放电等离子体增强掺混喷嘴

1.本发明涉及喷嘴技术领域，尤其涉及一种放电等离子体增强掺混喷嘴。


背景技术：

2.超燃冲压发动机的喷嘴在进行喷射作业时，燃烧室内燃料与来流的掺混持续时间比燃烧过程更久，是运行作业中的关键步骤之一，掺混效果高低将直接影响燃烧室内点火性能和燃烧效率。横向射流是最为常见的燃料喷注方式，具有结构简单、造成总压损失小、不需要考虑热防护问题等优点。但利用横向射流进行燃料喷注时，往往存在燃料与来流掺混效率低的弱点，因此提升横向射流掺混效率至关重要。
3.为了提高掺混效率，常见的方法中被动式有在燃烧室内增加斜坡、支板等；主动式有声学激励、霍尔姆兹谐振器等。等离子体主动流动控制技术也是一种有效的增强掺混手段。超声速来流下，直流电弧等离子体、等离子体射流、脉冲激光等离子体可以增加来流湍流度或与来流相互作用形成大尺度涡结构，提高燃料掺混效果。增加斜坡或支板等被动式掺混方法因其构件侵入流场，会使燃烧室承受较高的热负荷，还会造成额外的总压损失；声学激励、霍尔姆兹谐振器等传统主动掺混增强技术存在技术响应慢等缺点。
4.利用等离子体提高燃烧室内燃料与来流掺混效果具有广阔研究前景，但目前直流电弧等离子体激励功率极高，可达十几千瓦，激励功率过高不仅造成能源损耗，还会排放额外的氮氧化物污染环境；等离子体射流会在燃烧室内诱导产生新的激波，增加总压损失，降低发动机工作性能；激光诱导等离子体激励系统复杂。
5.因此，目前缺少既可以做到技术响应快，又能实现激励功率低，进而引起总压损失小的提升掺混效率的装置。


