CN114025461A - 基于k2co3熔融产生等离子流的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于K2CO3熔融产生等离子流的装置及方法，属于离子装置技术领域，其技术方案要点是：包括空气供应装置、氢气供应装置、介质混合罐、高频火花塞电源、燃烧室，空气供应装置包括空气气源供应装置、带介质空气控制阀、无介质空气控制阀和空气节流喉道，氢气供应装置包括氢气气源供应装置、氢气控制阀和氢气节流喉道，介质混合罐包括底部纯净空气入口、多孔板、筛网和顶部混合气出口，燃烧室包括冷却区域外壁、冷却区域内壁、冷却水入口、冷却水出口、注入板、高频火花塞、燃烧室出口喉道和同轴喷嘴。本发明主要用于飞行器等离子流的产生，该装置过程安全可控，离子发生器系统小型化，通过增加气源容积，可有效增加燃烧室稳定工作时间。
Description
技术领域
本发明涉及离子装置技术领域，尤其涉及基于K2CO3熔融产生等离子流的装置及方法。
背景技术
理论计算和实验表明，飞行器周围的等离子体包覆层(或等离子体云团、等离子体喷流)，有助于飞行器隐身、减阻、降低机体表面热流、促使飞行器进气道转捩位置发生明显改变等。等离子体生成方法有多种形式，如大气压表面放电、激光击穿、高功率微波击穿、固体火箭发动机喷流等。
但是，这些技术都存在配套设施重量很大、工作时间很短等缺点，目前很难直接在飞行器上进行应用。
为了解决上述问题，在现有技术的基础上提供了基于K2CO3熔融产生等离子流的装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供基于K2CO3熔融产生等离子流的装置及方法，首先，该装置采用无毒、易存储的K2CO3作为介质，避免使用单质碱金属，过程安全可控；并且，离子发生器系统小型化，氢气和空气气源容积为0.4m3时，燃烧室能够稳定工作5s，气源压力下降幅度低于9％，高温气流总温变化低于15K，通过增加气源容积，可有效增加燃烧室稳定工作时间；此外，该装置在气源及冷却水持续供应的情况下，能够形成稳定的“值班火焰”，可用于大于30s的长时间试验。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
基于K2CO3熔融产生等离子流的装置，包括空气供应装置、氢气供应装置、介质混合罐、高频火花塞电源、燃烧室、多个空气管路和多个氢气管路，所述空气供应装置和介质混合罐通过空气管路与所述燃烧室相连，氢气供应装置通过氢气管路与所述燃烧室相连。
所述空气供应装置包括空气气源供应装置、与空气气源供应装置相连的带介质空气控制阀、与带介质空气控制阀并联设置的无介质空气控制阀和位于空气供应装置末端的空气节流喉道；所述空气气源供应装置、带介质空气控制阀、无介质空气控制阀和空气节流喉道通过空气管路相连。
所述氢气供应装置包括氢气气源供应装置、与氢气气源供应装置相连的氢气控制阀和位于氢气供应装置末端的氢气节流喉道，所述氢气气源供应装置、氢气控制阀和氢气节流喉道通过氢气管路相连。
所述介质混合罐由底端至顶端依次设有底部纯净空气入口、多孔板、筛网和顶部混合气体出口。
所述燃烧室的外壁设有冷却部，所述冷却部包括冷却区域外壁、冷却区域内壁、冷却水入口和冷却水出口，所述冷却水入口和冷却水出口与所述冷却区域外壁连通；所述燃烧室由靠近氢气节流喉道一端至远离氢气节流喉道一端依次设有注入板、高频火花塞和燃烧室出口喉道，所述注入板内安装有4个同轴喷嘴；所述高频火花塞与所述高频火花塞电源相连。
通过采用上述技术方案，利用空气供应装置提供空气气源；利用氢气供应装置提供氢气气源；利用介质混合罐，有助于将介质K2CO3和空气混合均匀；利用高频火花塞电源，有助于为高频火花塞供电，以便能使燃烧室内的氢气和空气通过高频火花塞的点火进行燃烧，从而能够为介质K2CO3的熔融提供高温环境。
