CN113915005B - 一种用于产生滑动弧的结构及具有该结构的等离子体点火器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于产生滑动弧的结构及具有该结构的等离子体点火器；所述等离子体点火器，包括在前部来流区与尾部着火区之间设有产生滑动弧的结构，该结构包括安装在中心轴上的接地电极座，所述中心轴的进气端套接有与接地电极座相连的涡轮，位于高压电极绝缘座中的所述接地电极座上分布有多个向外凸起的接地电极，所述高压电极绝缘座上分布有多个向内凸起的高压电极；所述高压电极绝缘座通过绝缘外套安装在点火器外壳上。采用旋转滑动弧点火的方式，可在高空高速的极端条件下有效点火；产生滑动弧的结构与涡轮相配合，可保证来流置于电场中，并且接地电极的旋转能有效的提高放电效率，确保了来流与电弧的充分接触，从而提高点火成功率。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体点火技术领域，具体涉及一种用于产生滑动弧的结构及具有该结构的等离子体点火器。
背景技术
滑动弧等离子体放电是一种介于热等离子体和冷等离子体之间的等离子体产生方法，兼具热等离子体和冷等离子体的特点。这一特点决定了滑动弧等离子体既有较高的温度，可以应用于点火、助燃等需要高温效应的领域；而且其大部分能量(75％～80％)均消耗在非热平衡阶段，拥有大量的高能量电子和良好的化学选择性，因此滑动弧放电在等离子体重整等领域也有重要的应用价值。
目前，主要的滑动弧等离子体放电大多采用刀片电极和旋转滑动弧两种。其中，刀片电极常与沿电极刀片方向的进气相结合，在两个刀片的间距最短处形成电弧，电弧随着气流运动而逐渐增长直至熄灭；旋转滑动弧多采用进气旋流和旋转电极结构相结合，利用旋转气流在两电极之间的空间内形成旋转的滑动弧放电。与刀片电极相比，旋转滑动弧能够提高电弧与气体的接触时间和接触面积，促进反应的进行。
然而，在需要结合高速进气的工况时，上述两种方式将不可避免的面临电弧范围过小、与气体接触不足的问题。相对于刀片电极和旋转滑动弧电极所对应的空间尺寸而言，所形成的滑动弧尺寸远小于放电空间尺寸，与电弧接触的气体量过少，这种情况在高速进气时更为显著。因此，有必要研发能够在空间大范围内产生滑动弧的装置，以增加电弧与气体的接触范围。
现有技术公开了关于滑动弧在等离子体点火器中的应用，如①中国发明专利申请号：201911272687.3，名称：基于燃烧室二次流的多阳极滑动弧等离子体点火器及点火方法；②中国发明专利申请号：201911272688.8，名称：一种多阴极滑动弧等离子体点火器；③中国发明专利申请号：CN201711225205.X，名称：基于自引气的航空发动机等离子体射流点火器；④中国实用新型专利申请号：CN109057972A，名称：一种预燃式航空发动机等离子体点火器；以上方案都是利用等离子体来辅助点火，以达到在恶劣条件的可靠点火，优点是可以提高燃料点火时的稀燃极限，缺点是点火时的产生电弧能量不是很充分且不可调节。
发明内容
针对现有滑动弧放电结构中存在的气体与电弧接触过少问题，本发明提出了一种用于产生滑动弧的结构及具有该结构的等离子体点火器，其在保证电弧能量的前提下，可有效避免能量的浪费。
第一方面，本申请提出一种用于产生滑动弧的结构，包括高压电极座和接地电极座，在所述高压电极座上分布有多个向内凸起的高压电极，在所述接地电极座上分布有多个向外凸起的接地电极，所述高压电极和接地电极呈环形布置；所述高压电极座或接地电极座绕中心轴转动时，气流流经高压电极与接地电极间的滑动弧产生区，在高压电极施加电压后，所述高压电极与接地电极之间产生电弧，该电弧在跨高压电极表面和接地电极表面时，沿着气流的运动方向滑动产生滑动弧。
进一步的，每个所述高压电极是由电源单独供电。
第二方面，本申请还提出一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，包括点火器外壳，所述点火器外壳一端为前部来流区，另一端为尾部着火区，在所述前部来流区与所述尾部着火区之间设有产生滑动弧的结构，该结构包括安装在中心轴上的接地电极座，所述中心轴的进气端套接有与接地电极座相连的涡轮，位于高压电极绝缘座中的所述接地电极座上分布有多个向外凸起的接地电极，所述高压电极绝缘座上分布有多个向内凸起的高压电极，该高压电极周向呈线性阵列分布，每个线性阵列位于对应的接地电极之间；所述高压电极绝缘座通过绝缘外套安装在点火器外壳上。
