一种多电极连续放电的火花放电发生装置制造方法及图纸

本申请公开了一种多电极连续放电的火花放电发生装置，涉及航空发动机点火领域，本申请设计的火花放电发生装置包括点火电路和多电极火花塞，多电极火花塞包括金属外壳以及设置在金属外壳内部的多个中心高压电极，本申请通过将多电极火花塞的设计参数与点火端面内部的电场不均匀系数匹配，以及设计点火电路，使得相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长，实现多个电极连续放电，使电弧火团能量更高，点火电弧与混合燃料的接触面积更大，燃烧室内被点燃的更均匀，能够有效降低火花塞失火率，提高发动机运行可靠性

【技术实现步骤摘要】
一种多电极连续放电的火花放电发生装置


[0001]本申请涉及航空发动机点火领域，尤其是一种多电极连续放电的火花放电发生装置
。

技术介绍

[0002]燃烧室是航空发动机的核心部件之一，其点火可靠性是燃烧室设计的基本性能要求，事关发动机启动与安全飞行
。
实际运行中，航空发动机点火往往涉及多种极端情况
(
空中熄火后重启，连续点火操作以及高原高寒条件下的启动
)
，给航空发动机点火的稳定性与可靠性带来了新的挑战
。
目前，民用航空器发动机多选用半导体火花塞用作燃烧室的点火器，半导体火花塞具有结构简单
、
可控性强
、
成本低等优点，配备相应的点火电路，共同组成航空发动机的点火装置，利用该点火装置产生足够温度
、
尺寸的高温火团，使得火焰传充满整个燃烧室内，进而保证航空发动机电点火的可靠完成
。
[0003]现有的半导体火花塞多采用单电极结构，虽然操作简便但却具有火花放电能量转化率低，失火率高等缺点
。

