[发明专利]一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器

说明书

本发明属于超燃冲压发动机燃料喷注与火焰稳定技术和燃烧组织技术领域，公开了一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器，包括安装基板，所述安装基板上设有支板本体，所述支板本体的尾部设有阵列式滑移弧放电模块，所述阵列式滑移弧放电模块与高频高压功率源电连接，所述支板本体的尾部内部插设有喷油杆，所述喷油杆内部设有空腔，所述喷油杆上设有与所述空腔相连通的液态燃料喷孔。本发明结构简单、紧凑，集液体燃料喷注、雾化、混合增强、点火与燃烧强化功能于一体。

技术领域

本发明属于超燃冲压发动机燃料喷注与火焰稳定技术和燃烧组织技术领域，具体地涉及一种滑移弧放电增强超声速气雾掺混燃烧器。

背景技术

超燃冲压发动机没有自启动能力，典型的飞行工作过程是在Ma4条件下点火启动，并不断加速到达Ma6的巡航工况。在这两种工况下，燃烧室气流状态呈现出不同的特点。在低马赫的启动工况下，来流总温低，燃料无法实现自点火，需要外加能量激励进行强迫点火。随着飞行Ma数的增加，总温不断增加，由点火延迟时间决定点火发生位置。与此同时，超声速燃烧来流速度快，燃料在燃烧室内的滞留时间只有毫秒级，要在如此短的时间内完成燃料与来流的混合、点火、形成扩散火焰并传播至整个燃烧室，实现稳定、高效的燃烧流场，难度很大。尤其是液体碳氢燃料，还要考虑液滴破碎、雾化和蒸发过程，更加增加了流动燃烧组织过程的复杂性和困难性。就液体碳氢燃料超声速燃烧过程而言，关键技术包括：液体在超声速气流中的雾化、点火技术、火焰稳定技术和燃料喷注与混合增强技术。

等离子体点火助燃方案可适应以上工况下燃烧组织过程的需求。一方面在低马赫数情形下提供高温点火能源，另一方面为高马赫数下提供活性离子基团、缩短点火延迟时间、辅助火焰稳定。针对液体碳氢燃料的超声速燃烧点火过程，技术人员都做了不同程度的研究，尤其是在如何缩短点火延迟时间、增强点火和提高火焰扩散能力方面做了大量的工作。针对液体碳氢燃料尝试成功了多种点火方式，如：氢气引导火焰点火、诱导激波点火、等离子体点火器、火炬点火器等。其中等离子体点火器是其中的一个重要的技术发展方向。通过放电产生等离子体来激活反应物更加有效，可以瞬间并持续产生活性粒子使燃烧更加迅速。等离子体的升温效应也能够在一定程度上增加燃烧反应速度。另外，在高速流场中，燃料与氧化剂混合气体的当量比低于一定值后，燃烧反应无法继续进行，即所谓的贫燃烧极限，等离子体也可以有效地扩展燃料的燃烧极限，提高火焰稳定性。目前广泛采用的等离子体发生方式主要有放电等离子体和激光诱导等离子体，放电方式有很多种如弧光、辉光、电晕、介质阻挡、微波、射频放电等。文献《Plasma-Assisted Ignition and Flameholding inHigh-Speed Flow》AIAA 2006-563列示了各种等离子体放电强化超声速火焰燃烧的使用方式，并对比了其优缺点。

滑移弧是产生大体积放电的一种有效方法。滑移弧放电是位于层流或湍流气流中的至少两个扩张电极之间的自动振荡周期现象。自启动放电首先在上游最窄间隙形成。放电弧柱在气流的冲刷下向下游移动。放电弧柱长度随着电极间距的增加而增长，直到达到临界值。临界值大小通常由电源功率限制决定。在临界点之后，放电熄灭，放电电极之间的最小距离位置又瞬间重新点燃起弧，开始一个新的周期。滑移弧柱在扩张型电极通道内往复移动，由于滑移弧在扩张型电极通道内往复移动，不存在电弧长时间驻留的引弧点，可减轻电弧对电极的烧蚀作用，延长装置使用寿命。滑移弧放电产生的等离子体温度可在800－10000K范围内。根据功率源的工作特性，滑移弧放电可产生平衡和非平衡等离子体等各种等离子体环境条件，可为点火提供高能量效率和选择性。滑移弧放电等离子体中产生的能量密度较高，有助于喷雾燃油液滴的剧烈蒸发和热解。大分子碳氢燃料通过氢和氧原子的作用有助于促进裂解化学反应的进行，生成大量的活性小分子燃料，大大加速燃烧过程。

C_mH_n+O→CO+H₂O

C_mH_n+H→CH₄+H₂