打开预燃裂解活化装置点火电源，在高压电极206与预燃裂解活化装置外壳203之间放电点燃螺旋运动的可燃混合气，形成强旋流火焰301，火焰的末端及高温燃气由预燃裂解活化装置外壳203的出口喷出，此外切向进入的气体还可以在柱状预燃裂解活化装置外壳203内壁形成气膜，起到保护管壁的作用。点燃强旋火焰301后，关闭点火电源，形成稳定运行的切向强旋流火焰。接通轴向燃油入口208的供油，高压燃油由雾化喷嘴209喷入强旋流火焰内侧，强旋流火焰301对喷入的雾化燃油302通过热作用进行预燃裂解活化，形成活化后的小分子产物303进入凹腔火焰稳定器与来流空气混合，提高燃烧效率。
处于模式b工作时，打开引气管路调节阀113，从引气管111以总压压力流入的空气经过输气管路112流入切向空气进口204，由于切向空气进口204的出口为较小尺寸的狭缝或圆孔，因此从出口流出的气体在预燃裂解活化装置外壳 203内侧形成较高速度的切向气流，并在预燃裂解活化装置外壳203的约束下成螺旋轨迹向出口运动。从切向燃油进口205进入的燃油经出口圆孔雾化喷入预燃裂解活化装置内侧，与切向空气混合形成可燃混合气。预燃裂解活化装置外壳203通过导线与预燃裂解活化装置点火电源的低压端连接，打开预燃裂解活化装置点火电源，在高压电极206与预燃裂解活化装置外壳203之间放电点燃螺旋运动的可燃混合气，形成强旋流火焰301所示的强旋流火焰，火焰的末端及高温燃气由预燃裂解活化装置出口喷出，此外切向进入的空气还可以在柱状外壳内壁形成气膜，起到保护管壁的作用。点燃强旋火焰301后，形成稳定运行的切向强旋流火焰。接通轴向燃油入口208的供油，高压燃油由雾化喷嘴209 喷入强旋流火焰内侧，强旋流火焰301对喷入的雾化燃油通过热作用进行预燃裂解活化。与模式a不同，模式b工作时，持续打开点火电源，在高压电极206 与预燃裂解活化装置外壳203之间放电形成等离子体，等离子体在切向螺旋气流的吹动下向预燃裂解活化装置出口运动，形成304所示的滑动弧等离子体，滑动弧等离子体同时通过化学及热作用对雾化燃油302进行活化。在切向强旋流火焰及滑动弧复合作用下形成活化后的小分子产物303由预燃裂解活化装置出口进入凹腔火焰稳定器与来流空气混合，提高燃烧效率。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，点火器整体呈圆柱形状，包括预燃裂解活化装置基座下板(201)、预燃裂解活化装置基座上板(202)、预燃裂解活化装置外壳(203)、切向空气进口(204)、切向燃料进口(205)、高压电极(206)、圆柱形电极绝缘底座(207)、轴向燃料进口管(208)和燃油雾化喷口(209)；其中
预燃裂解活化装置外壳(203)为中空圆柱形管，顶部与凹腔火焰稳定器(103)底部固定连接，预燃裂解活化装置外壳(203)与凹腔火焰稳定器(103)内部连通；
预燃裂解活化装置基座上板(202)的形状为中空圆环状平板，预燃裂解活化装置基座下板(201)亦为中空圆环结构，二者内径相同；预燃裂解活化装置基座上板(202)的圆环内壁裹住预燃裂解活化装置外壳(203)底部外壁并接续向下伸出，预燃裂解活化装置基座下板(201)紧邻预燃裂解活化装置基座上板(202)布置，位于预燃裂解活化装置基座上板(202)下并与其固定连接；在预燃裂解活化装置基座下板(201)与预燃裂解活化装置基座上板(202)的交界处，加工出通向预燃裂解活化装置外壳(203)内部的通孔，通孔的形状和尺寸由相应切向空气进口(204)与切向燃料进口(205)所用圆管的外部尺寸确定，通孔的数量由切向空气进口(204)与切向燃料进口(205)的数量确定，通孔打通方向的轴线均与预燃裂解活化装置外壳(203)内侧圆周的切向方向平行；在预燃裂解活化装置基座上板(202)和预燃裂解活化装置基座下板(201)的相应位置各加工半个通孔，其中，预燃裂解活化装置基座上板(202)上加工通孔的上沿与预燃裂解活化装置外壳(203)的下边沿齐平；
切向空气进口(204)与切向燃料进口(205)均为独立圆管，切向空气进口(204)出口与切向燃料进口(205)的出口数量相等，在同一水平面上间隔交替分布，切向空气进口(204)与切向燃料进口(205)均被预燃裂解活化装置基座下板(201)及预燃裂解活化装置基座上板(202)上下夹紧，并固定安装在预燃裂解活化装置基座下板(201)和预燃裂解活化装置基座上板(202)之间；从切向空气进口(204)与切向燃料进口(205)流入的空气和燃料方向均为预燃裂解活化装置外壳(203)内侧圆周的切向方向；
