CN116951473A - 中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部 - Google Patents
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Abstract
一种中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部，燃油喷嘴位于燃烧头部安装座内，燃油喷嘴出口放电端面与燃烧头部安装座内环端面之间保持燃油喷嘴放电距离；高压电极位于陶瓷电极安装座上。高压电极进口端与燃油喷嘴出口端面之间保持放电距离。本发明由燃烧头部安装座内圈与高压电极实现等离子体放电，通过一级强旋流形成旋转滑动弧,在特定角度的收敛段作用下将电弧向燃油雾化的中心区域拉长，放电区域确定，依靠来流的作用实现电弧的发展和击穿，使电弧处于最佳点火助燃位置，有利于电弧与燃油的接触及燃烧；放电电弧密布在燃油雾化区域，提高燃烧效率，减少污染物排放，更好实现点火助燃效果，增加燃烧的稳定性、扩宽燃烧室的燃烧范围。
Description
技术领域
本发明涉及航空动力领域的等离子体点火助燃技术，具体是一种中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部。
背景技术
为满足未来先进航空动力系统的发展需求，亟须突破制约航空发动机燃烧室高效稳定、可靠安全工作的诸多技术瓶颈。等离子体助燃技术作为一种极具前景的新型燃烧室技术，与其他传统强化燃烧技术相比，其通过放电使高能电子与燃料分子发生撞击，将燃料大分子碳链打断成低碳链，并产生大量自由激发粒子、离子、电子等活性粒子，降低燃烧化学反应所需的活化能，提高化学反应速率，拓宽熄火边界。另一方面，提高燃料与空气混合的均匀性和火焰的传播速度，有助于火焰稳定，减少尾气中污染物的排放。
等离子体点火助燃所具有巨大的优势和前景，国内外已经开展相关方面的研究工作，例如2015年穆里塞夫·安德烈·尼古拉耶维奇等人在公开号RU2015109229U的发明创造中公开了一种燃气涡轮发动机等离子体火花点火式装置的专利(如图1所示)，该装置中心电极与环形接地电极产生电弧，通过切向槽外部引气，被用于保证等离子体射流的稳定放电范围，提高火花塞的点火能力。但是该等离子体火花式发明的中心电极触点容易烧蚀，其次由于该点火器装配于燃烧区，中心电极积炭漏电，次级电压低，在电离过程中形成的活性粒子有限，不能可靠地点火，导致不适合直接用于工作环境恶劣的航空发动机燃烧室。
2022年马克·哈里斯等人在公开号US202217676992A的发明创造中公开了一种具有驱动器单元的脉冲等离子点火器(如图2、3所示)，采用纳秒脉冲供电，利于多电极与点火器壳体内壁放电结构，产生多条等离子电弧使点火助燃效果更佳，用于在低空气密度下工作的燃气涡轮发动机，但点火器还存在结构复杂，需要自引气，电极易积炭激励不够显著的问题。
2022年沈阳航空航天大学在公开号CN113915005A的发明创造中公开了一种用于产生滑动弧的结构及具有该结构的等离子体点火器(如图4所示)，导入的气流通过旋流器带动中心轴旋转，中心轴上的接地电极与高压电极座的高压电极呈环形纵向多排分布，形成滑动弧放电，增加电弧与空气的接触，更有利于活性粒子的产生。来流流经前端放电区域，在大量电弧的作用下使该区域内的温度急剧升高，有助于达到着火界限。但该发明增加了旋转电极的结构使点火器的结构更为复杂。由于等离子放电对温度的提升较弱，其前端放电电弧难以吹离点火器出口达到点火效果，且电极的增加增大了电源输出功率，影响工程的应用。
