CN113623686B - 超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置，在超燃冲压发动机燃烧室的凹腔前端设置阶梯状凹腔前壁，凹腔前壁的各级阶梯上均设置有交流滑动弧电极结构，能够产生交流滑动弧放电。位于上方的第一级交流滑动弧电极结构中的导轨电极可与位于下方的第二级交流滑动弧电极结构的第一排辅助放电结构中的点电极间形成放电，增加滑动弧放电长度和作用范围，能够产生“一上一下”级联式交流滑动弧放电。本发明能够形成随燃烧室内流场运动的等离子体通道，具有放电面积大、持续时间长、作用范围广等特点，提高超燃冲压发动机宽范围飞行条件和极端工况下的稳焰能力。

Description

超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置

技术领域

本发明属于超燃冲压发动机技术领域，具体涉及一种超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置。

背景技术

目前应用较多的稳焰方式有注入易燃烧的燃料和使用火花塞产生等离子体稳焰等。注入易燃烧的燃料是通过向燃烧室注入易发生化学反应的气态燃料(如 H2)先产生局部火焰，然后通过已经形成的火焰逐渐点燃主流，有助于形成稳定的全局火焰。但是该方法需要额外的辅助燃料模块设计，增加了燃烧室的设计难度。

使用火花塞产生等离子体稳焰是通过高压脉冲放电击穿电极间隙形成热平衡等离子体，增加温度和活性组分浓度，实现超燃冲压发动机的稳焰。但是火花放电的频率受限，且火花塞放电对于拓宽煤油稳焰边界较为困难，在近贫燃或近富燃等极端条件下，难以实现超燃冲压发动机的稳焰。

现有技术的缺点是：

(1)注入易燃烧燃料的方案需要额外设计燃料(H₂等)喷注模块，且实际工程应用需要考虑如何携带、储存等问题。

(2)对于使用火花塞产生等离子体稳焰的方案，火花塞烧蚀严重，属于直流脉冲放电，放电频率低，煤油稳焰边界拓展有限，难以实现近富燃极限或近贫燃极限条件下的稳焰。

(3)注入易燃烧燃料方案与火花塞产生等离子体稳焰方案对非稳态火焰的调控能力较差，一旦火焰到达仅吹熄或吹熄状态，较难实现稳焰。

发明内容

针对现有技术存在的超燃冲压发动机稳焰困难的问题，本发明提供一种超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置，在超燃冲压发动机燃烧室的凹腔前端设置阶梯状凹腔前壁，凹腔前壁的各级阶梯上均设置交流滑动弧电极结构，能够产生交流滑动弧放电，形成随燃烧室内流场运动的等离子体通道，实现可靠的点火及火焰稳定。本发明能够形成随燃烧室内流场运动的等离子体通道，具有放电面积大、持续时间长、作用范围广等特点，提高超燃冲压发动机宽范围飞行条件和极端工况下的稳焰能力。

作为本发明的优选方案，所述交流滑动弧电极结构包括高压电源、陶瓷绝缘块、导轨电极和点电极，所述导轨电极和点电极均分布在陶瓷绝缘块的上表面上，导轨电极作为高压极，点电极为地极，导轨电极通过高压导线与高压电源连接，点电极通过高压导线与大地连接。

作为本发明的优选方案，所述高压电源为高压交流电源。燃烧室的金属内壁均通过高压导线与大地连接。

作为本发明的优选方案，所述交流滑动弧电极结构中，陶瓷绝缘块上分布有多个导轨电极和多个点电极。

作为本发明的优选方案，陶瓷绝缘块上的多个导轨电极等间距平行排列，且各导轨电极的长度方向与燃烧室内主流流动方向相同，各导轨电极的两边分布有点电极，点电极和导轨电极交替且等间隔排列成一排主放电电极结构。

