CN113464313B - 并联式多路滑动弧等离子体点火器及超燃冲压发动机 - Google Patents

Abstract

并联式多路滑动弧等离子体点火器及超燃冲压发动机，包括圆柱形绝缘体、多个钨针电极、放电支路和电源，所述圆柱形绝缘体外套装有筒状的金属外壳，金属外壳作为放电地极，通过导线与大地连接；所述多个钨针电极作为多个放电阳极，所述多个钨针电极围绕圆柱形绝缘体的中心轴线呈圆周均匀分布在圆柱形绝缘体中，各钨针电极的顶端均伸出圆柱形绝缘体之外，各钨针电极的底端均通过导线对应连接一路放电支路，各放电支路并联后连接电源，形成并联式多路放电电路。本发明能够实现多路滑动弧等离子体放电，同时通过并联式多路放电电路，能够显著增加瞬时功率和局部区域的功率密度，有助于生产更大的初始火核，缩短点火时间，提高点火成功率。

Description

并联式多路滑动弧等离子体点火器及超燃冲压发动机

技术领域

本发明属于超燃冲压发动机技术领域，具体涉及一种并联式多路滑动弧等离子体点火器及超燃冲压发动机。

背景技术

研制超燃冲压发动机所面临的主要挑战在于来流速度快，燃料与空气的混合不充分，多次可靠重复点火非常困难，犹如“在十二级台风中点燃一根火柴”。

超燃冲压发动机的主要的点火方案为雷管点火和火花塞点火。雷管点火的使用次数有限，高空熄火后无法重复使用，且雷管爆炸时产生强烈的冲击波，可能使得局部当量比过低，导致点火失败。火花塞点火可燃边界窄，火花塞产生的初始火核无法维持并逐渐熄灭，火花塞在宽范围内无法实现冷煤油点火，初始火核会被冷煤油淬灭。

(1)火花塞点火边界窄，无法实现宽范围和极端工况条件下的可靠点火。

(2)雷管点火的使用次数有限，难以重复使用，且对燃烧流场扰动较大。

发明内容

针对现有技术存在的超燃冲压发动机点火困难的问题，本发明提供一种并联式多路滑动弧等离子体点火器及超燃冲压发动机。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

并联式多路滑动弧等离子体点火器，包括圆柱形绝缘体、多个钨针电极、放电支路和电源，放电支路的数目与钨针电极的数目相同；

所述圆柱形绝缘体外套装有筒状的金属外壳，金属外壳作为放电地极，通过导线与大地连接；

所述多个钨针电极作为多个放电阳极，所述多个钨针电极围绕圆柱形绝缘体的中心轴线呈圆周均匀分布在圆柱形绝缘体中；各钨针电极的顶端作为放电端，均伸出圆柱形绝缘体之外；各钨针电极的底端均通过导线对应连接一路放电支路，各放电支路并联后连接电源，形成并联式多路放电电路。

优选地，本发明各路放电支路上连接有耦合电容，耦合电容一端通过导线分别与钨针电极相连，耦合电容的另一端通过导线与电源相连。

优选地，本发明中钨针电极有6个。

优选地，本发明中电源为大功率交流等离子体电源，额定功率为5000W。

优选地，本发明中耦合电容的电容值为10-100pF，电压值为35KV。

优选地，本发明中钨针电极直径为1mm，各钨针电极与圆柱形绝缘体中心的距离为10mm，圆柱形绝缘体的直径为40mm。

本发明提供一种超燃冲压发动机，包括燃烧室，燃烧室壁面为金属壁面，燃烧室内安装有上述任一种并联式多路滑动弧等离子体点火器。

进一步地，燃烧室内设置有凹腔，并联式多路滑动弧等离子体点火器安装在凹腔的底壁中，并联式多路滑动弧等离子体点火器其圆柱形绝缘体的顶面与凹腔底壁面齐平，圆柱形绝缘体外围的金属外壳以及凹腔中的燃烧室壁面均作为放电地极，通过导线与大地连接。并联式多路滑动弧等离子体点火器的安装方式不限，如可以在凹腔的底壁上开设有带螺纹的安装孔，并联式多路滑动弧等离子体点火器的金属外壳上设置有螺纹，这样通过螺纹连接将并联式多路滑动弧等离子体点火器安装在凹腔的底壁中。

进一步地，并联式多路滑动弧等离子体点火器安装在燃烧室的主流下壁面中，并联式多路滑动弧等离子体点火器其圆柱形绝缘体的顶面与主流下壁面齐平，圆柱形绝缘体外围的金属外壳以及燃烧室壁面均作为放电地极，通过导线与大地连接。并联式多路滑动弧等离子体点火器的安装方式不限，如可以在主流下壁面中开设有带螺纹的安装孔，并联式多路滑动弧等离子体点火器的金属外壳上设置有螺纹，这样通过螺纹连接将并联式多路滑动弧等离子体点火器安装在主流下壁面中。

