基于燃烧室二次流的多阳极滑动弧等离子体点火器及点火方法
技术领域
本发明属于航空发动机燃烧室设计领域，具体涉及一种基于燃烧室二次流的多阳极滑动弧等离子体点火器及点火方法，适用于高空极端条件下航空发动机燃烧室内的可靠点火。
背景技术
航空发动机作为飞行器的“心脏”，对飞行器性能的重要影响。而燃烧室是航空发动机的动力来源，是关键的核心部件之一，其点火性能不但决定了燃烧室的工作范围，也对燃烧室其他性能有重要的影响。发动机高空起动性能，被列为发动机的主要性能指标之一。点火的成功率将直接关系到整个航空发动机的安全、可靠运行，甚至关系到整个飞行器的安全。目前，航空发动机主要采用高能点火电嘴，其具有结构简单、可靠性强的优点，但其高空点火性能存在一定不足。点火器的点火高度指发动机高空熄火后能够点火的最大高度，是点火器点火性能的重要指标。现有高能点火器的点火高度仅为8～9km，采取补氧措施后点火高度可达12～13km。显然，这一指标远小于战斗机的飞行高度。
目前，基于滑动弧的等离子体由于具有点火能量大、分子活性强的优点，在高空点火方面具有巨大潜力。但是目前设计的滑动弧等离子体点火器均为单弧结构，在一个时刻只有一个滑动弧作用于燃气混合区。
为提高滑动弧的点火作用区域，增强点火能量，进一步提高滑动弧等离子体点火器的高空点火能力，有必要设计一种多弧结构的滑动弧等离子体点火器。并且，为了简化结构，去除滑动弧所需的气源系统，与燃烧室结构深度结合，设计利用燃烧室二次流道与火焰筒内压差形成气源，驱动滑动弧产生。
发明内容
为提高航空发动机高空二次点火的可靠性，针对现有单弧滑动弧等离子体点火器不足之处，本发明提出一种基于燃烧室二次流的多阳极滑动弧等离子体点火器，其特征在于，由阴极101，绝缘体102，阳极103，射流孔104，进气孔107组成，其中：
点火器阴极101同时也是点火器的壳体部分，整体呈中间开孔的圆柱体，点火器阴极101的孔内侧固定安装绝缘体102；点火器阴极101的壳体外侧，沿周向加工一个或多个穿透型进气孔107；
绝缘体102的基体为中空圆柱体，绝缘体102内部周向均匀加工多个电极安装孔、或沿点火器阴极101轴向延伸的多个电极安装槽，用于固定安装阳极103；
阳极103由多个长条状金属电极组成，沿绝缘体102边缘周向均匀安装于绝缘体102的电极安装孔或槽内，安装后，阳极103长度方向与点火器阴极101的轴向相平行，并且，阳极103与点火器阴极101之间留有径向间隙，在保证绝缘的同时，该间隙一方面用于引燃滑动弧，另一方面为气流流通提供通道；除阳极103前端的放电端在绝缘体102前端露出外，阳极103的其余部分均被绝缘体102包裹；
射流孔104是在点火器阴极101中间加工的轴向非通孔，绝缘体102插入其中，射流孔104与进气孔107相通；
进气孔107是在点火器阴极101中部打出的一个或多个通孔，打孔轴线方向与点火器阴极101轴线垂直相交，用于为滑动弧提供气源，进气孔107与点火器头部端面的距离需根据所匹配的燃烧室结构确定，确保燃烧室二次流能够通过进气孔107进入射流孔104，进而驱动电弧滑动形成滑动弧等离子体。
在本发明的一个实施例中，
定位台阶105位于点火器阴极101外侧，与点火器阴极101一体化形成，用于准确定位点火器头部离燃烧室壁面的距离；
在点火器阴极101外部加工燃烧室安装螺纹108、点火电缆安装螺纹106，燃烧室安装螺纹108、点火电缆安装螺纹106分别位于点火器的外壁中后部和底部，二者通过定位台阶105间隔开；其中，点火电缆安装螺纹106位于点火器的底部，尺寸由所连接的电缆连接件决定，用于固定点火器与点火电缆；燃烧室安装螺纹108位于定位台阶105之前，其尺寸根据所安装的燃烧室安装接口确定，用于固定点火器于燃烧室壁面。
