基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器

1.本发明涉及航空发动机燃烧室点火领域，特别是涉及一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器。


背景技术：

2.随着飞机的飞行性能不断提高，对飞机发动机工作性能提出了更高的要求，高效的点火方式和更宽的点火边界成为飞机的重要设计指标。
3.目前，电火花点火为常见的发动机燃烧室点火方式，但此种点火方式存在许多缺点。电火花点火能量较小，很多条件下无法顺利点燃混合气，点火效率低，此外燃料在冲压发动机中驻留时间较短，电火花点火器也很难实现稳定点火。而发动机在高空、高速等恶劣工况下，容易出现熄火状态，该点火方式难以在高空进行二次点火。由此可见，传统点火方式的点火边界远小于飞机的飞行包线，因此需要一种新型点火器，有效拓宽空中点火边界。
4.等离子体又叫做电浆，是部分原子、分子和分子团等被剥夺电子或被电离产生的离子、离子团和活性物质等，等离子体呈现出激发的不稳定性，具有显著的高能特征，处于低熵的状态。目前产生等离子体技术主要有滑动弧放电、介质阻挡放电、微波放电、纳秒脉冲放电、等离子体射流等，其中滑动弧放电产生装置结构简单，对电极烧蚀小，能产生大量活性粒子，兼具平衡等离子体和非平衡等离子体的部分优点。近年来，等离子体强化燃烧成为燃烧领域的热点，等离子体可通过其热效应、输运效应及动力学效应来降低燃烧室内化学反应的活化能。经研究非平衡态等离子体也能够通过释放电子、离子和活性基团，打断燃油分子化学键，使燃油大分子裂解为小分子和改变燃油化学反应路径等方式来实现燃油助燃。在等离子体强化燃烧领域中，等离子体射流点火具有点火温度高、范围大、延迟时间短和效果好的优点，是提高发动机高空二次点火能力、拓宽空中点火边界的重要途径。
5.在cn104454290a的发明专利中，中国人民解放军空军工程大学公开了一种拉长电弧等离子体射流点火器，但该发明没有引入燃油通道和实施预燃，其存在电功率大、射流刚度不足的缺点。在cn109057972a的发明专利中，中国人民解放军空军工程大学公开了一种预燃式航空发动机等离子体点火器。在cn107842427b的发明专利中，西安交通大学公开了一种预燃式等离子体点火器及点火方法，但上述发明都没有采用等离子体射流点火，且燃油没有与空气充分混合，雾化效果不好。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，通过初级雾化器和次级雾化器对煤油进行多次雾化，有利于减小雾化燃油粒径，能有效提高燃烧效率和点火性能。
7.为实现上述目的，发明采用的技术方案是：一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，其包括输油管、初级雾化器、次级雾化器、阴极、阳极和燃油喷嘴，所述初级雾化器内设置有初级雾化腔，所述燃油喷嘴设置在初级雾化腔内，所述燃油喷嘴
的进油口与输油管相连通；所述次级雾化器内设置次级雾化腔，所述初级雾化腔的另一端与次级雾化腔的一端相连通且燃油经过所述燃油喷嘴从初级雾化腔喷入与初级雾化腔相连通的次级雾化腔内，所述次级雾化器的侧壁上开设有用于连通次级雾化器外侧与次级雾化腔的雾化孔；所述阴极上设置有混合燃油通道，所述混合燃油通道的一端与次级雾化腔的另一端相连通；所述阳极设置在阴极的外侧。
8.上述的一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，其特征在于，所述雾化孔的直径为1mm～3mm，所述雾化孔中心线与次级雾化器的轴向成45
°
～70
°
的夹角，所述雾化孔中心线与次级雾化器的径向成30
°
～60
°
的夹角，所述雾化孔的数量为多个且多个雾化孔通过均匀阵列的方式开设在次级雾化器的侧壁上。
9.上述的一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，其特征在于，所述雾化孔沿次级雾化器周向阵列的个数为6～8个，所述雾化孔沿次级雾化器轴向阵列的个数为3～6个，所述靠近次级雾化器上表面一侧雾化孔的中心与次级雾化器的上表面的距离为10mm～15mm。
