組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法
2023-07-22 20:49:16
專利名稱：組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機燃燒室超聲速燃燒方法，具體涉及一種組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法。
背景技術：
超聲速燃燒技術中,來流在燃燒室以超聲速流動，滯流時間只有幾毫秒，在如此短時間內要實現燃料的點火和燃燒很困難。凹腔式燃燒方法是目前常用的超聲速燃燒組織方法。通過凹腔上流的管道將燃料引入燃燒室中，利用燃料在凹腔內低速漩渦區內擴散來實現高速氣流中的燃燒。為了穩定火焰，要求凹腔尺寸較大，來構建其大尺度的低速漩渦區，以利於可燃氣體在此區域停留足夠時間來形成穩定的高溫火焰。超聲速燃燒室中凹腔內的大尺度漩渦區所帶來的流動損失往往較大，降低了超聲速燃燒的性能。同時凹腔火焰往往緊貼壁面，增加發動機結構熱載荷。
發明內容
本發明的目的是為解決現有的凹腔式燃燒方法中凹腔尺度較大，流動損失大、超聲速燃燒性能低的問題，提出一種組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法。本發明方法是通過以下步驟實現的:步驟一、在發動機燃燒室的壁厚上由前至後依次加工第一通孔、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內表面均鍍有陶瓷膜； 步驟二、第一通孔的輸入端與燃油輸出管連接，第二通孔和第四通孔的輸入端分別與熱平衡等離子發生裝置上的出口連接，第三通孔和第五通孔的輸入端分別與非熱平衡等離子發生裝置上的出口連接；步驟三、燃油由第一通孔注入到發動機燃燒室中；步驟四、熱平衡等離子發生裝置中的針狀電極接直流電源正極，熱平衡等離子發生裝置的側壁接直流電源負極，針狀電極的電極尖頂與熱平衡等離子發生裝置的內側壁上的兩個側壁尖點形成弧光放電通道，混合氣通過弧光放電通道時形成高溫熱等離子體由熱平衡等離子發生裝置噴出，經過第二通孔和第四通孔注入到發動機燃燒室中產生射流型等離子體，產生射流型等離子體點燃燃燒室中的燃油，形成一股持續的燃燒火焰，其中，熱平衡等離子體的電源電壓為500V 1000V，電流為50A 200A ；步驟五、非熱平衡等離子體發生裝置中的陶瓷管接高頻高壓電源，非熱平衡等離子體發生裝置不接電極，形成懸浮電極，氬氣由陶瓷管和側孔注入非熱平衡等離子體發生裝置中，在高頻高壓電源激勵下產生射流型冷等離子體，射流型冷等離子體由非熱平衡等離子體發生裝置噴出，經第三通孔和第五通孔注入到發動機燃燒室中的不同位置，來形成可靠的燃燒，其中，非平衡等離子體的電源電壓為5000V 10000V，電源頻率為30000Hz 50000Hz。本發明具有以下優點:一、利用熱平衡等離子體的高溫，來誘發燃燒室中燃氣的點火，具有點火能量低、點火延遲時間短的特點，可實現熱平衡等離子體激勵下的火焰穩定。二、非熱平衡射流等離子體產生大量化學活化基團，形成高效的燃燒活化核，可提高了超聲速燃燒的效率。三、不同來流條件下火焰結構會發生一定的變化，依據需要可在燃燒室的下壁面不同位置注入非熱平衡射流等離子體，以控制燃燒室中的燃燒場，進而來組織超聲速燃燒性能。四、本發明中在燃燒室壁厚上增加了鍍有陶瓷膜的通道，燃燒室外部產生的等離子體通過此通道導入燃燒室中，避免了在高溫燃燒室內布置電離電極的技術需求。
圖1是本發明的具體實施方式
一中步驟二的結構示意圖(圖中標記6為燃油流、7為熱平衡等離子體射流、8為非熱平衡等離子體射流)，圖2是熱平衡等離子發生裝置2的結構示意圖(圖中標記2-3為高溫密封圈、2-4為不鏽鋼管、2-5為熱平衡等離子體出口、2-6為陶瓷絕緣墊圈、2-7為陶瓷絕緣體)，圖3是非熱平衡等離子發生裝置3的結構示意圖(圖中標記5為高電壓高頻率電源、3-1為堵塞、3-2為高強度石英管、3-3為不鏽鋼管、3-4為非熱平衡等離子出口)。
具體實施例方式具體實施方式
一:結合圖1 圖3說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現的:步驟一、在發動機燃燒室I的壁厚上由前至後依次加工第一通孔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的內表面均鍍有陶瓷膜；步驟二、第 一通孔1-1的輸入端與燃油輸出管4連接，第二通孔1-2和第四通孔1-4的輸入端分別與熱平衡等離子發生裝置2上的出口連接，第三通孔1-3和第五通孔1-5的輸入端分別與非熱平衡等離子發生裝置3上的出口連接；步驟三、燃油由第一通孔1-1注入到發動機燃燒室I中；步驟四、熱平衡等離子發生裝置2中的針狀電極2-1接直流電源正極9，熱平衡等離子發生裝置2的側壁接直流電源負極10，針狀電極2-1的電極尖頂與熱平衡等離子發生裝置2的內側壁上的兩個側壁尖點形成弧光放電通道2-2，混合氣通過弧光放電通道2-2時形成高溫熱等離子體由熱平衡等離子發生裝置2噴出，經過第二通孔1-2和第四通孔1-4注入到發動機燃燒室I中產生射流型等離子體7，產生射流型等離子體7點燃燃燒室中的燃油，形成一股持續的燃燒火焰，且該火焰可以在發動機燃燒室壁面上穩定存在，從而實現超聲速火焰的穩定，其中，熱平衡等離子體的電源電壓為500V 1000V，電流為50A 200A ；第二通孔1-2處的射流熱等離子體具有較高的能量，能夠輕易點著燃油形成一股持續的燃燒火焰，而第四通孔1-4處的射流熱等離子體注入到火焰中進行補燃。