开启电源，电源向各放电支路同时提供能量，各钨针电极与圆柱形绝缘体外围的金属外壳以及金属外壳、燃烧室壁面依次发生放电，形成多通道滑动弧等离子体，滑动弧等离子体随燃烧室内气流进行拉伸和滑动，从而实现高功率、大面积、集中式多路滑动弧等离子体放电。

通过上述技术方案，本发明能够达到的有益技术效果是：

(1)滑动弧等离子体兼具平衡等离子体和非平衡等离子体的特性，温度到达1100K，具有较高的电子温度，具备较好的化学动力学特性。滑动弧等离子体因其较强的热效应，化学效应有望实现宽马赫数范围和极端工况条件下超燃冲压发动机多次可靠重复点火。

(2)并联式多路滑动弧等离子体点火器不需要外引气源，依靠凹腔中的气流就能够实现滑动弧等离子体的拉伸和大面积放电，不会对燃烧室内流场造成严重的干扰。

(3)并联式多路滑动弧等离子体点火器结构简单紧凑，无需全陶瓷凹腔作为绝缘介质，避免了大体积陶瓷材料易被震碎的问题。

(4)本发明中集中分布的多路滑动弧等离子体可产生等离子体重叠区域，能够显著增加瞬时功率和局部区域的功率密度，有助于生产更大的初始火核。

(5)本发明中能够实现高功率、大面积、集中式多路滑动弧等离子体放电，提升反应物温度，促进活性组分生成，缩短超燃冲压发动机的点火时间，提高点火成功率。

附图说明

图1为本发明一实施例中多路滑动弧等离子体点火器立体示意图；

图2为本发明一实施例中并联式多路滑动弧等离子体点火器原理结构示意图；

图3为本发明一实施例中并联式多路滑动弧等离子体点火器在燃烧室中的安装位置示意图；

图4为本发明一实施例中并联式多路滑动弧等离子体点火器在燃烧室中的安装位置示意图；

图5为本发明一实施例中多路滑动弧等离子体煤油点火过程示意图；

图6为本发明一实施例中多路滑动弧等离子体拓宽贫燃熄火极限示意图。

图中标号：

1、圆柱形绝缘体；2、金属外壳；3、钨针电极；4、耦合电容；5、电源；6、滑动弧等离子体；7、燃烧室壁面；8、凹腔；9、主流下壁面；10、燃料喷注孔。

具体实施方式

为了使本公开发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实施方式中该值可以相应地改变为合适的值。

参照图1和图2，本发明一实施例提供一种并联式多路滑动弧等离子体点火器，包括圆柱形绝缘体1、多个钨针电极3、放电支路和电源5，放电支路的数目与钨针电极3的数目相同，本实施例中钨针电极3有6个。

所述圆柱形绝缘体1外套装有筒状的金属外壳2，金属外壳2作为放电地极，通过导线与大地连接；

6个钨针电极3作为放电阳极，6个钨针电极3围绕圆柱形绝缘体1的中心轴线呈圆周均匀分布在圆柱形绝缘体1中；各钨针电极3的顶端作为放电端，均伸出圆柱形绝缘体1之外；各钨针电极3的底端均通过导线对应连接一路放电支路，各放电支路并联后连接电源，形成并联式多路放电电路。各路放电支路上连接有耦合电容4，耦合电容4一端通过导线分别与钨针电极3相连，耦合电容4的另一端通过导线与电源5相连。

本发明一实施例中提供的并联式多路滑动弧等离子体点火器的整体长度为78mm，六个钨针电极作为放电阳极均匀分布在圆柱形陶瓷绝缘体中，钨针电极直径为1mm，各钨针电极与圆柱形陶瓷绝缘体中心的距离为10mm，圆柱形陶瓷绝缘体的直径为40mm，圆柱形陶瓷绝缘体外围辅以缓冲胶和金属外壳进行加固和防震，如图1所示。

本发明采用圆形多针电极结构，耦合并联式多路放电电路，通过多路滑动弧等离子体点火器实现大功率六路滑动弧等离子体放电。本发明的具体工作原理为：六个钨针电极外接并联式多路放电电路，该电路同时连接等离子体电源。为了实现多个滑动弧等离子体同时放电，六个高压耦合电容的电容值为10-100pF，电压值为35KV，六个高压耦合电容分别并联安装在每一路放电支路中，如图2所示。

