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CN103216317A - 组合等离子体激励下的超声速燃烧方法 - Google Patents

组合等离子体激励下的超声速燃烧方法 Download PDF

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CN103216317A CN2013101316878A CN201310131687A CN103216317A CN 103216317 A CN103216317 A CN 103216317A CN 2013101316878 A CN2013101316878 A CN 2013101316878A CN 201310131687 A CN201310131687 A CN 201310131687A CN 103216317 A CN103216317 A CN 103216317A
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唐井峰
徐敏
李楠
于达仁
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Harbin Institute of Technology Shenzhen
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Harbin Institute of Technology Shenzhen
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Abstract

组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，它涉及一种发动机燃烧室超声速燃烧方法，以解决现有的凹腔式燃烧方法中凹腔尺度大，流动损失大、超声速燃烧性能低的问题。方法：一、各个通孔的内表面均镀有陶瓷膜；二、第一通孔与燃油输出管连接，第二通孔和第四通孔分别与热平衡等离子发生装置连接，第三通孔和第五通孔分别与非热平衡等离子发生装置连接；三、燃油由第一通孔注入到燃烧室中；四、工作介质由热平衡等离子发生装置喷出，注入到发动机燃烧室的燃烧区并点燃此处燃油形成扩散火焰，实现点火；五、射流冷等离子体由非热平衡等离子体发生装置喷出，经第三通孔和第五通孔注入到燃烧室的不同位置，来形成可靠的燃烧。本发明用于组织超声速燃烧。

