CN114340131B - 三维滑动弧等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体发生器技术领域，具体涉及一种三维滑动弧等离子体发生器，旨在克服航天发动机燃烧室恶劣的环境以及为开展相关地面实验的或其他相关燃烧设备的点火与助燃实验。本申请提供的三维滑动弧等离子体发生器包括阳极电极杆、壳体、反应器阴极，阳极电极杆装设于壳体顶端，反应器阴极套设于阳极电极杆外部，壳体中前端有与供气装置密封连接的进气嘴，气体由进气口进入流入反应腔室，再流入阴极电极内侧的通道中并吹动电弧产生滑动弧，由于反应器阴极在内侧的螺旋通道中，其产生的滑动弧会跟随阴极滑动，产生三维滑动弧。本发明有效提高了产生旋转滑动弧的稳定性、均匀性，并且具有结构简单的特点，可适用于航空航天发动机燃烧领域。

Description

三维滑动弧等离子体发生器

技术领域

本发明属于等离子体发生器技术领域，具体涉及一种三维滑动弧等离子体发生器。

背景技术

滑动弧放电是指阴极和阳极在高压电场激励下，产生电弧通道，电弧被气流驱动而产生滑动的一种放电方式。滑动弧放电等离子体的电子温度较低但电子数密度较高，具有典型的非平衡等离子体特征。研究表明，非平衡等离子体产生过程中释放的大量活性粒子、自由基等，能有效提高燃烧效率，加速燃烧反应的进行。滑动弧放电作为产生非平衡等离子体的一种方法，具有较大的能量密度，能量利用率高和较高的处理能力，因此在环境治理，能源转化，生物医学、航空航天等方面有广泛的应用前景，并且因为具有电极结构简单，温度调节范围广等优点，使其在激励燃烧反应方面具有独特的优势。

根据电极结构的不同，滑动弧放电主要分为二维平面滑动弧和三维旋转滑动弧，前者放电区域主要为二维平面，二维滑动弧与介质气体的接触面积较小、反应气体在反应器中停留时间较短，导致反应气体转化率较低。后者放电区域为旋转三维立体，具有更大的放电空间和能量利用效率。滑动弧放电所用到的电源有交流电源、直流电源、纳秒脉冲电流。滑动弧放电基本有俩种模式，击穿伴随模式，滑动弧放电初期，电弧仅存在于最窄间隙之间，并未出现大幅度的滑动；稳定滑动模式，电弧在气流吹动下会向气体下游滑动，产生稳定的滑动电弧。目前对滑动弧的放电特性、光谱特性已经有了大量研究，结果表明滑动弧放电体具有明显的周期性质和物理化学性质，其放电过程中产生大量活性粒子、自由基等，可影响燃烧系统的化学平衡，加速燃烧的化学动力学过程。

电弧运动过程中电场、气流运动状态与滑动弧的运动特征相互影响，因此不同的反应器结构有着不同的激励效果。对于三维旋转滑动弧的产生，旋转气流是必不可少的条件，旋转气流的运动状态对旋转滑动弧的效果有着直接影响。对于大部分的三维滑动弧反应器，所采取的结构通常是锥型电极与外壳接入阴阳电极产生电弧，通过旋流器产生旋转气流来吹动电弧，进而产生三维旋转滑动弧。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为克服航天发动机燃烧室恶劣的环境以及为开展相关地面实验的或其他相关燃烧设备的点火与助燃实验，为了解决现有技术中三维滑动弧反应器放电不稳定不均匀的问题，本申请第一方面提供一种三维滑动弧等离子体发生器，包括壳体、阳极电极杆和反应器阴极；

壳体，所述壳体包括底壁和侧壁，所述侧壁具有第一端和第二端，所述第一端与所述第二端相反，所述侧壁的第一端固定于所述底壁并形成密封，所述侧壁的第二端向背离所述底壁的方向延伸以形成中部的反应腔室和末端的开口，所述侧壁第一端的两相对侧分别开设有进气口；

阳极电极杆，所述阳极电极杆一端贯穿所述壳体底壁并延伸于所述壳体底壁外部，所述阳极电极杆另一端竖直设置于所述反应腔室内且所述阳极电极杆的轴线位于所述反应腔室中心；

反应器阴极，所述反应器阴极装设于所述侧壁第二端，所述反应器阴极路径呈圆锥螺旋线，所述反应器阴极轴心与所述阳极电极杆同轴，所述阳极电极杆背离所述电极安装隔离座的一端贯穿所述反应器阴极小端，所述反应器阴极大端背离所述阳极电极杆方向延伸。

