技术领域
[0001] 本
发明涉及航空动
力等离子体点火与燃烧强化技术领域，尤其是涉及一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器。
背景技术
[0002] 随着航空装备的不断发展进步，对
发动机的性能也提出了更高的要求。目前，在
飞行器上使用的航空
涡轮发动机基本都采用带旋流器的
燃烧室头部，同时采用电火花进行点火，气流通过旋流器的旋流作用形成流动速度较低的低压回流区，在低压回流区中的合适部位插入
火花塞点火。此种点火方式的缺点较多：一是火花塞点火
能量较小，点火所需要的气压、油气比、
氧气含量等条件比较苛刻，直接限制了发动机的点火范围，影响了发动机的性能；二是火花塞点火完全依靠低压回流区降低气流速度来强行适应火焰传播速度小这一短板，造成了较大的空气流动损失。常规的点火方式已经无法满足航空发动机更高的技术条件要求，以上缺点由于原理限制，改进空间不大，因此，想要大幅度改善发动机的点火性能，必须重新设计一种结构简单可靠，点火性能好的新型点火方式。
[0003] 近年来，利用等离子体强化燃烧，已经引起了全世界各国科研人员的极大兴趣。气体在高温或强电
磁场环境下，分子的共价键会断裂，分子电离成带有正电荷的阳离子和负电荷的阴离子，形成等离子体。等离子体强化燃烧是利用气体放电形成局部高温区域，并激发大量活性粒子，电离裂解空气和
燃料，从而实现雾化燃油的快速稳定点燃以及改善燃烧品质的一种燃烧方式。
[0004] 研究表明，在航空发动机中采用等离子体助燃具有以下优势：增加点火可靠性，提高点火速率，减小
点火延迟时间，提高点火成功率，减小污染物排放，降低燃烧室壁温等优点，并具有更宽的点火范围。
[0005] 例如，
申请号为201320339282.9的中国实用新型
专利所公开的用于
内燃机燃烧室的瞬态等离子体点火器、申请号为201310084697.0的中国发明专利所公开的一种航空发动机空气旋流等离子体点火器，这两种点火器都采用了等离子体点火的思路，从某一程度上改善了点火特性，但是，依旧面临着放电结构复杂，放电区域有限等问题。
[0006] 还有，如申请号为201711344497.9的中国发明专利申请文件所公开的航空发动机燃烧室的旋转滑动弧等离子体燃油裂解头部，此方案为将燃油裂解头部的放电区域设置于内通道小文氏管与外通道的大文氏管之间，但是等离子体滑动弧与外通道空气
接触较多，与雾化燃油接触的时间较短，未能使滑动弧等离子体对燃料的裂解作用得到最大化。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于克服上述
现有技术中的不足，提供一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其结构简单，部件安排合理，拓宽了发动机燃烧室的点熄火边界，改善了点火器的点火特性以及提高了燃料的燃烧效率。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：包括激励器本体和用于产生
电弧的
电极，所述电极的数量至少为两条，所述激励器本体包括依次设置的第一接头、旋流节和第二接头，所述第一接头、第二接头和旋流节为一体成型结构，所述第二接头的外部一周设置有与其一体成型且用于安装
喷嘴的圆环状侧翼板，所述第一接头、旋流节、第二接头和侧翼板的轴线均位于同一条直线。
[0009] 所述第一接头、旋流节和第二接头的内部均为空心结构且三者的内部空心结构共同形成内通道，所述内通道包括用于连接燃油喷嘴的旋流通道和用于连接发动机燃烧室的扩散通道，所述旋流通道为圆柱状通道，所述扩散通道为圆台状通道。
[0010] 所述扩散通道的内壁上设置有电极槽，所述电极槽的数量与电极的数量相等且均匀分布在扩散通道上，每段所述电极槽均呈螺旋状，每条所述电极分别设置在对应的电极槽上，每条所述电极靠近第一接头的一端均
焊接有
接线柱，其中一个所述接线柱的外端穿出旋流节后与外部电源的
阴极连接，其余所述接线柱的外端穿出旋流节后均与外部电源的
阳极连接。
[0011] 上述的一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：所述电极的数量为两条，所述电极槽的数量为两段，所述电极槽相对激励器本体的轴线中心对称。
