CN116771517A - 一种多频激励的三电极等离子体点火器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频激励的三电极等离子体点火器，其涉及航空发动机技术领域。该点火器包括点火筒体、电极组件和电源组件；点火筒体形成有依次连通的进气口、放电腔及射流口；电极组件包括第一电极、第二电极和第三电极，第一电极固定于放电腔内，所述第一电极上设有绝缘件，第二电极设于绝缘件上，第三电极构成点火筒体的部分筒壁并形成射流口；电源组件包括第一电源和第二电源，第一电源的第一输出端与第一电极电连接，第一电源的第二输出端与第三电极电连接，第二电源的输出正极与第二电极电连接，第二电源的输出负极与第三电极电连接。本发明的点火器在多频电源的激励模式下，可以增强高温射流的点火效能，拓宽点火边界。

Description

一种多频激励的三电极等离子体点火器

技术领域

本发明涉及航空发动机点火系统技术领域，尤其涉及一种多频激励的三电极等离子体点火器。

背景技术

等离子体点火是通过对通入等离子体点火器内的气体工质进行放电，产生高温高速等离子体射流，同时激发大量活性粒子。高温高速射流喷入燃料和空气混合的燃烧室内，火核穿透深，参与燃烧的活性粒子多，可以有效的强化燃烧室内的点火效果。

等离子体点火技术作为新型点火技术在内燃机、航空发动机、脉冲爆震发动机、超燃冲压发动机等领域都已开展相关的研究，并且已经在某些领域商业应用。

目前，大多数的等离子点火器采用一个正负电极对和单一的电源激励形式。在一示例性技术中，航空发动机空气旋流等离子体点火器包括壳体、进气管、阳极套、绝缘套、阴极安装座、支承套、阴极和旋流器等部件。然而，该点火器对于高温射流的点火效能较低，点火边界较窄，当外界工况发生快速剧烈变化时，这种单一电源形式激励的点火方式可能会存在适应能力变差的情况。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种多频激励的三电极等离子体点火器，旨在增强高温射流的点火效能，并拓宽点火边界。

为实现上述目的，本发明提出一种多频激励的三电极等离子体点火器，所述点火器包括：

点火筒体，形成有依次连通的进气口、放电腔及射流口；

电极组件，包括第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极固定于所述放电腔内，所述第一电极上设有绝缘件，所述第二电极设于所述绝缘件上，所述第三电极构成所述点火筒体的部分筒壁并形成所述射流口；以及

电源组件，包括第一电源和第二电源，所述第一电源具有第一输出端和第二输出端，所述第一电源的第一输出端与所述第一电极电连接，所述第一电源的第二输出端与所述第三电极电连接，所述第二电源的输出正极与所述第二电极电连接，所述第二电源的输出负极与所述第三电极电连接。

可选地，所述第一电源和所述第二电源为不同频率的等离子体激发电源，以用于依次或同时在所述第一电极与所述第三电极之间和所述第二电极与所述第三电极之间产生等离子体放电通道。

可选地，所述第一电源为交流电源，所述第一电源的频率为10kHz以上，所述第一电源的输出电压为2kV以上，所述第一电源的输出波形为方波、正弦波、梯形波或三角波。

可选地，所述第二电源为脉冲电源，所述第二电源的电压为5kV以上，所述第二电源的脉宽为50ns以上，所述第二电源的重复频率为500Hz以上。

可选地，所述第三电极的材料为不锈钢，所述第三电极的内径为14mm，所述第三电极的壁厚为4mm，且所述第三电极设有形成所述射流口的喷嘴部，所述喷嘴部的斜面锥度为45°，所述射流口的孔径为3mm。

可选地，所述点火筒体包括导电支撑件、绝缘支撑件和绝缘连接筒，所述导电支撑件套设于所述第一电极的端部并与所述第一电源电连接，所述绝缘支撑件的一端与所述导电支撑件连接，且所述绝缘支撑件套设于所述绝缘件的端部，所述绝缘支撑件的另一端与所述第二电极连接，所述第二电极与所述第三电极通过所述绝缘连接筒连接；所述导电支撑件、所述绝缘支撑件、所述第二电极、所述绝缘连接筒和所述第三电极共同围设构成所述放电腔。

可选地，所述导电支撑件上设有进气管支撑件，所述进气管支撑件上套设有形成所述进气口的进气管。

可选地，所述绝缘支撑件上设有沿其周向均匀分布多个通孔，以保证气体流动。

可选地，所述第一电极和所述第二电极均为耐高温耐烧蚀的金属材料。

可选地，所述进气口适于通入干燥气体。

在本发明的技术方案中，该点火器包括点火筒体、电极组件和电源组件；点火筒体形成有依次连通的进气口、放电腔及射流口；电极组件包括第一电极、第二电极和第三电极，第一电极固定于放电腔内，所述第一电极上设有绝缘件，第二电极设于绝缘件上，第三电极构成点火筒体的部分筒壁并形成射流口；电源组件包括第一电源和第二电源，第一电源的第一输出端与第一电极电连接，第一电源的第二输出端与第三电极电连接，第二电源的输出正极与第二电极电连接，第二电源的输出负极与第三电极电连接。如此，通过复合激励的模式，可以有效增加等离子体点火器内部的活性粒子，同时降低第二对正负电极的等离子体放电电压，进而使得同样的输入功率下，提高了等离子体通道的注入电流，提升了高温射流的温度，拓宽了航空发动机再点火边界。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明多频激励的三电极等离子体点火器一实施例的剖面图；