作为本发明的优选方案，远离燃烧室内主流入口的导轨电极的一端头延伸至陶瓷绝缘块的边缘。

作为本发明的优选方案，陶瓷绝缘块上分布有至少一排辅助放电结构，辅助放电机构由多个点电极等间隔排列而成。

作为本发明的优选方案，辅助放电结构与主放电电极结构平行设置。

作为本发明的优选方案，凹腔前壁具有两级阶梯，位于上方的第一级阶梯上的第一级交流滑动弧电极结构的陶瓷绝缘块的上表面与其上游的燃烧室内壁面齐平；位于下方的第二级阶梯上的第二级交流滑动弧电极结构的陶瓷绝缘块直接安装在凹腔底壁上；

第一级交流滑动弧电极结构中的导轨电极能够与位于下方的第二级交流滑动弧电极结构的第一排辅助放电结构中的点电极间形成放电，增加滑动弧放电长度和作用范围，产生“一上一下”级联式交流滑动弧放电。

本发明的阶梯级数不限于两级，还可以是三级或三级以上，一般设为两级。上下相邻级的交流滑动弧电极结构之间均能够产生“一上一下”级联式交流滑动弧放电。

交流滑动弧电极结构放电产生的等离子体富含大量的活性粒子，能够直接点燃可燃混合气；随燃烧室内流场运动的等离子体通道在运动过程中会伴随初始火核的形成，初始火核随流场传播并发展；当大量的火核逐步发展并融合，将逐渐形成全局火焰；在全局火焰成功建立后，即使在来流条件发生变化，造成近贫、富燃吹熄极限，或发生燃烧不稳定时，等离子体通道源源不断地为主流火焰提供活性粒子，同时产生小火核与主流火焰融合，增强燃烧释热，提高燃烧稳定性。

通过上述技术方案，本发明能够达到的有益技术效果是：

在超燃冲压发动机中，来流速度极快，燃料在燃烧室驻留时间极短，火焰稳定极为困难。在燃烧室内加入凹腔，产生低速回流区，能够降低超燃冲压发动机点火和稳焰的难度。但是，在近贫/富燃极限和宽马赫数范围等极端工况条件下，依然面临火焰稳定难题。目前，基于凹腔的稳焰方案主要有注入易燃烧的燃料和使用火花塞产生等离子体稳焰等。注入易燃烧的燃料(如氢气)，产生局部火焰，逐渐引燃主流可燃气并形成稳定的全局火焰，但是这种方案需要额外的燃料喷注模块设计，对燃烧室一体化设计及工程应用带来一定困难。使用火花塞产生等离子体稳焰是凭借火花放电诱导的热平衡等离子体增加温度和活性组分浓度，实现超燃冲压发动机的稳焰，但是火花放电的放电频率低，且对于煤油燃料稳焰边界的拓宽有限。

本发明采用高频交流电引导的滑动弧等离子体进行稳焰，其中滑动弧放电的电极构型与现有凹腔结构相结合形成级联放电，提高等离子体的作用面积，并结合高频交流放电增加等离子体的作用时间，从而提高稳焰效果，拓宽贫富燃边界，增加火焰稳定性。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图；

图2是本发明一实施例的结构原理图；

图3是本发明一实施例的俯视图；

图4是本发明实施例中交流滑动弧电极结构的俯视图。

图中标号：

1、凹腔；2、陶瓷绝缘块；3、导轨电极；4、点电极；5、螺纹安装孔；6、高压电源；7、高压导线；8、大地；9、测压孔；10、等离子体通道。

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。以下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。

本发明的主要思路是，将交流滑动弧电极结构与凹腔构型耦合到一起实现级联放电，利用交流滑动弧等离子体的放电面积大、持续时间长、作用范围广等特点，提高超燃冲压发动机宽范围飞行条件和极端工况下的稳焰能力。

参照图1，本发明一实施例中提供一种超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置，在燃烧室内设置有凹腔1，在超燃冲压发动机燃烧室的凹腔前端设置阶梯状凹腔前壁，凹腔前壁的各级阶梯上均设置交流滑动弧电极结构，产生级联交流滑动弧放电；滑动弧级联放电凹腔稳焰装置能够形成随燃烧室内流场运动的等离子体通道，具有放电面积大、持续时间长、作用范围广等特点，提高超燃冲压发动机宽范围飞行条件和极端工况下的稳焰能力。。