[0012] 上述的一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：所述电极的数量为三条，所述电极槽的数量为三段。
[0013] 上述的一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：每个所述电极槽的横截面形状为方形且大小相等、结构相同，每个所述电极的横截面形状为五边形且大小相等、结构相同，所述五边形的其中两个相邻的
角为直角且其余三个角为钝角，所述五边形的三条直角边设置在电极槽的内部且与电极槽卡接，所述五边形的其余两条边设置在电极槽的外部，所述五边形的其余两条边的交点沿电极的长度方向形成一条用于控制电弧轨迹的棱。
[0014] 上述的一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：每个所述电极槽的横截面形状均为方形且其中一个所述电极槽的横截面面积均大于其余所述电极槽的横截面面积，每个所述电极的横截面形状为长方形，每个所述电极横截面的长度与其对应安装的电极槽的宽度相等，每个所述电极横截面的宽度与其对应安装的电极槽的深度相等，所述电极与电极槽的内侧相配合且所述电极与电极槽接触的部分相粘连，与横截面最大的所述电极焊接的接线柱外端穿出旋流节后与外部电源的阴极连接，与其余所述电极焊接的接线柱的外端穿出旋流节后均与外部电源的阳极连接。
[0015] 上述的一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：每个所述电极槽的横截面形状为方形且大小相等、结构相同，所述电极通过浇铸方式设置在电极槽的内部。
[0016] 上述的一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：所述旋流节的中部沿周向均匀设置有多个内端向第二接头倾斜的通孔，多个所述通孔均为圆孔且多个通孔均等径，多个所述通孔一部分为用于接线柱的外端穿出旋流节的电极孔，其余一部分所述通孔为用于供空气进入旋流通道内的进
风孔，所述电极孔与电极的数量相等。
[0017] 上述的一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：所述进风孔的数量为4～8个，每个所述通孔的直径均为2mm～4mm，所述通孔外端所在面的圆心为O点，每个所述通孔的轴线与旋流节的横截面之间的夹角为θ且θ为15°～22°，过所述O点的旋流节的横截面为S面，所述 S面上过O点的半径为R，所述通孔的轴线在S面上的投影线为L3，所述 R与L3的夹角为γ且γ为25°～35°。
[0018] 上述的一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：所述电极包括电极主体和调整段，所述调整段设置在电极主体的一端且与电极主体一体成型，所述电极主体的另一端与接线柱焊接，所述调整段的横截面向远离电极主体的方向渐缩，所述电极主体与接线柱的连接处内侧设置有用于过渡电弧的凸起部。
[0019] 上述的一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，其特征在于：所述第一接头和第二接头的外形均为圆柱状，所述第一接头的横截面外径小于第二接头的横截面外径，所述旋流节的外形为圆台状，所述旋流器的小端设置在第一接头的一端，所述旋流器的大端设置在第二接头的一端，所述第一接头、第二接头、旋流节、旋流通道和扩散通道的轴线均位于同一条直线上，所述旋流通道位于第一接头的一侧，所述扩散通道位于第二接头的一侧，所述旋流通道的一端与扩散通道的小端相连通，所述扩散通道的另一端设置有内
倒角。
[0020] 所述旋流通道的长度L1为8mm～12mm，所述扩散通道的
母线与扩散通道的轴线之间的夹角为α且α为17°～23°，所述扩散通道沿轴线方向的长度L2不小于扩散通道的小端直径。
[0021] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0022] 1、本发明结构简单，实用性强，极大的改善了发动机的点火性能，符合国家发展先进航空发动机的重大需求，不仅推进我国军民用飞机向更高层次发展，而且本发明的结构也可应用到其他涉及到滑动弧等离子体放电的领域。
[0023] 2、本发明采用等离子体强化燃烧，拓宽发动机燃烧室的点熄火边界，改善点火装置的点火特性，减小了点火延迟时间，提高燃料的燃烧效率，减小燃烧污染物排放。