技术实现思路

[0004]本申请人针对上述提出的现有单电极火花塞点火装置能量转化率低，失火率高的技术问题及技术需求，提出了一种多电极连续放电的火花放电发生装置，本申请的技术方案如下：
[0005]火花放电发生装置包括点火电路和多电极火花塞，多电极火花塞包括金属外壳以及设置在金属外壳内部的
n
个中心高压电极，金属外壳接地并作为接地电极；r/>n
是整数参数且
n≥2。
[0006]金属外壳内部形成有空心圆柱型的内腔，多个中心高压电极在金属外壳的内腔内对称设置，且中心高压电极与金属外壳之间填充有半导体材料，每个中心高压电极的规格相等且每个中心高压电极与金属外壳之间的距离
d
均相等
。
[0007]多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数
f
与多电极火花塞的设计参数匹配，且多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值，多电极火花塞的设计参数包括每个中心高压电极的半径
r0以及每个中心高压电极与金属外壳之间的距离
d。
[0008]点火电路用于给多电极火花塞供电，使得每个中心高压电极与接地电极之间得到一条放电通道发生放电击穿，且相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长
。
[0009]其进一步的技术方案为，确定多电极火花塞的设计参数包括：
[0010]基于多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值的设计目标，确定
b/r0的取值范围，并根据金属外壳的半径
R0以及中心高压电极的数量
n
确定满足
b/r0的取值范围的每个中心高压电极的半径
r0以及每个中心高压电极与金属外壳之间的距离
d
；
[0011]其中，多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数的表达式为：
E
max
为多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的最大值，
E
av
为多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的平均值，电极火花塞的点火端面内部的电场强度的平均值，表示任意第
i
个中心高压电极在多电极火花塞的点火端面内部任意位置
j
处的电场强度，
1≤j≤m
，
m
是多电极火花塞的点火端面内部的位置总数且为整数参数；
U
i
为第
i
个中心高压电极的电压；
q
为正在发生放电击穿的中心高压电极的数量；
[0012]任意第
i
个中心高压电极在多电极火花塞的点火端面内部任意位置
j
处的电场强度其中，
x
为第
i
个中心高压电极与位置
j
的直线距离，
b
为第
i
个中心高压电极在沿着第
i
个中心高压电极至位置
j
的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离
。
[0013]其进一步的技术方案为，点火电路包括直流电源
、
若干个并联且独立的
RC
回路和若干个气体放电管，每个
RC
回路分别对应一个中心高压电极，每个
RC
回路包括串联的分压电阻和储能电容，每个
RC
回路的分压电阻一端连接至直流电源的正极，各个
RC
回路的储能电容一端均连接金属外壳并接地，每个
RC
回路中的分压电阻和储能电容的公共端引出并连接一个气体放电管的一端，每个气体放电管的另一端连接对应的一个中心高压电极；
[0014]直流电源给各个
RC
回路中的储能电容充电，每个气体放电管两端的电压与所连接的
RC
回路中的储能电容两端的电压同步增长；当气体放电管两端的电压差未达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管处于断开状态，当气体放电管两端的电压差达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管击穿导通给所连接的中心高压电极供电
。
[0015]其进一步的技术方案为，每个
RC
回路中还包括保护二极管，保护二极管的阳极连接直流电源的正极，保护二极管的阴极连接分压电阻
。
[0016]其进一步的技术方案为，确定每个
RC
回路中分压电阻的阻值和储能电容的容值包括：
[0017]基于相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长的设计目标，确定每个
RC
回路中分压电阻的阻值
R
以及储能电容的容值
C
的乘积的取值范围，并确定满足乘积的取值范围的阻值
R
以及容值
C
；
[0018]其中，相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式为：其中，
Δ
t
max
为相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值，
U
n
‑1为第
n
‑1击穿电极的击穿电压，
x
n
‑1为第
n
‑1击穿电极与第
n
击穿电极之间的直线距离，
b
n
‑1为第
n
‑1击穿电极在沿着第
n
‑1击穿电极至第
n
击穿电极的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离，
U
A
为直流电源的电压；
[0019]第
n
‑1击穿电极是火花放电发生装置第
n
‑1次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极，第
n<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多电极连续放电的火花放电发生装置，其特征在于，所述火花放电发生装置包括点火电路和多电极火花塞，所述多电极火花塞包括金属外壳以及设置在所述金属外壳内部的
n
个中心高压电极，所述金属外壳接地并作为接地电极；
n
是整数参数且
n≥2
；所述金属外壳内部形成有空心圆柱型的内腔，所述多个中心高压电极在所述金属外壳的内腔内对称设置，且中心高压电极与所述金属外壳之间填充有半导体材料，每个中心高压电极的规格相等且每个中心高压电极与所述金属外壳之间的距离
d
均相等；所述多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数
f
与所述多电极火花塞的设计参数匹配，且所述多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值，所述多电极火花塞的设计参数包括每个中心高压电极的半径
r0以及每个中心高压电极与所述金属外壳之间的距离
d
；所述点火电路用于给所述多电极火花塞供电，使得每个中心高压电极与所述接地电极之间得到一条放电通道发生放电击穿，且相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长
。2.
根据权利要求1所述的火花放电发生装置，其特征在于，确定所述多电极火花塞的设计参数包括：基于所述多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值的设计目标，确定
b/r0的取值范围，并根据所述金属外壳的半径
R0以及中心高压电极的数量
n
确定满足
b/r0的取值范围的每个中心高压电极的半径
r0以及每个中心高压电极与所述金属外壳之间的距离
d
；其中，所述多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数的表达式为：
E
max
为所述多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的最大值，
E
av
为所述多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的平均值，为所述多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的平均值，表示任意第
i
个中心高压电极在所述多电极火花塞的点火端面内部任意位置
j
处的电场强度，
1≤j≤m
，
m
是所述多电极火花塞的点火端面内部的位置总数且为整数参数；
U
i
为所述第
i
个中心高压电极的电压；
q
为正在发生放电击穿的中心高压电极的数量；任意第
i
个中心高压电极在所述多电极火花塞的点火端面内部任意位置
j
处的电场强度其中，
x
为第
i
个中心高压电极与位置
j
的直线距离，
b
为所述第
i
个中心高压电极在沿着第
i
个中心高压电极至位置
j
的射线方向上与所述金属外壳之间的偏移距离
。3.
根据权利要求1所述的火花放电发生装置，其特征在于，所述点火电路包括直流电源
、
若干个并联且独立的
RC
回路和若干个气体放电管，每个
RC
回路分别对应一个中心高压电极，每个
RC
回路包括串联的分压电阻和储能电容，每个
RC
回路的分压电阻一端连接至所述直流电源的正极，各个
RC
回路的储能电容一端均连接所述金属外壳并接地，每个
RC
回路
中的分压电阻和储能电容的公共端引出并连接一个气体放电管的一端，每个气体放电管的另一端连接对应的一个中心高压电极；所述直流电源给各个
RC
回路中的储能电容充电，每个气体放电管两端的电压与所连接的
RC
回路中的储能电容两端的电压同步增长；当气体放电管两端的电压差未达到所述气体放电管的击穿电压时，所述气体放电管处于断开状态，当所述气体放电管两端的电压差达到所述气体放电管的击穿电压时，所述气体放电管击穿导通给所连接的中心高压电极供电
。4.
根据权利要求3所述的火花放电发生装置，其特征在于，每个
RC
回路中还包括保护二极管，所述保护二极管的阳极连接所述直流电源的正极，所述保护二极管的阴极连接所述分压电阻
。5.
根据权利要求3所述的火花放电发生装置，其特征在于，确定每个
RC
回路中分压电阻的阻值和储能电容的容值包括：基于相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长的设计目标，确定每个
RC
回路中分压电阻的阻值
R
以及储能电容的容值
C
的乘积的取值范围，并确定满足所述乘积的取值范围的阻值
R
以及容值
C
；其中，相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式为：其中，
Δ
t
max
为相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值，
U
i
‑1为第
n
‑1击穿电极的击穿电压，
x
n
‑1为第
n
‑1击穿电极与第
n
击穿电极之间的直线距离，
b
n
‑1为第
n
‑1击穿电极在沿着第
n
‑1击穿电极至第
n
击穿电极的射线方向上与所述金属外壳之间的偏移距离，
U
A
为直流电源的电压；所述第
n
‑1击穿电极是所述火花放电...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴淑群，王子昕，徐志豪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：