利用空气气源供应装置，有助于存储并为装置提供空气气源；利用带介质空气控制阀，有助于通过打开阀门使空气气源进入介质混合罐，能够使空气与介质K2CO3混合均匀，并通过空气的流动将K2CO3带入燃烧室，从而使介质K2CO3能够在氢气-空气燃烧形成的高温环境中熔融，产生K+离子和CO3 2-根离子，与高温气流共同组成等离子流；利用无介质控制阀，有助于通过打开阀门使空气气源进入燃烧室，以便能在介质K2CO3进入燃烧室前，使空气与氢气燃烧并达到稳定的设计压力值，能够有效避免K2CO3在流场建立过程中进入燃烧室却不产生离子；利用空气节流喉道，有助于输送空气气源，并在空气节流喉道下游监测空气或混合气体的流速和供应压力等。
利用氢气气源供应装置，有助于存储并为装置提供氢气气源；利用氢气控制阀，有助于通过打开阀门使氢气气源进入燃烧室，并与空气气源进行燃烧，以便能获得使K2CO3熔融的高温环境；利用氢气节流喉道，有助于输送氢气气源，并在氢气节流喉道下游监测氢气的流速和供应压力等。
利用底部纯净空气入口，有助于使空气气源进入到介质混合罐；由底部纯净空气入口进入介质混合罐的气流具有高速和高压的特点，利用多孔板，有助于支撑筛网，能够有效防止筛网在气流的作用下变形，同时，能够使进入的气流减速并分成多股，以便能够提高空气和K2CO3的混合效果；利用筛网，有助于承载K2CO3，并防止K2CO3透过筛网下漏，同时，具有一定流速的气流带动K2CO3进入燃烧室；利用顶部混合气体出口，能够使混合气体从顶部离开介质混合罐。
利用冷却部，能够通过控制冷却水入口的面积、冷却水出口的面积和冷却水的流速来实现冷却功能；利用注入板，有助于设置同轴喷嘴；利用同轴喷嘴，有助于将空气、混合气体和氢气注入燃烧室；利用高频火花塞，有助于实现点火燃烧，能够通过氢气和氧气的燃烧形成稳定的高温环境，以便能使K2CO3熔融产生离子，并与高温气流形成等离子流；利用燃烧室出口喉道，能够通过控制喉道尺寸R3控制燃烧室总压，并通过控制R3与R4的比值来调整高温气流穿透深度。
采用本方案能够避免使用单质碱金属，过程安全可控；且离子发生器系统小型化，氢气气源和空气气源容积为0.4m3时，燃烧室稳定工作5s，气源压力下降幅度小于9％，高温气流总温变化小于15K，因此，增加气源容积，可增加燃烧室稳定工作时间；还可通过改变气源压力与相应的节流喉道尺寸，调节氢气、空气流量配比，改变燃烧室总温，用于其他介质的离子流生成；发生器产生的高温离子流，或无介质时产生的高温气流，可作为点火器，用于超燃冲压发动机试验强迫点火或燃烧风洞加热器点火；此外，可通过改变燃烧室出口喉道R3、R4的比例，调整高温气流穿透深度；在气源及冷却水持续供应的情况下，形成稳定的“值班火焰”，可用于大于30s的长时间试验。
进一步地，所述多孔板的总流通面积大于等于所述空气节流喉道流通面积的3倍；所述多孔板的孔径为所述底部纯净空气入口口径的1/6～1/3。
通过采用上述技术方案，有助于控制最终能够进入燃烧室的混合气体量，以便能促进氢气和氧气的完全反应，因此，多孔板总流通面积由下游空气节流喉道的流通面积决定。
进一步地，所述冷却水入口的高度低于所述冷却水出口的高度，且所述冷却水出口的面积比所述冷却水入口的面积小10％。
通过采用上述技术方案，利用冷却水入口的高度低于所述冷却水出口的高度，且冷却水出口的面积比所述冷却水入口的面积小10％，有助于保证冷却水充满冷却部，以便能充分发挥冷却作用。
进一步地，4个所述同轴喷嘴的空气注入流通总面积为所述空气节流喉道流通面积的2.5～3.5倍；且4个所述同轴喷嘴的氢气注入流通总面积为所述氢气节流喉道流通面积的2.5～3.5倍。
通过采用上述技术方案，有助于保证氢气和空气完全反应。
进一步地，4个所述同轴喷嘴在圆周上均匀分布，4个所述同轴喷嘴与所述高频火花塞的距离为20mm，且所述同轴喷嘴的轴线和高频火花塞的端面重合。
