CN109057993B - 一种带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于超燃冲压发动机燃烧室点火与燃烧领域，公开了一种带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，包括壳体，壳体一端为设有第一喷孔的喷嘴，壳体内部设有与第一喷孔相连通的第一空腔；第一空腔内设有阴极和阳极，阴极一端为设有第二喷孔的阴极喷嘴，阴极喷嘴位于第一喷孔内，阴极内部设有与第二喷孔相连通的第二空腔，阳极的一端伸入第二空腔内，并与其内壁之间形成放电间隙；壳体上分别设有工作气体通道和液态燃料通道，第一空腔上分别设有旋流进气口和旋流进液口。本发明集气泡喷注雾化、等离子体高能点火功能于一体，可实现喷雾燃料在超声速气流中的雾化增强和点火强化；液态燃料能够对放电电极进行冷却保护，延长电极的使用寿命。

Description

一种带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置

技术领域

本发明属于超燃冲压发动机燃烧室点火与燃烧领域，具体地涉及一种带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置。

背景技术

喷雾燃烧涉及到液滴破碎、蒸发、混合等过程，增加的时间尺度和空间尺度，远比气态燃料燃烧复杂。对于使用液态碳氢燃料的超燃冲压发动机，其燃烧工作过程需要经历液态燃料的喷射、雾化、蒸发、点火等过程。在低总温的启动工况下，由于静温、背压较低，喷雾燃料的雾化蒸发过程不充分，使得点火能量需求巨大，难以保证点火的可靠进行。目前对于超声速气流中的液态燃料的点火，主要从促进雾化蒸发过程入手和增大点火能量两种技术途径入手。

促进雾化的技术思路是采用一种气泡雾化喷嘴的方式，在液体射流喷射孔的集液腔中引入一股气体，使液体变成气液湍流两相流，当两相流喷出喷嘴后，液相中较高压力的气泡膨胀破裂使包围它的液膜破碎，获得增强雾化的效果。

文献《Liquid JP-7combustion in a scramjet combustor》(AIAA 2000-3581.2000)公布了气泡雾化喷嘴应用于超燃冲压发动机燃烧室，并采用氧气作为雾化气，使压力雾化喷嘴获得了较好的油气混合效果，增强了点火和燃烧性能。文献《Anexperimental study of kerosene combustion in a supersonic model combustorusing effervescent atomization》(Proceedings of the Combustion Institute，2005，30)利用氢气作为雾化气，研究不同情况对煤油的雾化和贯穿深度的影响，实验结果表明气泡雾化加快了煤油液滴的破碎过程，明显地提高了液体燃料的雾化程度，但对贯穿深度没有显著的影响，提高贯穿深度的有效方法是增加射流压强。

增大点火能量对喷雾点火过程进行强化的方式，主要是包括活性气态燃料引导点火和等离子体热射流方式。引导火焰点火是通过向来流中预先注入易于反应的活性气态燃料，产生引导火焰，然后再利用引导火焰所营造的高温和活化离子基团的环境来促进主燃料点火。引导点火方法由于涉及到两种物态燃料在燃烧室中点火接力时，共燃当量比过大容易导致点火过程的压力超限，导致干扰进气道而使其不启动问题。等离子热射流方式，点火能量的调节和点火位置的布置较为独立和灵活，操作简单、可控性强，已应用于地面试验研究中。等离子体热射流方式点火能量大，对于促进点火和燃烧非常有效。文献《Ignitioncharacteristics of plasma torch for hydrogen jet in an airstream》(Journal ofPropulsion and Power，2000，16(2))公开了一种等离子体射流点火装置，用于超燃冲压发动机的点火增强。文献《Integration of an aeroramp injector/plasma igniter forhydrocarbon scramjets》(Journal of Propulsion and Power，2003，19(2))公开了一种采用气动斜坡和等离子体射流相结合的点火器方案。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，该燃烧装置集气泡雾化、等离子体高能点火功能于一体，可实现喷雾燃料在超声速气流中的雾化增强和点火强化，液态燃料能够对放电电极进行冷却保护，延长电极的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明提供一种带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，包括壳体，所述壳体一端为设有第一喷孔的喷嘴，所述壳体内部设有与所述第一喷孔相连通的第一空腔；