技术实现要素：

6.对上述目前存在的问题，本发明提供一种放电等离子体增强掺混喷嘴，以解决超燃冲压发动机喷嘴掺混效率低的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：本发明提供了一种放电等离子体增强掺混喷嘴，包括：绝缘外壳、喷嘴组件和等离子体激励组件；所述绝缘外壳开设有通孔，所述通孔贯穿所述绝缘外壳；所述喷嘴组件插装于所述通孔，所述喷嘴组件与所述绝缘外壳之间具有间隙；所述喷嘴组件设置有喷孔，所述喷孔的出口正对所述通孔的出口；所述等离子体激励组件设置于所述间隙，且与所述喷嘴组件抵接，所述等离子体激励组件用于产生放电等离子体，以作用于通过喷嘴组件的燃料。
8.在可选的实施方式中，所述喷嘴组件还包括喷嘴底座和连接于所述喷嘴底座上方的喷嘴柱；所述喷孔贯穿所述喷嘴底座和所述喷嘴柱。
9.在可选的实施方式中，所述等离子体激励组件包括高压电极、阻挡层和地电极；所述高压电极、所述阻挡层和所述地电极均包绕于所述喷嘴柱的外表面；所述高压电极与激励电源的高压端连接；所述地电极与地线连接。
10.在可选的实施方式中，还包括金属底座；所述金属底座插装于所述绝缘外壳，且顶部设置有开口朝上的凹槽；所述喷嘴底座插装于所述凹槽。
11.在可选的实施方式中，所述金属底座的下部开设有进气道，且与所述喷孔连通，所述进气道用于与燃料供应管路连接。
12.在可选的实施方式中，所述绝缘外壳的内部开设有多个导线通道，所述导线通道的起始端与所述高压电极或所述地电极连通，所述导线通道用于容纳电极线。
13.在可选的实施方式中，所述喷孔与所述通孔同轴设置。
14.在可选的实施方式中，所述绝缘外壳的外表面设置有用于与燃烧室连接的螺纹。
15.在可选的实施方式中，所述金属底座的竖直截面为h型，且外表面设置有用于与所述绝缘外壳连接的螺纹。
16.在可选的实施方式中，所述喷嘴组件的材质为绝缘材料。
17.综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：本发明提供的放电等离子体增强掺混喷嘴，包括：绝缘外壳、喷嘴组件和等离子体激励组件；绝缘外壳开设有通孔，通孔贯穿绝缘外壳；喷嘴组件插装于通孔，喷嘴组件与绝缘外壳之间具有间隙；喷嘴组件设置有喷孔，喷孔的出口正对通孔的出口；等离子体激励组件设置于间隙，且与喷嘴组件抵接，等离子体激励组件用于产生放电等离子体，以作用于通过喷嘴组件的燃料。
18.通过将喷嘴组件插装于绝缘外壳开设的通孔，且等离子体激励组件设置于喷嘴组件与绝缘外壳之间的间隙，等离子体激励组件产生放电等离子体，作用于流经的燃料，放电等离子体产生时，电子和离子在电场中定向运动，与中性粒子碰撞，将其动量、能量传输给周围空气，使高压电极附近的空气定向移动，形成冲击波和诱导射流，干扰了流经燃料的边界层流动，诱发射流失稳，提高掺混效果。放电等离子体激励方式，具有响应速度快、激励功率低的优点，同时，将等离子体激励组件耦合至燃料喷口中，在提升掺混效果的同时，减少了燃烧室内额外总压损失，解决了超燃冲压发动机喷嘴掺混效率低的问题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为喷嘴组件和等离子体激励组件的结构示意图；图2为喷嘴组件和等离子体激励组件的剖视图；图3为绝缘外壳的结构示意图；图4为金属底座的结构示意图；图5为喷嘴底座和金属底座的剖视图；图6为放电等离子体增强掺混喷嘴的结构示意图；图7为放电等离子体增强掺混喷嘴的剖视图。
21.图标：100-绝缘外壳；110-通孔；120-导线通道；200-喷嘴组件；210-喷孔；220-喷嘴底座；230-喷嘴柱；300-等离子体激励组件；310-高压电极；320-阻挡层；330-地电极；400-金属底座；500-激励电源。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
23.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.目前缺少一种既可以做到快速主动流动控制，又能实现激励功率低、引起总压损失小、结构简单、操作性强的提升掺混效率途径。
26.有鉴于此，本发明提供了一种放电等离子体增强掺混喷嘴，包括：绝缘外壳100、喷嘴组件200和等离子体激励组件300；绝缘外壳100开设有通孔110，通孔110贯穿绝缘外壳100；喷嘴组件200插装于通孔110，喷嘴组件200与绝缘外壳100之间具有间隙；喷嘴组件200设置有喷孔210，喷孔210的出口正对通孔110的出口；等离子体激励组件300设置于间隙，且与喷嘴组件200抵接，等离子体激励组件300用于产生放电等离子体，以作用于通过喷嘴组件200的燃料。
27.通过将喷嘴组件200插装于绝缘外壳100开设的通孔110，且等离子体激励组件300设置于喷嘴组件200与绝缘外壳100之间的间隙，等离子体激励组件300产生放电等离子体，作用于流经的燃料，放电等离子体产生时，电子和离子在电场中定向运动，与中性粒子碰撞，将其动量、能量传输给周围空气，使高压电极附近的空气定向移动，形成冲击波和诱导
射流，干扰了流经燃料的边界层流动，诱发射流失稳，提高掺混效果。放电等离子体激励方式，具有响应速度快、激励功率低的优点，同时，将等离子体激励组件300耦合至燃料喷口中，在提升掺混效果的同时，减少了燃烧室内额外总压损失，解决了超燃冲压发动机喷嘴掺混效率低的问题。
28.以下结合图1-图7对本实施例提供的放电等离子体增强掺混喷嘴的结构和形状进行详细说明。
29.关于绝缘外壳100的形状和结构，详细而言：如图3所示，绝缘外壳100开设有通孔110，通孔110贯穿于绝缘外壳100。
30.具体的，绝缘外壳100上表面中心位置设置有通孔110，通孔110截面可设置为圆形，其半径r1为3mm，可根据实际情况改变半径值；绝缘外壳100可由陶瓷或聚四氟乙烯或其他具有良好绝缘特性的结构性材料制成。
31.优选的，绝缘外壳100的外表面设置有用于与燃烧室连接的螺纹。
