CN114427497A - 一种用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器及点火系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，包括：与公共负极电连接的中心电极；自所述中心电极由里向外依次设置的起弧电极和弧炬电极，所述起弧电极和弧炬电极在周向上包围所述中心电极且相对于所述中心电极的中心设有气流口，其中，所述起弧电极与正极输出相连接，所述弧炬电极与弧炬电源正极输出相连接；设置在所述起弧电极和弧炬电极之间间隙末端靠近的绝缘填充体；以及设置在中心电极外侧的旋流环，所述旋流环用于使流入中心电极与起弧电极之间间隙的气体形成旋流；当自中心电极与起弧电极之间的内流道流入的气体经过中心电极与起弧电极形成起始电弧，进而流过弧炬电极时产生温度高、火焰稳定的等离子体电弧火焰炬。

Description

一种用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器及点火系统

技术领域

本申请属于燃气轮机技术领域，特别涉及一种用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器及点火系统。

背景技术

航空发动机及燃气轮机点火系统通常采用电火花点燃油气混合物的结构形式，点火可靠性受季节环境和发动机温度影响较大。同时，在点火电嘴上的火花能量和频率是决定点火成功率的主要因素，需要通过储能元件的蓄能作用决定了点火电嘴放电的能量大小，这就使得燃气轮机在使用一段时间后，会发生起动点火成功率低的问题，

此外，虽然电火花点火装置原理结构简单，但不能实现智能化自适应控制，无法满足现代智能发动机点火要求，且电火花点火装置能量转化效率不高，尤其是点火电嘴要连续提供点火能量时效率较低，点火电嘴的工作寿命较短。

发明内容

本申请的目的是提供了一种用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

一方面，本申请提供了一种用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，所述等离子体火焰发生器包括：

与公共负极电连接的中心电极；

自所述中心电极由里向外依次设置的起弧电极和弧炬电极，所述起弧电极和弧炬电极在周向上包围所述中心电极且相对于所述中心电极的中心设有气流口，其中，所述起弧电极与正极输出相连接，所述弧炬电极与弧炬电源正极输出相连接；

设置在所述起弧电极和弧炬电极之间间隙末端靠近的绝缘填充体；以及

设置在中心电极外侧的旋流环，所述旋流环用于使流入中心电极与起弧电极之间间隙的气体形成旋流；

当自中心电极与起弧电极之间的内流道流入的气体经过中心电极与起弧电极形成起始电弧，进而流过弧炬电极时产生等离子体电弧火焰炬。

进一步的，所述等离子体火焰发生器的进口气流为压缩气体。

进一步的，所述起弧电极和/或弧炬电极成收缩状包裹在中心电极的外侧，使得内流道形成收敛结构的流体通道。

进一步的，所述中心电极采用高温合金材料制成。

进一步的，所述弧炬电极上设有多个排气孔，所述排气孔连通所述起弧电极和弧炬电极之间的外流道。

进一步的，所述排气孔在弧炬电极上周向均布。

进一步的，所述排气孔的轴线垂直于所述中心电极的轴线。

进一步的，所述绝缘填充体为陶瓷材料制成。

另一方面，本申请提供了一种轴流式发动机等离子体点火系统，所述点火系统主要包括：

如上任一所述的等离子体火焰发生器；

等离子体点火电源装置，所述等离子体点火电源装置包括与所述等离子体火焰发生器中的所述中心电极电连接的公共负极电、与所述起弧电极电连接的高频高压正极和与所述弧炬电极电连接的弧炬电源正极；以及

气源增压附件，所述气源增压附件用于向所述中心电极与起弧电极之间的内流道和/或所述起弧电极与弧炬电极之间的外流道内通入气体。

本申请提供的等离子体火焰发生器通过将电弧脉冲火花点火方式转化为等离子体的连续火舌点火方式，从而使等离子体火焰发生器的电嘴中喷射出的等离子体火焰形成了等离子体电弧火炬形态的超高温射流，弧炬射流的中心温度可以达到15000℃以上，该高温火舌来可以直接引燃发动机燃烧室中的混合油气，可以解决一些用高能电嘴产生的高能电火花无法点燃的油气的问题，提高了轴流式发动机全天候点火的适用性和可靠性。此外，该等离子体点火系统可以使轴流式涡轮发动机在采用等离子体火焰点火方式下具有工作可靠、效率高、点火速度快和电能消耗小等特点，并且在比较严苛的工作条件下也能够稳定点火。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请的等离子体火焰发生器结构示意图。

图2为本申请的等离子体火焰发生器气流流向示意图。

附图标记：

11-中心电极

12-起弧电极

13-弧炬电极

14-绝缘填充体

15-等离子弧炬

16-旋流环

17-冷却气流

111-内流道

121-外流道

131-排气孔

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了克服现有技术中发动机燃烧室内的点火装置对油气混合比较为敏感而存在的点火困难，以及点火能量转化效率不高等问题，本申请中提出一种新型的可用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器。

