一种多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴

技术领域

本发明属于航空发动机燃烧室技术领域，具体涉及一种多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴。

背景技术

随着飞机任务的不断发展，其工作包线也不断拓展，包线附近或之外的工作点大幅偏离设计稳态工况，经常发生点火失败及熄火故障。高空、高原、高寒、高湿、进气畸变、快速节油等极端条件下，燃油雾化蒸发和化学反应速率显著降低，燃烧室工作条件急剧变化，点熄火边界显著变窄，严重影响飞机安全和使用效能发挥。

航空发动机点火、燃烧、熄火是复杂的气液两相湍流流动燃烧化学反应，其中湍流、液滴、化学反应之间的相互作用非常复杂。特别是在燃烧室头部，湍流影响液滴的空间分布，湍流混合和液滴蒸发都影响化学反应化学反应，释放热量又影响液滴的蒸发以及湍流脉动。极端条件下，燃油雾化蒸发和化学反应速率显著降低，燃烧室工作条件急剧变化，大大偏离了燃烧室的设计工作状态。低温、低压给湍流液雾的扩散和蒸发带来很大的困难，使通过扩散供给初始火核的蒸汽大大减少，难于形成可燃混合气，低温条件下的化学反应速率也显著降低，化学反应的热释放降低，很容易导致点火失败。在高应变率/强湍流条件下，存在一个临界应变率，在临界应变率之上，尽管当地混合物分数已达到可燃，而由于当地应变作用或高速引起的对流换热大而不能使火核传播开来，也会降低点火概率。

中国专利申请CN201910062320.2公开了一种多孔雾化等离子体燃油喷嘴，该装置包括：腔体一、环状阴极、两个进气口、中心电极装配口、航空煤油进口、航空煤油雾化器、旋流器、腔体二、中心电极窗口和长棍状绝缘层。航空煤油通过航空煤油进口进入腔体二，经航空煤油雾化器雾化后，进入腔体一与通过两个进气口和旋流器产生的旋流空气混合；中心电极窗口接通电源后，在旋流的作用下，中心电极窗口与环状阴极形成滑动弧，并与经过的油气混合物接触，将其点燃或裂解。

实际上在上述现有技术中，第一方面由于仅有一个电极产生滑动弧，使得等离子体作用区域较小，对燃油分子的裂解作用有限。第二方面你后方的空气与雾化后的航空煤油直接在腔体一内混合，很难保证混合均匀，从而降低点火概率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴，通过在喷嘴前端组织多道滑动电弧，在来流空气作用下旋转拉伸，形成等离子体作用区域，促使燃油液滴进一步破碎，改善喷雾粒径分布；并对油气混合物进行裂解，将燃油中的大分子碳氢化合物裂解为小分子烯烃，提高火焰传播速率。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴，包括筒状的壳体以及安装在壳体内部与壳体同轴设置的电极组；所述壳体前端开口后端封闭；所述电极组内包括2根或者2根以上的棒状电极；所述壳体内同轴嵌套设置有若干油气分离套筒，所述油气分离套筒前端开口后端封闭；所述油气分离套筒之间以及油气分离套筒与壳体之间均具有间隙，使得壳体内部被分隔成若干层状空腔，所述层状空腔由内到外为空气通路与油通路间隔设置；所有的空气通路相互连通，所有的油通路相互连通，并且所述空气通路与气路连接，所述油通路与油路连接；还包括多通道放电模块，所述多通道放电模块与电源高压端连接；所述电源的低压端与壳体连接；所述多通道放电模块包括若干分压模块，所述分压模块与棒状电极一一连接。

作为一种改进，所述油气分离套筒为三个，由内到外依次为内层油气分离套筒、中层油气分离套筒、外层油气分离套筒，使得壳体内由内到外被分隔为一次空气通路、副油通路、二次空气通路、主油通路。

作为一种进一步的改进，所述内层油气分离套筒和中层油气分离套筒上靠近尾端处开设有用于连通一次空气通路和二次空气通路的空气连通孔；所述中层油气分离套筒和外层油气分离套筒上靠近尾端处开设有用于连通副油通路和主油通路的燃气连通孔。