圆柱形电极绝缘底座(207)同心安装在预燃裂解活化装置基座下板(201)的中空圆环中间，被预燃裂解活化装置基座下板(201)的圆环内壁包裹住；
高压电极(206)的下端与预燃裂解活化装置电源的高压端连接，上端穿过圆柱形电极绝缘底座(207)的中心伸入到预燃裂解活化装置外壳(203)内部，直达预燃裂解活化装置外壳(203)中部；
高压电极(206)的内侧为中空圆柱体，可以容纳轴向燃料进口管(208)，高压电极(206)的内径与轴向燃料进口管(208)的外径一致，二者紧密接触，轴向燃料进口管(208)与供油系统相连；
轴向燃料进口管(208)的顶端安装有燃油雾化喷口(209)，高压电极(206)与燃油雾化喷口(209)固定连接。
2.如权利要求1所述的凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，预燃裂解活化装置外壳(203)为金属或陶瓷管；切向空气进口(204)与切向燃料进口(205)均为不锈钢圆管，在同一水平面上均匀间隔，切向空气进口(204)与切向燃料进口(205)的出口形状为圆孔或在圆管基础上加工为狭缝；高压电极(206)的上端穿过圆柱形电极绝缘底座(207)的中心直达预燃裂解活化装置外壳(203)中部。
3.如权利要求1所述的凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，预燃裂解活化装置外壳(203)为金属或陶瓷管，预燃裂解活化装置外壳(203)内径10mm-20mm，高度范围30-100mm；切向空气进口(204)总数量为2-6个；切向燃料进口(205)的总数量为2-6个；圆柱形电极绝缘底座(207)绝缘材料为陶瓷；高压电极(206)伸入预燃裂解活化装置外壳(203)内部0-40mm；轴向燃料进口管(208)外径为4-8mm，燃油雾化喷口(209)直径为4-8mm。
4.如权利要求3所述的凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，预燃裂解活化装置外壳(203)为陶瓷管，预燃裂解活化装置外壳(203)内径为16mm，高度为40mm；切向空气进口(204)总数量为4个；切向燃料进口(205)的总数量为4个；圆柱形电极绝缘底座(207)绝缘材料为氧化锆陶瓷；高压电极(206)伸入预燃裂解活化装置外壳(203)内部30mm；轴向燃料进口管(208)材质为不锈钢金属管，外径为6mm，燃油雾化喷口(209)为通用压力雾化喷口，直径为6mm。
5.如权利要求2所述的凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，切向空气进口(204)的出口形状为狭缝时，为高1-5mm、宽0.5-2mm的竖直狭缝；为圆孔时，为半径1-4mm的圆孔；切向燃料进口(205)的内侧出口形状为狭缝时，为高0.5-3mm、宽0.1-2mm的竖直狭缝；为圆孔时，为直径0.1-2mm的圆孔。
6.如权利要求5所述的凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，切向空气进口(204)的出口形状为狭缝时，为高3mm、宽1mm的狭缝；为圆孔时，为半径2mm的圆孔；切向燃料进口(205)的内侧出口形状为狭缝时，为高1mm、宽0.3mm的狭缝；为圆孔时，为直径0.3mm的圆孔。
7.如权利要求1所述的凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，包括：引气管(111)，输气管路(112)，引气管路调节阀(113)，预燃裂解活化装置(114)；引气管(111)为空心金属弯管，进口平行于空气来流方向，出口与输气管路(112)固定连接；引气管(111)进口以总压采集方式从主流引入空气，气流通过出口流入输气管路(112)；在输气管路(112)中安装有引气管路调节阀(113)，通过电控方式调整输气管路中的流量；输气管路(112)出口设置一分N接头，该接头将来自输气管路(112)的空气分为N个输出，这N个输出端分别与预燃裂解活化装置(114)的每个切向空气进口(204)的入口固定连接，因此，N的数量即为切向空气进口(204)的数量。
