[發明專利]納秒激光誘導等離子體提高氣體碳氫燃料穩燃極限的方法及實現該方法的裝置

有效

• 申請號: 201310308639.1
• 申請日: 2013-07-22
• 公開（公告）號: CN103343735A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 于欣;李曉暉;劉倡;彭江波;于楊;樊榮偉;陳德應
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: F03H1/00
• 分類號: F03H1/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明涉及一種提高氣體碳氫燃料穩燃極限的方法及實現該方法的裝置。

背景技術

等離子體助燃是通過將燃料和氧化劑電離、解離或激發為活性分子、原子、自由基和分子碎片等促進燃燒氧化進程，提高燃燒速度和燃燒效率。近年來，隨著節能減排需求的日益迫切和航天航空領域超聲速和高超聲速飛行器成為主流發展方向，發展各種氣流速度超臨界燃燒系統成為主流趨勢。然而，為了在超臨界氣流中實現穩定燃燒，火焰穩定技術必不可少。高超聲速飛行器采用超燃沖壓發動機作為其動力系統。超燃沖壓發動機的氣流速度為超聲速，在超聲速氣流中組織燃燒，其工作范圍是6-12馬赫，氣流駐留典型時間僅為毫秒量級。其主要問題在于氣流速度遠大于火焰傳播速度，火焰極易吹熄，為了防止火焰熄滅，必須解決氣流速度與火焰傳播速度不匹配的問題，因此需要設置火焰穩定裝置。穩定燃燒可通過提高火焰傳播速度和降低氣流速度兩種方式來實現，但降低流速將導致燃料不能充分釋放能量，燃料利用效率不高，發動機不能獲得有效推力，因此，應用非介入式的等離子體助燃方法來促進燃料氧化反應速率，提高火焰傳播速度正在成為當下全球十分關注的熱門課題。

發明內容

本發明是為了解決現有氣流速度超臨界燃燒系統中存在的燃燒不穩定、火焰易吹熄的問題，從而提供一種納秒激光誘導等離子體提高氣體碳氫燃料穩燃極限的方法及實現該方法的裝置。

納秒激光誘導等離子體提高氣體碳氫燃料穩燃極限的方法，它由以下步驟實現：

步驟一、將預混罐中的混合可燃氣體通入石英管中，并在石英管口處將混合氣體點燃，形成本生燈火焰，并使混合可燃氣體的流速處于超臨界狀態；

步驟二、采用納秒激光器發射激光光束，并將所述納秒激光光束聚焦在步驟一所述的混合可燃氣體的未燃區域，誘導混合可燃氣體產生等離子體，實現提高火焰穩定極限。

實現上述方法所述的納秒激光誘導等離子體提高氣體碳氫燃料穩燃極限的裝置，它包括N₂氣瓶4、O₂氣瓶5、CH₄氣瓶6、預混罐7、石英管9、Nd:YAG激光器10、反射鏡11、分光鏡12和透鏡13；

N₂氣瓶4的出氣口與預混罐7的N₂進氣口連通；所述O₂氣瓶4的出氣口與預混罐7的O₂進氣口連通；所述CH₄氣瓶4的出氣口與預混罐7的CH₄進氣口連通；預混罐7的出氣口與石英管9的末端連通；

Nd:YAG激光器10產生的激光經反射鏡11反射至分光鏡12，經分光鏡12分成反射光和透射光；所述一號反射光出射至外部；透射光入射至透鏡13；經透鏡13聚焦至石英管9的出氣口上。

它還包括調焦望遠鏡16和ICCD15，所述本生燈火焰產生的光經調焦望遠鏡16成像到ICCD15上。

它還包括雙通道能量計2，一號反射光入射至雙通道能量計2的探頭。

它還包括計算機1和延時發生器14，所述延時發生器14的延時信號輸出端與Nd:YAG激光器10的延時信號輸入端、雙通道能量計2的延時信號輸入端、ICCD15的延時信號輸入端連接；所述計算機1的圖像信號輸入端與ICCD15的圖像信號輸出端連接。

它還包括流量控制器3和三個電控閥，所述三個電控閥分別設置在N₂氣瓶4的出氣口處、O₂氣瓶5的出氣口處和CH₄氣瓶6的出氣口處；所述流量控制器3的三個控制信號輸出端與三個電控閥的控制信號輸入端連接。

Nd：YAG激光器輸出激光的波長為1064nm或532nm；輸出的脈沖能量在40mJ～200mJ之間；重復頻率為100Hz～500Hz；脈沖寬度為5ns～20ns。

透鏡13將光束聚焦至石英圓管中軸線上，位于石英管9的管口處與從該管口起向上3倍管徑的高度范圍內。

本發明基于納秒激光重頻高、脈寬窄和峰值功率高的特點，將激光光束聚焦在混合氣體未燃區域，形成一個穩定的熱源和高活性粒子源。納秒激光誘導的等離子體中含有大量的活性自由基、原子和分子碎片，這些活性粒子誘發并加速燃燒鏈式反應速度，加快化學反應放熱，提高燃氣溫度，從而有效提高燃料的燃燒效率，形成一個以等離子體核為頂點的穩定火焰，提高火焰的穩定性，擴展火焰的穩定極限，使火焰不易吹熄。

附圖說明

圖1是本發明裝置的結構示意圖。

具體實施方式