作为另一种更进一步的改进，所述壳体外壁上连接有支撑臂，所述气路和油路开设在支撑臂上；所述空气通路利用空气连通孔与气路连通，所述油通路利用燃气连通孔与油路连通。

作为一种改进，所述空气连通孔以及燃气连通孔均沿壳体和油气分离套筒径向开设；空气连通孔经过空气通路处为开放，经油通路处为封闭；而燃气连通孔经油通路处为开放，经空气通路处为封闭。

作为一种改进，所述壳体为前端具有收敛口的圆筒形，其尾端为曲面封闭结构，所述收敛口的收敛角为50~70°；所述油气分离套筒为具有收敛口的圆筒形，其尾端为曲面封闭结构，所述收敛口的收敛角为20~60°，并且由内至外的油气分离套筒以及壳体收敛口收敛角递增。

作为一种改进，由内到外的油气分离套筒以及壳体收敛口渐长于棒状电极前端。

作为一种改进，所述电极组内的棒状电极沿圆周均匀布置；还包括圆柱形且前端具有收敛口的绝缘套件，所述绝缘套件上设置有若干轴向的安装孔，所述棒状电极安插于安装孔内，并且棒状电极的前端延伸出绝缘套件。

作为一种改进，所述绝缘套件与油气分离套筒之间设置有旋流器。

作为一种改进，所述分压模块为并联的若干条，每条分压模块包括并联的分压电阻和电容。

本发明与现有燃油喷嘴技术相比，具有以下优点及有益效果：

1、多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴在燃油出口处形成滑动弧等离子体作用区，等离子体促进燃油初次雾化和二次雾化过程，改善雾化蒸发质量，增加燃烧区域的有效当量比。在滑动弧等离子体作用下，煤油大分子裂解重整，生成氢气、甲烷、乙烯、乙炔等小分子烃，提高化学反应速率和火焰传播速度，维持高强度火焰。同时，滑动弧等离子体作为稳定存在的高温热源，能够在油气混合物中持续产生新的火核。尤其是火焰根部，发生火焰抬升的区域与滑动弧等离子体作用区基本重合。此外滑动弧等离子体形成过程中，高能电子和激发态分子、离子等发生碰撞，生成大量以OH为代表的活性自由基，能够直接参与燃烧反应，增加化学反应速率。

2、多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴在喷嘴中心安装多个高压电极，经由多通道放电模块与电源高压输出的连接，实现多个电弧通道稳定放电，在喷嘴出口同时形成多道滑动电弧，增大等离子体放电强度和作用区域，同时提高等离子体电源利用效率。

3、喷嘴内部油气分层，由绝缘套件、内层油气分离套筒、中层油气分离套筒、外层油气分离套筒、喷嘴壳体分隔成多层嵌套结构，从内到外分别是一次空气、副油路、二次空气、主油路，燃油液膜在出口处被内侧气流打碎形成细小液滴，更容易在等离子体作用下裂解。一次空气、二次空气即能够直接辅助燃油破碎和雾化，又能够作为滑动弧等离子体的驱动气流，还能兼顾冷却气流作用，对喷嘴进行降温，降低发火电极和金属材料的烧蚀、磨损，提高喷嘴的使用寿命和可靠性。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的剖视结构示意图。

图3为喷嘴与多通道放电模块的连接原理图。

图中标记：

1喷嘴本体，2支撑臂，3油路， 4气路，5安装座，6接线柱，7多通道放电模块，8电源，101棒状电极，102绝缘套件，103内层油气分离套筒，104中层油气分离套筒，105外层油气分离套筒，106壳体，107空气连通孔，108燃气连通孔，109一次空气通路，110副油通路，111二次空气通路，112主油通路。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