开启电源开关后，电源向六个并联的放电支路同时提供能量，经过高压耦合电容后通过导线分别与六个钨针电极相连，六个钨针电极作为放电的高压极于圆柱形陶瓷绝缘体另一端延伸而出。圆柱形陶瓷绝缘体外围的不锈钢外壳作为放电地极，运用导线使其与大地相连。六个钨针电极作为多个阳极，与不锈钢外壳依次发生击穿放电，形成多通道的滑动弧等离子体6。电源采用大功率交流等离子体电源，额定功率为5000W，通过并联式多路放电电路，可以使得电源的能量利用率提升至120％。

参照图2和图3，本发明提供一种超燃冲压发动机，包括燃烧室，燃烧室壁面为金属壁面，燃烧室内安装有上述实施例中所述的并联式多路滑动弧等离子体点火器。

本实施例中的燃烧室内设置有凹腔8，并联式多路滑动弧等离子体点火器安装在凹腔的底壁中，用于强化点火。并联式多路滑动弧等离子体点火器其圆柱形绝缘体1的顶面与凹腔底壁面齐平，圆柱形绝缘体1外围的金属外壳2以及凹腔8中的燃烧室壁面7均作为放电地极，通过导线与大地连接。并联式多路滑动弧等离子体点火器的安装方式不限，如可以在凹腔8的底壁上开设有带螺纹的安装孔，并联式多路滑动弧等离子体点火器的金属外壳上设置有螺纹，这样通过螺纹连接将并联式多路滑动弧等离子体点火器安装在凹腔的底壁中。

上述实施例中的并联式多路滑动弧等离子体点火器的6个钨针电极作为放电阳极，外接并联式多路放电电路和高压电源，与作为阴极的金属外壳、凹腔中的燃烧室壁面依次发生放电，形成多通道滑动弧等离子体。由于多路滑动弧等离子体随点火器上侧的气流进行拉伸和移动，且多个放电阳极集中分布在点火器中，可产生等离子体重叠区域，即两个及以上滑动弧等离子体重叠，能够显著增加瞬时功率和局部区域的功率密度，进而通过产生更大的初始火核显著提升燃料的点火效果。

滑动弧等离子体6可呈现电弧放电形态，击穿钨针电极与圆柱形绝缘体1外围的金属外壳2以及凹腔8中的燃烧室壁面7间的空气并形成等离子体放电通道。可根据点火需求，调整等离子体电源输出功率，实现一到六路滑动弧等离子体放电。滑动弧等离子体6随燃烧室内气流进行拉伸和滑动，从而实现大面积放电。同时，集中式多路滑动弧等离子放电可能发生电弧叠加现象，从而加大了局部区域面积的功率密度，使其更有助于生成初始火核。

该点火器直接利用凹腔内的气流吹动滑动弧，不需要额外的高压气源，不会对燃烧室内流场造成严重的干扰；结构简单紧凑，无需全陶瓷凹腔作为绝缘介质，避免了大体积陶瓷材料易被震碎的问题；能够实现高功率、大面积、集中式多路滑动弧等离子体放电，增加初始火核面积，提升反应物温度，促进活性组分生成，缩短超燃冲压发动机的点火时间，提高点火成功率。

参照图4，本发明提供一种超燃冲压发动机，包括燃烧室，燃烧室壁面为金属壁面，燃烧室内安装有上述实施例中所述的并联式多路滑动弧等离子体点火器。

本实施例中的并联式多路滑动弧等离子体点火器安装在燃烧室的主流下壁面9中，并联式多路滑动弧等离子体点火器其圆柱形绝缘体的顶面与主流下壁面齐平，圆柱形绝缘体外围的金属外壳以及燃烧室壁面均作为放电地极，通过导线与大地连接。并联式多路滑动弧等离子体点火器的安装方式不限，如可以在主流下壁面中开设有带螺纹的安装孔，并联式多路滑动弧等离子体点火器的金属外壳上设置有螺纹，这样通过螺纹连接将并联式多路滑动弧等离子体点火器安装在主流下壁面中。燃料喷注孔10的喷注位置不限，可以位于并联式多路滑动弧等离子体点火器前方、后方。

开启电源，电源向各放电支路同时提供能量，各钨针电极与圆柱形绝缘体外围的金属外壳以及金属外壳、燃烧室壁面依次发生放电，形成多通道滑动弧等离子体，滑动弧等离子体随燃烧室内气流进行拉伸和滑动，从而实现高功率、大面积、集中式多路滑动弧等离子体放电。