2022年中国人民解放军战略支援部队航天工程大学在公开号为CN114340131A的发明创造中公开了一种具三维滑动弧等离子体发生器(如图5所示)，其阴极呈盘旋上升状，在阳极电极杆与反应器阴极之间形成电弧，通过进气嘴引气，实现三维滑动弧的放电，结构更为简单，有利于与燃料的接触，促进燃烧反应的进行。但该发明需要对其自引气的流量进行控制来实现滑动弧放电，流量大会造成电弧提前吹断现象，流量小不足以电弧到达预定的点火助燃位置，对滑动弧的调控存在问题；其次电弧到达阴极尽头时，可能导致壳体的击穿带电，存在安全隐患。
以上发明都具有放电结构、安装位置和产生的活性粒子有限等缺陷，无法解决其点火助燃的局限，而有学者创新了燃烧室头部与等离子体放电结合的方式。2019年中国人民解放军空军工程大学在公告号为CN106438158B的发明专利中公开了一种基于等离子体射流点火燃烧的航空发动机主燃烧室(如图6所示)，该装置将点火器与喷嘴一体化从而减小点火器和燃烧室尺寸，降低了电极的烧蚀问题，结构更为简单，并采用等离子体射流点火技术，使等离子体产生的活性粒子可以与第一时间与燃料混合气接触燃烧，提高了航空发动机燃烧室的点火可靠性，具有一定的应用价值。但该发明还需要单独引气，增加了结构复杂性。取消了燃烧室进口端的旋流器虽减少了流进空气的流动损失但点火器旋流效果较差，减低了燃料空气掺混效果并且燃料入口为斜入式，严重影响燃料雾化效果，导致燃烧效果大大降低。
2020年哈尔滨工程大学CN111006241A的发明创造中公开了一种燃用低热值气体燃料的等离子点火与助燃燃烧室(如图7所示)，在点火器与燃烧室头部结合的基础上，增加了二级旋流，更有利于燃料掺混，使燃烧反应更易进行。但该与燃气管结合，燃气管需要单独引气结构，需要预先雾化，结构更为复杂，不易拆卸维护。且雾化燃料易与发生器和燃气管内壁接触，影响其燃料雾化效果，降低燃烧反应速率。另外等离子体发生器电弧与燃料接触有限，会降低等离子体的利用率、大大降低助燃效果。
滑动弧等离子体放电与头部结合的方式解决了其需要外部引气等问题。2020年中国人民解放军空军工程大学在ZL2020105699588的发明专利中公开了一种基于旋流孔的丝状电弧等离子体激励器(如图8所示)，该发明采用滑动等离子体激励器与航空发动机燃烧室头部的结合，不需要外部引气，可匹配替换原装燃烧室头部，结构更为简单，能够实现点火助燃一体化，提高燃烧效率。但是该发明旋流孔内两电极之间距离较远，需要较大功率电源，若电极数增多，还会影响其旋流效果及电弧的发展拉长，降低点火助燃效果；其次内层等离子体旋流器和外层旋流器均由陶瓷制成，材质易碎，在实际工程中难以应用。
2021年中国航发湖南动力机械研究所在公开号CN113623685A的发明创造中公开了一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构(如图9所示)，该发明由内置锥体与涡流器主体放电，放电结构得到优化。但该发明喷嘴设置于内置锥体后方，严重影响了燃料混合气进入燃烧区与电弧的接触以及降低点火效果。
2020年沈阳航空航天大学在公开号CN111765032A为一种滑动弧等离子体-高扰动交叉结构的燃油雾化喷嘴(如图10所示)，该发明在燃烧室头部基础上采用滑动弧放电和双旋流高扰动交叉结构结合，放电结构简单，可以持续稳定的提供高活性等离子体活性基团，促进燃烧更加充分，提高燃烧效率，降低污染排放。但该发明交叉喷口设置于电极后方，不利于燃料与滑动弧接触。在较大来流下，燃油雾化和放电区域受流场影响较大，燃油雾化区域脱离喷口处，滑动弧等离子体不能与燃油良好接触。该交叉喷口设置易使雾化燃油重新接触凝结，导致燃油裂解效果不理想。