在一些优选技术方案中，所述阳极电极杆上端通过电极安装隔离座可拆卸地装设于所述底壁。

在一些优选技术方案中，所述底壁中心设置有安装孔，所述电极安装隔离座贯穿所述安装孔，且所述电极安装隔离座背离所述反应腔室的一端延伸于所述底壁外部。

在一些优选技术方案中，所述反应器阴极通过反应器阴极外壳装设于所述侧壁的第二端，所述反应器阴极外壳侧壁设置有反应器阴极通道，所述反应器阴极通道一端与所述反应器阴极连接，另一端与外部连通。

在一些优选技术方案中，所述进气口相对于所述壳体倾斜设置。

本申请第二方面提供一种三维滑动弧等离子体发生器，包括壳体，所述壳体包括底壁和侧壁，所述侧壁具有第一端和第二端，所述第一端与所述第二端相反，所述侧壁的第一端固定于所述底壁并形成密封，所述侧壁的第二端向背离所述底壁的方向延伸以形成中部的反应腔室和末端的开口，所述底壁设置有两个进气口，所述两个进气口相对于所述反应腔室中心间隔对称设置，所述进气口用于外部与所述反应腔室连通；

阳极电极杆，所述阳极电极杆一端贯穿所述壳体底壁并延伸于所述壳体底壁外部，所述阳极电极杆另一端竖直设置于所述反应腔室内且所述阳极电极杆的轴线位于所述反应腔室中心；

反应器阴极，所述反应器阴极装设于所述侧壁第二端，所述反应器阴极路径呈圆锥螺旋线，所述反应器阴极轴心与所述阳极电极杆同轴，所述阳极电极杆背离所述电极安装隔离座的一端贯穿所述反应器阴极小端，所述反应器阴极大端背离所述阳极电极杆方向延伸。

在一些优选技术方案中，所述阳极电极杆上端通过电极安装隔离座可拆卸地装设于所述底壁。

在一些优选技术方案中，所述底壁中心设置有安装孔，所述电极安装隔离座贯穿所述安装孔，且所述电极安装隔离座背离所述反应腔室的一端延伸于所述底壁外部。

在一些优选技术方案中，所述反应器阴极通过反应器阴极外壳装设于所述侧壁的第二端，所述反应器阴极外壳侧壁设置有反应器阴极通道，所述反应器阴极通道一端与所述反应器阴极连接，另一端与外部连通。

在一些优选技术方案中，所述阳极电极杆与所述反应器阴极小端的间距为d₁，d₁∈[1，5]mm。

在一些优选技术方案中，所述壳体由绝缘材质制成。

在一些优选技术方案中，所述反应器阴极的竖直高度与所述阳极电极杆的高度比为H，H∈[1:4，1:2]。

在一些优选技术方案中，所述反应器阴极的小端直径与所述反应器阴极的大端直径比为D,D∈[1:10，1:8]。

本发明的有益效果：

本发明的三维滑动弧等离子体发生器，是一种阴极固定在阴极外壳内侧的新型旋转滑动弧等离子体发生器装置，包括阳极电极杆、外壳体、反应器阴极、进气口、电极安装隔离座，反应器阴极外壳，反应器阴极外壳为绝缘耐高温材料。安装在电极安装座上方部分阳极电极杆可接入高压电极，在反应器阴极接地，进而在反应器阴极与阳极电极杆间隙处产生电弧，由进气孔进去的气体，在空气通道下导入气体通道中，吹动电弧滑动，产生连续稳定的三维滑动弧，由于有阴极固定于反应器阴极外壳内侧，可以保证三维滑动弧的滑动路径的稳定性，产生三维滑动弧，且提高了放电稳定性和均匀性，并能提升反应器的使用寿命以及提高反应效率。本申请的反应器可进行旋转滑动弧的放电特性研究和航天发动机的强化燃烧实验研究。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种实施例的三维滑动弧等离子体发生器整体结构示意图；