在本发明的另一个实施例中，点火器阴极101由耐高温金属材料加工而成，其圆柱体外部直径为14～20mm；绝缘体102选用绝缘陶瓷加工，其圆柱体外部直径为8～14mm，通过其外壁底部的外螺纹与点火器阴极101内壁底部的内螺纹连接固定，沿绝缘体102内壁周向均匀加工多个电极安装孔或安装槽，孔直径为0.5～2mm，槽宽为0.5～1mm；阳极103由多个金属电极组成，选用耐高温金属材料加工，阳极103与阴极101之间径向间隙为0.5～2mm；射流孔104直径为7～12mm；进气孔107的孔直径为2～6mm，与点火器头部端面的距离为50～100mm。
在本发明的一个具体实施例中，点火器阴极101由镍合金加工而成，圆柱体的外部直径为16mm；绝缘体102选用三氧化二铝陶瓷加工，圆柱体的外部直径为8mm，电极安装孔4个，孔直径为1mm；阳极103由4个镍合金加工的金属电极组成，阳极103与阴极101之间的径向间隙为1mm；射流孔104直径为10mm；进气孔107四个，其孔直径为5mm，与点火器头部端面的距离为50mm。
还提供一种基于燃烧室二次流的多阳极滑动弧等离子体点火方法，其特征在于，当通过点火电缆与点火电源连接后，通过施加脉冲高压击穿阴极101与阳极103之间的空气，形成等离子体通道；燃烧室的二次流通过进气孔107进入射流孔104，作用于阴阳极之间放电形成等离子体通道；等离子体通道在射流作用下从射流孔喷出从而形成等离子体射流。
与已有的滑动弧等离子体点火器相比，本发明“点火器”改变原有阳极数目，并且利用燃烧室二次流与火焰筒之间的压差驱动产生滑动弧放电，配合一定的点火电源可实现同一时间内产生多个滑动弧，结构简单，有效提高了电源的能量利用率，增加了等离子体与油气混合物的接触区域，增大了初始火核尺寸，将有效改善滑动弧等离子体点火器的点火能力。
附图说明
图1为本发明一种基于燃烧室二次流的多阳极滑动弧等离子体点火器的结构示意图，其中图1(a)为点火器的三维立体图，图1(b)为正视图，图(c)为剖视图；
附图标记：
101——阴极，
102——绝缘体，
103——阳极，
104——射流孔，
105——定位台阶，
106——点火电缆安装螺纹，
107——进气孔
108——燃烧室安装螺纹
具体实施方式
现结合附图1对本发明作进一步描述。
如图1所示，该点火器由阴极101，绝缘体102，阳极103，射流孔104，定位台阶105，点火电缆安装螺纹106，进气孔107，燃烧室安装螺纹108组成，其中：
点火器阴极101同时也是点火器的壳体部分，整体呈中间开孔的圆柱体，点火器阴极101的孔内壁底部加工内螺纹用于固定绝缘体102。点火器阴极101的壳体外侧中部位置，沿周向以均匀间隔加工四个穿透型进气孔107。绝缘体102的基体为中空圆柱体，底部加工螺纹，用于与点火器阴极101固定连接，绝缘体102内部周向均匀加工例如4个电极安装孔(或沿点火器阴极101轴向延伸的电极安装槽)，用于固定安装阳极103。阳极103由4个长条状金属电极组成，沿绝缘体102边缘周向均匀安装于绝缘体102的电极安装孔内，安装后，4个阳极103的长度方向与沿点火器阴极101的轴向平行，并且，阳极103与点火器阴极101之间留有一定间隙，在保证绝缘的同时，该间隙一方面用于引燃滑动弧，另一方面为气流流通提供通道；除阳极103前端的放电端在绝缘体102前端露出外，阳极103的其余部分均被绝缘体102包裹。射流孔104是在点火器阴极101中间加工的轴向非通孔，绝缘体102插入其中，射流孔104与进气孔107相通。