2022年中国人民解放军空军工程大学在公开号CN115218222A的发明创造中公开了一种旋转滑动弧等离子体强化燃烧旋流装置(如图11所示)，该装置是通过燃油喷嘴和阳极旋流器放电结构，促进了燃油的雾化裂解、活性成分与雾化的燃油的充分掺混，简化了基于等离子体激励的燃烧室旋流器结构，增强了旋流器的强度。但该方案放电结构使其放电击穿位置面积大导致放电不稳定。而且该方案首先击穿位置在一级旋流器套筒端面，与文氏管存在间断未连，不利于电弧发展。旋流器带有高压电，需做好绝缘措施，存在安全隐患。
2022年中国人民解放军空军工程大学在公开号CN113898974A的发明创造中公开了一种航空发动机燃烧室滑动弧等离子体值班火焰头部(如图12所示)，该装置无需外部引气，出气端两级旋流器产生反向旋流。电弧在阴极套筒和阳极文氏管之间产生，并在旋流作用下，实现电弧的发展和击穿，从而促进燃油雾化，并使雾化、裂解后的燃油空气混合物和等离子体放电产生的活性粒子充分混合，提高燃烧速率，结构简单、助燃效果显著，可匹配替换原装航空发动机燃烧室头部。但该方案电弧的发展是由阳极文氏管的近端到远端，当较强来流下电弧可能未达到阳极文氏管远端就被击穿，击穿范围大，不能达到最佳助燃效果，还会造成不必要的能源浪费。
上述各发明创造中提出的等离子体点火或助燃器在工作时产生活性粒子少且利用率低、适应不同来流能力弱、裂解效果不理想、放电击穿不稳定、穿范围大和能源浪费等问题，不能适应新一代航空发动机燃烧室的拓宽点火边界和稳定燃烧范围的高要求。
发明内容
为克服现有技术中存在的放电区域受流场影响较大，在较强和较弱来流条件适应性弱、产生活性粒子少、燃油裂解效果不理想、放电击穿不稳定、穿范围大、放电装置复杂和需要外部引气等方面的不足，本发明提出了一种中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部。
本发明包括燃油喷嘴、燃烧头部安装座、陶瓷电极安装座、陶瓷绝缘管、电缆和高压电极；其中，所述燃油喷嘴套装在该燃烧头部安装座内，该燃油喷嘴出口端面在轴向凸出于该燃烧头部安装座内环的出口端面，并使该燃油喷嘴出口端的端面凸出该内环的端面；凸出的轴向长度为d1，保证高压电极优先与燃油喷嘴放电；所述陶瓷电极安装座位于燃烧头部安装座出口端，该陶瓷电极安装座的锥面出口端面安装有所述高压电极。所述高压电极进口端与燃油喷嘴出口端面之间的放电距离为d2。所述电缆通过陶瓷电极安装座与该高压电极导通。
所述燃烧头部安装座具有内环、中环、外环的三层同轴回转体结构。其中，内环内径与燃油喷嘴外径紧密贴合，内环内径D1＝16mm～22mm，壁厚L1＝8mm～16mm，轴向高度H1＝30mm～45mm；中环内径D2＝80mm～100mm，壁厚L2＝14mm～22mm，轴向高度H1，内环与中环之间加工有旋流叶片，形成轴向旋流器，旋流叶片为10～16片，安装角度α1，α1为30°～60°；外环内径D3＝130mm～150mm，壁厚L3＝12mm～18mm，轴向高度H2＝80mm～90mm，中环与外环之间加工有轴向贯穿该中环外圆周表面的连接凸台，数量为6～12个,径向高度H3＝3mm～9mm，周向宽度d3＝2mm～6mm。
所述燃烧头部安装座底端中环上加工有内径D4＝8mm～12mm的轴向贯通孔，用于安装陶瓷绝缘管。该燃烧头部安装座内环的内表面与燃油喷嘴的外表面紧密配合；所述燃油喷嘴出口端端面凸出该内环的端面；凸出的长度为d1，d1＝2mm～5mm。
