激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的方法及裝置，所述方法為：步驟一、將可燃?xì)怏w通入燃燒器噴嘴，調(diào)節(jié)氣流速度使其處于超臨界狀態(tài)；步驟二、金屬靶放置在噴嘴上方并與噴嘴相切，激光器輸出的激光入射到透鏡，經(jīng)透鏡聚焦到金屬靶表面燒蝕金屬靶產(chǎn)生等離子體，可燃?xì)怏w形成的火焰經(jīng)相機(jī)拍攝，測(cè)量可燃?xì)怏w的吹熄極限。所述裝置包括氧化劑氣源、燃料氣源、質(zhì)量流量計(jì)、配氣系統(tǒng)、噴嘴、金屬靶、激光器、透鏡、相機(jī)。本發(fā)明基于激光燒蝕金屬靶等離子體擊穿閾值低的特點(diǎn)，通過燒蝕金屬靶在混合燃?xì)庵挟a(chǎn)生等離子體，形成穩(wěn)定的局部熱源和活性粒子源。本發(fā)明適用于提高氣流速度超臨界燃燒系統(tǒng)中可燃?xì)怏w的吹熄極限。
【專利說明】激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高可燃?xì)怏w吹熄極限的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著超聲速和高超聲速飛行器的發(fā)展，各種氣流速度超臨界燃燒系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。超臨界氣流的速度遠(yuǎn)大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰極易被吹熄，嚴(yán)重影響了燃燒系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和飛行安全。為了防止火焰熄滅，必須解決氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣炔黄ヅ涞膯栴}，需要在燃燒系統(tǒng)中設(shè)置穩(wěn)燃裝置。穩(wěn)燃可通過降低氣流速度和提高火焰?zhèn)鞑ニ俣葍煞N方式來實(shí)現(xiàn)，但降低氣流速度將引起燃料利用率低，燃燒室熱管理等問題，因此采用非介入式的穩(wěn)燃方法提高火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸蔀楫?dāng)前的研究熱點(diǎn)。等離子體助燃技術(shù)正是這樣一種非介入式的穩(wěn)燃手段，它通過等離子體的作用將燃料和氧化劑電離、解離、激發(fā)，成為活性分子、原子、自由基等，從而促進(jìn)混合燃?xì)獾娜紵瘜W(xué)反應(yīng)進(jìn)程，提高可燃?xì)怏w的火焰?zhèn)鞑ニ俣群痛迪O限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有氣流速度超臨界燃燒系統(tǒng)中存在的燃燒不穩(wěn)定、火焰易吹熄的問題，同時(shí)通過激光燒蝕金屬靶解決所需激光脈沖能量高、功耗大、不利于工程應(yīng)用的問題，本發(fā)明提供了一種激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的方法及其裝置。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的方法，它由如下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一、將可燃?xì)怏w通入燃燒器噴嘴，調(diào)節(jié)氣流速度使其處于超臨界狀態(tài)；
步驟二、金屬靶放置在噴嘴上方并與噴嘴相切，激光器輸出的激光入射到透鏡，經(jīng)透鏡聚焦到金屬靶表面燒蝕金屬靶產(chǎn)生等離子體，可燃?xì)怏w形成的火焰經(jīng)相機(jī)拍攝，測(cè)量可燃?xì)怏w的吹熄極限。
[0005]一種實(shí)現(xiàn)上述方法所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，包括氧化劑氣源、燃料氣源、氧化劑氣源質(zhì)量流量計(jì)、燃料氣源質(zhì)量流量計(jì)、配氣系統(tǒng)、噴嘴、金屬靶、相機(jī)以及沿光軸方向依次設(shè)置的激光器和透鏡；所述燃料氣源的出氣口與燃料氣源質(zhì)量流量計(jì)的入氣口相連，氧化劑氣源的出氣口與氧化劑氣源質(zhì)量流量計(jì)的入氣口相連，氧化劑氣源質(zhì)量流量計(jì)和燃料氣源質(zhì)量流量計(jì)的出氣口與配氣系統(tǒng)的入氣口相連，配氣系統(tǒng)的出氣口與噴嘴的入氣口相連，金屬靶放置在噴嘴上方并與噴嘴相切，噴嘴位于透鏡的前方，透鏡的焦點(diǎn)位于金屬靶的表面，相機(jī)位于噴嘴的一側(cè)垂直于激光光路放置用于拍攝可燃?xì)怏w形成的火焰。激光器輸出的激光入射到透鏡，經(jīng)透鏡聚焦到金屬靶表面。可燃?xì)怏w形成的火焰經(jīng)相機(jī)拍攝，測(cè)量可燃?xì)怏w的吹熄極限。
[0006]本發(fā)明基于激光燒蝕金屬靶等離子體擊穿閾值低的特點(diǎn)，通過燒蝕金屬靶在混合燃?xì)庵挟a(chǎn)生等離子體，形成穩(wěn)定的局部熱源和活性粒子源。等離子體中含有大量的活性分子、原子和自由基，這些活性基團(tuán)加速了燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，提高了可燃?xì)怏w的火焰的傳播速度和吹熄極限。本發(fā)明適用于提高氣流速度超臨界燃燒系統(tǒng)中可燃?xì)怏w的吹熄極限。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0009]【具體實(shí)施方式】一:如圖1所示，本實(shí)施方式提供的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，包括氧化劑氣源1、燃料氣源2、氧化劑氣源質(zhì)量流量計(jì)3、燃料氣源質(zhì)量流量計(jì)4、配氣系統(tǒng)5、噴嘴6、金屬靶7、相機(jī)10以及沿光軸方向依次設(shè)置的激光器9和透鏡8 ;所述燃料氣源2的出氣口與燃料氣源質(zhì)量流量計(jì)4的入氣口相連，氧化劑氣源I的出氣口與氧化劑氣源質(zhì)量流量計(jì)3的入氣口相連，氧化劑氣源質(zhì)量流量計(jì)3和燃料氣源質(zhì)量流量計(jì)4的出氣口與配氣系統(tǒng)5的入氣口相連，配氣系統(tǒng)5的出氣口與噴嘴6的入氣口相連，金屬IE 7放置在噴嘴6上方并與噴嘴6相切,噴嘴6位于透鏡8的前方,透鏡8的焦點(diǎn)位于金屬靶7的表面，相機(jī)10位于噴嘴6的一側(cè)垂直于激光光路放置用于拍攝可燃?xì)怏w形成的火焰。燃料和氧化劑的流量通過質(zhì)量流量計(jì)控制，通過調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)使可燃?xì)怏w的氣流速度處于超臨界狀態(tài)。