[0024] 3、本发明的放电结构简单且采用两条电极螺旋式分布使电弧能
覆盖整个扩散通道，从而增加点火的可靠性，提高燃烧速率，减小污染物排放等，具有更宽的点火范围。
[0025] 4、本发明部件安排合理，空气和燃油经过旋流节后充分混合，然后进入扩散通道，这使得电弧与雾化燃油和空气充分接触，减小了点火延迟时间，可以充分点燃燃料。
[0026] 下面通过
附图和
实施例，对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
[0027] 图1为本发明实施例1的立体图。
[0028] 图2为本发明实施例1的主视图。
[0029] 图3为本发明实施例1中激励器本体的剖面图。
[0030] 图4为本发明实施例1的右视图。
[0031] 图5为图2的A—A处剖视图。
[0032] 图6为图4的B—B处剖视图。
[0033] 图7为本发明实施例1中电极的结构示意图。
[0034] 图8为本发明实施例1中电极、调整节和凸起部位的
位置关系示意图。
[0035] 图9为图8的C—C处剖面图。
[0036] 图10为本发明实施例2中电极和激励器本体的位置关系剖面图。
[0037] 图11为本发明实施例3中电极和激励器本体的位置关系剖面图。
[0038] 图12为本发明实施例4中电极和激励器本体的位置关系示意图。
[0039] 图13为本发明实施例4的立体图。
[0040] 附图标记说明:
[0041] 1—激励器本体； 2—电极； 3—第一接头；
[0042] 4—第二接头； 5—旋流节； 6—旋流通道；
[0043] 7—扩散通道； 8—电极槽； 9—进风孔；
[0044] 10—电极孔； 11—调整段； 12—电极本体；
[0045] 13—接线柱； 14—侧翼板； 15—凸起部；
[0046] 16—棱； 17—内倒角； 18—五边形；
[0047] 19—长方形。
具体实施方式
[0048] 实施例1
[0049] 如图1、图2、图3和图6所示，一种基于等离子体的轨道式滑动弧激励器，包括激励器本体1和两条结构相同且用于产生电弧的电极2，所述激励器本体1包括依次设置的第一接头3、旋流节5和第二接头4，所述第一接头3、第二接头4和旋流节5为一体成型结构且所述第一接头3、旋流节5、第二接头4的轴线均位于同一条直线。
[0050] 如图1、图3、图5和图6所示，所述第一接头3、旋流节5和第二接头4的内部均为空心结构且三者的内部空心结构共同形成内通道，所述内通道包括用于连接燃油喷嘴的旋流通道6和用于连接发动机燃烧室的扩散通道7，所述旋流通道6为圆柱状通道，所述扩散通道7为圆台状通道。
[0051] 所述第一接头3和第二接头4的外形均为圆柱状，所述第一接头3的横截面外径小于第二接头4的横截面外径，所述旋流节5的外形为圆台状，所述旋流器5的小端设置在第一接头3的一端，所述旋流器5的大端设置在第二接头4的一端，所述第一接头3、第二接头4、旋流节5、旋流通道 6和扩散通道7为的轴线位于同一条直线上，所述旋流通道6位于第一接头3的一侧，所述扩散通道7位于第二接头4的一侧，所述旋流通道6的一端与扩散通道7的小端相连通。由于旋流通道6连接燃油喷嘴，为了防止电极2和燃油喷嘴的金属部分直接放电和燃油喷嘴的雾化锥角，即雾化后的燃油液滴不能喷上到旋流通道6上，所述旋流通道6的长度L1设置为8mm～12mm，旋流通道6的直径为12mm，第一接头3的直径为16mm，形成一个壁厚为2mm的圆筒，旋流通道6与燃油喷嘴配合时，燃油喷嘴应当伸入通道1mm～2mm。考虑到燃油喷嘴的雾化锥角，所述扩散通道7 上的母线与轴线的夹角α为17°～23°。
[0052] 所述扩散通道7的内壁上设置有两段电极槽8，两段所述电极槽8的结构相同且均呈螺旋状，两段电极槽8相对激励器本体1的轴线中心对称，两条所述电极2分别设置在两段电极槽8上，所述电极槽8的螺旋圈数不小于0.5圈，确保两个电极2产生的电弧能够达到360°的旋转效果，并覆盖整个扩散通道7。
[0053] 如图4、图6和图8所示，所述电极槽8的横截面形状为方形，所述电极2的横截面形状为五边形18，所述五边形18的其中两个相邻的角为直角且其余三个角为钝角，所述五边形18的直角边长度为1.5mm～3mm，所述五边形18的三条直角边设置在电极槽8的内部且与电极槽8卡接，所述五边形18的其余两条边设置在电极槽8的外部，所述五边形16的其余两条边的交点沿电极2的长度方向形成一条用于控制电弧轨迹的棱16，两条电极2的棱16即为电弧的具体运动轨道，电弧的两端分别连接在两条棱16上。