进一步的，工作时，来流经过点火器外壳的进气口，推动涡轮转动，从而带动接地电极座绕中心轴转动，在接地电极与高压电极之间产生滑动电弧，由于存在大量滑动电弧，会发生着火现象，产生的火焰随气流从点火器外壳尾部喷出，点燃外部空间里的燃料。
进一步的，所述接地电极座的进气端与中心轴接触部位设有钢珠，所述钢珠通过弹簧连接在中心轴上。
进一步的，所述中心轴两端分别设有前部绝缘支架、尾部绝缘支架，所述前部绝缘支架、尾部绝缘支架均固定在高压电极绝缘座上，每个高压电极由电源单独供电。
进一步的，高压线路从所述电源的正极引出，依次穿过点火器外壳、绝缘外套连接到高压电极的固定螺栓上。
进一步的，接地电极通过钢珠与中心轴导通，该中心轴与接地线路相连，该接地线路依次穿过前部绝缘支架、高压电极绝缘座、绝缘外套、点火器外壳连接至电源的负极。
更进一步的，所述接地电极座上开有容纳腔，该容纳腔通过两端的轴承与中心轴相连，在容纳腔尾端设有接地电极后端盖。
更进一步的，所述前部来流区设有前端温度传感器和气流组分分析器，所述尾部着火区设有尾端温度传感器。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：每一个高压电极是由电源单独供电，可根据不同的工况选择给不同数量的电极通电，在保证电弧能量的前提下，可有效的避免能量的浪费。但若所需要的电弧能量较大时，可采用阵列的方式布置多组电极，以保证工作时的可靠性。
采用旋转滑动弧点火的方式，可在高空高速的极端条件下有效点火；产生滑动弧的结构与涡轮相配合，可保证来流置于电场中，并且接地电极的旋转能有效的提高放电效率，确保了来流与电弧的充分接触，从而提高点火成功率。
附图说明
图1为一种用于产生滑动弧的结构示意图；
图2为一种用于产生滑动弧的结构原理图；
图3为一种基于旋转滑动弧的等离子体点火器结构图；
图4为一种基于旋转滑动弧的等离子体点火器三维示意图；
图5为一种基于旋转滑动弧的等离子体点火器点火流程图；
图6为一种基于旋转滑动弧的等离子体点火器点火过程示意图；
图7为一种基于旋转滑动弧等离子点火器线路布置图。
图中序号说明：11.高压电极座；12.高压电极；21.滑动弧；31.接地电极座；32.接地电极；41.点火器外壳；42.高压电极绝缘座；43.钢珠；44.中心轴；45.绝缘外套；46.尾部绝缘支架；47.接地电极后端盖；48.轴承；49.涡轮；50.前部绝缘支架；51.前部来流区；52.高压电极与接地电极之间的区域；53.尾部着火区；54.前端温度传感器；55.气流组分分析器；56.弹簧；57.尾端温度传感器；58.固定螺栓。
具体实施方式
本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1
如图1-2所示，一种用于产生滑动弧的结构，包括高压电极座11、高压电极12、接地电极座31和接地电极32。其中，高压电极12和接地电极32以接地电极座31为中心呈环形布置。工作时，高压电极12或接地电极32绕中心轴接地电极座31转动，同时气流流经高压电极与接地电极间的滑动弧产生区。在高压电极施加足够的电压后，会在高压电极12和接地电极32之间产生电弧，由于气流的存在，会使得电弧在跨高压电极表面和低压电极表面时沿着气流的运动方向滑动，因而产生滑动弧21。又由于高压电极12或接地电极32的周向转动，使得滑动弧21的产生和熄灭速率加快，从而提高放电效率。
在此基础上，每一个高压电极12是由电源单独供电，可根据不同的工况选择给不同数量的电极通电，在保证电弧能量的前提下，可有效避免能量的浪费。更近一步的，若所需要的电弧能量较大时，可采用阵列的方式布置多组电极，以保证工作时的可靠性。
实施例2
如图3-7所示，一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，包括点火器外壳，所述点火器外壳一端为前部来流区，另一端为尾部着火区，在所述前部来流区与所述尾部着火区之间设有产生滑动弧的结构，该结构包括安装在中心轴上的接地电极座，所述中心轴的进气端套接有与接地电极座相连的涡轮，该结构中的高压电极12与接地电极32的中心轴相同，高压电极12沿周向圆形阵列分布在高压电极绝缘座42上。其中每一个高压电极12由等离子体电源独立供电，并且高压电极12沿着轴向线性阵列分布，以保证不同进气条件下能有效地点火。本申请中涡轮49带动接地电极32转动，同时在两电极之间产生滑动电弧。由于接地电极32的转动，使得两电极之间滑动电弧的产生和熄灭速率加快，从而提高了放电效率。