参照图1，本发明一实施例中，所述交流滑动弧电极结构包括高压电源6、陶瓷绝缘块2、导轨电极3和点电极4。

参照图4，本发明实施例中，陶瓷绝缘块2上设置有螺纹安装孔5，通过螺钉将陶瓷绝缘块5在凹腔前壁的各级阶梯上。陶瓷绝缘块的主要作用是绝缘和固定电极，避免高压电极产生漏电或爬电现象。

陶瓷绝缘块5上分布有多个导轨电极3和多个点电极4。所述导轨电极3 和点电极4均分布在陶瓷绝缘块2的上表面上，导轨电极3作为高压极，点电极4为地极，导轨电极3通过高压导线7与高压电源6连接，点电极4通过高压导线7与大地8连接。所述高压电源6为高压交流电源。燃烧室的金属内壁均通过高压导线7与大地8连接。采用交流高压电，增加放电等离子体与燃料、空气的作用时间。

参照图1、图2、图3和图4，其各实施例中的的陶瓷绝缘块2上的多个导轨电极3等间距平行排列，且各导轨电极3的长度方向与燃烧室内主流流动方向相同，各导轨电极3的两边分布有点电极4，点电极4和导轨电极3交替且等间隔排列成一排主放电电极结构。远离燃烧室内主流入口的导轨电极3的一端头延伸至陶瓷绝缘块2的边缘。

陶瓷绝缘块2上分布有至少一排辅助放电结构，辅助放电机构由多个点电极4等间隔排列而成。辅助放电结构与主放电电极结构平行设置。

第一级交流滑动弧电极结构的陶瓷绝缘块2的上表面与其上游的燃烧室内壁面齐平；最后一级交流滑动弧电极结构的陶瓷绝缘块2直接安装在凹腔底壁上，与凹腔底壁形成最后一级阶梯。

参照图4，该实施例中绝缘陶瓷块2上的电极布置情况是：第一排为辅助放电结构，由4个点电极等间隔排列而成，第一排的点电极起辅助作用。第二排为主放电电极结构，由四个点电极4和三个导轨电极3交替且等间隔排列成，第二排的电极为主要的工作电极。两排电极的下方为两个贯穿陶瓷绝缘体的通孔，用作测压孔9，测压孔9的作用是通过压力传感器测量表面静压。点电极和导轨电极都以相同的方式与高压导线焊接，并嵌在绝缘陶瓷块中间。绝缘陶瓷块2上开设有4个M5螺纹，用于将绝缘陶瓷块装配到对应的阶梯上。

本发明的具体工作原理是：在导轨电极和点电极间施加交流高压电，当电压超过击穿电压阈值时，导轨电极和点电极间则会产生击穿放电，形成等离子体通道10。等离子体通道10通常会沿着导轨电极和点电极间的最近路径。即导轨电极和与之具有最短连线的点电极之间产生击穿放电，形成等离子体通道 10。由于交流电的电压值呈周期式变化，当电压低于某一电压之后，放电则不能维持，此时产生的等离子体通道10逐渐衰减。直到下一次电压变化达到电压击穿阈值后，导轨电极和点电极间则再次击穿。

如果交流滑动弧电极结构应用在静止流场环境时，击穿放电实现后，等离子体通道10并不会随流场运动，等离子体通道则一直保持在某一空间位置附近，此状态也可称为“非滑动状态”。而当交流滑动弧电极结构应用在动态流场环境时，等离子体通道10会随流场运动。由于交变电流的特性，电压值呈正弦函数变化，电极间的电压可以在一段时间内保持相对较高的电压值。在这一时间段内，电极间可持续放电，由于气流的作用下，等离子体通道会向下游移动。此时，在点电极和导轨电极间的等离子体通道将会逐渐拉长，直至放电熄灭，此状态也可称为“滑动状态”。采用滑动弧的形式，增加了放电等离子体与燃料、空气的作用范围。