[0010]使用時(shí)，將可燃?xì)怏w通入噴嘴，調(diào)節(jié)氣流速度使其處于超臨界狀態(tài)；激光器輸出的激光入射到透鏡，經(jīng)透鏡聚焦到金屬靶表面燒蝕金屬靶產(chǎn)生等離子體，可燃?xì)怏w形成的火焰經(jīng)相機(jī)拍攝，測(cè)量可燃?xì)怏w的吹熄極限。
[0011]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是，所述燃料為甲烷、丙烷、氫氣、天然氣中的一種；氧化劑為氮?dú)?氧氣混合氣，且氧氣的體積分?jǐn)?shù)為5-100%。
[0012]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一、二不同的是，所述激光器為脈沖固體激光、脈沖準(zhǔn)分子激光的一種，激光波長為1064 nm及其高階倍頻、694.3nm及其高階倍頻、308 nm、248 nm的一種，激光重頻為10-1000 Hz，激光脈沖能量為2-2000 mj。
[0013]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三不同的是，所述透鏡焦距為5-2000 mm。
[0014]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四不同的是，所述聚焦點(diǎn)的位置距離噴嘴出口端面5倍噴嘴直徑范圍內(nèi)。
[0015]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五不同的是，所述金屬靶的材料為鉭、鎢、錸、鈦、不銹鋼、鋁合金等材料的一種。
【權(quán)利要求】
1.一種激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，其特征在于所述裝置包括氧化劑氣源、燃料氣源、氧化劑氣源質(zhì)量流量計(jì)、燃料氣源質(zhì)量流量計(jì)、配氣系統(tǒng)、噴嘴、金屬靶、相機(jī)以及沿光軸方向依次設(shè)置的激光器和透鏡；所述燃料氣源的出氣口與燃料氣源質(zhì)量流量計(jì)的入氣口相連，氧化劑氣源的出氣口與氧化劑氣源質(zhì)量流量計(jì)的入氣口相連，氧化劑氣源質(zhì)量流量計(jì)和燃料氣源質(zhì)量流量計(jì)的出氣口與配氣系統(tǒng)的入氣口相連，配氣系統(tǒng)的出氣口與噴嘴的入氣口相連，金屬祀放置在噴嘴上方并與噴嘴相切，噴嘴位于透鏡的前方，透鏡的焦點(diǎn)位于金屬靶的表面，相機(jī)位于噴嘴的一側(cè)垂直于激光光路放置用于拍攝可燃?xì)怏w形成的火焰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，其特征在于所述燃料為甲烷、丙烷、氫氣、天然氣中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，其特征在于所述氧化劑為氮?dú)?氧氣混合氣，且氧氣的體積分?jǐn)?shù)為5-100%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，其特征在于所述激光器為脈沖固體激光、脈沖準(zhǔn)分子激光的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，其特征在于所述激光波長為1064 nm及其高階倍頻、694.3 nm及其高階倍頻、308 nm、248 nm的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，其特征在于所述激光重頻為10-1000 Hz，激光脈沖能量為5-2000 mj。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，其特征在于所述透鏡焦距為5-2000 mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，其特征在于所述聚焦點(diǎn)的位置距離噴嘴出口端面5倍噴嘴直徑范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置，其特征在于所述金屬靶的材料為鉭、鎢、錸、鈦、不銹鋼、鋁合金中的一種。
10.一種利用權(quán)利要求1-9任一權(quán)利要求所述的激光燒蝕金屬靶等離子體提高可燃?xì)怏w吹熄極限的裝置提高可燃?xì)怏w吹熄極限的方法，其特征在于所述方法由如下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一、將可燃?xì)怏w通入燃燒器噴嘴，調(diào)節(jié)氣流速度使其處于超臨界狀態(tài)； 步驟二、金屬靶放置在噴嘴上方并與噴嘴相切，激光器輸出的激光入射到透鏡，經(jīng)透鏡聚焦到金屬靶表面燒蝕金屬靶產(chǎn)生等離子體，可燃?xì)怏w形成的火焰經(jīng)相機(jī)拍攝，測(cè)量可燃?xì)怏w的吹熄極限。
【文檔編號(hào)】F23R3/40GK103982910SQ201410236529
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】于欣, 李曉暉, 于楊, 彭江波, 樊榮偉, 陳德應(yīng) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)