所述陶瓷电极安装座具有先收敛后扩张的同轴回转体，收敛段进口处的内径为D5＝80mm～100mm；扩张段出口处外径与头部安装座外环的外径相同，为D6＝109mm～149mm；收敛段内表面与水平面形成了收敛段夹角α2、该陶瓷电极安装座扩张段内表面与水平面形成了扩张段α3，α2为30°～50°，α3为40°～60°。
所述陶瓷电极安装座收敛段加工有电缆安装孔直径D7＝2mm～5mm，电缆安装孔的收敛段端面加工有直径为D8＝8mm～12mm的凹槽，在水平面上投影的深度H4为1mm～3mm。该凹槽底面与陶瓷绝缘管端面配合，该凹槽壁面与陶瓷绝缘管外表面配合。该凹槽使陶瓷安装管嵌入陶瓷电极安装座内，防止电缆与燃烧头部安装座放电。该陶瓷电极安装座收敛段内表面加工有高压电极安装槽，在水平面上的投影H5＝6mm～10mm，收敛段内表面到电极安装槽底面的深度H6＝0.6mm～1mm，底端在陶瓷电极安装座收敛段和扩张段连接处，槽顶表面与收敛段端面平行；该陶瓷电极安装座扩张段加工有平行于水平面的导流孔D9＝1.5mm～2.5mm，在出口端锥面按圆周均匀分布2～4圈，每圆周12～36个。第一圈导流孔与电极安装槽外径垂直距离d4＝4mm～6mm，每圈导流孔的距离d5＝2mm～6mm；该陶瓷电极安装座收敛段端面与燃烧头部安装座中环端面配合；该陶瓷电极安装座扩张段的外表面与该燃烧头部安装座外环端面配合。
所述陶瓷绝缘管上的凸台外径D10＝14mm～16mm，凸台端面与燃烧头部安装座中环端面配合，管外表面与燃烧头部安装座轴向贯穿孔配合，管端面与收敛段端面凹槽相配合。
所述高压电极安装在该陶瓷电极安装座的扩张段锥面凹槽内，间隙通过陶瓷胶固定，圆形高压电极厚度为H6＝0.4～0.8。所述圆环高压电极端面与燃油喷嘴出口端面的放电距离d2＝15mm～25mm。
本发明通用性强，且可完全匹配替换航空发动机原装的燃烧室头部，不改变原有燃烧室的结构特征。燃烧室进口气体都需要通过原装燃烧室头部，同样所述燃烧头部安装座产生的旋流和导流通道产生的直流气体来源均为燃烧室进口气体，而不需要从燃烧室外部另外引气进入激励器，来实现电弧发展和击穿。本发明结构简单，降低了燃烧室结构复杂性和故障率。且通过对该燃烧头部安装座旋流叶片方向和角度的设计产生旋流，既能够促进燃油雾化，也能够使雾化、裂解后的燃油、空气和等离子体放电产生的活性粒子充分混合；其次，一部分来流空气经过旋流叶片，再通过高压电极安装座收敛段和扩张段，形成旋流气。来流空气另一部分经该燃烧头部安装座中环、外环和各个连接凸台之间的间隙，进入该电极安装座收敛段和扩张段外表面与该外环内表面形成的稳压腔，再穿过导流孔，形成直流气。如图20所示为该发明气流运动示意图。该直流气和旋流气的气动结构能够提高火焰的传播和油气的混合，使进一步能提高燃烧速率，改善出口温度场品质。如图21为空气流量250L/min燃烧室出口温度场分布，可见在该燃烧头部安装座作用下燃烧室出口温度分布均匀，从而可以提高航空发动机涡轮等零部件的使用寿命。
本发明由于滑动弧放电受一级强旋流和导向直流的驱动以及燃油喷嘴与高压电极的稳定放电结构，使得放电稳定性较好，电弧的运动稳定性较好。图22为当电源输入功率为800W、空气流为250L/min下电弧发展一个周期的波形图，电弧运动较为稳定，电流没有出现明显的脉冲峰值在滑动弧放电的40-49ms内，电压和电流的峰值分别约为1kV和1.3A。电压波形呈周期性变化，电流波形在大部分时间内是相对平滑的，几乎没有脉冲峰值。该发明具有良好的放电稳定性，使其对放电电源参数要求较低，适应来流范围广，有助于在工程上的应用实施。