交流滑动弧电极结构设计的目的是在有限的几何尺寸范围内，尽可能拉长电弧长度，增加放电面积，尽可能增加等离子体通道与发动机内可燃混合气的接触面积和接触时间，以提高点火稳定性和可靠性，增强凹腔结构的火焰稳定能力。点电极和导轨电极的设计，是提供一个固定的电极和一个沿导轨不断变化的电极，以便滑动弧更好地达到“互动状态”。多对点电极和导轨电极的设置，旨在从数量上增加放电的作用面积。

现有的滑动弧等离子体发生器的主要问题有：第一，点电极放电相对容易熄灭。大多数滑动弧等离子体发生器的正负电极多采用点电极的方式，放电在点电极间产生，这种电弧并非为真正意义上的“滑动”，而是将等离子体通道“拉长”，在相同的电压条件下，等离子体通道的长度有限，放电相对容易熄灭。第二，现有的多数等离子体发生器的作用面积较小，而本滑动弧等离子体发生器设计结合了凹腔的台阶构型，在同等条件下采用本滑动弧等离子体发生器，不仅在电极表面附近作用面积增加，而且有潜力实现导轨电极与凹腔底壁之间的放电，在一定意义上实现了跨凹腔放电，有效增加放电作用面积。第三，现有的电极位置的布置方式单一。现有的大多数电极设计，其位置选择基本固定，难以根据实际需求去改变电极位置。而本电极结构采用模块式设计，完美契合凹腔结构，不单单可以在凹腔台阶处布置，还可以采用“一上一下”式级联式放电，甚至可以在主流流场区域的某些位置进行替换，实现在主流流场的放电。

本发明中的可采用单级交流滑动弧电极结构。也可如图1、图2和图3所示采用“一上一下”两级级联交流滑动弧电极结构，或者采用2级以上的级联的交流滑动弧电极结构。

高压交流电源，给导轨电极提供高压交流电，交流电的峰值电压要高于此时导轨电极和点电极间的电压击穿阈值。导轨电极作为高压极与高压电源通过高压导线相连。点电极作为地极与大地通过高压导线相连。导轨电极、点电极的数目和排布的设计目的是，在给定的燃烧室宽度内，考虑电极与导线的尺寸与装配位置，尽可能多的布置点电极和导轨电极。

图1、2、3均包括呈阶梯分布的两级的交流滑动弧电极结构，即采用“一上一下”级联式放电。位于上方的第一级交流滑动弧电极结构中的导轨电极可与位于下方的第二级交流滑动弧电极结构的第一排辅助放电结构中的点电极间形成放电。第一、二级交流滑动弧电极结构的第二排电极均为主放电电极结构，均由四个点电极4和三个导轨电极3交替且等间隔排列成。第二排电极的首尾均采用点电极，其目的是避免与燃烧室内侧壁面发生放电，造成爬电、漏电现象。

在这里需要注意的是，导轨电极和点电极均可作为高压极。当选用不同电极作为高压极时，放电的状态可能略有变化，但是整体的滑动特性没有改变，可以根据实际的需要，对比选取合适的放电方案。上述实施例中仅选用导轨电极作为高压极的情况进行说明。

本发明的工作过程是，首先，当高压电源给导轨电极供给高压交流电时，当达电压升高到电极间击穿阈值时，在导轨电极与点电极之间的间隙形成击穿放电。击穿放电通常以高压极与地极的最近路径作为放电通道，高压放电产生等离子体通道。随后，在气流的作用下，等离子体通道沿气流方向运动。同时由于高压交流电的存在，在很短的时间间隔后，电极间再一次形成放电。等离子体通道的存在时间远大于放电的时间间隔，也就是说，当等离子体通道没有消失之前，就又一次形成放电，这就相当于等离子体通道一直存在，并可以随气流向下游运动。当等离子体通道过长，或由于湍流涡造成局部通道断裂，或高压交流电压低于某一电压值后，等离子体通道无法维持，可以称为放电熄灭。当高压交流电压又一次达到电极间的击穿阈值时，则再一次形成击穿放电，等离子体通道再一次形成，如此周而复始。