Description

组合等离子体激励下的超声速燃烧方法
技术领域
本发明涉及一种发动机燃烧室超声速燃烧方法，具体涉及一种组合等离子体激励下的超声速燃烧方法。
背景技术
超声速燃烧技术中，来流在燃烧室以超声速流动，滞流时间只有几毫秒，在如此短时间内要实现燃料的点火和燃烧很困难。
凹腔式燃烧方法是目前常用的超声速燃烧组织方法。通过凹腔上流的管道将燃料引入燃烧室中，利用燃料在凹腔内低速漩涡区内扩散来实现高速气流中的燃烧。为了稳定火焰，要求凹腔尺寸较大，来构建其大尺度的低速漩涡区，以利于可燃气体在此区域停留足够时间来形成稳定的高温火焰。超声速燃烧室中凹腔内的大尺度漩涡区所带来的流动损失往往较大，降低了超声速燃烧的性能。同时凹腔火焰往往紧贴壁面，增加发动机结构热载荷。
发明内容
本发明的目的是为解决现有的凹腔式燃烧方法中凹腔尺度较大，流动损失大、超声速燃烧性能低的问题，提出一种组合等离子体激励下的超声速燃烧方法。
本发明方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、在发动机燃烧室的壁厚上由前至后依次加工第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔和第五通孔，第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔和第五通孔的内表面均镀有陶瓷膜；
步骤二、第一通孔的输入端与燃油输出管连接，第二通孔和第四通孔的输入端分别与热平衡等离子发生装置上的出口连接，第三通孔和第五通孔的输入端分别与非热平衡等离子发生装置上的出口连接；
步骤三、燃油由第一通孔注入到发动机燃烧室中；
步骤四、热平衡等离子发生装置中的针状电极接直流电源正极，热平衡等离子发生装置的侧壁接直流电源负极，针状电极的电极尖顶与热平衡等离子发生装置的内侧壁上的两个侧壁尖点形成弧光放电通道，混合气通过弧光放电通道时形成高温热等离子体由热平衡等离子发生装置喷出，经过第二通孔和第四通孔注入到发动机燃烧室中产生射流型等离子体，产生射流型等离子体点燃燃烧室中的燃油，形成一股持续的燃烧火焰，其中，热平衡等离子体的电源电压为500V～1000V，电流为50A～200A；
步骤五、非热平衡等离子体发生装置中的陶瓷管接高频高压电源，非热平衡等离子体发生装置不接电极，形成悬浮电极，氩气由陶瓷管和侧孔注入非热平衡等离子体发生装置中，在高频高压电源激励下产生射流型冷等离子体，射流型冷等离子体由非热平衡等离子体发生装置喷出，经第三通孔和第五通孔注入到发动机燃烧室中的不同位置，来形成可靠的燃烧，其中，非平衡等离子体的电源电压为5000V～10000V，电源频率为30000Hz～50000Hz。
本发明具有以下优点：一、利用热平衡等离子体的高温，来诱发燃烧室中燃气的点火，具有点火能量低、点火延迟时间短的特点，可实现热平衡等离子体激励下的火焰稳定。二、非热平衡射流等离子体产生大量化学活化基团，形成高效的燃烧活化核，可提高了超声速燃烧的效率。三、不同来流条件下火焰结构会发生一定的变化，依据需要可在燃烧室的下壁面不同位置注入非热平衡射流等离子体，以控制燃烧室中的燃烧场，进而来组织超声速燃烧性能。四、本发明中在燃烧室壁厚上增加了镀有陶瓷膜的通道，燃烧室外部产生的等离子体通过此通道导入燃烧室中，避免了在高温燃烧室内布置电离电极的技术需求。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式一中步骤二的结构示意图(图中标记6为燃油流、7为热平衡等离子体射流、8为非热平衡等离子体射流)，图2是热平衡等离子发生装置2的结构示意图(图中标记2-3为高温密封圈、2-4为不锈钢管、2-5为热平衡等离子体出口、2-6为陶瓷绝缘垫圈、2-7为陶瓷绝缘体)，图3是非热平衡等离子发生装置3的结构示意图(图中标记5为高电压高频率电源、3-1为堵塞、3-2为高强度石英管、3-3为不锈钢管、3-4为非热平衡等离子出口)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、在发动机燃烧室1的壁厚上由前至后依次加工第一通孔1-1、第二通孔1-2、第三通孔1-3、第四通孔1-4和第五通孔1-5，第一通孔1-1、第二通孔1-2、第三通孔1-3、第四通孔1-4和第五通孔1-5的内表面均镀有陶瓷膜；
步骤二、第一通孔1-1的输入端与燃油输出管4连接，第二通孔1-2和第四通孔1-4的输入端分别与热平衡等离子发生装置2上的出口连接，第三通孔1-3和第五通孔1-5的输入端分别与非热平衡等离子发生装置3上的出口连接；
步骤三、燃油由第一通孔1-1注入到发动机燃烧室1中；
步骤四、热平衡等离子发生装置2中的针状电极2-1接直流电源正极9，热平衡等离子发生装置2的侧壁接直流电源负极10，针状电极2-1的电极尖顶与热平衡等离子发生装置2的内侧壁上的两个侧壁尖点形成弧光放电通道2-2，混合气通过弧光放电通道2-2时形成高温热等离子体由热平衡等离子发生装置2喷出，经过第二通孔1-2和第四通孔1-4注入到发动机燃烧室1中产生射流型等离子体7，产生射流型等离子体7点燃燃烧室中的燃油，形成一股持续的燃烧火焰，且该火焰可以在发动机燃烧室壁面上稳定存在，从而实现超声速火焰的稳定，其中，热平衡等离子体的电源电压为500V～1000V，电流为50A～200A；第二通孔1-2处的射流热等离子体具有较高的能量，能够轻易点着燃油形成一股持续的燃烧火焰，而第四通孔1-4处的射流热等离子体注入到火焰中进行补燃。
步骤五、非热平衡等离子体发生装置3中的陶瓷管3-2接高频高压电源5，非热平衡等离子体发生装置3不接电极，形成悬浮电极，氩气由陶瓷管3-2和侧孔3-5注入非热平衡等离子体发生装置3中，在高频高压电源激励下产生射流型冷等离子体8，射流型冷等离子体8由非热平衡等离子体发生装置3喷出，经第三通孔1-3和第五通孔1-5注入到发动机燃烧室1中的不同位置，来形成可靠的燃烧，射流型冷等离子体8具有很强化学活性，诱导产生大量的活性基团，进而形成主要依赖于射流型冷等离子体的局部强烈燃烧区，增强了超声速燃烧速度，其中，非平衡等离子体的电源电压为5000V～10000V，电源频率为30000Hz～50000Hz。射流型冷等离子体8的注入会诱导产生大量的活化基团，以进一步强化燃烧；轴向的不同位置上注入冷等离子，可以满足超声速燃烧组织的需求；射流型冷等离子体8与来流充分混合，提高了燃料整体的活化能，有利于加速燃烧，并且通过不同位置注入冷等离子可以一定程度控制火焰的位置，使得燃烧室中火焰稳定燃烧并保证位置可控。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的第一通孔1-1、第二通孔1-2、第三通孔1-3、第四通孔1-4和第五通孔1-5的内表面陶瓷膜的厚度为0.1mm～0.2mm。陶瓷膜实现了等离子体与壁面间的绝缘作用，且陶瓷膜在等离子体的碰撞下能产生二次电子发射，有利于等离子体在通孔中的稳定传播。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的第一通孔1-1、第二通孔1-2、第三通孔1-3、第四通孔1-4和第五通孔1-5的内表面陶瓷膜的厚度为0.15mm。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤四中的步骤四中的混合气为氧气与氮气，氧气与氮气的体积比为1∶4。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤四中的热平衡等离子体的电源电压为1000V，电流为50A。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤四中的热平衡等离子体的电源电压为500V，电流为100A。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤四中的热平衡等离子体的电源电压为500V，电流为200A。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤五中的冷等离子体的电源电压为6500V，电源频率为50000Hz。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤五中的冷等离子体的电源电压为7500V，电源频率为40000Hz。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤五中的冷等离子体的电源电压为8500V，电源频率为50000Hz。其它步骤与具体实施方式一相同。