10.上述基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器还包括绝缘体和外壳，所述绝缘体套装在输油管的外侧且与输油管螺纹连接；所述外壳的一端与绝缘体螺纹连接，所述初级雾化器和次级雾化器均位于外壳内，所述外壳的另一端与阳极螺纹连接。
11.上述的一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，其特征在于，所述外壳为内径一致的薄壁回转体结构，所述外壳上半段的厚度大于下半段的厚度，所述外壳下半段的长度为20mm～25mm，所述外壳上半段上开设有进气孔且所述进气孔用于与空气快速插头连接，所述进气孔与外壳上端面的距离为10mm～15mm。
12.上述的一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，其特征在于，所述阳极为中空回转体结构，所述阳极上部的外表面上设置有外螺纹，所述外壳下部的内壁上设置有内螺纹，所述阳极通过阳极上设置的外螺纹与外壳上设置的内螺纹的配合可调整的安装在外壳的下部。
13.上述基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器还包括旋流器，所述旋流器设置在外壳内且位于次级雾化器下端的外侧。
14.上述的一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，其特征在于，所述旋流器上开设有旋流孔，所述旋流孔的直径为1mm～3mm，所述旋流孔的中心线与旋流器中心线的夹角为30
°
～60
°
，所述旋流孔的数量为10～20个且沿旋流器的周向均匀分布。
15.上述的一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，其特征在于，所述输油管、初级雾化器、次级雾化器、阴极、阳极、绝缘体、外壳和旋流器均同轴设置。
16.上述的一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，其特征在于，所述输油管、初级雾化器、次级雾化器和阴极的外径均相同。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：
18.1、本发明通过初级雾化器和次级雾化器对煤油进行多次雾化，有利于减小煤油雾化颗粒，能有效提高燃烧效率和点火性能。
19.2、本发明可调控阴、阳极间的相对位置，因此本发明可以控制点火强度和点火能量，本发明采用交流电源驱动，电极区域由电流引起的温升小，交流电弧击穿空气生成的等
离子体中非平衡等离子体占比大。
20.3、在本发明中点火所需的空气和煤油均可以从现有发动机中获得，无需提供额外的装置，具有更强的实用性。
21.4、本发明火焰射流通道直径小，射流刚度强，因此产生的火焰稳定，不易熄灭，点火能力强。
22.5、本发明相较于没有实施预燃的点火器来说，持续不断的射流火焰，使点火区域面积更大，点火可靠性提高，有利于拓宽高空点火包线。
23.6、本发明采用滑动弧等离子体点火，电弧没有集中在一处，减小电极烧蚀的程度，同时气流的冷却作用，也有利于保护电极。
24.7、本发明综合考虑实用性和加工性等各种因素，在现有燃烧室结构和尺寸的基础上进行设计，能直接与传统电火花点火器互换，同时本发明结构简洁、美观，实用性强、加工方便。
25.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
26.图1为本发明的剖视图。
27.图2为本发明的立体结构示意图。
28.图3为本发明次级雾化器的立体剖视图。
29.图4为本发明旋流器的立体结构示意图。
30.图5为本发明电极的工作状态图。
31.附图标记说明:
32.10—输油管；
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20—初级雾化器；
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21—初级雾化腔；
33.30—次级雾化器；
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31—次级雾化腔；