[0054] 如图1、图2、图3、图5和图6所示，所述旋流节5的中部沿周向均匀有多个直径相等的通孔，其中两个所述通孔为用于接线柱13分别穿出旋流节5的电极孔10，其余所述通孔为用于供空气进入旋流通道6的进风孔9，两个所述电极孔10相对旋流节5的轴线对称，所述进风孔9的数量为4～8个，所述进风孔9均匀分布在两个电极孔10之间，所述通孔的直径为2mm～4mm。空气流经过
压气机，经进风孔9进入旋流通道6，与燃油喷嘴喷出的燃油充分旋流掺混后，进入扩散通道7，在油气比适当的情况下，两个电极2通电产生的电弧会点燃混合燃料，形成稳定
火核。
[0055] 如图5和图6所示，所述通孔外端所在面的圆心为O点，每个所述通孔的轴线与旋流节5的横截面之间的夹角为θ且θ为15°～22°，过所述 O点的旋流节5的横截面为S面，所述S面上过O点的半径为R，所述通孔的轴线在S面上的投影线为L3，所述R与L3的夹角为γ且γ为25°～35 °。
[0056] 如图6至图9所示，所述电极2包括电极主体12和调整段11，所述调整段11设置在电极主体12的一端且与电极主体12一体成型，所述电极主体12的另一端与接线柱13焊接，所述调整段11的横截面向远离电极主体12的方向渐缩，调整段11的设置增大了调整段11处扩散通道7 的壁厚，避免了在产生电弧的过程中两个电极2与其他金属部件放电，保证电弧在扩散通道7内运动。
[0057] 所述电极2靠近第一接头3的一端均焊接有接线柱13，其中一个所述接线柱13的外端穿出旋流节5后与外部电源的阴极连接，其中另一个所述接线柱13的外端穿出旋流节5后均与外部电源的阳极连接。两个所述接线柱13分别突出电极孔10的外侧约1mm～2mm，便于与外部电源连接。所述电极主体12与接线柱13连接处的内侧设置有用于过渡电弧的凸起部 15，凸起部15的设置既减小了形成电弧的难度又降低了形成电弧对
电压的要求，确保电弧能够准确在两个凸起部15处形成，避免了阴极和喷嘴放电的情况发生，两个凸起部15的尖端之间的距离略小于阳极与喷嘴的最近距离，确保阴、阳两极准确地凸起部15处击穿，然后由凸起部15光滑过渡到电极主体12上，实现尖端放电与电极2放电的结合和过渡。所述凸起部15的高度为2mm～3mm且两凸起部15的距离为8mm，既不干扰内通道的
气动特性，对气流的影响最小，又不会伸入喷嘴的雾化锥角内，可以防止雾化燃油在凸起部15上积聚，形成积
碳，干扰电极2正常放电，缩短电极2使用寿命。所述电极2在接近电极孔10的位置适当减小厚度，避免电弧穿透通道，造成与其他金属部件的不可控放电。
[0058] 两个所述的电极2的螺旋方向与旋流节5的旋转方向相同，所述电极槽8上任意相邻两点的
螺距均大于两点分别所在扩散通道7的横截面半径且螺距的大小应为28mm～35mm。螺旋线的扩大角度与扩散通道7上的母线、轴线的夹角保持一致，以使电弧会准确的形成于扩散通道7的某一截面上，而不是沿着扩散通道7的一侧内壁纵向击穿。
[0059] 优选的，所述扩散通道7沿轴线方向的长度L2不小于扩散通道7小端的直径，既使得电弧的滑动轨道可以充分旋转，覆盖整个扩散通道7的横截面，又不影响整个燃烧室头部的气动特性。
[0060] 优选的，所述第二接头4的外部一周设置有用于安装喷嘴的圆环状侧翼板14，所述侧翼板14与第二接头4一体成型且侧翼板14的轴线与第二接头4的轴线为同一条直线。
[0061] 优选的，所述电极2为304不锈
钢电极，所述第一接头3、第二接头 4和旋流节5均采用氧化
铝陶瓷材料制作。
[0062] 优选的，所述扩散通道7的另一端设置有内倒角17，内倒角17的设置能够减小空气
流动阻力和流动损失，使扩散通道7保持良好的气动特性。
[0063] 本实施例的工作原理为：燃油通过燃油喷嘴进入旋流通道6，空气经压气机
增压后由进风孔9进入旋流通道6，燃油与空气在旋流通道6中充分旋流掺混后进入扩散通道7，在油气比适当的情况下，将两个电极2分别与外部电源的阴、阳极接通后，两个凸起部15之间会形成电弧，电弧成功击穿后，将在气流的作用下沿着电极主体12轨道旋转，随着电极槽8 间距的扩大，电弧逐渐拉长至中断，然后两个凸起部15之间形成新的电弧，电弧击穿空气会形成大量自由基和活性粒子，形成等离子体，同时使燃油裂解，进而将燃油点燃；在燃烧的过程中，由于电弧的电离裂解效果，会使燃烧得到一定的强化，并在电弧产生的高温区域点燃混合气形成稳定火核。
