CN115218221B - 一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置 - Google Patents

一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其包括阴极燃油喷嘴和两级旋流器；两级旋流器包括基体和绝缘层，基体为一体结构且采用金属导电材料制成；其中，基体包括一级旋流器内套筒、一级旋流器叶片、一级旋流器外套管、阳极文氏管、二级旋流器叶片、二级旋流器外套管和喇叭口，阳极文氏管的内表面上设置有放电区域，放电区域位于所述阳极文氏管内表面上与阴极燃油喷嘴之间的最小击穿距离点到阳极文氏管出气口端点的部分，两级旋流器除去阳极文氏管内表面的放电区域外均设置绝缘层。本发明采用一体化设计，克服了现有基于等离子体激励的燃烧室旋流器整体采用绝缘材料加工导致的结构强度不足和工作可靠性差的问题。

Description

一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置
技术领域
本发明属于航空发动机及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置。
背景技术
目前航空发动机燃烧室存在高空燃油雾化质量差、燃烧效率低、点/熄火包线不足的重大现实问题，而等离子体调控燃烧技术在提高航空发动机点火能力、拓宽稳定燃烧范围等方面存在明显的优势。由于等离子体调控燃烧技术具有巨大的优势和前景，国内外都已经开展了相关方面的研究工作。现有的航空发动机燃烧室旋转滑动弧等离子体点火装置多分成两个部分，旋流器和等离子体激励电极，为了满足高压放电产生等离子体的要求，旋流器多采用陶瓷材料制成，陶瓷材料具有良好的耐高温性和绝缘性，但是其脆性大，耐冲击能力低、易碎的特点难以满足航空发动机在实际使用中的强度要求，在飞行时容易受到振动而发生破坏，工作可靠性差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其采用一体化设计且为金属材料，克服了现有旋流器整体采用绝缘材料加工导致的结构强度不足和工作可靠性差的问题。
为实现上述目的，发明采用的技术方案是：一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，包括阴极燃油喷嘴和两级旋流器；所述阴极燃油喷嘴与发动机机匣连接且共地；所述两级旋流器包括基体和绝缘层，所述绝缘层覆盖在所述基体的表面，所述基体为一体结构且采用导电材料制成；其中，所述基体包括一级旋流器内套筒、一级旋流器叶片、一级旋流器外套管、阳极文氏管、二级旋流器叶片、二级旋流器外套管和喇叭口，所述一级旋流器叶片的一端与一级旋流器内套筒的外侧连接，所述一级旋流器叶片的另一端与一级旋流器外套管的内侧连接，所述阳极文氏管气流入口端的管口与一级旋流器外套管气流出口端的管口对接，所述二级旋流器叶片的一端与一级旋流器外套管的外侧连接，所述二级旋流器叶片的另一端与二级旋流器外套管的内侧连接，所述喇叭口气流入口端的管口与二级旋流器外套管气流出口端的管口对接，所述一级旋流器内套筒、一级旋流器叶片、一级旋流器外套管、二级旋流器叶片、二级旋流器外套管和喇叭口的外侧表面上均设置绝缘层，所述阳极文氏管的内表面上设置有放电区域，所述放电区域位于所述阳极文氏管内表面上与阴极燃油喷嘴之间的最小击穿距离点到阳极文氏管出气口端点的部分，所述阳极文氏管的表面除去放电区域外均设置绝缘层。
上述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述阳极文氏管上设置有高压电缆接入口，所述高压电缆接入口与电源阳极相连通。
上述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述阴极燃油喷嘴的出口端面位于所述阳极文氏管的气流入口端面处。
上述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述阴极燃油喷嘴、一级旋流器内套筒、一级旋流器外套管、阳极文氏管、二级旋流器外套管和喇叭口同轴设置。
上述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述阳极文氏管的内表面为弧形面，所述弧形面分别在所述阳极文氏管的进气端形成收敛段、在所述阳极文氏管的出气端形成扩张段。
上述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述基体采用耐高温合金制成。