8.如权利要求7所述的凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，引气管(111)进口安装位置选择在隔离段或进气道的壁面；引气管(111)直径为4mm-10mm；输气管路(112)直径为4mm-10mm。
9.如权利要求8所述的凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器，其特征在于，引气管(111)进口安装于进气道壁面；引气管(111)直径为6mm；输气管路(112)直径为6mm；N＝4。
10.如权利要求1-9中任一项所述的凹腔火焰稳定器自引气滑动弧等离子体射流点火器的操作方法，其特征在于，其中的预燃裂解活化工作模式由凹腔火焰稳定器的工况需要所决定，共有a、b两种模式；
模式a，仅包含单一强旋流火焰燃油预燃裂解活化模式；
模式b，强旋流火焰和滑动弧的联合燃油预燃裂解活化模式；
处于模式a工作时，打开引气管路调节阀(113)，从引气管(111)以总压压力流入的空气经过输气管路(112)流入切向空气进口(204)，由于切向空气进口(204)的出口为较小尺寸的狭缝或圆孔，因此从出口流出的气体在预燃裂解活化装置外壳(203)内侧形成较高速度的切向气流，并在预燃裂解活化装置外壳(203)的约束下成螺旋轨迹向预燃裂解活化装置外壳(203)的出口运动；从切向燃料进口(205)进入的燃油经出口圆孔雾化喷入预燃裂解活化装置外壳(203)内侧，与切向空气混合形成可燃混合气；预燃裂解活化装置外壳(203)通过导线与预燃裂解活化装置点火电源的低压端连接，打开预燃裂解活化装置点火电源，在高压电极(206)与预燃裂解活化装置外壳(203)之间放电点燃螺旋运动的可燃混合气，形成强旋流火焰(301)，火焰的末端及高温燃气由预燃裂解活化装置外壳(203)的出口喷出，此外切向进入的空气还可以在柱状预燃裂解活化装置外壳(203)内壁形成气膜，起到保护管壁的作用；点燃强旋流火焰(301)后，关闭点火电源，形成稳定运行的切向强旋流火焰；接通轴向燃料进口管(208)的供油，燃油雾化喷口(209)喷入强旋流火焰内侧，强旋流火焰(301)对喷入的雾化燃油(302)通过热作用进行预燃裂解活化，形成活化后的小分子产物(303)进入凹腔火焰稳定器与来流空气混合，提高燃烧效率；
处于模式b工作时，打开引气管路调节阀(113)，从引气管(111)以总压压力流入的空气经过输气管路(112)流入切向空气进口(204)，由于切向空气进口(204)的出口为较小尺寸的狭缝或圆孔，因此从出口流出的气体在预燃裂解活化装置外壳(203)内侧形成较高速度的切向气流，并在预燃裂解活化装置外壳(203)的约束下成螺旋轨迹向预燃裂解活化装置外壳(203)的出口运动；从切向燃料进口(205)进入的燃油经出口圆孔雾化喷入预燃裂解活化装置外壳(203)的内侧，与切向空气混合形成可燃混合气；预燃裂解活化装置外壳(203)通过导线与预燃裂解活化装置点火电源的低压端连接，打开预燃裂解活化装置点火电源，在高压电极(206)与预燃裂解活化装置外壳(203)之间放电点燃螺旋运动的可燃混合气，形成强旋流火焰(301)，火焰的末端及高温燃气由预燃裂解活化装置出口喷出，此外切向进入的空气还可以在柱状预燃裂解活化装置外壳(203)内壁形成气膜，起到保护管壁的作用；点燃强旋流火焰(301)后，形成稳定运行的切向强旋流火焰；接通轴向燃料进口管(208)的供油，燃油雾化喷口(209)喷入强旋流火焰内侧，强旋流火焰(301)对喷入的雾化燃油通过热作用进行预燃裂解活化；与模式a不同，模式b工作时，持续打开点火电源，在高压电极(206)与预燃裂解活化装置外壳(203)之间放电形成等离子体，等离子体在切向螺旋气流的吹动下向预燃裂解活化装置出口运动，形成滑动弧等离子体(304)，滑动弧等离子体同时通过化学及热作用对雾化燃油(302)进行活化；在切向强旋流火焰及滑动弧复合作用下形成活化后的小分子产物(303)由预燃裂解活化装置出口进入凹腔火焰稳定器与来流空气混合，提高燃烧效率。
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