[0064] 实施例2
[0065] 如图10所示，本实施例与实施例1不同的是：每个所述电极槽8的横截面形状均为方形且其中一个电极槽8的横截面面积均大于其余电极槽 8的横截面面积，每个所述电极2为横截面形状为长方形19，每个所述电极2横截面的长度与其对应安装的电极槽8的宽度相等，每个所述电极2 横截面的宽度与其对应安装的电极槽2的深度相等，所述电极2全部设置在电极槽8的内部，在不影响其放电的前提下，将空气对电弧的影响降低。所述电极2与电极槽8的内侧相配合且所述电极2与电极槽8接触的部分相粘连，与横截面最大的所述电极2焊接的接线柱13外端穿出旋流节5 后与外部电源的阴极连接，与另外一个所述电极2焊接的接线柱13的外端穿出旋流节5后与外部电源的阳极连接。
[0066] 本实施例中，横截面最大的电极2与外部电源的阴极连接，另外一个电极2与外部电源的阳极连接。在电弧放电时，某些因素会影响燃油和空气的气动特性，将阴极的电极2的横截面设置更宽能够保证电弧放电的可靠性和电弧沿电极2滑动的
稳定性，使电极2产生的电弧可在扩散通道7 内连续放电而不中断，并尽可能覆盖整个扩散通道7。
[0067] 本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
[0068] 实施例3
[0069] 如图11所示，本实施例与实施例1不同的是：每个所述电极槽8的横截面形状为方形且大小相等、结构相同，所述电极2通过浇铸方式设置在电极槽8的内部。
[0070] 本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
[0071] 实施例4
[0072] 如图12和图13所示，本实施例与实施例1不同的是：所述电极2的数量为三条，所述电极槽8的数量与电极2的数量相等，所述电极槽8均匀分布在扩散通道7上。
[0073] 本实施例中，电极槽8的结构和大小、电极2的结构和大小、电极槽 8和电极2的安装关系，可采用如下三种方案中的任意一种：
[0074] 方案一、三段所述电极槽8的横截面形状为方形且大小相等、结构相同，三条所述电极2的横截面形状均为五边形18且大小相等、结构相同，所述五边形18的其中两个相邻的角为直角且其余三个角为钝角，所述五边形18的三条直角边设置在电极槽8的内部且与电极槽8卡接，所述五边形18的其余两条边设置在电极槽8的外部，所述五边形18的其余两条边的交点沿电极2的长度方向形成一条用于控制电弧轨迹的棱16，与其中一条所述电极2焊接的接线柱13外端穿出旋流节5后与外部电源的阴极连接，与其余两条所述电极2焊接的接线柱13的外端穿出旋流节5后均分别与外部电源的阳极连接。
[0075] 方案二、三段所述电极槽8的横截面形状均为方形且其中一段电极槽 8的横截面面积均大于其余两段电极槽8的横截面面积，三个所述电极2 的横截面形状为长方形19，每个所述电极2横截面的长度与其对应安装的电极槽8的宽度相等，每个所述电极2横截面的宽度与其对应安装的电极槽8的深度相等，所述电极2的内侧与电极槽8相配合且所述电极2与电极槽8接触的部分相粘连，与其中横截面最大的所述电极2焊接的接线柱 13外端穿出旋流节5后与外部电源的阴极连接，与其余两条所述电极2焊接的接线柱13的外端穿出旋流节5后均分别与外部电源的阳极连接。
[0076] 方案三、三段所述电极槽8的横截面形状均为方形且大小相等、结构相同，所述电极2通过浇铸方式设置在电极槽8的内部，其中一条所述电极2焊接的接线柱13外端穿出旋流节5后与外部电源的阴极连接，与其余两条所述电极2焊接的接线柱13的外端穿出旋流节5后与外部电源的阳极连接。
[0077] 本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理与实施例1相同。
[0078] 可选的，所述电极2的数量还可以为4条、5条或更多，本发明
对电极2至少为两个的具体数量不作限定。
[0079] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单
修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