32.优选的，绝缘外壳100的内部开设有多个导线通道120，导线通道120的起始端与高压电极310或地电极330连通，导线通道120用于容纳电极线。具体而言，举例说明，绝缘外壳100内部可以设置四条导线通道120，用于根据实际情况和燃烧室构型连接高压电极310线与地电极330线，导线通道120数和位置可根据实际情况改变。
33.关于喷嘴组件200的形状和结构，详细而言：喷嘴组件200插装于通孔110，喷嘴组件200与绝缘外壳100之间具有间隙。喷嘴组件200设置有喷孔210，喷孔210的出口正对通孔110的出口。
34.具体的，举例而言，喷孔210的半径r2为2mm，可根据实际情况改变半径值，喷孔210与通孔110可同轴设置；喷嘴组件200与绝缘外壳100之间预留有间隙，举例而言，间隙可以为狭缝，其长度为15mm，宽度为1mm，当然可根据实际情况改变数值。
35.优选的，如图1所示，喷嘴组件200还包括喷嘴底座220和连接于喷嘴底座220上方的喷嘴柱230；如图2所示，喷孔210贯穿喷嘴底座220和喷嘴柱230。
36.优选的，喷嘴组件200的材质为绝缘材料。
37.具体而言，喷嘴组件200可由陶瓷或聚四氟乙烯或其他具有良好绝缘特性的结构性材料制成，绝缘外壳100和喷嘴设置为绝缘材料，可满足等离子体激励组件300放电时对载体的绝缘性要求，防止施加的高压电与燃烧室壁面及外部发生导通；喷嘴底座220和喷嘴柱230可设置为柱形结构，喷嘴柱230的柱径小于喷嘴底座220的柱径，喷嘴底座220的外表面具有螺纹结构，用于与金属底座400牢靠组装。
38.关于等离子体激励组件300的形状和结构，详细而言：等离子体激励组件300设置于间隙，且与喷嘴组件200抵接，等离子体激励组件300用于产生放电等离子体，以作用于通过喷嘴组件200的燃料。
39.优选的，如图7所示，等离子体激励组件300包括高压电极310、阻挡层320和地电极330；高压电极310、阻挡层320和地电极330均包绕于喷嘴柱230的外表面；高压电极310与激励电源500的高压端连接；地电极330与地线连接。
40.具体的，间隙的位置可设置在靠近喷孔210出口的一端，高压电极310和地电极330可为金属材料制作的长条形薄片，根据喷孔210的尺寸围绕成环形敷设在间隙内，厚度为0.5mm，可根据实际情况改变数值，高压电极310与激励电源500的高压端连接，地电极330与
地线连接，阻挡层320可为陶瓷或聚四氟乙烯或kapton或其他具有良好绝缘特性的材料制成，激励电源500为交流电源或脉冲电源。
41.为了方便输送燃料，优选的，本实施例还设置有金属底座400，关于金属底座400的形状和结构，详细而言：如图6所示，金属底座400插装于绝缘外壳100，且顶部设置有开口朝上的凹槽；喷嘴底座220插装于凹槽。金属底座400的下部开设有进气道，且与喷孔210连通，进气道用于与燃料供应管路连接。金属底座400的竖直截面为h型，且外表面设置有用于与绝缘外壳100连接的螺纹。
42.具体的，如图4和图5所示，金属底座400为一“h”型金属件，其外侧有底座螺纹，用于与绝缘外壳100牢靠组装；金属底座400上部存在一“凹”型槽，用于装载喷嘴底座220；金属底座400下部设置有进气道，进气道与燃料供应管路连通。
43.本实施例提供的放电等离子体增强掺混喷嘴的工作过程如下：第一步，安装等离子体激励组件300，根据研究需要，将高压电极310、阻挡层320、地电极330围绕喷嘴柱230上部敷设，电极极性与具体敷设位置等参数可根据实际情况进行调整；第二步，连接喷组件与金属底座400；第三步，连接金属底座400与绝缘外壳100，确保等离子体激励组件300位于间隙内，其导线由导线通道120导出；第四步，将组装好的本装置安装在燃烧室壁面；第五步，将导线分别连接至高压电源和地线；第六步，根据研究需要，调节激励电源500参数；第七步，在本装置工作时，燃料从金属底座400下部进气道中流入，经喷孔210喷出注入来流中，等离子体激励组件300可产生放电等离子体，作用于附近的燃料，影响燃料流动时的边界层，提高燃料喷出后的湍流程度，提升掺混效率。
44.本实施例提供的放电等离子体增强掺混喷嘴，在指定预留位置敷设高压电极310与地电极330，两电极间加入阻挡层320后，通过高压电源激励会形成连续稳定大面积等离子体，作用于流经的燃料，放电等离子体产生时，电子和离子在电场中定向运动，与中性粒子碰撞，将其动量、能量传输给周围空气，使高压电极310附近的空气定向移动，形成冲击波和诱导射流，干扰了流经燃料的边界层流动，诱发射流失稳，提高掺混效果。
45.此外，由于等离子体产生效果和特性可与外加电源激励模式、电源参数、激励器构型联系紧密，可通过切换电源极性、电源激励模式、调节电源参数对其进行主动控制。
46.本实施例提供的放电等离子体增强掺混喷嘴，采用放电等离子体激励方式，具有响应速度快、激励功率低等优点；同时，本装置结构简单，连接牢固，拆卸装配方便，将放电等离子体激励器耦合至燃料喷口中，在提升掺混效果的同时，最大程度上减少了燃烧室内额外总压损失；本实施例提供的放电等离子体增强掺混喷嘴，绝缘外壳100、金属底座400、喷嘴组件200可为分体加工再装配，等离子体激励组件300敷设在绝缘外壳100与喷嘴组件200之间的预留狭缝内，可在装配前进行预敷设，同时可以根据实际需求进行电极极性、结构进行更改变换，操作灵活性强。
47.本实施例提供的放电等离子体增强掺混喷嘴，维护简单，维护工作主要包括检查等离子体激励组件300中高压电极310的磨损与腐蚀等情况、检查构件损耗情况，维护时更换电极或相关构件即可。
48.另外，本实施例提供的放电等离子体增强掺混喷嘴应用场景广泛，不仅适用于气体燃料，也适用于液体燃料；不仅适用于在超燃冲压发动机燃烧室中，也适用于火箭发动机、爆震发动机等其他发动机，同时适用于基础性实验研究。
49.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。