图2为本发明多频激励的三电极等离子体点火器一实施例中第一电极的截面图；

图3为本发明多频激励的三电极等离子体点火器一实施例中第二电极的截面图；

图4为本发明多频激励的三电极等离子体点火器一实施例中绝缘支撑件的截面图。

附图标号说明：

10、点火筒体；20、电极组件；30、电源组件；10a、进气口；10b、放电腔；10c、射流口；21、第一电极；22、第二电极；23、第三电极；24、绝缘件；31、第一电源；32、第二电源；11、导电支撑件；12、绝缘支撑件；13、绝缘连接筒；14、进气管支撑件；15、进气管；12a、通孔。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种多频激励的三电极等离子体点火器，可应用于航空发动机、内燃机、脉冲爆震发动机、超燃冲压发动机等，此处不限。

参照图1，在本发明一实施例中，该多频激励的三电极等离子体点火器包括点火筒体10、电极组件20和电源组件30；点火筒体10形成有依次连通的进气口10a、放电腔10b及射流口10c；电极组件20包括第一电极21、第二电极22和第三电极23，第一电极21固定于放电腔10b内，第一电极21上设有绝缘件24，第二电极22设于绝缘件24上，第三电极23构成点火筒体10的部分筒壁并形成射流口10c；电源组件30包括第一电源31和第二电源32，第一电源31具有第一输出端和第二输出端，第一电源31的第一输出端与第一电极21电连接，第一电源31的第二输出端与第三电极23电连接，第二电源32的输出正极与第二电极22电连接，第二电源32的输出负极与第三电极23电连接。

本实施例中，点火筒体10可通过多个筒状部件拼接而成，其中第三电极23也可设置为筒状结构，以便构成点火筒体10的部分筒壁并形成用于喷射高温射流的射流口10c。

本实施例中，第一电极21和第二电极22均可为高压电极，第三电极23可为低压公共电极，第一电极21和第二电极22均可采用耐高温耐烧蚀的金属材料，尤其是钨铜合金材质，其外径均可设置为6mm左右，第三电极23可采用不锈钢等金属材质，此处不限。

第一电源31和第二电源32为不同频率的等离子体激发电源，以用于依次或同时在第一电极21与第三电极23之间和第二电极22与第三电极23之间产生等离子体放电通道。

可以理解，本发明通过复合激励的模式，可以有效增加等离子体点火器内部的活性粒子，同时降低第二对正负电极的等离子体放电电压，进而使得同样的输入功率下，提高了等离子体通道的注入电流，提升了高温射流的温度，拓宽了航空发动机再点火边界。

需要说明，该点火器采用对流动气体等离子体放电的形式产生高温射流，其进气口10a适于通入干燥气体，包括但不限于空气、氮气或氦气等气体。

为进一步地提升增强高温射流的点火效能，并拓宽点火边界，主要参照图1，在一实施例中，第一电源31可为交流电源，第一电源31的频率可为10kHz以上，第一电源31的输出电压可为2kV以上，第一电源31的输出波形可为方波、正弦波、梯形波或三角波等；第二电源32可为脉冲电源，第二电源32的电压可为5kV以上，第二电源32的脉宽50ns以上，第二电源32的重复频率500Hz以上，此处不限。

较优地，第一电源31采用高频高压交流电源，高频高压交流电源的输出电压为5000V左右，频率为20kHz，其波形近似正弦波；第二电源32采用高压脉冲电源，高压脉冲电源的输出电压为15000V左右，脉宽为100ns，频率为1kHz。

主要参照图1，在一实施例中，第三电极23的材料为不锈钢，特别是304不锈钢，第三电极23的内径可为14mm，第三电极23的壁厚可为4mm，且第三电极23设有形成射流口10c的喷嘴部，喷嘴部的斜面锥度可为45°，射流口10c的孔径可为3mm。如此，可以进一步地提升该点火器的点火性能，以适应不同工况。

为提升该点火器组装的便利性，并保证电极之间的绝缘性，参照图1至图4，在一实施例中，点火筒体10可包括导电支撑件11、绝缘支撑件12和绝缘连接筒13，导电支撑件11套设于第一电极21的端部并与第一电源31电连接，绝缘支撑件12的一端与导电支撑件11连接，且绝缘支撑件12套设于绝缘件24的端部，绝缘支撑件12的另一端与第二电极22连接，第二电极22与第三电极23通过绝缘连接筒13连接；导电支撑件11、绝缘支撑件12、第二电极22、绝缘连接筒13和第三电极23共同围设构成放电腔10b。其中，导电支撑件11上设有进气管支撑件14，进气管支撑件14上套设有形成进气口10a的进气管15。