滑动弧等离子体6呈现电弧放电形态，击穿钨针电极与圆柱形绝缘体1外围的金属外壳2以及凹腔8中的燃烧室壁面7间的空气并形成等离子体放电通道。可根据燃烧调控需求，调整等离子体电源输出功率，实现三到六路滑动弧等离子体放电。滑动弧等离子体随主流气流进行拉伸和滑动，滑动弧形态跟随气流方向向正后方放电。同时，燃料喷注孔10的喷注位置一般位于并联式多路滑动弧等离子体点火器前方，因此生成的滑动弧等离子体可用于燃料裂解和增强燃料掺混。

滑动弧等离子体兼具平衡等离子体和非平衡等离子体的特性，温度到达1100K，具有较高的电子温度，具备较好的化学动力学特性。滑动弧等离子体因其较强的热效应，化学效应有望实现宽马赫数范围和极端工况条件下超燃冲压发动机多次可靠重复点火。

本发明运用并联式多路放电电路，将钨针电极等间距排布在圆形陶瓷点火器中，结合超燃冲压燃烧室内部结构，实现高功率、大面积、集中式多路滑动弧等离子体放电。

本发明已经经过实验验证，并联式多路滑动弧等离子体点火器生成的多路滑动弧等离子体具有良好的点火和助燃效果。超声速来流状态为马赫数2.92、总温1550K和总压2.05MPa，燃料为冷煤油。运用并联式多路滑动弧等离子体点火器与火花塞进行冷煤油点火实验，并进行横向对比，等离子体放电功率约为1500W。实验结果表明，并联式多路滑动弧等离子体点火器可以实现冷煤油宽范围内点火，而火花塞无法实现点火。由于并联式多路滑动弧等离子体点火器可以实现长时间、大范围、高功率放电，从而可以持续生成初始火核，补充到已有的初始火焰中，直至形成稳定的凹腔剪切层火焰。而火花塞点火后，生成的初始火焰由于没有后续的初始火核进行补充，导致被冷煤油熄灭。并联式多路滑动弧等离子体点火器的煤油点火过程如图5所示。滑动弧等离子体可以持续生成初始火核，补充到正在传播的初始火焰中，从而成功点燃凹腔剪切层火焰。

同时，可运用并联式多路滑动弧等离子体点火器产生的多路滑动弧等离子体进行燃烧调控，拓宽燃烧室的贫燃熄火边界，等离子体放电功率约为6000W。超声速来流状态为马赫数2.92、总温1550K和总压2.05MPa，燃料为乙烯。实验结果表明，开启多路滑动弧等离子体点火器后，燃烧室的贫燃熄火边界可拓宽22％。如图6所示，在开启等离子体后，贫燃火焰可以维持在凹腔和剪切层中，而后于t＝150.6ms关闭等离子体，贫燃火焰快速熄灭。于t＝598ms再次开启等离子体后，等离子体重新点燃乙烯火焰，并维持凹腔和剪切层中的贫燃燃烧，而后于t＝908.3ms关闭等离子体电源，火焰熄灭。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (6)

1.超燃冲压发动机，其特征在于，包括燃烧室，燃烧室壁面为金属壁面，燃烧室内安装并联式多路滑动弧等离子体点火器；

所述并联式多路滑动弧等离子体点火器安装在燃烧室内凹腔的底壁中，所述并联式多路滑动弧等离子体点火器其圆柱形绝缘体的顶面与凹腔底壁面齐平，圆柱形绝缘体外围的金属外壳以及凹腔中的燃烧室壁面均作为放电地极，通过导线与大地连接；

所述并联式多路滑动弧等离子体点火器包括圆柱形绝缘体、多个钨针电极、放电支路和电源，放电支路的数目与钨针电极的数目相同；

所述圆柱形绝缘体外套装有筒状的金属外壳，金属外壳作为放电地极，通过导线与大地连接；

所述多个钨针电极作为多个放电阳极，所述多个钨针电极围绕圆柱形绝缘体的中心轴线呈圆周均匀分布在圆柱形绝缘体中；各钨针电极的顶端作为放电端，均伸出圆柱形绝缘体之外；各钨针电极的底端均通过导线对应连接一路放电支路，各放电支路并联后连接电源，形成并联式多路放电电路。

2.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机，其特征在于：各路放电支路上连接有耦合电容，耦合电容一端通过导线分别与钨针电极相连，耦合电容的另一端通过导线与电源相连。

3.根据权利要求2所述的超燃冲压发动机，其特征在于：钨针电极有6个。

4.根据权利要求3所述的超燃冲压发动机，其特征在于：电源为大功率交流等离子体电源，额定功率为5000W。

5.根据权利要求4所述的超燃冲压发动机，其特征在于：耦合电容的电容值为10-100pF，电压值为35KV。

6.根据权利要求3所述的超燃冲压发动机，其特征在于：钨针电极直径为1mm，各钨针电极与圆柱形绝缘体中心的距离为10mm，圆柱形绝缘体的直径为40mm。

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