本发明由燃烧头部安装座内圈与高压电极实现等离子体放电，通过一级强旋流形成旋转滑动弧,同时在特定角度的收敛段作用下将电弧向燃油雾化的中心区域拉长。需要说明的是该放电区域确定，仅依靠来流的作用实现电弧的发展和击穿，所以可以使电弧处于最佳的点火助燃位置，且滑动弧更加集中，有利于电弧与燃油的接触以及燃烧。如图23a、23b分别为本发明空气流为250L/min下放电图和燃烧图，其放电电弧密集分布在燃油雾化区域，电弧与燃油的得到良好接触，有助于提高燃烧效率和燃烧完全度以及减少尾气中污染物的排放，更好实现点火助燃效果。且本发明直接在燃烧室内进行等离子体放电生成大量的活性粒子，有效提高活性粒子与燃油的反应，以增强燃烧的稳定性、扩宽燃烧室的稳定燃烧范围。如图24所示为该发明在不同进气流量下熄火边界和拓宽比例。无等离子体助燃下的熄火油气比明显高于等离子助燃条件下的熄火油气比。随进气量的增加，拓宽越明显，在进气流量350L/min，拓宽比例最大，达到14.8％。
本发明的放电部位(高压电极)拆卸和加工简单，方便在其蚀损后及时更换，而不用更换整个头部。
附图说明
图1是穆里塞夫·安德烈·尼古拉耶维奇等人研制的一种燃气涡轮发动机等离子体火花点火式装置；其中，图1a是主视图，图1b是图1a中A-A剖面的视图。
图2是马克·哈里斯等人研制的一种具有驱动器单元的脉冲等离子点火器剖视图。
图3是马克·哈里斯等人研制的一种具有驱动器单元的脉冲等离子点火器轴测视图。
图4是沈阳航空航天大学研制的一种用于产生滑动弧的结构及具有该结构的等离子体点火器。
图5是航天工程大学研制的一种具三维滑动弧等离子体发生器。
图6是空军工程大学研制的一种基于等离子体射流点火燃烧的航空发动机主燃烧室。
图7是哈尔滨工程大学研制的一种燃用低热值气体燃料的等离子点火与助燃燃烧室。
图8是空军工程大学研制的一种基于旋流孔的丝状电弧等离子体激励器；
图9是中国航发湖南动力机械研究研制的一种用于旋转滑动弧点火的涡流器结构。
图10是沈阳航空航天大学研制的一种滑动弧等离子体-高扰动交叉结构的燃油雾化喷嘴。
图11是空军工程大学研制的旋转滑动弧等离子体强化燃烧旋流装置。
图12是一种航空发动机燃烧室滑动弧等离子体值班火焰头部的结构。
图13是本发明的结构示意图。
图14是燃烧头部安装座的结构示意图；其中，图14a是主视图，图14b是图14a的左视图，图14c是图14b中的A-A剖面图。
图15燃油喷嘴和高压电极安装距离示意图。
图16是电极安装座的结构示意图；其中，图16a是左视图，图16b是主视图,图16c是图16b中的B-B剖面图。
图17是陶瓷绝缘管的结构示意图。
图18是电缆的结构示意图。
图19是高压电极的结构示意图；其中，图19a是左视图，图19b是主视图。
图20是本发明的气流运动示意图。
图21是本发明在空气流量250L/min下燃烧室出口温度场分布图。
图22是本发明在电源输入功率为800W、空气流为250L/min下滑动弧发展一周期放电波形图。
图23是本发明空气流为250L/min下的放电和燃烧图；其中，图23a是放电图，图23b是燃烧图。
图24是本发明在250L/min进气流量下熄火边界和拓宽比例图。