步驟五、非熱平衡等離子體發生裝置3中的陶瓷管3-2接高頻高壓電源5，非熱平衡等離子體發生裝置3不接電極，形成懸浮電極，氬氣由陶瓷管3-2和側孔3-5注入非熱平衡等離子體發生裝置3中，在高頻高壓電源激勵下產生射流型冷等離子體8，射流型冷等離子體8由非熱平衡等離子體發生裝置3噴出，經第三通孔1-3和第五通孔1-5注入到發動機燃燒室I中的不同位置，來形成可靠的燃燒，射流型冷等離子體8具有很強化學活性，誘導產生大量的活性基團，進而形成主要依賴於射流型冷等離子體的局部強烈燃燒區，增強了超聲速燃燒速度，其中，非平衡等離子體的電源電壓為5000V 10000V，電源頻率為30000Hz 50000Hz。射流型冷等離子體8的注入會誘導產生大量的活化基團，以進一步強化燃燒；軸向的不同位置上注入冷等離子，可以滿足超聲速燃燒組織的需求；射流型冷等離子體8與來流充分混合，提高了燃料整體的活化能，有利於加速燃燒，並且通過不同位置注入冷等離子可以一定程度控制火焰的位置，使得燃燒室中火焰穩定燃燒並保證位置可控。
具體實施方式
二 結合圖I說明本實施方式，本實施方式是步驟一中的第一通孔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的內表面陶瓷膜的厚度為0. Imm 0. 2mm。陶瓷膜實現了等離子體與壁面間的絕緣作用，且陶瓷膜在等離子體的碰撞下能產生二次電子發射，有利於等離子體在通孔中的穩定傳播。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖I說明本實施方式，本實施方式是步驟一中的第一通孔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的內表面陶瓷膜的厚度為
0.15mm。其它步驟與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四結合圖I說明本實施方式，本實施方式是步驟四中的步驟四中的混合氣為氧氣與氮氣，氧氣與氮氣的體積比為I : 4。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五結合圖I說明本實施方式，本實施方式是步驟四中的熱平衡等離子體的電源電壓為1000V，電流為50A。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六結合圖I說明`本實施方式，本實施方式是步驟四中的熱平衡等離子體的電源電壓為500V，電流為100A。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七結合圖I說明本實施方式，本實施方式是步驟四中的熱平衡等離子體的電源電壓為500V，電流為200A。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八結合圖I說明本實施方式，本實施方式是步驟五中的冷等離子體的電源電壓為6500V，電源頻率為50000Hz。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
九結合圖I說明本實施方式，本實施方式是步驟五中的冷等離子體的電源電壓為7500V，電源頻率為40000Hz。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十結合圖I說明本實施方式，本實施方式是步驟五中的冷等離子體的電源電壓為8500V，電源頻率為50000Hz。其它步驟與具體實施方式
一相同。
權利要求