为了解决现有技术中点火概率低的问题，如图1、图2所示，本发明提供一种多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴，包括喷嘴本体1以及与喷嘴本体1呈L形连接的支撑臂2。所述喷嘴本体1包括筒状的壳体106以及安装在壳体106内部与壳体106同轴设置的电极组；所述壳体106前端开口后端封闭；所述电极组内包括2根或者2根以上的棒状电极101；所述壳体106内同轴嵌套设置有若干油气分离套筒，所述油气分离套筒前端开口后端封闭；所述油气分离套筒之间以及油气分离套筒与壳体106之间均具有间隙，使得壳体106内部被分隔成若干层状空腔，所述层状空腔由内到外为空气通路与油通路间隔设置；所有的空气通路相互连通，所有的油通路相互连通，并且所述空气通路与气路4连接，所述油通路与油路3连接；还包括多通道放电模块7，所述多通道放电模块7与电源8高压端连接；所述电源8的低压端与壳体106连接；所述多通道放电模块7包括若干分压模块，所述分压模块与棒状电极101一一连接。

本发明的原理在于：

本发明提供的气动喷嘴将等离子体激励器与燃油喷嘴功能集成，电源8开启后，棒状电极101与壳体106之间形成电弧，壳体106内部设置的若干油气分离套筒起到中继电极作用，电弧在气流驱动下旋转拉伸运动，在喷嘴本体1出口处形成滑动弧等离子体作用区。燃油从油通路中喷出，在气流的气动作用和等离子体作用下破碎雾化，并与电弧等离子体发生反应，裂解产生大量易燃烧的小分子烯烃（氢气、甲烷、乙烯等），提高燃烧化学反应速率和火焰传播速度。棒状电极为高压电极，其数量大于等于2个，用来增加滑动电弧数量，增大等离子体放电强度和作用区域，提高对燃气分子的裂解作用。

另外本发明中通过间隔设置的空气通路和油通路，在进行空气和油气混合之前将二者进行交错分层，提高了燃油的雾化效果并使得其在混合时更加的均匀，达到充分混合的目的，提高点燃效果。

本实施例中，所述油气分离套筒为三个，由内到外依次为内层油气分离套筒103、中层油气分离套筒104、外层油气分离套筒105，使得壳体106内由内到外被分隔为一次空气通路109、副油通路110、二次空气通路111、主油通路112。其中，一次空气通路109为电极组和内层油气分离套筒103之间的间隙；副油通路110为内层油气分离套筒103和中层油气分离套筒104之间的间隙；二次空气通路111为中层油气分离套筒104和外层油气分离套筒105之间的间隙；主油通路112为外层油气分离套筒105与壳体106之间的间隙。

所述内层油气分离套筒103和中层油气分离套筒104上靠近尾端处开设有用于连通一次空气通路109和二次空气通路111的空气连通孔107；所述中层油气分离套筒104和外层油气分离套筒105上靠近尾端处开设有用于连通副油通路110和主油通路112的燃气连通孔108。

为了混合得更加均匀，还可以设置更多的油气分离套筒实现更多的分层。当然，限制于喷嘴本体1的尺寸和材质的强度，本实施例优选为上述的内层油气分离套筒103、中层油气分离套筒104、外层油气分离套筒105。

本实施例中所述壳体106为前端具有收敛口的圆筒形，其尾端为曲面封闭结构，所述收敛口的收敛角为50~70°；所述油气分离套筒为具有收敛口的圆筒形，其尾端为曲面封闭结构，所述收敛口的收敛角为20~60°，并且由内至外的油气分离套筒以及壳体收敛口收敛角递增。另外，由内到外的油气分离套筒以及壳体收敛口渐长于棒状电极前端。这样能够更好的起到中继电弧的作用，从而形成区域更广更稳定的滑动弧等离子体作用区。