图2为本发明一种实施例的三维滑动弧等离子体发生器的半剖视图；

图3为本发明一种实施例中反应器阴极的示意图；

图4为本发明一种实施例中反应器阴极的仰视图；

附图标记列表：

1-电极安装隔离座，2-阳极电极杆，3-壳体，4-进气嘴，5-反应器阴极外壳，6-反应器阴极，7-反应器阴极通道。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的一种三维滑动弧等离子体发生器，包括壳体、阳极电极杆、反应器阴极，所述壳体包括底壁和侧壁，所述侧壁具有第一端和第二端，所述第一端与所述第二端相反，所述侧壁的第一端固定于所述底壁并形成密封，所述侧壁的第二端向背离所述底壁的方向延伸以形成中部的反应腔室和末端的开口，所述侧壁第一端的两相对侧分别开设有进气口；所述阳极电极杆一端贯穿所述壳体底壁并延伸于所述壳体底壁外部，所述阳极电极杆另一端竖直设置于所述反应腔室内且所述阳极电极杆的轴线位于所述反应腔室中心；所述反应器阴极装设于所述侧壁第二端，所述反应器阴极路径呈圆锥螺旋线，所述反应器阴极轴心与所述阳极电极杆同轴，所述阳极电极杆背离所述电极安装隔离座的一端贯穿所述反应器阴极小端，所述反应器阴极大端背离所述阳极电极杆方向延伸。

本发明提供的产生大气压非平衡等离子体的滑动弧装置，其结构简单，阴极固定于反应器阴极外壳内侧，可以提高有效提高产生三维滑动弧等离子体的稳定性，可提高实验的可靠性。

为了更清晰地对本发明三维滑动弧等离子体发生器进行说明，下面结合附图对本发明一种优选实施例进行展开详述。

实施例1：

作为本发明的一个优选实施例，本发明的三维滑动弧等离子体发生器如图1所示，包括壳体3、阳极电极杆2和反应器阴极6。其中，壳体3包括底壁和侧壁，侧壁具有第一端和第二端，第一端与第二端相反，侧壁的第一端固定于底壁并形成密封，侧壁的第二端向背离底壁的方向延伸以形成中部的反应腔室和末端的开口，侧壁第一端的两相对侧分别开设有进气口4，该进气口4与外端供气装置相连接，可为本申请三维滑动弧等离子体发生器提供工质气体。优选地，本申请的壳体3为圆柱体，其厚度为5mm，直径为50mm。优选地其厚度在5mm～10mm之间。进气口4的直径优选为8mm。

阳极电极杆2一端贯穿壳体底壁并延伸于壳体底壁外部，另一端竖直设置于反应腔室内且阳极电极杆2的轴线位于反应腔室中心。进一步地，本申请的阳极电极杆优选直径为2.5mm，长度为160mm。

优选地，阳极电极杆2上端通过电极安装隔离座1可拆卸地装设于壳体3的底壁。电极安装隔离座1与壳体底壁螺纹连接。更进一步地，底壁中心设置有安装孔，电极安装隔离座1贯穿安装孔，且电极安装隔离座1背离反应腔室的一端延伸于底壁外部。电极安装隔离座1优选为边长5mm的正方形，高度3mm。电极安装隔离座1用于固定装置位置和装配电极杆，阳极电极杆2用于连接高电压。

在一些优选实施例中，电极安装隔离座1的中心有与阳极电极杆2固定配合的螺纹通孔，在该电极安装隔离座1两端面中心有凹槽。

反应器阴极6套设于样机电极杆2的外部，反应器阴极6装设于侧壁第二端，反应器阴极路径呈圆锥螺旋线。反应器阴极6轴心与阳极电极杆2同轴，阳极电极杆2背离电极安装隔离座1的一端贯穿反应器阴极小端，反应器阴极大端背离阳极电极杆方向延伸。优选地，反应器阴极也可以为涡状线或螺旋线等。

进一步地，反应器阴极6通过反应器阴极外壳5装设于侧壁的第二端，反应器阴极外壳5侧壁设置有反应器阴极通道7，反应器阴极通道7一端与反应器阴极6连接，另一端与外部连通。反应器阴极通道7用于反应器阴极接地。

