一种基于非平衡态等离子体推进气体的弱爆震方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于非平衡态等离子体推进气体的弱爆震方法及装置，包括等离子体缩放发生管、弱爆震室和磁流体发电室，等离子体缩放发生管设有燃料气和氧化剂进口，等离子体缩放发生管和弱爆震室连接，弱爆震室和磁流体发电室连接，磁流体发电室向等离子体缩放发生管提供电能。本发明利用非平衡态等离子体的推动气体对弱爆震入口参数进行调节。当外界参数变化的时候，非平衡态等离子体的出口参数依然可以维持在一个稳定的范围内，使得弱爆震过程有着稳定的入口参数，从而可以实现稳定的持续弱爆震。

说明书

技术领域

本发明涉及一种稳定爆震方法，尤其是一种基于非平衡态等离子体推进气体 的弱爆震方法及装置。

背景技术

燃烧是推进系统和发电系统中十分重要的过程，其将燃料的化学能转变为工 质的热能，再转变为动能或者电能。目前，发动机和发电技术的燃烧过程基本按 照等压燃烧过程处理，热循环效率较低，严重制约了发动机和发电技术总效率的 提高。

爆震是指由于燃烧混合物被高能量所激发，燃烧面以爆震波的形式向未燃混 合物传播的燃烧过程。爆震波能够产生极高的燃气压力和燃气温度，爆震燃烧过 程接近等容燃烧过程。当外界参数有一个较小的变化时，爆震波的参数会出现很 大的波动，因此持续的爆震过程很难维持稳定。

目前，基于爆震过程的装置主要应用于推进系统，比如爆震推力器、爆震冲 压发动机等，其相比较传统的发动机有着更高的热循环效率。另外，基于爆震过 程的磁流体发电技术的概念也被提出，由于爆震之后的燃气比定压燃烧的焓值高 很多，所以有望大幅提高有着极高焓值取用率的磁流体发电技术的发电效率。这 些利用持续爆震波的技术在稳定爆震波方面遇到了困难，使得其较难推广到实际 应用中。采用基于非平衡态等离子体推进气体的弱爆震方法，可以在较短的时间 内响应外界参数的变化，对弱爆震的进口参数进行调节，得到稳定的持续弱爆震。

发明内容

发明目的：本发明提出一种基于非平衡态等离子体推进气体的弱爆震方法及 装置，实现稳定的持续弱爆震。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种基于非平衡态等离子体推进气体的 弱爆震方法，步骤为：

1）将氧化剂和燃料气送入等离子体缩放发生管中，产生非平衡态等离子体射 流；

2）步骤1）得到的非平衡态等离子体射流进入弱爆震室进行连续稳定的弱 爆震，并得到高速高焓值的非平衡态等离子体射流；

3）步骤2）产生的高速高焓值非平衡态等离子体射流进入磁流体发电室， 以产生电动势，该电动势供给步骤1）中的等离子体缩放发生管。

优选地，所述步骤1）中氧化剂与燃料气的化学反应当量比1.0～1.5倍，质 量流量为1kg/s，等离子体缩放发生管的电压为1kV～20kV，频率为 10kHz～50kHz，磁感应强度为0.2T～2.5T。所述步骤1）中所述燃料气为C1～C4 的碳氢化合物、氢气、一氧化碳、天然气、石油气、煤气中的任意一种，氧化剂 为空气或氧气。燃料气中还加入了易于电离的氩气或氦气。

优选地，所述步骤2）弱爆震过程中使用空气或纯氧作为氧化剂。

优选地，所述步骤3）所述电动势通过切换器连接到等离子体缩放发生管。

一种基于非平衡态等离子体推进气体的弱爆震装置，包括等离子体缩放发生 管、弱爆震室和磁流体发电室，等离子体缩放发生管设有燃料气和氧化剂进口， 等离子体缩放发生管和弱爆震室连接，弱爆震室和磁流体发电室连接。

优选地，所述的等离子体缩放发生管的截面为圆形，其入口半径为 0.25m～0.50m，喉部半径为0.08m～0.18m，出口半径为0.13～0.28m，等离子体缩 放发生管内的电极分布于入口和出口附近，并且内有常导电磁体。