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32—雾化孔；
34.40—阴极；
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41—混合燃油通道；
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50—阳极；
35.60—绝缘体；
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70—外壳；
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71—进气孔；
36.80—旋流器；
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81—旋流孔；
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90—燃油喷嘴。
具体实施方式
37.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。
38.需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
39.如图1和图2所示，一种基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器，其包括输油管10、初级雾化器20、次级雾化器30、阴极40、阳极50和燃油喷嘴90，所述初级雾化器20内设置有初级雾化腔21，所述输油管10的出油口与初级雾化腔21的一端相连通，所述燃油喷嘴90设置在初级雾化腔21内且与输油管10连接，用于将燃油经初级雾化腔21喷入与初级雾化腔21连通的次级雾化腔31内；所述次级雾化腔31设置在次级雾化器30内，所述
次级雾化器30的侧壁上开设有用于连通次级雾化器30外侧与次级雾化腔31的雾化孔32；所述阴极40上设置有混合燃油通道41，所述混合燃油通道41的一端与次级雾化腔31的另一端相连通；所述阳极50设置在阴极40的外侧。
40.本实施例中燃油通过输油管10喷入初级雾化腔21内，在初级雾化腔21经过一次雾化，经过一次雾化的燃油再从初级雾化腔21内喷入次级雾化腔31内，在次级雾化腔31经过一次雾化的燃油再次被雾化并和从雾化孔32进入次级雾化腔31内的空气混合，经过初级雾化器20和次级雾化器30对燃油进行了多次雾化，有利于减小燃油雾化颗粒，能有效提高燃烧效率和点火性能。在航空发动机中所述燃油为煤油。
41.如图1和图2所示，所述次级雾化器30为薄壁壳体结构，所述次级雾化器30上部的内壁上设置内螺纹，所述初级雾化器20下部的外侧设置有与次级雾化器30上部内螺纹相匹配的外螺纹，所述初级雾化器20和次级雾化器30通过所述内外螺纹的相互配合紧固连接，所述雾化孔32为开设在次级雾化器30侧壁上的斜直通孔，所述雾化孔32的直径为1mm～3mm，所述雾化孔32中心线与次级雾化器30的轴向成45
°
～70
°
的夹角，所述雾化孔32中心线与次级雾化器30的径向成30
°
～60
°
的夹角，所述雾化孔32的数量为多个且多个雾化孔32通过均匀阵列的方式开设在次级雾化器30的侧壁上，所述雾化孔32沿次级雾化器30周向阵列的个数为6～8个，所述雾化孔32沿次级雾化器30轴向阵列的个数为3～6个，最上层雾化孔32与次级雾化器30的上表面的距离为10mm～15mm。
42.如图1和图2所示，所述基于三维旋转滑动弧放电的预燃式等离子体射流点火器还包括绝缘体60和外壳70，所述绝缘体60套装在输油管10的外侧且与输油管10螺纹连接；所述外壳70的一端与绝缘体60螺纹连接，所述初级雾化器20和次级雾化器30均位于外壳70内，所述外壳70的另一端与阳极50螺纹连接。
43.本实施例中，所述绝缘体60为中空回转体结构，其采用绝缘材料制成，内部中空部分加工有内螺纹，输油管10的外部加工有与之相匹配的外螺纹，绝缘体60与输油管10通过螺纹连接；输油管10的进油口设置有与高压油管快速接头螺纹相配合的螺纹，能够将高压油管快速接头固定安装在输油管10的进油口处，绝缘体60下端面与输油管10下端面重合，绝缘体60下段设置有用于连接外壳70的小凸台，小凸台外表面加工有能够与外壳70上部内螺纹相配合的外螺纹，绝缘体60与外壳70通过螺纹紧固连接。