参阅附图，本实施例的进气口设置与壳体3的侧壁上端，目的在于使得气体由进气口进入后，反应腔室内形成流体通道，以使得气体流入阴极电极内侧的通道中并吹动电弧产生滑动弧，由于反应器阴极在内侧的螺旋通道中，其产生的滑动弧会跟随阴极滑动，产生三维滑动弧。优选地，该进气口4可相对于壳体3倾斜设置，以使得气体更快流入反应腔室内。进气口4可安装不同口径的管路接头接入相应口径的气管，俩个进气口4可通入不同流量的工质气体做对应的放电实验。

更进一步地，电极安装隔离座1、进气口材料为绝缘材料，反应器阴极5和阳极电极杆2为耐热导体，壳体3为绝缘材料。本申请阳极电极杆2与反应器阴极6小端的间距为d₁，d₁∈[1，5]mm。根据不同的间距需要高压的激励电压来保证电弧的产生。反应器阴极6的竖直高度与阳极电极杆2的高度比为H，H∈[1:4，1:2]。反应器阴极6的小端直径与反应器阴极6的大端直径比为D,D∈[1:10，1:8]。优选地，本申请的反应器阴极6的小端直径为5mm，反应器阴极6的大端直径为50mm，反应器阴极的垂向高度为50mm，阳极电极杆2位于反应腔室内的高度为150mm。

本发明滑动弧等离子体发生器在工质气体的作用下，吹动阳极电极杆与阴极之间的，并且在阳极电极杆接上激励电压，反应器阴极接地，在气体通道的初始位置，反应器阴极和阳极电极体的最小间隙处经高压击穿形成电弧放电，并且在气流的吹动下，电弧沿着阴极通道运动，形成三维放电等离子体区域。并且随着工质气体的不同而流量的变化，滑动弧的变化具有周期性，并且产生各种具有化学活性的组分如氧原子、CH基、离子、活性基团等，能够提高化学反应速率。

实施例2：

实施例2同样为反应器阴极固定在反应器阳极外的新型三维滑动弧等离子体发生器装置，具体地，实施例2包括电极安装隔离座1、阳极电极杆2、壳体3、进气口4、反应器阴极外壳5、反应器阴极6和反应器阴极通道7。

其中，壳体3、电极安装隔离座1、阳极电极杆2、反应器阴极6同轴设置。反应器阴极固定于反应器阳极外。阳极电极杆2的上端装入电极安装隔离座1的中心孔内，并使该阳极电极杆2的上端端头伸出该电极安装隔离座1的上表面用于连接高压电流。电极安装隔离座1通过螺纹固定在壳体3上，并可装密封垫，保证气密性。阳极电极杆2贯穿于整个发生器内侧，在壳体3底壁安装有进气口4，该进气口4的另一端与发动机供气装置密封连接，用于通入相应的实验气体。反应器阴极6固定在壳体3下侧，在反应器阴极6通过反应器阴极通道7接地，进而在反应器阴极6与阳极电极杆2间隙处产生电弧，由进气孔进去的气体吹动电弧沿阴极滑动进而产生连续稳定的三维滑动弧。优选地。反应器阴极内部的气体通道半径R＝2mm，本领域可根据实际情况灵活调整半径值。

本装置阳极电极杆2上端可连接高电压，在阴极下方接地，其阴极路径始端与阳极电极杆之间的间隙可产生电弧，并且可以装配不同规格的阴极外壳来控制阳极电极杆与阴极的间隙大小，以求得最佳的放电效果。阴极固定在阴极外壳内侧，其路径为涡状线，在路径始端，由于空气被击穿产生电弧，在气流的吹动下，电弧会沿阴极滑动。本申请可接入电源有交流电源、脉冲电源、直流电源等。

该实施例2与实施例1的主要区别在于进气口4的设置，本申请的两个进气口4设置于壳体3的底壁，两个进气口4相对于反应腔室中心间隔对称设置，进气口用于外部与所述反应腔室连通。其他结构不变，因此，实施例2具有与实施例1同样地优点，实施例1的尺寸实施例2同样可以实施，实施例2能够解决同样的技术问题达到同样的技术效果。