如图1所示，该等离子体火焰发生器主要由中心电极11、起弧电极12、弧炬电极13、绝缘填充体14及旋流环16组成。

在本申请的等离子体火焰发生器中，优选高温合金作为中心电极11，中心电极11与等离子体点火电源装置的公共负极输出线相连接，因此也叫中心阴极。在中心电极11的外部有两层相绝缘的周向包围状金属电极，由里向外依次为第1阳极和第2阳极。其中，里层包围的第1阳极为起弧电极11，起弧电极11与等离子体点火电源装置中的高频高压发生器模块正极输出相连接，外层包围的第2阳极为弧炬电极13，弧炬电极13与等离子体点火电源装置中的弧炬电源正极输出相连接。中心电极11与起弧电极 12之间具有间隙，该间隙形成内流道111，起弧电极12与弧炬电极13之间也具有间隙，该间隙形成外流道121，在起弧电极12与弧炬电极13之间的外流道121靠近喷口的位置设置绝缘填充体14。优选的，该绝缘填充物14 为陶瓷材料制成。在中心电极11的外侧设置一旋流环16，该旋流环16能够使流入中心电极11与起弧电极12之间间隙的气体形成旋流。

起弧电极12作为等离子体火焰发生器的第1阳极，起到生成起始电弧的作用。电弧的本质就是一种放电现象，是在高压电场中电流击穿绝缘空气所产生的瞬间火花。电弧产生的机理是在相邻的阳极与阴极上施加高频高压而形成电极间的高压电场，当电场强度E(E＝U/d)超过3× 106V/m时，在这个强功率高压电场作用下，电场力可使阴极金属表面的电子逸出而形成自由电子，自由电子又在强电场中加速运动，自由电子轰击两极间隙中的气体原子或分子，使气体原子或分子发生电离而产生大量的电子和呈游离状态的正、负离子。当阴极和阳极之间的离子浓度达到一定数量时，离子的定向运动就会使气体在两个电极距离最近处形成电击穿情况，气体流被电击穿后由绝缘态转为导电态，同时发出高温和强光。在自然条件下，中性气体分子发生电离过程时，伴随着强烈的发热而形成弧光放电现象，其电弧密度没有经压缩过程，这种电弧称为自由电弧。所以，在等离子体火焰发生器的中心电极与起弧电极之间产生的电弧就是自由电弧。自由电弧的导电气体并没有完全电离，产生的柱状自由电弧的直径与工作电流成正比，自由电弧的中心温度在6000～ 8000℃之间。

弧炬电极13是等离子体火焰发生器的第2阳极，是产生等离子体电弧火焰炬的电极。在等离子体火焰发生器的内流道111中，通入的压缩空气经过一个气体旋流环16，将气流流向由直线流动变化为围绕中心电极旋转的切线方向流动。旋转的气体流在高压强和强电场作用，经过等离子体火焰发生器喷嘴的起弧电极段就形成旋转的导电等离子气体的自由旋转电弧。由于等离子气体的高速旋转，产生的离心力会使气体发生移动现象，将温度较低而密度较高的气体向外移动，温度高而密度低的气体则向中心移动。这样，就在喷嘴的射流孔内形成了外冷内热的径向温度梯度，这种温度梯度增加了等离子气体对弧柱的热缩效应和磁缩效应。在喷嘴中有收敛结构的流体通道，当这种具有温度梯度的等离子气流流过收敛通道的弧炬电极时，等离子气体的焰流又使中心电极与弧炬电极接通而形成电流通路，并将柱状自由电弧通过流道结构的压缩后形成等离子电弧柱，等离子电弧柱中的气体几乎全部达到离子状态。

等离子电弧弧柱经过机械压缩、热收缩和磁收缩等效应的共同作用下，能量密度会更高，喷射火舌的挺直性也会更好，焰炬的冲击力也更强，由于等离子体火焰能量比较集中，从等离子体火焰发生器的喷嘴处喷出的电弧火舌中心温度可达15000～30000℃。

本申请中的等离子体火焰发生器(在发动机上也简称为等离子体点火电嘴)，在工作中生成电弧的火焰温度很高，虽然电极使用材料一般为高温合金，为了确保等离子体电嘴的使用寿命，本申请中对电嘴进行了冷却。本申请中依靠在等离子体火焰发生器的外流道121通入冷却介质的方法来把发热量带走以达到降温的目的，按冷却效率可选择的冷却方式为油冷、水冷和气冷三种。但由于发动机燃烧室的工作环境都比较复杂，采用油冷或水冷方式在结构上不易实现。本申请中的等离子体火焰发生器的工作时间较短，因此在点火电嘴上优选的是气流冷却的方式，通过在弧炬电极13上设置多个排气孔131，把通入等离子体火焰发生器的压缩空气分出一股气流流入外流道121，进而通过排气孔131排出，实现喷嘴的冷却散热。优选的，该排气孔131为多个，且在弧炬电极13上周向均布。进一步的，该排气孔131的方向应不影响火焰的形状，其可以竖向设置或横向设置，本申请中优选的讲该排气孔131的轴线与中心电极11的轴线垂直设置。