以下对本实施例中壳体和油气分离套筒的具体结构进行详细介绍：

所述内层油气分离套筒103为带收敛口的圆筒型结构，收敛角20°~40°，优选30°，长度30~50mm，优选40mm，内径13~14mm，优选13mm，外径14~16mm，优选15mm。所述内层油气分离套筒103采用310S不锈钢或耐高温合金，优选镍基高温合金。所述内层油气分离套筒103距离尾端15mm处开有4个空气连通孔，孔径8mm，沿周线均匀分布。所述内层油气分离套筒103尾端为曲面封闭结构。内层油气分离套筒103与中层油气分离套筒104轴线重合，二者采用焊接技术连接。

所述中层油气分离套筒104为带收敛口的圆管型结构，收敛角30°~50°，优选40°，长度30~50mm，优选40mm，内径15~17mm，优选16mm，外径17~19mm，优选18mm。所述中层油气分离套筒104采用310S不锈钢或耐高温合金，优选镍基高温合金。所述中层油气分离套筒104距离尾端15mm处开有4个空气连通孔，孔径8mm，沿周线均匀分布，与内层油气分离套筒103上的空气连通孔对应。一次空气路109通过空气连通孔与二次空气路111连通。

所述中层油气分离套筒104距离尾端28mm处开有4个燃气连通孔，孔径4mm，沿周线均匀分布。所述中层油气分离套筒104尾端为曲面封闭结构。中层油气分离套筒104与外层油气分离套筒105轴线重合，二者采用焊接技术连接。

所述外层油气分离套筒105为带收敛口的圆管型结构，收敛角40°~60°，优选50°，长度32~52mm，优选42mm，内径18~22mm，优选20mm，外径20~24mm，优选22mm。所述外层油气分离套筒105采用310S不锈钢或耐高温合金，优选镍基高温合金。所述外层油气分离套筒105上的燃气连通孔108开孔位置和尺寸与中层油气分离套筒104一致，使得副油通路110和主油通路112连通。所述外层油气分离套筒105尾端为曲面封闭结构。外层油气分离套筒105与喷嘴壳体106轴线重合，二者采用焊接技术连接。

所述壳体106为带收敛口的圆管型结构，收敛角50°~70°，优选60°，长度34~54mm，优选44mm，内径21~25mm，优选23mm，外径23~27mm，优选25mm。所述喷嘴壳体106采用310S不锈钢或耐高温合金，优选镍基高温合金。壳体106尾端为曲面封闭结构。

本实施中，所述壳体106外壁上连接有支撑臂2，所述气路4和油路3开设在支撑臂上；所述空气通路利用空气连通孔107与气路4连通，所述油通路利用燃气连通孔108与油路3连通。 所述气路4和油路3开设在支撑臂2上，支撑臂2与壳体106外壁连接。更为具体的是，喷嘴本体1轴线与支撑臂2中心线夹角70°~110°，优选90°，采用焊接技术连接。所述支撑臂2为长方形结构，长度100~300mm，优选200mm，截面20~40mm×10~30mm，优选30mm×20mm，采用310S不锈钢或耐高温合金，优选耐高温合金。所述油路3和气路4是支撑臂2内部通孔，沿喷嘴轴线方向前后排布，油路3在前，气路4在后，油路3内径4~8mm，优选6mm，气路4内径8~12mm，优选10mm。为了方便连接安装，支撑臂2后端设置有安装座5。

壳体上106距离尾端15mm处开有1个圆孔，孔径8mm。空气连通孔107通过圆孔与气路4连通。所述空气连通孔107以及燃气连通孔108均沿壳体106和油气分离套筒径向开设，为实现喷嘴本体1内部油通路和空气通路分离，空气连通孔107经过空气通路处为开放，经油通路处为封闭。所述壳体106距离尾端28mm处另外开有1个圆孔，孔径4mm，沿对称剖面垂直向上。燃气连通孔108通过该圆孔与油路3连通。燃气连通孔108经油通路处为开放，经空气通路处为封闭。

