一种周期性交流驱动低温等离子体点火方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种周期性交流驱动低温等离子体点火方法及装置，涉及航空航天发动机点火燃烧推进技术领域。该方法包括以下步骤：点火器安装在燃烧室的适当位置，其高压电极和低压电极与低温等离子体电源的高压端和低压端连接，频率控制器与低温等离子体电源连接；触发低温等离子体电源和频率控制器开关，调整电源输出参数；调整频率控制器的控制放电频率和每个周期的放电时间；频率控制器给低温等离子体电源触发信号，电源放电，点火器按一定的频率放电点火。本发明专利技术还公开了相应的一种周期性交流驱动低温等离子体点火装置。具有实现大体积点火，缩短点火延迟时间，在高空低压、超音速燃烧、贫燃等方面实现高效可靠点火，改善发动机性能，及工业节能减排优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空航天发动机点火燃烧推进
，尤其涉及ー种周期性交流驱动低温等离子体点火方法及系统。
技术介绍
军备竞赛的发展，以航空发动机和冲压发动机为动カ的飞行器逐步向临近空间迈迸，目的是提高飞行器的反侦察、反拦截能力。处于高空、高速、低压、低温飞行状态的发动机，燃烧室エ况十分恶劣，易出现低压点火困难、燃烧稳定性差、燃烧效率下降等问题。为了提高发动点火的可靠性、拓宽稳定工作范围，其中可靠的点火方式至关重要，因而迫切需要 研发ー种新型的高效点火技木。常见的点火方式有热表面、值班火焰、激光诱导火花、火花塞及等离子流，它们都是通过加热未燃混气，使其温度升高，产生初始自由基，再由这些初始自由基引发链式反应。对热表面点火，其点火延迟时间较长，寿命比较短；值班火焰点火则存在值斑火焰可能被吹熄的不足；激光诱导火花点火则需要聚焦高能激光脉冲；火花塞点火则是ー种广泛应用、比较可靠的点火方式。上述这些点火方式都存在点火区域小的问题，当燃烧エ况非常恶劣时，如高空低压点火、超音速燃烧、贫燃等问题，现有点火方式的适用性和可靠性就存在缺陷，从而会导致点火困难或点火不成功。而烟火花点火只能在发动机上一次使用，不能实现多次点火，催化点火的催化剂易失效及腐蚀，且点火延迟时间很长。航空发动机加力燃烧室和冲压发动机燃烧室的进ロ压力低，特别是高空低压下，压カ可低至O. 04-0. 05MPa，不仅着火的速度-压カ边界急剧缩小，而且着火的空气燃油比边界也急剧缩小，从而造成点火困难、燃烧不稳定。为使高空低压点火在广泛飞行高度和飞行M数范围内具有可靠性，进行二次点火，一般高空点火都在较富油的情况下进行，而采用燃油增温和加氧虽可改善点火性，但却增加了系统的复杂性。为保证发动机在各种极端条件下的可靠点火，必须克服火花塞在高空低压下存在点火困难这ー缺陷，希望发展ー种先进的点火技木。脉冲瀑震发动机(Pulse Detonation Engine简称F1DE)是未来航空航天领域ー种新型的动カ装置。其由进气道、阀门、爆震管、尾喷管、点火系统和控制系统组成。对PDE的研究已走过半个世纪，很多发达国家都制定了详细的研究和发展计划，投入巨资研发TOE。我国主要有西北エ业大学、南京航空航天大学、南京理工大学、中科院、北京航空航天大学等单位对PDE进行了研究工作。基于目前在爆震理论、关键技术、样机研制等研究方面还存在很多困难，研究成果还没有达到理想预期及工程应用程度，因此，必须深入开展TOE的爆震机理和关键技术的研究，其中点火起爆方式是重要的关键技术之一。PDE是利用周期性的爆震波来产生推力的动カ装置，包括了混气充填、点火起爆、爆震波产生和传播以及排气等过程。PDE主要通过缩短缓燃向爆震转捩的距离和时间来形成爆震波是PDE最现实和有效的手段，是PDE的重要关键技术之一。成功有效的点火方式，采用低温等离子体点火方式，可在爆震管头部一定长度内、在整个截面同时实现大体积点火与燃烧，提高点火性能，缩短点火延迟时间，増大化学反应速率，加快爆震波的形成，从而缩短缓燃向爆震距离和时间，提高PDE性能和工作频率。低温等离子体在生物医学、表面处理、废气处理、流动控制、燃烧等领域得到广泛应用，但目前主要采用交流驱动低温等离子体，纳秒产生低温等离子体，受电源研制水平的限制。低温等离子体点火和燃烧强化是等离子体技术的ー种新的应用途径，其具有实现稀薄混合气可靠、高效点火和快速燃烧的潜力，该技术已经引起世界各国的广泛关注。交流驱动的介质阻挡放电是产生低温等离子的主要方式，能够在一定的压カ下产生体积大、能量密度高的低温等离子体，且由于电极间绝缘介质的存在，避免了放电过程中易出现的局部放电或弧光放电。