工作时，来流经过点火器外壳的进气口，推动涡轮49转动，从而带动接地电极座绕中心轴44转动。由此在高压电极12和接地电极32之间的区域52内形成滑动弧放电；来流经过多层电极之间电弧的电离助燃，在点火器外壳的出口处着火并稳定燃烧，形成稳定火焰。
本实施例的等离子体点火器线路布置是：高压线路从电源的正极引出，依次穿过点火器外壳41、高压电极绝缘座42连接到高压电极的固定螺栓58上。接地电极通过钢珠与中心轴导通，该中心轴与接地线路相连，该接地线路依次穿过前部绝缘支架、高压电极绝缘座、绝缘外套连接至电源的负极。其中，弹簧56可保证钢珠43与接地电极32之间保持良好的接触。
具有旋转滑动弧的等离子体点火器点火时包括以下步骤：
S1：首先打开进气阀门，来流流经进气口后，前端温度传感器54和气流组分分析器55对来流进行分析，从而得到最佳地放电电压和通电电极数量；
S2：气流流进涡轮49，该涡轮49带动接地电极32转动，然后电源开始给高压电极12通电，该高压电极12与接地电极32之间产生滑动弧。
S3：给适当数量的高压电极12通电，以保证在两电极之间的区域52内产生足够的点火电弧。
S4：来流流经高压电极12与接地电极32之间的区域52时，在大量电弧的作用下使得区域52内的温度急剧升高，并达到着火界限。
S5：由于气流的进一步推动，使得产生的火焰从尾部喷出并点燃外部空间的可燃物。
S6：尾部温度传感器22检测到尾部着火区内的温度达到着火时的温度则表明点火成功，电源停止供电。
S7：在规定的点火时间内若尾部着火区内的温度未达到着火时的温度，则再次重复步骤1-5，直至成功点火。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (8)
1.一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，包括点火器外壳，其特征在于，所述点火器外壳一端为前部来流区，另一端为尾部着火区，在所述前部来流区与所述尾部着火区之间设有产生滑动弧的结构，该结构包括安装在中心轴上的接地电极座，所述中心轴的进气端套接有与接地电极座相连的涡轮，位于高压电极绝缘座中的所述接地电极座上分布有多个向外凸起的接地电极，所述高压电极绝缘座上分布有多个向内凸起的高压电极，该高压电极周向呈线性阵列分布，每个线性阵列位于对应的接地电极之间；所述高压电极绝缘座通过绝缘外套安装在点火器外壳上。
2.根据权利要求1所述一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，其特征在于，工作时，来流经过点火器外壳的进气口，推动涡轮转动，从而带动接地电极座绕中心轴转动，在接地电极与高压电极之间产生滑动电弧，由于存在大量滑动电弧，会发生着火现象，产生的火焰随气流从点火器外壳尾部喷出，点燃外部空间里的燃料。
3.根据权利要求1所述一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，其特征在于，所述接地电极座的进气端与中心轴接触部位设有钢珠，所述钢珠通过弹簧连接在中心轴上。
4.根据权利要求1所述一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，其特征在于，所述中心轴两端分别设有前部绝缘支架、尾部绝缘支架，所述前部绝缘支架、尾部绝缘支架均固定在高压电极绝缘座上，每个高压电极由电源单独供电。
5.根据权利要求4所述一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，其特征在于，高压线路从所述电源的正极引出，依次穿过点火器外壳、绝缘外套连接到高压电极的固定螺栓上。
6.根据权利要求1所述一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，其特征在于，接地电极通过钢珠与中心轴导通，该中心轴与接地线路相连，该接地线路依次穿过前部绝缘支架、高压电极绝缘座、绝缘外套、点火器外壳连接至电源的负极。
7.根据权利要求1所述一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，其特征在于，所述接地电极座上开有容纳腔，该容纳腔通过两端的轴承与中心轴相连，在容纳腔尾端设有接地电极后端盖。
8.根据权利要求1所述一种具有旋转滑动弧的等离子体点火器，其特征在于，所述前部来流区设有前端温度传感器和气流组分分析器，所述尾部着火区设有尾端温度传感器。
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