所述第一空腔内设有阴极和阳极，所述阴极一端为设有第二喷孔的阴极喷嘴，所述阴极喷嘴位于所述第一喷孔内，所述阴极内部设有与所述第二喷孔相连通的第二空腔，所述阳极的一端伸入所述第二空腔内，并与所述第二空腔的内壁之间形成放电间隙；

所述壳体外壁上分别设有工作气体通道和液态燃料通道，所述第一空腔的内壁上分别设有与所述工作气体通道相连通的旋流进气口、与所述液态燃料通道相连通的旋流进液口，使得所述工作气体通道内的工作气体经所述旋流进气口进入到所述放电间隙内，以及使得所述液态燃料通道内的液态燃料经所述旋流进液口进入到所述第一喷孔内。

优选地，所述工作气体通道为第一环形管道，所述第一环形管道与所述壳体之间通过多个第一支管相连通，各所述第一支管分别与所述旋流进气口相连通，所述第一环形管道上设有工作气体入口。

优选地，所述液态燃料通道为第二环形管道，所述第二环形管道与所述壳体之间通过多个第二支管相连通，各所述第二支管分别与所述旋流进液口相连通，所述第二环形管道上设有液态燃料入口。

优选地，所述第一空腔与所述第一喷孔相连接的一端为锥形结构，所述第二空腔与所述第二喷孔相连接的一端为锥形结构。

优选地，所述工作气体为氮气或氧气或氢气或氦气。

优选地，所述壳体另一端为外部设有绝缘陶瓷套的正极接线端，所述正极接线端与所述阳极相连接。

本发明将液态燃料通道与工作气体通道一体化设计，集气泡喷注雾化、等离子体高能点火功能于一体，可实现喷雾燃料在超声速气流中的雾化增强和点火强化；液态燃料能够对放电电极进行冷却保护，延长电极的使用寿命。

附图说明

图1是本发明主视图的局部剖视图；

图2是本发明立体图的局部剖视图。

附图标记说明

1正极接线端 2壳体

3第一空腔 4工作气体入口

5阳极 6第二空腔

7液态燃料入口 8旋流进液口

9第二喷孔 10第一喷孔

11第二支管 12液态燃料通道

13阴极 14工作气体通道

15第一支管 16旋流进气口

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，如图1和图2所示，包括壳体2，所述壳体2一端为设有第一喷孔10的喷嘴，所述壳体2内部设有与所述第一喷孔10相连通的第一空腔3；

所述第一空腔3内设有阴极13和阳极5，所述阴极13一端为设有第二喷孔9的阴极喷嘴，所述阴极喷嘴位于所述第一喷孔10内，所述阴极13内部设有与所述第二喷孔9相连通的第二空腔6，所述阳极5的一端伸入所述第二空腔6内，并与所述第二空腔6的内壁之间形成放电间隙，即所述阳极5与所述第二空腔6的内壁之间构成起弧室；

所述壳体2外壁上分别设有工作气体通道14和液态燃料通道12，所述第一空腔3的内壁上分别设有与所述工作气体通道14相连通的旋流进气口16、与所述液态燃料通道12相连通的旋流进液口8，使得所述工作气体通道14内的工作气体经所述旋流进气口16进入到所述放电间隙内，以及使得所述液态燃料通道12内的液态燃料经所述旋流进液口8进入到所述第一喷孔10内。

本发明的具体工作过程为：工作气体通道14内的工作气体经所述旋流进气口16进入到所述放电间隙内，经过所述放电间隙内产生的电弧加热并电离为等离子体，并从所述阴极喷嘴内喷出形成等离子体射流，所述液态燃料通道12内的液态燃料经所述旋流进液口8进入到所述第一喷孔10内，加热后的高温等离子体射流与所述液态燃料进行剪切混合，高温等离子体射流能够对液态燃料进行气泡雾化，并对液态燃料进行汽化、裂解，强化液态燃料的破碎过程，提高液态燃料的雾化程度，所述高温等离子体射流与所述液态燃料相互作用后从壳体2的喷嘴内喷出，可迅速与周围空气混合燃烧。