优选地，所述的弱爆震室，可以为圆管或者方管，管子可以为螺旋管或者光 滑管。

优选地，在磁流体发电室中设有一对电极，电能经由导线从两电极输送到等 离子体缩放发生管中，磁流体发电室中还设有切换器。

有益效果：.本发明利用非平衡态等离子体的推动气体对弱爆震入口参数进 行调节。当外界参数变化的时候，非平衡态等离子体的出口参数依然可以维持在 一个稳定的范围内，使得弱爆震过程有着稳定的入口参数，从而可以实现稳定的 持续弱爆震。本发明利用非平衡态等离子体的推动气体可以对外界参数变化进行 快速响应，其响应时间在数量级上小于流体响应的时间，从而使得弱爆震入口参 数保持稳定。本发明利用非平衡态等离子体的推动气体可以强化弱爆震燃烧过 程。等离子体内含有大量的自由集团，如O、H、OH等，使弱爆震易于发生， 并且强化弱爆震过程。本发明装置的出口气体是具有极高速度、极高焓值的高压 气体，该气体可以送入磁流体发电装置或者推动装置中进行后续做功，输出功率 最高可以达到120kW。

附图说明

图1为实施例1中弱爆震装置的结构示意图；

图2为实施例1中等离子体缩放发生管的结构示意图；

图3为实施例1中磁流体发电室的结构示意图；

图4为实施例2中等离子体缩放发生管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员 对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1：一种基于非平衡态等离子体推进气体的弱爆震方法，步骤为：第 一步，产生高速的非平衡态等离子体射流：将常温常压的氧化剂和燃料气按照化 学反应当量比1.0～1.5倍，质量流量为1kg/s的速度送入电压为1kV～20kV，频 率为10kHz～50kHz，磁感应强度为0.2T～2.5T的等离子体缩放发生管中，产生电 导率为10S/m～20S/m、速度为300m/s～500m/s，温度为500K～800K，压力为 0.96atm～0.98atm的具有磁流体特性的非平衡态等离子体射流。所述的燃料气为 C1～C4的碳氢化合物、氢气、一氧化碳、天然气、石油气、煤气中的任意一种， 氧化剂为空气或氧气。为提高电导率，可以在燃料中添加适当比例的易于电离的 氩气或氦气等气体。等离子体缩放发生管中的电场与磁场呈正交关系。上述给出 的等离子体缩放发生管的电压、频率均可调节，因此可以通过改变电压和频率来 改变等离子体缩放发生管送出的非平衡态等离子体射流的工质动能，以满足下一 步实现弱爆震的需要。

第二步，非平衡态等离子体射流弱爆震：第一步得到的非平衡态等离子体射 流进入弱爆震室进行连续稳定的弱爆震，得到温度为2300K～2800K，压力 0.2MPa～0.6MPa，速度为200m/s～400m/s的高焓值、高速的等离子体射流；爆燃 过程中使用空气作为氧化剂，如果使用纯氧作为氧化剂可以获得更好的爆燃效 果。弱爆燃室可以为圆管或者方管，管子可以为螺纹管或者光滑管，如果使用螺 纹管爆燃效果将更好。非平衡态等离子体响应外界参数变化的时间尺度为 10-4s～10-5s，而流体响应外界参数变化的时间尺度在10-2s～10-3s。使用非平衡态 等离子体推进气体对外界参数变化的响应时间在数量级上小于流体响应的时间， 从而使得弱爆震入口参数保持稳定。

第三步，磁流体发电供给系统用电：第二步产生的具有极高焓值的高速非平 衡态等离子体射流进入磁感应强度为0.2T～2.5T的常导电磁体磁场内运动，产生 电动势。在磁流体发电段，高速的磁流体切割磁感线，在与磁场正交的方向上产 生电动势，将磁流体的焓值转化成为电能，该电动势由导线从两电极引出，供给 等离子体缩放发生管的用电。出口温度为1800K～2200K，压力为0.2MPa～0.4MPa 的高温、高速、高压气体可以送入磁流体发电装置或者推动装置中进行后续做功， 输出功率最高可以达到120kW。等离子体缩放发生管的初始励磁电流由外接电 源给出，在正常发电后，通过切换器切换，励磁电流由自身发电供应。

一种基于非平衡态等离子体推进气体的弱爆震装置，由等离子体缩放发生 管，弱爆震室，磁流体发电室组成。等离子体缩放发生管和弱爆震连接，弱爆震 室和磁流体发电室连接。等离子体缩放发生管设有燃料气进口1和氧化剂进口2， 如图1所示。

等离子体缩放发生管内的电极分布于入口和出口附近，并且内有常导电磁 体，以产生与电场正交的磁场。所述电极为等离子体缩放发生管的入口和出口处 设有的一对平行环状电极，平行环状电极与电源连接，如图2所示。弱爆震室可 以为圆管或者方管，管子可以为螺旋管或者光滑管，如果采用螺旋管效果更佳。 磁流体发电室中设有一对电极，电能经由导线从两电极输送到等离子体缩放发生 管中。磁流体发电室中还设有切换器，如图4所示。

实施例2：等离子体缩放发生管内的电极为等离子体的入口处设有的一排针 状电极，出口处设有的一环状电极，两电极与电源相连，如图3所示。

本实施例的其他部分与实施例1相同。