Claims (10)

1.一种组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、在发动机燃烧室(1)的壁厚上由前至后依次加工第一通孔(1-1)、第二通孔(1-2)、第三通孔(1-3)、第四通孔(1-4)和第五通孔(1-5)，第一通孔(1-1)、第二通孔(1-2)、第三通孔(1-3)、第四通孔(1-4)和第五通孔(1-5)的内表面均镀有陶瓷膜；
步骤二、第一通孔(1-1)的输入端与燃油输出管(4)连接，第二通孔(1-2)和第四通孔(1-4)的输入端分别与热平衡等离子发生装置(2)上的出口连接，第三通孔(1-3)和第五通孔(1-5)的输入端分别与非热平衡等离子发生装置(3)上的出口连接；
步骤三、燃油由第一通孔(1-1)注入到发动机燃烧室(1)中；
步骤四、热平衡等离子发生装置(2)中的针状电极(2-1)接直流电源正极(9)，热平衡等离子发生装置(2)的侧壁接直流电源负极(10)，针状电极(2-1)的电极尖顶与热平衡等离子发生装置(2)的内侧壁上的两个侧壁尖点形成弧光放电通道(2-2)，混合气通过弧光放电通道(2-2)时形成高温热等离子体由热平衡等离子发生装置(2)喷出，经过第二通孔(1-2)和第四通孔(1-4)注入到发动机燃烧室(1)中产生射流型等离子体(7)，产生射流型等离子体(7)点燃燃烧室中的燃油，形成一股持续的燃烧火焰，其中，热平衡等离子体的电源电压为500V～1000V，电流为50A～200A；
步骤五、非热平衡等离子体发生装置(3)中的陶瓷管(3-2)接高频高压电源(5)，非热平衡等离子体发生装置(3)不接电极，形成悬浮电极，氩气由陶瓷管(3-2)和侧孔(3-5)注入非热平衡等离子体发生装置(3)中，在高频高压电源激励下产生射流型冷等离子体(8)，射流型冷等离子体(8)由非热平衡等离子体发生装置(3)喷出，经第三通孔(1-3)和第五通孔(1-5)注入到发动机燃烧室(1)中的不同位置，来形成可靠的燃烧，其中，非平衡等离子体的电源电压为5000V～10000V，电源频率为30000Hz～50000Hz。
2.根据权利要求1所述组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述步骤一中的第一通孔(1-1)、第二通孔(1-2)、第三通孔(1-3)、第四通孔(1-4)和第五通孔(1-5)的内表面陶瓷膜的厚度为0.1mm～0.2mm。
3.根据权利要求2所述组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述步骤一中的第一通孔(1-1)、第二通孔(1-2)、第三通孔(1-3)、第四通孔(1-4)和第五通孔(1-5)的内表面陶瓷膜的厚度为0.15mm。
4.根据权利要求1所述组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述步骤四中的混合气为氧气与氮气，氧气与氮气的体积比为1∶4。
5.根据权利要求1所述组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述步骤四中的热平衡等离子体的电源电压为1000V，电流为50A。
6.根据权利要求1所述组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述步骤四中的热平衡等离子体的电源电压为500V，电流为100A。
7.根据权利要求1所述组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述步骤四中的热平衡等离子体的电源电压为500V，电流为200A。
8.根据权利要求1所述组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述步骤五中的冷等离子体的电源电压为6500V，电源频率为50000Hz。
9.根据权利要求1所述组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述步骤五中的冷等离子体的电源电压为7500V，电源频率为40000Hz。
10.根据权利要求1所述组合等离子体激励下的超声速燃烧方法，其特征在于：所述步骤五中的冷等离子体的电源电压为8500V，电源频率为50000Hz。
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