通过采用上述技术方案，有助于顺利实现点火燃烧，且能够促使氢气和空气完全反应。
本发明还提供了基于K2CO3熔融产生等离子流的方法，其步骤如下：
S1、开启所述无介质空气阀和氢气控制阀，使空气和氢气进入燃烧室，由高频火花塞点火并开始燃烧。
S2、当燃烧室的压力达到设计值并稳定后，开启所述带介质空气控制阀，通过空气将K2CO3带入燃烧室，约50ms～100ms后，关闭无介质空气控制阀，使K2CO3在氢气-空气燃烧形成的高温环境中熔融，产生K+离子和CO3 2-根离子，与高温气流组成等离子流。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.采用无毒、易存储(仅需防潮)的K2CO3作为介质，避免使用单质碱金属，过程安全可控；
2.离子发生器系统小型化，空气、空气气源容积0.4m3时，燃烧室稳定工作5s，气源压力下降幅度低于9％，高温气流总温变化低于15K，增加气源容积，可增加燃烧室稳定工作时间；
3.可通过改变气源压力与相应的节流喉道尺寸，可以调节氢气、空气流量配比，改变燃烧室总温，用于其他介质的离子流生成；
4.发生器产生的高温离子流，或者不使用介质时产生的高温气流，可作为点火器用于超燃冲压发动机试验强迫点火或燃烧风洞加热器点火，还可调整高温气流穿透深度；
5.在气源及冷却水持续供应的情况下，形成稳定的“值班火焰”，能够用于大于30s的长时间试验。
附图说明
图1是本发明实施例的装置示意图；
图2是本发明实施例的介质混合罐的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例的燃烧室的剖面结构示意图。
图中：3、介质混合罐；4、高频火花塞电源；5、燃烧室；6、空气管路；7、氢气管路；1-1、空气气源装置；1-2、带介质空气控制阀；1-3、无介质空气控制阀；1-4、空气节流喉道；2-1、氢气气源供应装置；2-2、氢气控制阀；2-3、氢气节流喉道；3-1、底部纯净空气入口；3-2、多孔板；3-3、筛网；3-4、顶部混合气体出口；5-1、同轴喷嘴；5-2、高频火花塞；5-3、冷却区域外壁；5-4、冷却区域内壁；5-5、冷却水入口；5-6、燃烧室出口喉道；5-7、冷却水出口；5-8、注入板。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
实施例1：基于K2CO3熔融产生等离子流的装置，如图1至图3所示，包括空气供应装置、氢气供应装置、介质混合罐3、高频火花塞电源4、燃烧室5、多个空气管路6和多个氢气管路7，空气供应装置和介质混合罐3通过空气管路与燃烧室5相连，氢气供应装置通过氢气管路与燃烧室5相连；利用空气供应装置提供空气气源；利用氢气供应装置提供氢气气源；利用介质混合罐3，有助于将介质K2CO3和空气混合均匀；利用高频火花塞电源4，有助于为高频火花塞5-2供电，以便能使燃烧室5内的氢气和空气通过高频火花塞5-2的点火进行燃烧，能够形成可使介质K2CO3熔融的高温环境。
空气供应装置包括空气气源供应装置1-1、与空气气源供应装置相连的带介质空气控制阀1-2、与带介质空气控制阀并联设置的无介质空气控制阀1-3和位于空气供应装置末端的空气节流喉道1-4；空气气源供应装置1-1、带介质空气控制阀1-2、无介质空气控制阀1-3和空气节流喉道1-4通过空气管路6相连；利用带介质空气控制阀1-2，有助于通过打开阀门使空气气源进入介质混合罐3，能够使空气与介质K2CO3混合均匀，并通过空气的流动将K2CO3带入燃烧室5，从而使介质K2CO3能够在氢气-空气燃烧形成的高温环境中熔融，产生K+离子和CO3 2-根离子，与高温气流共同组成等离子流，当燃烧室5内腔直径为50mm时，产生的等离子流流量为70g/s～90g/s，总压为0.9MPa～1.2MPa，总温能够达到2100K～2400K。