本申请中，通过在起弧电极与弧炬电极之间构建了一个供冷却气流流通的外流道121，等离子体火焰发生器产生的热量通过通过包围电极之间的冷却气流的流动，将热气流从喷嘴高温端的侧面喷出，侧面喷气可以避免气流对弧炬火焰的扰动。

此外，本申请中还提供了一种轴流式发动机等离子体点火系统，该点火系统主要包括等离子体点火电源装置、气源增压附件和如上的等离子体火焰发生器三大部分。

从发动机引出的压缩空气为工作介质，压缩空气经过气源增压附件进行再次增压，然后通过等离子体火焰发生器的高气压、强电场和磁场压缩的条件下生成等离子体的高温电弧，并以较高速度从喷嘴喷出而形成等离子体弧炬状火舌。以这种火舌为热源火种，直接引燃燃烧室中的可燃油气，完成发动机起动点火过程或遭遇起动时的点火。通过控制电路的电压、电流及弧炬电极的孔径、与起弧电极的间距实现控制火焰的直径、长度等。

本申请提供的等离子体火焰发生器通过将电弧脉冲火花点火方式转化为等离子体的连续火舌点火方式，从而使等离子体火焰发生器的电嘴中喷射出的等离子体火焰形成了等离子体电弧火炬形态的超高温射流，弧炬射流的中心温度可以达到15000℃以上，该高温火舌来可以直接引燃发动机燃烧室中的混合油气，可以解决一些用高能电嘴产生的高能电火花无法点燃的油气的问题，提高了轴流式发动机全天候点火的适用性和可靠性。此外，该等离子体点火系统可以使轴流式涡轮发动机在采用等离子体火焰点火方式下具有工作可靠、效率高、点火速度快和电能消耗小等特点，并且在比较严苛的工作条件下也能够稳定点火。

本申请的等离子体火焰发生器及点火系统可以提升燃气轮机乃至航空发动机点火技术的发展，在一定意义上具有划时代的意义，特别是应用在自适应变循环发动机或未来的智能发动机上的同样具有良好的应用前景。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，其特征在于，所述等离子体火焰发生器包括：

与公共负极电连接的中心电极(11)；

自所述中心电极(11)由里向外依次设置的起弧电极(12)和弧炬电极(13)，所述起弧电极(12)和弧炬电极(13)在周向上包围所述中心电极(11)且相对于所述中心电极(11)的中心设有气流口，其中，所述起弧电极(12)与正极输出相连接，所述弧炬电极(13)与弧炬电源正极输出相连接；

设置在所述起弧电极(12)和弧炬电极(13)之间间隙末端靠近的绝缘填充体(14)；以及

设置在中心电极(11)外侧的旋流环(16)，所述旋流环(16)用于使流入中心电极(11)与起弧电极(12)之间间隙的气体形成旋流；

当自中心电极(11)与起弧电极(12)之间的内流道(111)流入的气体经过中心电极(11)与起弧电极(12)形成起始电弧，进而流过弧炬电极(13)时产生等离子体电弧火焰炬。

2.如权利要求1所述的用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，其特征在于，所述等离子体火焰发生器的进口气流为压缩气体。

3.如权利要求1所述的用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，其特征在于，所述起弧电极(12)和/或弧炬电极(13)成收缩状包裹在中心电极(11)的外侧，使得内流道(11)形成收敛结构的流体通道。

4.如权利要求1所述的用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，其特征在于，所述中心电极(11)采用高温合金材料制成。

5.如权利要求1所述的用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，其特征在于，所述弧炬电极(13)上设有多个排气孔(131)，所述排气孔(131)连通所述起弧电极(12)和弧炬电极(13)之间的外流道(121)。

6.如权利要求1所述的用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，其特征在于，所述排气孔(131)在弧炬电极(13)上周向均布。

7.如权利要求3或4所述的用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，其特征在于，所述排气孔(131)的轴线垂直于所述中心电极(11)的轴线。

8.如权利要求1所述的用于轴流式发动机的等离子体火焰发生器，其特征在于，所述绝缘填充体(14)为陶瓷材料制成。

9.一种轴流式发动机等离子体点火系统，其特征在于，所述点火系统主要包括：

如权利要求1至8任一所述的等离子体火焰发生器；

等离子体点火电源装置，所述等离子体点火电源装置包括与所述等离子体火焰发生器中的所述中心电极(11)电连接的公共负极电、与所述起弧电极(12)电连接的高频高压正极和与所述弧炬电极(13)电连接的弧炬电源正极；以及

气源增压附件，所述气源增压附件用于向所述中心电极(11)与起弧电极(12)之间的内流道(111)和/或所述起弧电极(12)与弧炬电极(13)之间的外流道(121)内通入气体。

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