图中：1.燃油喷嘴；2.燃烧头部安装座；3.电极安装座；4.陶瓷绝缘管；5.电缆；6.高压电极；7.滑动弧放电；8.雾化燃油；9.内环；10.中环；11.外环；12.旋流叶片；13.连接凸台；14.轴向贯通孔；15.收敛段内表面；16.扩张段内表面；17.电缆安装孔；18.收敛段端面；19.凹槽；20.凹槽壁面；21.凹槽壁面；22.电极安装槽；23.垂直导流孔；24.中环端面；25.扩张段外表面；26.外环端面；27.凸台端面；28.中环底端；29.管外表面；30.管端面；31.高压电极内表面；32.本发明的来流空气；33.本发明形成的旋流气；34.本发明形成的直流气。35.电源输入功率为800W、空气流为250L/min下电流曲线；36.电源输入功率为800W、空气流为250L/min下电压曲线；37.常规燃烧工况下的贫油熄火油气比；38.施加等离子体工况下的贫油熄火油气比；39.本发明的熄火油气比拓宽比例。
具体实施方式
本发明是一种中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部，将通过三个实施例详细描述其技术特征。
本发明包括燃油喷嘴1、燃烧头部安装座2、电极安装座3、陶瓷绝缘管4、电缆5、高压电极6。
其中，所述燃油喷嘴1装入该燃烧头部安装座2的内环中，并使所述内环9的内圆周表面与该燃油喷嘴的外圆周表面之间紧密配合，并使该燃油喷嘴1出口端的端面轴向凸出该内环的端面；凸出的长度为d1，d1＝2mm～5mm，利于燃油喷嘴与高压电极形成滑动弧7放电，并使该所述滑动弧与雾化燃油8充分接触。所述燃油喷嘴1的进口端与发动机燃油机箱相连。
所述陶瓷绝缘管4安装在位于燃烧头部安装座2上的轴向贯穿孔14内。所述电极安装座3位于燃烧头部安装座出口端。所述电缆5的一端穿过该陶瓷绝缘管和电极安装座，与高压电极6导通；该电缆的另一端与高压电源连接。所述高压电极为圆环状，被安装在所述电极安装座扩张段内表面16的凹槽内。该高压电极端面与燃油喷嘴出口端面之间的放电距离d2；d2＝15mm～25mm。本发明由燃油喷嘴与高压电极实现等离子体放电，通过燃烧头部安装座产生的来流形成旋转滑动弧、同时将电弧向燃油雾化的中心区域拉长。由于该放电区域确定，电弧依靠来流的作用实现发展和击穿，使电弧处于最佳的点火助燃位置，有效提高燃油经过放电区域的概率。
所述燃油喷嘴1、燃烧头部安装座2、电极安装座3和高压电极6均同轴。
所述燃油喷嘴1采用现有技术。
所述燃烧头部安装座2进气端外径等于出气端外径，为中空回转体，采用高温合金材料制成。该燃烧头部安装座包括内环9、中环10、外环11和旋流叶片12。其中，所述内环9、中环0和外环11同轴套装。在所述内环9与中环10之间有旋流叶片12，共同构成轴向旋流器。所述旋流叶片12采用现有技术，为平行四边形板，数量为10～16片，并使旋流叶片的进气端与出气端之间的安装角度为α1，形成了旋流角；α1＝30°～60°。
所述内环9、中环10和外环11均为圆筒状，其中：该内环的内径D1＝16mm～22mm，壁厚L1＝8mm～16mm，轴向长度H1＝30mm～45mm；该中环10的内径D2＝80mm～100mm，轴向长度与所述内环的轴向长度H1相同，壁厚L2＝14mm～22mm；该外环11的内径D3＝97mm～131mm，轴向高度H2＝80mm～90mm，壁厚L3＝12mm～18mm。
所述中环的外圆周表面均布有6～12个轴向贯穿该中环外圆周表面的连接凸台13。该连接凸台的径向高度H3＝3mm～9mm，周向宽度d3＝2mm～6mm。所述轴向贯穿孔14位于该中环上；该轴向贯穿孔的内径D4＝8mm～12mm。
所述电极安装座3采用陶瓷加工而成。该电极安装座的纵截面整体上呈V字形，分别是收敛段和扩张段，并使该收敛段与燃烧头部安装座2出口衔接，通过收敛段与扩张段形成了先收敛后扩张的中空回转体。