本发明中，所述电极组内的棒状电极101沿圆周均匀布置；还包括圆柱形且前端具有收敛口的绝缘套件102，所述绝缘套件102上设置有若干轴向的安装孔，所述棒状电极101安插于安装孔内，并且棒状电极101的前端延伸出绝缘套件102。所谓沿圆周均匀布置是指假如电极组包括三根棒状电极101，那么三根棒状电极101的轴线位于以喷嘴本体1轴线为圆心的圆周上，并且圆心角均为120°。假如是四根棒状电极101，那么圆心角为90°以此类推。通过棒状电极101的均匀布置能够使得产生的滑动弧等离子体作用区更加的均匀，提高裂解效果。

本实施例中，所述棒状电极101采用310S不锈钢或耐高温合金，优选镍基高温合金。棒状电极101为圆柱体结构，长度40~60mm，优选50mm，直径1~4mm，优选2mm。棒状电极101轴线与绝缘套件102轴线平行，棒状电极101圆心处距离部绝缘件102圆心1~4mm，优选2mm。棒状电极101后端设置有延伸出壳体106的接线柱6，接线柱6用于与分压模块连接。所述接线柱6为收敛细长圆台，长度10~20mm，优选15mm，内部为金属电极，采用310S不锈钢或耐高温合金，优选镍基高温合金，金属电极与棒状电极101连接，外部为耐高温陶瓷绝缘材料，优选95高铝陶瓷。

所述绝缘套件102为带头部收敛角的圆柱型结构，收敛角30°~50°，优选40°，长度40~60mm，优选50mm，直径8~12mm，优选10mm。所述绝缘套件102内部开有安装孔，安装孔的尺寸和位置根据棒状电极101决定。棒状电极101安插于安装孔内后，可通过焊接技术连接。所述绝缘套件102采用耐高温陶瓷绝缘材料，优选95高铝陶瓷。绝缘套件102与内层油气分离套筒103轴线重合，二者采用焊接技术连接。

为了增加出口气流刚性，促进燃油液膜破碎雾化，内层油气分离套筒103和绝缘套件102之间的空气通路（一次空气通路109）中可增加设置旋流器（图中未示出），使得气流产生旋流。

如图3所示，本发明中的多通道放电模块7包括若干并联设置的分压模块，每个分压模块包括并联的分压电阻和电容。保证瞬时高压击穿多个放电间隙，又能够实现多个电弧通道稳定放电。电源8打开瞬间电容（C1、C2…Cn）相当于通路，来自高压端的高电压首先加载到全部放电电极两端。电极击穿后，开始稳定放电，此时电容相当于断开。由于分压电阻（R1、R2…Rn）存在，电极击穿后不至于形成短路，从而维持多个通道同时稳定放电。本实施中，分压电阻阻值2~10Ω，优选5Ω，电容容值50pF~5nF，优选100pF。

本发明提供的多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴，将滑动弧等离子体激励装置与燃油喷嘴集成在一起，在燃油喷嘴处组织多道滑动电弧，通过等离子体等手段对燃油进行预处理，裂解燃油大分子，生成小分子可燃物；实现选择性的化学反应，改变点火和燃烧过程中的化学反应链并提高化学反应速率。同时，等离子体放电会释放热量，提高燃烧反应的反应速率。通过等离子体对喷嘴出口的燃油施加作用，促进雾化蒸发、提高化学反应速率，有望实现缩短点火延迟时间，拓宽航空发动机极端条件下点火、熄火边界。

另外，本发明可以有效解决航空发动机在高空、高原、高寒、高湿、进气畸变等极端条件下，燃烧室熄火与再点火困难的问题。该多通道放电等离子体燃油裂解气动喷嘴能够实现多通道电弧同步放电，在燃油喷嘴出口处形成大面积等离子体作用区，对燃油进行裂解，产生易燃烧的小分子烯烃；电弧在喷嘴出口处形成稳定热源，起到值班火焰的作用，实现燃烧室可靠点火和稳定燃烧；燃油在滑动弧等离子体和气流共同作用下迅速破碎、雾化、蒸发，提高局部有效当量比；喷嘴内部的气流还起到冷却作用，防止喷嘴温度过高，减缓电极材料及金属壳体的烧蚀，延长喷嘴寿命。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。