1.一種組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於所述方法是通過以下步驟實現的 步驟一、在發動機燃燒室(I)的壁厚上由前至後依次加工第一通孔(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)的內表面均鍍有陶瓷膜； 步驟二、第一通孔(1-1)的輸入端與燃油輸出管(4)連接，第二通孔(1-2)和第四通孔(1-4)的輸入端分別與熱平衡等離子發生裝置(2)上的出口連接，第三通孔(1-3)和第五通孔(1-5)的輸入端分別與非熱平衡等離子發生裝置(3)上的出口連接； 步驟三、燃油由第一通孔(ι-i)注入到發動機燃燒室(I)中； 步驟四、熱平衡等離子發生裝置(2)中的針狀電極(2-1)接直流電源正極(9)，熱平衡等離子發生裝置(2)的側壁接直流電源負極(10)，針狀電極(2-1)的電極尖頂與熱平衡等離子發生裝置(2)的內側壁上的兩個側壁尖點形成弧光放電通道(2-2)，混合氣通過弧光放電通道(2-2)時形成高溫熱等離子體由熱平衡等離子發生裝置(2)噴出，經過第二通孔(1-2)和第四通孔(1-4)注入到發動機燃燒室(I)中產生射流型等離子體(7)，產生射流型等離子體(X)點燃燃燒室中的燃油，形成一股持續的燃燒火焰，其中，熱平衡等離子體的電源電壓為500V 1000V,電流為50A 200A ； 步驟五、非熱平衡等離子體發生裝置(3)中的陶瓷管(3-2)接高頻高壓電源(5)，非熱平衡等離子體發生裝置(3)不接電極，形成懸浮電極，氬氣由陶瓷管(3-2)和側孔(3-5)注入非熱平衡等離子體發生裝置(3)中，在高頻高壓電源激勵下產生射流型冷等離子體(8)，射流型冷等離子體(8)由非熱平衡等離子體發生裝置(3)噴出，經第三通孔(1-3)和第五通孔(1-5)注入到發動機燃燒室(I)中的不同位置，來形成可靠的燃燒，其中，非平衡等離子體的電源電壓為5000V 10000V，電源頻率為30000Hz 50000Hz。
2.根據權利要求I所述組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於所述步驟一中的第一通孔(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)的內表面陶瓷膜的厚度為O. Imm O. 2mm。
3.根據權利要求2所述組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於所述步驟一中的第一通孔(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)的內表面陶瓷膜的厚度為O. 15mm。
4.根據權利要求I所述組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於所述步驟四中的混合氣為氧氣與氮氣，氧氣與氮氣的體積比為I : 4。
5.根據權利要求I所述組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於所述步驟四中的熱平衡等離子體的電源電壓為1000V，電流為50A。
6.根據權利要求I所述組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於所述步 驟四中的熱平衡等離子體的電源電壓為500V，電流為100A。
7.根據權利要求I所述組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於所述步驟四中的熱平衡等離子體的電源電壓為500V，電流為200A。
8.根據權利要求I所述組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於所述步驟五中的冷等離子體的電源電壓為6500V，電源頻率為50000Hz。
9.根據權利要求I所述組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於所述步驟五中的冷等離子體的電源電壓為7500V，電源頻率為40000Hz。
10.根據權利要求1所述組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，其特徵在於:所述步驟五中的冷等離 子體的電源電壓為8500V，電源頻率為50000Hz。
全文摘要
組合等離子體激勵下的超聲速燃燒方法，它涉及一種發動機燃燒室超聲速燃燒方法，以解決現有的凹腔式燃燒方法中凹腔尺度大，流動損失大、超聲速燃燒性能低的問題。方法一、各個通孔的內表面均鍍有陶瓷膜；二、第一通孔與燃油輸出管連接，第二通孔和第四通孔分別與熱平衡等離子發生裝置連接，第三通孔和第五通孔分別與非熱平衡等離子發生裝置連接；三、燃油由第一通孔注入到燃燒室中；四、工作介質由熱平衡等離子發生裝置噴出，注入到發動機燃燒室的燃燒區並點燃此處燃油形成擴散火焰，實現點火；五、射流冷等離子體由非熱平衡等離子體發生裝置噴出，經第三通孔和第五通孔注入到燃燒室的不同位置，來形成可靠的燃燒。本發明用於組織超聲速燃燒。
文檔編號F02M27/04GK103216317SQ20131013168
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者唐井峰, 徐敏, 李楠, 於達仁 申請人:哈爾濱工業大學