44.如图1所示，所述外壳70为内径一致的薄壁回转体结构，所述外壳70上半段的厚度大于下半段的厚度，所述外壳70下半段的长度为20mm～25mm，所述外壳70上半段上开设有进气孔71且所述进气孔71用于与空气快速插头连接，所述进气孔71与外壳70上端面的距离为10mm～15mm。所述进气孔71的直径为10mm～12mm，所述进气孔71内设置有内螺纹，所述内螺纹用于与空气快速插头的外螺纹相配合。所述外壳70的上部有圆形凹槽，凹槽内表面加工内螺纹，所述绝缘体60外螺纹与该内螺纹连接，绝缘体60下端面与凹槽底面重合。在外壳70内表面下部位置拉伸小凸台，所述拉伸小凸台用于放置旋流器80。
45.如图1和图3所示，所述阳极50为中空回转体结构，所述阳极50上部的外表面上设置有外螺纹，所述外壳70下部的内壁上设置有内螺纹，所述阳极50通过阳极50上设置的外螺纹与外壳70上设置的内螺纹的配合可调整的安装在外壳70的下部。所述阳极50的内部中空部呈漏斗状，内部上段为燃烧区，下半段为射流区。本实施例中煤油经过输油管进入初级雾化器，经过燃油喷嘴初级雾化后流入次级雾化器，在次级雾化器旋流空气的作用下，煤油
再次雾化，此后油气混合物进入燃烧区。从气路进入的空气一部分通过次级雾化器的斜直孔雾化燃油，并与燃油掺混，另一部分空气通过旋流器后，使电极间最小间距处生成的电弧不断拉长、旋转，形成滑动弧，当三维旋转的滑动弧和由滑动弧击穿空气释放的等离子体途经油气混合物区域时，若等离子体释放的能量高于燃料化学反应的活化能后，燃料将被点燃，点燃后的火焰在出口处射流出去。
46.如图1所示，所述阴极40同样为薄壁壳体，其外表面上段加工外螺纹，阴极40与次级雾化器30通过螺纹固定连接，阴极40下端与阳极50相对的棱角倒圆角。阴极40和阳极50之间的最小间隙为1mm～2mm。
47.如图1所示，所述旋流器80设置在外壳70内且位于次级雾化器30下端的外侧。所述旋流器80为环形圆柱体，内表面与次级雾化器30的外表面重合，外表面与壳体70的内表面重合，为孔形旋流器，所述旋流器80上开设有旋流孔81，所述旋流孔81的直径为1mm～3mm，所述旋流孔81的中心线与旋流器80中心线的夹角为30
°
～60
°
，所述旋流孔81的数量为10～20个且沿旋流器80的周向均匀分布。
48.如图1所示，所述输油管10、初级雾化器20、次级雾化器30、阴极40、阳极50、绝缘体60、外壳70和旋流器80均同轴设置。所述输油管10、初级雾化器20、次级雾化器30和阴极40的外径均相同。
49.本发明的工作原理为：
50.本发明点火过程分为三个时刻和两个阶段，三个时刻分别为通空气时刻、通电源时刻和通燃油时刻，通燃油时刻也可认为点火瞬间，两个阶段为空气旋流阶段和滑动弧击穿空气形成非平衡态等离子体阶段。
51.通空气时，空气从外壳70两侧对称的进气孔71中流入，进入到气流通道，气流通道的间隙为3mm～5mm。流经次级雾化段时，一部分空气通过次级雾化段通道壁上的雾化孔32进入到雾化燃油通道，在雾化孔32的作用下，轴向流动的气流改变为轴向流动和逆时针旋转流动的气流；另一部分通过旋流器81的空气，也改变成轴向流动和顺时针旋转流动的气流。
52.在通入空气的基础上接通电源时，阴、阳极在最小间隙处击穿空气产生电弧，该电弧在气流通道的旋流空气作用下不断滑动、拉长和旋转，形成滑动弧，即电弧不断向外旋转拉长，直至电源能量不足，电弧断裂。
53.在接通空气、电源的基础上，接通油路时，煤油从外接口段进入初级雾化段，经燃油喷嘴雾化后，再进入到次级雾化段，在旋流空气作用下，煤油与空气充分混合后，煤油再次雾化，旋流状态下的油气混合物流出环形阴极时，与不同旋流方向的空气再次掺混，使煤油雾化程度更高，并进入燃烧区，在所述燃烧区中，滑动弧击穿空气产生非平衡态等离子体，在气流和电压的作用下，等离子体射流点燃燃烧区内的燃油。最终，等离子体射流和火焰射流共同从阳极出口处喷出，并点燃燃烧室内主流燃油。
54.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。