低温等离子体点火主要通过在可燃混合物中进行放电，利用产生的高能电子与燃料分子的碰撞引起分子的离解、激发甚至电离，产生大量的活性原子、分子和离子等物质，从而提高点火性和燃烧稳定性。使化学反应在多点进行，加速点火过程，从而成功实现了大体积点火，火焰充满整个气流通道截面，极大地缩短了着火延迟时间和改善着火极限。 国外利用交流驱动，当可燃混气通过放电空间时，就会产生低温等离子体，成功实现了大体积点火，火焰充满整个放电空间，极大地缩短了着火延迟时间和改善着火极限。本专利专利技术人在国内首次开展了低温等离子体点火的实验研究，实验证实了可燃混气压カ范围O. 02-0. IMpa和流速5-70m/s条件下，采用单侧介质阻挡放电，以甲烷、こ烯、汽油燃料为燃料，在没有火焰稳定装置的气流通道中，实现了整个混气通道截面的大体积点火。中科院、空军工程大学、华中科技大学等相继开展了交流驱动等离子体助燃的研究工作。以上这些试验都是在手动调节方式下实现放电点火和燃烧的，还不能按发动机点火要求进行相关试验，更不具有发动机空中采用低温等离子体点火的技术条件。点火是燃烧过程的起点，不同的点火方式，其物理化学过程不同。火花塞点火主要是在点火的瞬间，放电电弧直接击穿可燃混气，产生热等离子体，通过升高局部小区域的燃气温度，使可燃混气分子受热、分解，形成活性基团，实现点燃混气的过程。热等离子流点火主要是高压气体介质在流经高压脉冲电弧放电区时，生成ー个高温等离子体射流，其摄氏温度可达几千度，热等离子流高速喷入可燃混气时就会点燃可燃混气，并产生化学和气动的双重效应，加速点火过程。交流驱动的低温等离子体点火主要是在可燃混气中进行介质阻挡放电，依靠高能电子与燃料和助燃气分子的相互作用，发生一系列的反应(离解、激发、电离等)生成小分子燃料、自由基和离子等活性物质，达到点火和燃烧的目的。在放电体积内产生大尺度、多个放电通道，每个放电通道相当于ー个点火源，可实现放电空间均匀体积着火，大大提高点火的可靠性，点火效率高，节约点火能量。火花塞点火和热等离子流点火是靠放电电弧击穿介质，虽然热等离子体比火花塞有一定的优势，但存在点火体积小的缺陷，且热等离子体点火技术在航空领域无成功应用案例。在发动机内高速气流中点火，需要在火花塞前方安装火焰稳定装置，从而在火花塞附近区域产生一定的低速区和回流区，这样通过弱小的点火能量产生微小的火焰微团，逐步发展，火焰发展成稳定的燃烧状态。火花塞放电产生的电子能量接近lev，交流驱动介质阻挡放电产生的电子能量在I-IOeV之间，提高点火和燃烧性能。放电产生的等离子体体积越大、浓度越高、活性越强，其点火性越好。热等离子流比火花塞提高点火性，缩短延迟时间，但属于小体积点火，而且热等离子流点火需要消耗大量的能量，点火效率低，点火电极易腐蚀，系统设备复杂。与火花塞点火相比，低温等离子体可在在整个放电区域同时着火，提高点火可靠性，改善发动机性能。交流驱动产生低温等离子体可实验大体积点火，其比热等离子流和火花塞提高点火性，其优点是1)可在燃烧室内同时产生多个大尺度放电通道，每个放电通道相当于ー个点火源，可以实现混合气的多点着火，大大提高点火的可靠性；2)脉冲放电的大部分能量直接作用于可燃混气，点火效率高，节约能量；3)脉冲放电的能量可以产生更多的化学反应活性基，从而加速点火与燃烧过程。飞行器向临近空间迈进，可靠点火和稳定燃烧成为发动机的重要技木。火花塞是应用成熟的点火技术，但在高空低压下易出现点火困难，热等离子流比火花塞提高点火性，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种周期性交流驱动低温等离子体点火方法，其特征在于，包括以下步骤 点火器安装在燃烧室的适当位置，其高压电极和低压电极与低温等离子体电源的高压端和低压端连接，频率控制器与低温等离子体电源连接； 触发低温等离子体电源和频率控制器开关，调整电源输出参数；调整频率控制器的控制放电频率和每个周期的放电时间； 频率控制器给低温等离子体电源触发信号，电源放电，点火器按一定的频率放电点火。2.根据权利要求I所述的一种周期性交流驱动低温等离子体点火方法，其特征在于所述电源输出参数为包括电压、电流和频率。3.根据权利要求2所述的一种周期性交流驱动低温等离子体点火方法，其特征在于，所述电源电压、电流和交流频率分别为0-70kV、0. 1-10A和10-100kHz。4.根据权利要求I所述的一种周期性交流驱动低温等离子体点火...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑殿峰，张义宁，李存标，宫继双，万京林，冯定高，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：