定位台阶105位于点火器阴极101外侧，与点火器阴极101一体化形成，用于准确定位点火器头部离燃烧室壁面的距离；例如可以为六棱型。在点火器阴极101外部加工燃烧室安装螺纹108、点火电缆安装螺纹106，燃烧室安装螺纹108、点火电缆安装螺纹106分别位于点火器的外壁中后部和底部，二者通过定位台阶105间隔开。其中，点火电缆安装螺纹106位于点火器的底部，尺寸由所连接的电缆连接件决定，用于固定点火器与点火电缆。进气孔107是在点火器阴极101中部打出的一个或多个通孔，打孔轴线方向与点火器阴极101轴线垂直相交，用于为滑动弧提供气源，位于燃烧室安装螺纹108之前，由进气孔107的四个对称轴决定的平面与绝缘体102(和点火器阴极101)的中轴线相垂直，进气孔107与点火器头部端面的距离需根据所匹配的燃烧室结构确定，确保燃烧室二次流能够通过进气孔107进入射流孔104，进而驱动电弧滑动形成滑动弧等离子体。燃烧室安装螺纹108位于定位台阶105之前，其尺寸根据所安装的燃烧室安装接口确定，用于固定点火器于燃烧室壁面。
在本发明的一个实施例中，点火器阴极101由耐高温金属材料加工而成，其圆柱体外部直径为14～20mm；绝缘体102选用绝缘陶瓷加工，其圆柱体外部直径为8～14mm，通过其外壁底部的外螺纹与阴极内壁底部的内螺纹连接固定，沿绝缘体102内壁周向均匀加工多个电极安装孔，孔直径为0.5～2mm；阳极103由多个金属电极组成，选用耐高温金属材料加工，沿绝缘体边缘周向环形均匀内嵌于绝缘体102内壁之内，阳极103除顶部的放电端在绝缘体102顶部露出外，其余部分均被绝缘体102包裹，阳极103与阴极101之间留有一定径向间隙，间隙为0.5～2mm；射流孔104为非通孔，直径为7～12mm，与进气孔107相通；定位台阶105的形状不局限于六棱形，也可采用圆环形；点火电缆安装螺纹106例如为M18的标准点火电缆接口；进气孔107的孔直径为2～6mm，与点火器头部端面的距离为50～100mm；燃烧室安装螺纹108的尺寸例如为M18。
在本发明的一个具体实施例中，点火器阴极101由镍合金加工而成，圆柱体的外部直径为16mm；绝缘体102选用三氧化二铝陶瓷加工，圆柱体的外部直径为8mm，沿内壁周向均匀加工多个电极安装孔，孔直径为1mm；阳极103由多个镍合金加工的金属电极组成，放电阳极103与阴极101之间的径向间隙距离为1mm；射流孔104直径为10mm；定位台阶105形状为六棱形；点火电缆安装螺纹106为M18的标准点火电缆接口；进气孔107的孔直径为5mm，与点火器头部端面的距离为50mm；燃烧室安装螺纹108的尺寸为M18。
本点火器的工作过程如下，当通过点火电缆与点火电源连接后，通过施加脉冲高压击穿阴极101与阳极103之间的空气，形成等离子体通道。燃烧室的二次流通过进气孔107进入射流孔104，作用于阴阳极之间放电形成等离子体通道。等离子体通道在射流作用下从射流孔喷出从而形成等离子体射流。
本发明提供的基于燃烧室二次流的多阳极滑动弧等离子体点火器其最大特征在于阳极数量。相比于已有的滑动弧等离子体点火器，本发明“点火器”将传统的单阳极改变为多阳极结构，当配合一定的驱动电源时，每一个阳极与阴极之间都将产生等离子体放电通道，通过进气孔引入的燃烧室二次流作用于等离子体放电通道，即可产生射流驱动的多通道滑动弧结构。
与已有滑动弧等离子体点火器相比，本发明的“点火器”有着显著技术优势：通过增加放电通道，增加了滑动弧作用区域，能够有效增加火核尺寸及点火能量，因此点火能力更强。