上述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述绝缘层通过3D打印或喷涂的方式覆盖在所述基体外侧的表面上。
上述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述绝缘层所采用的材料为耐高温且绝缘性能良好的陶瓷材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用一体化设计，克服了现有旋流器整体采用绝缘材料加工导致的结构强度不足和工作可靠性差的问题。
2、本发明将燃油喷嘴作为阴极，点火过程中，燃油喷嘴与阳极文氏管之间进行等离子体放电并生成大量的活性粒子，该放电部位位于燃油喷射入燃烧室中的必经之路上，有效提高活性粒子与燃油的反应，增强燃烧的稳定性、扩宽燃烧室的稳定燃烧范围、提高航空发动机燃烧室的燃烧效率以及改善燃烧室出口均匀性。
3、本发明阴极燃油喷嘴、一级旋流器内套筒、一级旋流器外套管、阳极文氏管、二级旋流器外套管和喇叭口同轴设置，二级旋流器紧贴一级旋流器的外侧设置，一级旋流器和二级旋流器气流入口方向相同，保证进气量的同时又能够有效提高旋流效果及阳极文氏管的冷却效果。
下面通过附图和实施例，对发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明剖视图。
图2为图1的A处放大图。
附图标记说明:
10—阴极燃油喷嘴； 20—基体；
21—一级旋流器内套筒； 22—一级旋流器叶片；
23—一级旋流器外套管； 24—阳极文氏管；
24-1—放电区域； 24-2—高压电缆接入口；
25—二级旋流器叶片； 26—二级旋流器外套管；
27—喇叭口； 30—绝缘层。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明公开了一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，包括阴极燃油喷嘴10和两级旋流器，所述阴极燃油喷嘴10与发动机机匣连接且共地；所述两级旋流器包括基体20和绝缘层30，所述绝缘层30覆盖在所述基体20的表面，所述基体20为一体结构且采用导电材料制成；其中，所述基体20包括一级旋流器内套筒21、一级旋流器叶片22、一级旋流器外套管23、阳极文氏管24、二级旋流器叶片25、二级旋流器外套管26和喇叭口27，所述一级旋流器叶片22的一端与一级旋流器内套筒21的外侧连接，所述一级旋流器叶片22的另一端与一级旋流器外套管23的内侧连接，所述阳极文氏管24气流入口端的管口与一级旋流器外套管23气流出口端的管口对接，所述二级旋流器叶片25的一端与一级旋流器外套管23的外侧连接，所述二级旋流器叶片25的另一端与二级旋流器外套管26的内侧连接，所述喇叭口27气流入口端的管口与二级旋流器外套管26气流出口端的管口对接，所述一级旋流器内套筒21、一级旋流器叶片22、一级旋流器外套管23、二级旋流器叶片25、二级旋流器外套管26和喇叭口27的外侧表面上均设置绝缘层30，所述阳极文氏管24的内表面上设置有放电区域24-1，所述放电区域24-1位于所述阳极文氏管24内表面上与阴极燃油喷嘴10之间的最小击穿距离点到阳极文氏管24出气口端点的部分，所述阳极文氏管24的表面除去放电区域24-1外均设置绝缘层30。
本实施例中，两级旋流器基体20采用一体化设计，阳极文氏管24和喇叭口27均无安装座连接，同时在两级旋流器基体20的外侧表面上设置绝缘层30，在保证两级旋流器绝缘要求的同时增强了旋流器的强度，解决了现有基于等离子体激励的燃烧室陶瓷旋流器难以满足航空发动机在实际使用中的强度要求，在飞行时容易受到振动而发生破坏，工作可靠性差的问题。
如图1所示，阴极燃油喷嘴10安装在一级旋流器内套筒21内，并使得阴极燃油喷嘴10出口端面与一级旋流器内套筒21气流出口端面接近平齐，阴极燃油喷嘴10作为阴极与发动机机匣连接并共地，阴极燃油喷嘴10通过管路与燃油箱相连；两级旋流器的基体部分采用一体结构设计，所述阴极燃油喷嘴10、一级旋流器内套筒21、一级旋流器外套管23、阳极文氏管24、二级旋流器外套管26和喇叭口27同轴设置。二级旋流器紧贴一级旋流器的外侧设置，一级旋流器和二级旋流器气流入口方向相同。同时，一级旋流器叶片22和二级旋流器叶片25的叶片方向相反，使一级旋流器的旋流叶片出气端的气流旋转方向与所述二级旋流器的旋流叶片出气端的气流旋转方向相反。
如图1所示，所述阳极文氏管24的内表面为弧形面，所述弧形面分别在所述阳极文氏管24的进气端形成收敛段、在所述阳极文氏管24的出气端形成扩张段。