所述电极安装座的壁厚与燃烧头部安装座中环壁厚相同为L4＝14mm～22mm。收敛段进口处的内径为D5＝80mm～100mm；扩张段出口处外径与头部安装座外环的外径相同，为D6＝109mm～149mm；收敛段内表面15与水平面形成了收敛段夹角α2；α2＝30°～50°。该电极安装座扩张段内表面16与水平面形成了扩张段α3；α3＝40°～60°。
所述电极安装座的收敛段的壳体上加工有电缆安装孔17，并使该电缆安装孔沿轴向贯通收敛段，使其进口位于该收敛段的端面上，出口位于所述扩张段的内表面。所述电缆安装孔的直径为D7＝2mm～5mm。
电缆安装孔的收敛段端面18加工有用于嵌装陶瓷绝缘管的凹槽19，直径为D8＝8mm～12mm，其深度在水平面上的投影为1mm～3mm。该凹槽壁面20与陶瓷绝缘管外表面29配合，该凹槽底面21与陶瓷绝缘管端面30配合。该凹槽的设计可以隔绝电缆，防止电缆5与燃烧头部安装座2放电。该电极安装座收敛段内表面15加工有电极安装槽22，该电极安装槽在水平面上投影的高度H5＝6mm～10mm，收敛段内表面到电极安装槽底面的深度H6为0.4mm～0.8mm，底端在高压电极安装座收敛段和扩张段连接处，槽顶表面与收敛段端面平行。该高压电极安装座扩张段内表面16加工有平行于水平面的导流孔23，直径D9＝1.5mm～2.5mm，在出口端锥面按圆周均匀分布2～4圈，第一圈导流孔与电极安装槽22外径垂直距离d4＝4mm～6mm，不同圆周的导流孔23垂直间隔距离d5＝2～6mm，每圆周12～36个。
所述陶瓷绝缘管4为具有凸台的管状同轴回转体结构，采用陶瓷加工而成，孔径为D5，外径为D4，凸台外径D10＝14mm～16mm。凸台端面27与燃烧头部安装座中环底端28配合。该陶瓷绝缘管外表面27与燃烧头部安装座轴向贯穿孔14配合，陶瓷绝缘管端面30与电极安装座收敛段的凹槽19相配合，间隙通过陶瓷胶固定。
所述电缆5为现有技术，通过陶瓷绝缘管4和电极安装座3与圆形高压电极6连接。
所述圆形高压电极6呈圆环状，采用延展性、导电性较好的金属薄片制成。该高压电极6安装于该电极安装座3的扩张段锥面凹槽19内，圆形高压电极厚度为H7＝0.4～0.8，间隙通过陶瓷胶固定，使得高压电极内表面31与陶瓷电极安装座扩张段内表面16平齐。
该电极安装座收敛段端面18与燃烧头部安装座中环端面24配合；该电极安装座扩张段的外表面25与该燃烧头部安装座外环端面26配合。如图20所示，一部分来流空气32经过旋流叶片12，再通过高压电极安装座收敛段和扩张段，形成旋流气33。来流空气32另一部分经该燃烧头部安装座中环10、外环11和各个连接凸台13之间的间隙，进入该电极安装座收敛段和扩张段外表面与该外环内表面形成的稳压腔，再穿过导流孔23，形成直流气34。
当电源输入功率为800W、空气流为250L/min下电弧发展一个周期的波形图，如图22所示，该发明具有良好的放电稳定性。电流35没有出现明显的脉冲峰值在滑动弧放电的40-49ms内，电流35和电压36的峰值分别约为1kV和1.3A。电压36波形呈周期性变化，电流35波形在大部分时间内是相对平滑的，几乎没有脉冲峰值。其对放电电源参数要求较低，适应来流范围广。
如图24所示为该发明在不同进气流量下熄火边界和拓宽比例。无等离子体助燃下的熄火油气37比明显高于等离子助燃条件下的熄火油气比38。进气量越大，拓宽越明显。在进气流量350L/min，熄火油气比拓宽比例39最大，达到14.8％。
本发明通过三个实施例具体说明其技术方案。各实施例的结构相同，不同之处在于技术参数。详见表1.