当在超声速气流中喷注燃料时，流道内将会产生复杂的激波结构，燃料与空气来流在复杂的波系结构中混合，形成可燃混合气。此时高压电源给导轨电极供给高压交流电时，当达电压升高到电极间击穿阈值时，在导轨电极与点电极之间的间隙形成击穿放电。击穿放电通常以高压极与地极的最近路径作为放电通道，高压放电产生等离子体通道，与此同时放电产生的膨胀波将会改变局部相对稳定的波系结构，进一步提高燃料与空气的混合效果。滑动弧放电不仅可以改变局部流场结构，更为重要的是，放电产生的等离子体富含大量的活性粒子，可以直接点燃可燃混合气。滑动弧运动过程中会伴随初始火核的形成，初始火核随流场传播并发展。当大量的火核逐步发展并融合，将逐渐形成全局火焰。在全局火焰成功建立后，即使在来流条件发生变化，造成近贫、富燃吹熄极限，或发生燃烧不稳定时，滑动弧依然可以在一定程度上可以发挥作用，拓宽一定的贫、富燃极限。滑动弧可以通过改变局部流场结构，源源不断地为主流火焰提供活性粒子，同时产生小火核与主流火焰融合，增强燃烧释热，提高燃烧稳定性。即使当主流火焰被吹熄，滑动弧有能力在一定范围内实现再点火，重新发展成全局火焰。

本发明实现了等离子体通道随流场运动，增加了等离子体与可燃混合气的接触面积；而且高频交流滑动弧放电增加了单位时间内等离子体与可燃混合气的作用时间。在这空间与时间的共同作用下，有助于增强燃料混合，实现可靠的点火及火焰稳定。当采用级联式放电结构时，将进一步增加等离子体与可燃混合气的接触面积。此外，级联式放电结构也增加了放电的灵活性，上下级交流滑动弧电极结构中的电极可同时放电或交替放电。

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.超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置，其特征在于：在超燃冲压发动机燃烧室的凹腔前端设置阶梯状凹腔前壁，凹腔前壁的各级阶梯上均设置有交流滑动弧电极结构，能够产生交流滑动弧放电，形成随燃烧室内流场运动的等离子体通道，实现可靠的点火及火焰稳定；所述交流滑动弧电极结构包括高压电源、陶瓷绝缘块、导轨电极和点电极，所述陶瓷绝缘块上分布有多个导轨电极和多个点电极，所述导轨电极和点电极均分布在陶瓷绝缘块的上表面上，陶瓷绝缘块上的多个导轨电极等间距平行排列，且各导轨电极的长度方向与燃烧室内主流流动方向相同，各导轨电极的两边分布有点电极，点电极和导轨电极交替且等间隔排列成一排主放电电极结构，导轨电极作为高压极，点电极为地极，导轨电极通过高压导线与高压电源连接，点电极通过高压导线与大地连接。

2.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置，其特征在于：所述高压电源为高压交流电源，燃烧室的金属内壁均通过高压导线与大地连接。

3.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置，其特征在于：远离燃烧室内主流入口的导轨电极的一端头延伸至陶瓷绝缘块的边缘。

4.根据权利要求2或3所述的超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置，其特征在于：陶瓷绝缘块上分布有至少一排辅助放电结构，辅助放电机构由多个点电极等间隔排列而成。

5.根据权利要求4所述的超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置，其特征在于：辅助放电结构与主放电电极结构平行设置。

6.根据权利要求5所述的超燃冲压发动机滑动弧级联放电凹腔稳焰装置，其特征在于：凹腔前壁具有两级阶梯，位于上方的第一级阶梯上的第一级交流滑动弧电极结构的陶瓷绝缘块的上表面与其上游的燃烧室内壁面齐平；位于下方的第二级阶梯上的第二级交流滑动弧电极结构的陶瓷绝缘块直接安装在凹腔底壁上；

第一级交流滑动弧电极结构中的导轨电极能够与位于下方的第二级交流滑动弧电极结构的第一排辅助放电结构中的点电极间形成放电，增加滑动弧放电长度和作用范围，产生“一上一下”级联式交流滑动弧放电。

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