氢气供应装置包括氢气气源供应装置2-1、与氢气气源供应装置相连的氢气控制阀2-2和位于氢气供应装置末端的氢气节流喉道2-3，氢气气源供应装置2-1、氢气控制阀2-2和氢气节流喉道2-3通过氢气管路7相连；利用氢气气源供应装置2-1，有助于存储并为装置提供氢气气源；利用氢气控制阀2-2，有助于通过打开阀门使氢气气源进入燃烧室，并与空气气源进行燃烧，以便能获得使K2CO3熔融的高温环境；利用氢气节流喉道2-3，有助于输送氢气气源，并在氢气节流喉道下游监测氢气的流速和供应压力等。
介质混合罐3由底端至顶端依次设有底部纯净空气入口3-1、多孔板3-2、筛网3-3和顶部混合气体出口3-4；多孔板3-2的总流通面积大于等于空气节流喉道1-4流通面积的3倍；多孔板3-2的孔径为底部纯净空气入口3-1口径的1/6；冷却水入口5-5的高度低于冷却水出口5-7的高度，且冷却水出口5-7的面积比冷却水入口5-5的面积小10％，冷却水流量为2kg/s。
利用底部纯净空气入口3-1，有助于使空气气源进入到介质混合罐；由底部纯净空气入口3-1进入介质混合罐3的气流具有高速和高压的特点，利用多孔板3-2，有助于支撑筛网3-3，能够有效防止筛网3-3在气流的作用下变形，同时，能够使进入的气流减速并分成多股，以便能够提高空气和K2CO3的混合效果；利用筛网3-3，有助于承载K2CO3，并防止K2CO3透过筛网3-3下漏，同时，具有一定流速的气流带动K2CO3进入燃烧室5；利用顶部混合气体出口3-4，能够使混合气体从顶部离开介质混合罐3。
燃烧室5的外壁设有冷却部，冷却部包括冷却区域外壁5-3、冷却区域内壁5-4、冷却水入口5-5和冷却水出口5-7，冷却水入口5-5和冷却水出口5-7与冷却区域外壁5-3连通；燃烧室5由靠近氢气节流喉道一端至远离氢气节流喉道一端依次设有注入板5-8、高频火花塞5-2和燃烧室出口喉道5-6，注入板内安装有4个同轴喷嘴5-1；高频火花塞5-2与高频火花塞电源4相连。
4个同轴喷嘴5-1的空气注入流通总面积为空气节流喉道1-4流通面积的3.5倍；且4个同轴喷嘴5-1的氢气注入流通总面积为氢气节流喉道2-3流通面积的3.5倍。4个同轴喷嘴5-1在圆周上均匀分布，4个同轴喷嘴5-1与高频火花塞5-2的距离为20mm，且同轴喷嘴5-1的轴线和高频火花塞5-2的端面重合。
实施例2：与实施例1的不同之处在于：多孔板3-2的孔径为底部纯净空气入口3-1口径的1/3；4个同轴喷嘴5-1的空气注入流通总面积为空气节流喉道1-4流通面积的2.5倍；4个同轴喷嘴5-1的氢气注入流通总面积为氢气节流喉道2-3流通面积的2.5倍。
工作原理：使用该装置时，首先开启无介质空气控制阀1-3和氢气控制阀2-2，使空气和氢气进入燃烧室5，并通过高频火花塞5-2点火，使空气和氢气燃烧，当燃烧室5压力达到设计值并稳定后，开启带介质空气控制阀1-2，并在50ms～100ms后关闭无介质空气控制阀1-3，通过带介质空气控制阀1-2的空气气体进入介质混合罐，然后与K2CO3介质混合均匀，并将其带入燃烧室5，使介质K2CO3在氢气-空气燃烧形成的高温环境中熔融，产生K+离子和CO3 2-根离子，并与高温气流组成等离子流。
在本发明的上述实施例中，该装置能够避免使用单质碱金属，过程安全可控；且离子发生器系统小型化，氢气气源和空气气源容积为0.4m3时，燃烧室稳定工作5s，气源压力下降幅度低于9％，高温气流总温变化低于15K，增加气源容积，可增加燃烧室稳定工作时间；还可通过改变气源压力与相应的节流喉道尺寸，调节氢气、空气流量配比，改变燃烧室总温，用于其他介质的离子流生成；发生器产生的高温离子流，或无介质时产生的高温气流，可作为点火器，用于超燃冲压发动机试验强迫点火或燃烧风洞加热器点火；此外，可通过改变燃烧室出口喉道内各部分的比例，调整高温气流穿透深度；在气源及冷却水持续供应的情况下，形成稳定的“值班火焰”，能够用于大于30s的长时间试验。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (6)