表1
Claims (7)
1.一种中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部，其特征在于，包括燃油喷嘴、燃烧头部安装座、陶瓷电极安装座、陶瓷绝缘管、电缆和圆环高压电极；其中，所述燃油喷嘴套装在该燃烧头部安装座内，并使该燃油喷嘴出口端的端面凸出该内环的端面；凸出的轴向长度为d1，以保证高压电极优先与燃油喷嘴放电；所述陶瓷电极安装座位于燃烧头部安装座出口端，该陶瓷电极安装座的锥面出口端面安装有所述圆环高压电极；所述圆环高压电极进口端与燃油喷嘴出口端面之间保持有良好放电距离d2；所述电缆通过陶瓷电极安装座与该圆环高压电极导通。
2.如权利要求1所述中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部，其特征在于，燃烧头部安装座具有内环、中环、外环的三层同轴回转体结构；其中，内环内径与燃油喷嘴外径紧密贴合，内环内径D1＝16mm～22mm，壁厚L1＝8mm～16mm，轴向高度H1＝30mm～45mm；中环内径D2＝80mm～100mm，壁厚L2＝14mm～22mm，轴向高度H1，内环与中环之间加工有旋流叶片，形成轴向旋流器，旋流叶片为10～16片，安装角度α1，α1为30°～60°；外环内径D3＝130mm～150mm，壁厚L3＝12mm～18mm，轴向高度H2＝80mm～90mm，中环与外环之间加工有轴向贯穿该中环外圆周表面的连接凸台，数量为6～12个,径向高度H3＝3mm～9mm，周向宽度d3＝2mm～6mm。
3.如权利要求1所述中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部，其特征在于，所述燃烧头部安装座底端中环上加工有内径D4＝8mm～12mm的轴向贯通孔，用于安装陶瓷绝缘管。
4.如权利要求1所述中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部，其特征在于，所述陶瓷电极安装座由收敛段和扩张段组成；收敛段进口处的内径为D5＝80mm～100mm；扩张段出口处外径与头部安装座外环的外径相同，为D6＝109mm～149mm；敛段内表面与水平面形成了收敛段夹角α2、该陶瓷电极安装座扩张段内表面与水平面形成了扩张段α3，α2为30°～50°，α3为40°～60°。
5.如权利要求1所述中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部，其特征在于，所述陶瓷电极安装座收敛段加工有直径为D7＝2mm～5mm的电缆安装孔，电缆安装孔的收敛段端面加工有直径为D8＝8mm～12mm的凹槽；该凹槽在水平面上投影的深度H4为1mm～3mm；该凹槽壁面与陶瓷绝缘管外表面配合，该凹槽底面与陶瓷绝缘管端面配合；该凹槽的设计可以隔绝电缆，防止电缆与燃烧头部安装座放电；；该陶瓷电极安装座收敛段内表面加工有电极安装槽，在水平面上投影的高度H5＝6mm～10mm，收敛段内表面到电极安装槽底面的深度H6＝0.6mm～1mm，底端在陶瓷电极安装座收敛段和扩张段连接处，槽顶表面与收敛段端面平行；该陶瓷电极安装座扩张段加工有平行于水平面的导流孔D9＝1.5mm～2.5mm，在出口端锥面按圆周均匀分布2～4圈，每圆周12～36个；第一圈导流孔与电极安装槽外径垂直距离d4＝4mm～6mm，不同圆周的导流孔21垂直间隔距离d5＝2mm～6mm；该陶瓷电极安装座收敛段端面与燃烧头部安装座中环端面配合；该陶瓷电极安装座扩张段的外表面与所述燃烧头部安装座外环端面配合。
6.如权利要求1所述中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部，其特征在于，所述陶瓷绝缘管谁的凸台外径D10＝14mm～16mm；凸台端面与燃烧头部安装座中环端面配合，该陶瓷绝缘管外表面与燃烧头部安装座轴向贯穿孔配合，陶瓷绝缘管端面与收敛段端面凹槽相配合。
7.如权利要求1所述中心滑动弧放电激励的等离子体点火助燃头部，其特征在于，所述圆环高压电极厚度为H7＝0.4mm～0.8mm，该电极安装于该陶瓷电极安装座的扩张段锥面凹槽内，间隙通过陶瓷胶固定，使得高压电极内表面与陶瓷电极安装座扩张段内表面平齐，圆形高压电极厚度为H6＝0.4～0.8；所述圆环高压电极端面与燃油喷嘴出口端面的良好放电距离d2＝15mm～25mm。
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| CN117553321A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴 |
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