本实施例中，阳极文氏管24的内表面形状采用现有技术，为一凸弧面结构，由该弧面的两端分别在所述阳极文氏管24进气端形成了收敛段、在所述阳极文氏管24出气端形成了扩张段。所述阳极文氏管24外圆周面为阶梯面，其中位于所述阳极文氏管24后端的外径小于前端的外径。所述阳极文氏管24位于燃烧室火焰筒内。所述阳极文氏管24上设置有高压电缆接入口24-2，所述高压电缆接入口24-2与电源阳极相连通。阳极文氏管24与阴极燃油喷嘴10在强电场的激励下产生等离子体放电电弧，在旋流器旋转气流的驱动下形成旋转滑动弧放电。一方面滑动弧等离子体促进了燃油的雾化裂解，另一方面滑动弧放电产生的活性成分在旋流器的作用下与雾化的燃油进行充分的掺混，同时在滑动弧放电等离子体的高温作用下完成燃烧室的点火及燃烧调控。
本发明可在不改变原燃烧室头部旋流器结构的基础上，旋流器基体采用耐高温合金制成，除去两极最短放电击穿距离点到文氏管出口端点之间的文氏管内表面部分裸露出来，其余旋流器表面均采用3D打印或粘结方式覆盖绝缘材料陶瓷。
以上所述，仅是发明的较佳实施例，并非对发明作任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，包括：
阴极燃油喷嘴(10)，所述阴极燃油喷嘴(10)与发动机机匣连接且共地；
两级旋流器，所述两级旋流器包括基体(20)和绝缘层(30)，所述绝缘层(30)覆盖在所述基体(20)的表面，所述基体(20)为一体结构且采用导电材料制成；
其中，所述基体(20)包括一级旋流器内套筒(21)、一级旋流器叶片(22)、一级旋流器外套管(23)、阳极文氏管(24)、二级旋流器叶片(25)、二级旋流器外套管(26)和喇叭口(27)，所述一级旋流器叶片(22)的一端与一级旋流器内套筒(21)的外侧连接，所述一级旋流器叶片(22)的另一端与一级旋流器外套管(23)的内侧连接，所述阳极文氏管(24)气流入口端的管口与一级旋流器外套管(23)气流出口端的管口对接，所述二级旋流器叶片(25)的一端与一级旋流器外套管(23)的外侧连接，所述二级旋流器叶片(25)的另一端与二级旋流器外套管(26)的内侧连接，所述喇叭口(27)气流入口端的管口与二级旋流器外套管(26)气流出口端的管口对接，所述一级旋流器内套筒(21)、一级旋流器叶片(22)、一级旋流器外套管(23)、二级旋流器叶片(25)、二级旋流器外套管(26)和喇叭口(27)的外侧表面上均设置绝缘层(30)，所述阳极文氏管(24)的内表面上设置有放电区域(24-1)，所述放电区域(24-1)位于所述阳极文氏管(24)内表面上与阴极燃油喷嘴(10)之间的最小击穿距离点到阳极文氏管(24)出气口端点的部分，所述阳极文氏管(24)的表面除去放电区域(24-1)外均设置绝缘层(30)。
2.如权利要求1所述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述阳极文氏管(24)上设置有高压电缆接入口(24-2)，所述高压电缆接入口(24-2)与电源阳极相连通。
3.如权利要求1所述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述阴极燃油喷嘴(10)的出口端面位于所述阳极文氏管(24)的气流入口端面处。
4.如权利要求1所述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述阴极燃油喷嘴(10)、一级旋流器内套筒(21)、一级旋流器外套管(23)、阳极文氏管(24)、二级旋流器外套管(26)和喇叭口(27)同轴设置。
5.如权利要求1所述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述阳极文氏管(24)的内表面为弧形面，所述弧形面分别在所述阳极文氏管(24)的进气端形成收敛段、在所述阳极文氏管(24)的出气端形成扩张段。
6.如权利要求1所述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述基体(20)采用耐高温合金制成。
7.如权利要求1所述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，
所述绝缘层(30)通过3D打印或喷涂的方式覆盖在所述基体(20)外侧的表面上。
8.如权利要求7所述的一种旋转滑动弧等离子体调控燃烧装置，其特征在于，所述绝缘层(30)所采用的材料为耐高温且绝缘性能良好的陶瓷材料。
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