本发明的多频激励的三电极等离子体点火器采用同轴结构设计。在组装时，导电支撑件11为安装基座，导电支撑件11可通过螺纹形式连接结构与绝缘支撑件12连接，第二电极22也可通过螺纹形式与绝缘支撑件12连接，绝缘连接筒13可通过螺纹形式与第二电极22连接；第一电极21套入绝缘件24后，再插入第二电极22中心孔，可通过螺纹连接形式与导电支撑件11的中心螺纹孔连接拧紧；第三电极23可通过螺纹形式与绝缘连接筒13连接；进气管支撑件14可通过螺纹形式与导电支撑件11连接；进气管15可套在进气管支撑件14上面，并可采用密封紧固方式固定在进气管支撑件14外壁上；高频高压交流电源的一个输出端与第一电极21通过导电支撑件11连接，高频高压交流电源的另一个输出端与第三电极23连接；高压脉冲电源的输出正极与第二电极22连接，高压脉冲电源的输出负极与第三电极23连接。

本实施例中，导电支撑件11、进气管支撑件14材料均可为304不锈钢，其内径均可设置为14mm左右，壁厚均可为4mm左右，此处不限。

本实施例中，第一电极21与第二电极22之间的绝缘件24的材料可为陶瓷，优选为95瓷；绝缘支撑件12、绝缘连接筒13的材料均可为FR4，内径均可为14mm左右，壁厚均可为4mm左右；进气管15可选用内径为10mm的胶皮管或金属管等，此处不做限定。

此外，为保证放电腔10b内的气体流通，本实施例中，主要参照图1及图4，绝缘支撑件12上设有沿其周向均匀分布多个通孔12a，以保证气体流动。

本实施例中，通孔12a包括但不限于直通型通气孔、旋转通气孔。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多频激励的三电极等离子体点火器，其特征在于，所述点火器包括：

点火筒体(10)，形成有依次连通的进气口(10a)、放电腔(10b)及射流口(10c)；

电极组件(20)，包括第一电极(21)、第二电极(22)和第三电极(23)，所述第一电极(21)固定于所述放电腔(10b)内，所述第一电极(21)上设有绝缘件(24)，所述第二电极(22)设于所述绝缘件(24)上，所述第三电极(23)构成所述点火筒体(10)的部分筒壁并形成所述射流口(10c)；以及

电源组件(30)，包括第一电源(31)和第二电源(32)，所述第一电源(31)具有第一输出端和第二输出端，所述第一电源(31)的第一输出端与所述第一电极(21)电连接，所述第一电源(31)的第二输出端与所述第三电极(23)电连接，所述第二电源(32)的输出正极与所述第二电极(22)电连接，所述第二电源(32)的输出负极与所述第三电极(23)电连接。

2.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述第一电源(31)和所述第二电源(32)为不同频率的等离子体激发电源，以用于依次或同时在所述第一电极(21)与所述第三电极(23)之间和所述第二电极(22)与所述第三电极(23)之间产生等离子体放电通道。

3.如权利要求2所述的点火器，其特征在于，所述第一电源(31)为交流电源，所述第一电源(31)的频率为10kHz以上，所述第一电源(31)的输出电压为2kV以上，所述第一电源(31)的输出波形为方波、正弦波、梯形波或三角波。

4.如权利要求2所述的点火器，其特征在于，所述第二电源(32)为脉冲电源，所述第二电源(32)的电压为5kV以上，所述第二电源(32)的脉宽为50ns以上，所述第二电源(32)的重复频率为500Hz以上。

5.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述第三电极(23)的材料为不锈钢，所述第三电极(23)的内径为14mm，所述第三电极(23)的壁厚为4mm，且所述第三电极(23)设有形成所述射流口(10c)的喷嘴部，所述喷嘴部的斜面锥度为45°，所述射流口(10c)的孔径为3mm。

6.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述点火筒体(10)包括导电支撑件(11)、绝缘支撑件(12)和绝缘连接筒(13)，所述导电支撑件(11)套设于所述第一电极(21)的端部并与所述第一电源(31)电连接，所述绝缘支撑件(12)的一端与所述导电支撑件(11)连接，且所述绝缘支撑件(12)套设于所述绝缘件(24)的端部，所述绝缘支撑件(12)的另一端与所述第二电极(22)连接，所述第二电极(22)与所述第三电极(23)通过所述绝缘连接筒(13)连接；所述导电支撑件(11)、所述绝缘支撑件(12)、所述第二电极(22)、所述绝缘连接筒(13)和所述第三电极(23)共同围设构成所述放电腔(10b)。

7.如权利要求6所述的点火器，其特征在于，所述导电支撑件(11)上设有进气管支撑件(14)，所述进气管支撑件(14)上套设有形成所述进气口(10a)的进气管(15)。

8.如权利要求6所述的点火器，其特征在于，所述绝缘支撑件(12)上设有沿其周向均匀分布多个通孔(12a)，以保证气体流动。

9.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述第一电极(21)和所述第二电极(22)均为耐高温耐烧蚀的金属材料。

10.如权利要求1所述的点火器，其特征在于，所述进气口(10a)适于通入干燥气体。