上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：

本发明的三维滑动弧等离子体发生器，是一种阴极固定在阴极外壳内侧的新型旋转滑动弧等离子体发生器装置，包括阳极电极杆、外壳体、反应器阴极、进气口、电极安装隔离座，反应器阴极外壳，反应器阴极外壳为绝缘耐高温材料。安装在电极安装座上方部分阳极电极杆可接入高压电极，在反应器阴极接地，进而在反应器阴极与阳极电极杆间隙处产生电弧，由进气孔进去的气体，在空气通道下导入气体通道中，吹动电弧滑动，产生连续稳定的三维滑动弧，由于有阴极固定于反应器阴极外壳内侧，可以保证三维滑动弧的滑动路径的稳定性，产生三维滑动弧，且提高了放电稳定性和均匀性，并能提升反应器的使用寿命以及提高反应效率。本申请的反应器可进行旋转滑动弧的放电特性研究和航天发动机的强化燃烧实验研究。本发明结构简单，尺寸小，通用性强，可用于滑动弧等离子体强化燃烧实验。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，包括

壳体，所述壳体包括底壁和侧壁，所述侧壁具有第一端和第二端，所述第一端与所述第二端相反，所述侧壁的第一端固定于所述底壁并形成密封，所述侧壁的第二端向背离所述底壁的方向延伸以形成中部的反应腔室和末端的开口，所述侧壁第一端的两相对侧分别开设有进气口；

阳极电极杆，所述阳极电极杆一端贯穿所述壳体底壁并延伸于所述壳体底壁外部，所述阳极电极杆另一端竖直设置于所述反应腔室内且所述阳极电极杆的轴线位于所述反应腔室中心；

反应器阴极，所述反应器阴极装设于所述侧壁第二端，所述反应器阴极路径呈圆锥螺旋线，所述反应器阴极轴心与所述阳极电极杆同轴，所述阳极电极杆背离电极安装隔离座的一端贯穿所述反应器阴极小端，所述反应器阴极大端背离所述阳极电极杆方向延伸；

反应器阴极固定于反应器阴极外壳内侧。

2.根据权利要求1所述的三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，所述阳极电极杆上端通过电极安装隔离座可拆卸地装设于所述底壁。

3.根据权利要求2所述的三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，所述底壁中心设置有安装孔，所述电极安装隔离座贯穿所述安装孔，且所述电极安装隔离座背离所述反应腔室的一端延伸于所述底壁外部。

4.根据权利要求1所述的三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，所述反应器阴极通过反应器阴极外壳装设于所述侧壁的第二端，所述反应器阴极外壳侧壁设置有反应器阴极通道，所述反应器阴极通道一端与所述反应器阴极连接，另一端与外部连通。

5.根据权利要求1所述的三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，所述进气口相对于所述壳体倾斜设置。

6.一种三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，壳体，所述壳体包括底壁和侧壁，所述侧壁具有第一端和第二端，所述第一端与所述第二端相反，所述侧壁的第一端固定于所述底壁并形成密封，所述侧壁的第二端向背离所述底壁的方向延伸以形成中部的反应腔室和末端的开口，所述底壁设置有两个进气口，所述两个进气口相对于所述反应腔室中心间隔对称设置，所述进气口用于外部与所述反应腔室连通；

阳极电极杆，所述阳极电极杆一端贯穿所述壳体底壁并延伸于所述壳体底壁外部，所述阳极电极杆另一端竖直设置于所述反应腔室内且所述阳极电极杆的轴线位于所述反应腔室中心；

反应器阴极，所述反应器阴极装设于所述侧壁第二端，所述反应器阴极路径呈圆锥螺旋线，所述反应器阴极轴心与所述阳极电极杆同轴，所述阳极电极杆背离电极安装隔离座的一端贯穿所述反应器阴极小端，所述反应器阴极大端背离所述阳极电极杆方向延伸；

反应器阴极固定于反应器阴极外壳内侧。

7.根据权利要求6所述的三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，所述阳极电极杆上端通过电极安装隔离座可拆卸地装设于所述底壁。

8.根据权利要求7所述的三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，所述底壁中心设置有安装孔，所述电极安装隔离座贯穿所述安装孔，且所述电极安装隔离座背离所述反应腔室的一端延伸于所述底壁外部。

9.根据权利要求6所述的三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，所述反应器阴极通过反应器阴极外壳装设于所述侧壁的第二端，所述反应器阴极外壳侧壁设置有反应器阴极通道，所述反应器阴极通道一端与所述反应器阴极连接，另一端与外部连通。

10.根据权利要求6所述的三维滑动弧等离子体发生器，其特征在于，所述阳极电极杆与所述反应器阴极小端的间距为d₁，d₁∈[1，5]mm。