本发明中，高温等离子体射流从阴极喷嘴内喷出，阴极喷嘴很容易被烧蚀而损坏，而液态燃料流经阴极喷嘴四周进入到所述第一喷孔10内，因此液态燃料能够对阴极喷嘴进行冷却保护，从而延长阴极的使用寿命；所述工作气体可以为氮气或氧气或氢气或氦气，工作气体通过旋流方式进入放电间隙内，能够保持稳定的电弧放电过程。

优选地，所述第一空腔3与所述第一喷孔10相连接的一端为锥形结构，减小液态燃料的流动阻力，增加流速；所述第二空腔6与所述第二喷孔9相连接的一端为锥形结构，减小等离子体的流动阻力，增加流速。

优选地，所述壳体2另一端为外部设有绝缘陶瓷套的正极接线端1，所述正极接线端1与所述阳极相连接。其中，设有绝缘陶瓷套的正极接线端1可利用现有的市售火花塞进行改装，不需要对正极接线端1进行专门生产制造，降低了生产制造成本。

本发明中，所述工作气体通道14为第一环形管道，所述第一环形管道与所述壳体2之间通过多个第一支管15相连通，各所述第一支管15分别与所述旋流进气口16相连通，所述第一环形管道上设有工作气体入口4。通过设置第一环形管道，使得进入第一环形管道内的工作气体沿圆周方向均匀地进入放电间隙内，使得工作气体电离后产生的等离子体与液态燃料均匀混合，提高等离子体对液态燃料的雾化效果。

本发明中，所述液态燃料通道12为第二环形管道，所述第二环形管道与所述壳体2之间通过多个第二支管11相连通，各所述第二支管11分别与所述旋流进液口8相连通，所述第二环形管道上设有液态燃料入口7。通过设置第二环形管道，使得进入第二环形管道内的液态燃料沿圆周方向均匀地进入第一喷孔10内，一方面使得液态燃料与等离子体均匀混合，提高等离子体对液态燃料的雾化效果，另一方面能够对阴极喷嘴的周围进行均匀冷却。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，其特征在于，包括壳体(2)，所述壳体(2)一端为设有第一喷孔(10)的喷嘴，所述壳体(2)内部设有与所述第一喷孔(10)相连通的第一空腔(3)；

所述第一空腔(3)内设有阴极(13)和阳极(5)，所述阴极(13)一端为设有第二喷孔(9)的阴极喷嘴，所述阴极喷嘴位于所述第一喷孔(10)内，所述阴极(13)内部设有与所述第二喷孔(9)相连通的第二空腔(6)，所述阳极(5)的一端伸入所述第二空腔(6)内，并与所述第二空腔(6)的内壁之间形成放电间隙；

所述壳体(2)外壁上分别设有工作气体通道(14)和液态燃料通道(12)，所述第一空腔(3)的内壁上分别设有与所述工作气体通道(14)相连通的旋流进气口(16)、与所述液态燃料通道(12)相连通的旋流进液口(8)，使得所述工作气体通道(14)内的工作气体经所述旋流进气口(16)进入到所述放电间隙内，以及使得所述液态燃料通道(12)内的液态燃料经所述旋流进液口(8)进入到所述第一喷孔(10)内。

2.根据权利要求1所述的带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，其特征在于，所述工作气体通道(14)为第一环形管道，所述第一环形管道与所述壳体(2)之间通过多个第一支管(15)相连通，各所述第一支管(15)分别与所述旋流进气口(16)相连通，所述第一环形管道上设有工作气体入口(4)。

3.根据权利要求1所述的带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，其特征在于，所述液态燃料通道(12)为第二环形管道，所述第二环形管道与所述壳体(2)之间通过多个第二支管(11)相连通，各所述第二支管(11)分别与所述旋流进液口(8)相连通，所述第二环形管道上设有液态燃料入口(7)。

4.根据权利要求1所述的带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，其特征在于，所述第一空腔(3)与所述第一喷孔(10)相连接的一端为锥形结构，所述第二空腔(6)与所述第二喷孔(9)相连接的一端为锥形结构。

5.根据权利要求1所述的带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，其特征在于，所述工作气体为氮气或氧气或氢气或氦气。

6.根据权利要求1所述的带电极冷却功能的等离子体喷雾燃烧装置，其特征在于，所述壳体(2)另一端为外部设有绝缘陶瓷套的正极接线端(1)，所述正极接线端(1)与所述阳极(5)相连接。