1.基于K2CO3熔融产生等离子流的装置，其特征是：包括空气供应装置、氢气供应装置、介质混合罐(3)、高频火花塞电源(4)、燃烧室(5)、多个空气管路(6)和多个氢气管路(7)，所述空气供应装置和介质混合罐(3)通过空气管路与所述燃烧室(5)相连，氢气供应装置通过氢气管路与所述燃烧室(5)相连；
所述空气供应装置包括空气气源供应装置(1-1)、与空气气源供应装置相连的带介质空气控制阀(1-2)、与带介质空气控制阀并联设置的无介质空气控制阀(1-3)和位于空气供应装置末端的空气节流喉道(1-4)；所述空气气源供应装置(1-1)、带介质空气控制阀(1-2)、无介质空气控制阀(1-3)和空气节流喉道(1-4)通过空气管路相连；
所述氢气供应装置包括氢气气源供应装置(2-1)、与氢气气源供应装置相连的氢气控制阀(2-2)和位于氢气供应装置末端的氢气节流喉道(2-3)，所述氢气气源供应装置(2-1)、氢气控制阀(2-2)和氢气节流喉道(2-3)通过氢气管路相连；
所述介质混合罐(3)由底端至顶端依次设有底部纯净空气入口(3-1)、多孔板(3-2)、筛网(3-3)和顶部混合气体出口(3-4)；
所述燃烧室的外壁设有冷却部，所述冷却部包括冷却区域外壁(5-3)、冷却区域内壁(5-4)、冷却水入口(5-5)和冷却水出口(5-7)，所述冷却水入口(5-5)和冷却水出口(5-7)与所述冷却区域外壁(5-3)连通；所述燃烧室(5)由靠近氢气节流喉道一端至远离氢气节流喉道一端依次设有注入板(5-8)、高频火花塞(5-2)和燃烧室出口喉道(5-6)，所述注入板内安装有4个同轴喷嘴(5-1)；所述高频火花塞(5-2)与所述高频火花塞电源(4)相连。
2.根据权利要求1所述的基于K2CO3熔融产生等离子流的装置，其特征是：所述多孔板(3-2)的总流通面积大于等于所述空气节流喉道(1-4)流通面积的3倍；所述多孔板(3-2)的孔径为所述底部纯净空气入口(3-1)口径的1/6～1/3。
3.根据权利要求1所述的基于K2CO3熔融产生等离子流的装置，其特征是：所述冷却水入口(5-5)的高度低于所述冷却水出口(5-7)的高度，且所述冷却水出口(5-7)的面积比所述冷却水入口(5-5)的面积小10％。
4.根据权利要求1所述的基于K2CO3熔融产生等离子流的装置，其特征是：4个所述同轴喷嘴(5-1)的空气注入流通总面积为所述空气节流喉道(1-4)流通面积的2.5～3.5倍；且4个所述同轴喷嘴(5-1)的氢气注入流通总面积为所述氢气节流喉道(2-3)流通面积的2.5～3.5倍。
5.根据权利要求1所述的基于K2CO3熔融产生等离子流的装置，其特征是：4个所述同轴喷嘴(5-1)在圆周上均匀分布，4个所述同轴喷嘴(5-1)与所述高频火花塞(5-2)的距离为20mm，且所述同轴喷嘴(5-1)的轴线和高频火花塞(5-2)的端面重合。
6.基于K2CO3熔融产生等离子流的方法，该方法用于如权利要求1-5任意一项所述的基于K2CO3熔融产生等离子流装置，其特征是：包括如下步骤：
S1、开启所述无介质空气控制阀(1-3)和氢气控制阀(2-2)，使空气和氢气进入燃烧室(5)，由所述高频火花塞(5-2)点火并开始燃烧；
S2、当燃烧室的压力达到设计值并稳定后，开启所述带介质空气控制阀(1-2)，通过空气将K2CO3带入燃烧室，约50ms～100ms后，关闭无介质空气控制阀(1-3)，使K2CO3在氢气-空气燃烧形成的高温环境中熔融，产生K+离子和CO3 2-根离子，与高温气流组成等离子流。
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