一种多电极连续放电的火花放电发生装置

本技术涉及航空发动机点火领域，尤其是一种多电极连续放电的火花放电发生装置。

背景技术：

1、燃烧室是航空发动机的核心部件之一，其点火可靠性是燃烧室设计的基本性能要求，事关发动机启动与安全飞行。实际运行中，航空发动机点火往往涉及多种极端情况(空中熄火后重启，连续点火操作以及高原高寒条件下的启动)，给航空发动机点火的稳定性与可靠性带来了新的挑战。目前，民用航空器发动机多选用半导体火花塞用作燃烧室的点火器，半导体火花塞具有结构简单、可控性强、成本低等优点，配备相应的点火电路，共同组成航空发动机的点火装置，利用该点火装置产生足够温度、尺寸的高温火团，使得火焰传充满整个燃烧室内，进而保证航空发动机电点火的可靠完成。

2、现有的半导体火花塞多采用单电极结构，虽然操作简便但却具有火花放电能量转化率低，失火率高等缺点。

技术实现思路

1、本技术人针对上述提出的现有单电极火花塞点火装置能量转化率低，失火率高的技术问题及技术需求，提出了一种多电极连续放电的火花放电发生装置，本技术的技术方案如下：

2、火花放电发生装置包括点火电路和多电极火花塞，多电极火花塞包括金属外壳以及设置在金属外壳内部的n个中心高压电极，金属外壳接地并作为接地电极；n是整数参数且n≥2。

3、金属外壳内部形成有空心圆柱型的内腔，多个中心高压电极在金属外壳的内腔内对称设置，且中心高压电极与金属外壳之间填充有半导体材料，每个中心高压电极的规格相等且每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d均相等。

4、多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数f与多电极火花塞的设计参数匹配，且多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值，多电极火花塞的设计参数包括每个中心高压电极的半径r0以及每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d。

5、点火电路用于给多电极火花塞供电，使得每个中心高压电极与接地电极之间得到一条放电通道发生放电击穿，且相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长。

6、其进一步的技术方案为，确定多电极火花塞的设计参数包括：

7、基于多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值的设计目标，确定b/r0的取值范围，并根据金属外壳的半径r0以及中心高压电极的数量n确定满足b/r0的取值范围的每个中心高压电极的半径r0以及每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d；

8、其中，多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数的表达式为：emax为多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的最大值，eav为多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的平均值，表示任意第i个中心高压电极在多电极火花塞的点火端面内部任意位置j处的电场强度，1≤j≤m，m是多电极火花塞的点火端面内部的位置总数且为整数参数；ui为第i个中心高压电极的电压；q为正在发生放电击穿的中心高压电极的数量；

9、任意第i个中心高压电极在多电极火花塞的点火端面内部任意位置j处的电场强度其中，x为第i个中心高压电极与位置j的直线距离，b为第i个中心高压电极在沿着第i个中心高压电极至位置j的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离。

10、其进一步的技术方案为，点火电路包括直流电源、若干个并联且独立的rc回路和若干个气体放电管，每个rc回路分别对应一个中心高压电极，每个rc回路包括串联的分压电阻和储能电容，每个rc回路的分压电阻一端连接至直流电源的正极，各个rc回路的储能电容一端均连接金属外壳并接地，每个rc回路中的分压电阻和储能电容的公共端引出并连接一个气体放电管的一端，每个气体放电管的另一端连接对应的一个中心高压电极；

11、直流电源给各个rc回路中的储能电容充电，每个气体放电管两端的电压与所连接的rc回路中的储能电容两端的电压同步增长；当气体放电管两端的电压差未达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管处于断开状态，当气体放电管两端的电压差达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管击穿导通给所连接的中心高压电极供电。

12、其进一步的技术方案为，每个rc回路中还包括保护二极管，保护二极管的阳极连接直流电源的正极，保护二极管的阴极连接分压电阻。

13、其进一步的技术方案为，确定每个rc回路中分压电阻的阻值和储能电容的容值包括：

14、基于相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长的设计目标，确定每个rc回路中分压电阻的阻值r以及储能电容的容值c的乘积的取值范围，并确定满足乘积的取值范围的阻值r以及容值c；

15、其中，相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式为：其中，δtmax为相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值，un-1为第n-1击穿电极的击穿电压，xn-1为第n-1击穿电极与第n击穿电极之间的直线距离，bn-1为第n-1击穿电极在沿着第n-1击穿电极至第n击穿电极的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离，ua为直流电源的电压；

16、第n-1击穿电极是火花放电发生装置第n-1次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极，第n击穿电极是火花放电发生装置第n次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极。

17、其进一步的技术方案为，确定相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式包括：

18、确定火花放电发生装置第一次发生放电击穿时的击穿电压u1的表达式为其中，p为第一次发生放电击穿连接的气体放电管内的气压，γ为二次电子发射系数，a、b为与第一次发生放电击穿连接的气体放电管内的气体种类相关的实验常数；

19、确定任意第k+1击穿电极处的电场强度在任意第k击穿电极发生放电击穿后减小确定第k+1击穿电极发生放电击穿时的击穿电压uk+1＝uk+δuk，根据电容升压公式确定第k+1击穿电极进行放电击穿的击穿时刻与第k击穿电极进行放电击穿的击穿时刻之间的延时差为且正比于uk，整数参数1≤k≤n-1；

20、确定当k＝n-1时uk取得最大值，对应的延时差取得最大值为整理得到相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式：

21、其中，uk为第k击穿电极的击穿电压，uk+1为第k+1击穿电极的击穿电压，xk为第k击穿电极与第k+1击穿电极之间的直线距离，bk为第k击穿电极在沿着第k击穿电极至第k+1击穿电极的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离；

22、第k击穿电极是火花放电发生装置第k次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极，第k+1击穿电极是火花放电发生装置第k+1次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极。

23、其进一步的技术方案为，任意一个中心高压电极的偏移距离d≤b≤r+δ，δ是每个中心高压电极的中心与金属外壳的中心之间的电极偏心距离，金属外壳的半径r0的取值范围为6.5mm～9mm，电极偏心距离δ的取值范围为2mm～4mm且r0/δ的取值范围为3～4；每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d的取值范围为4mm～7mm，每个中心高压电极的半径r0的取值范围为0.5mm～1.5mm，且d/r0的取值范围为6～10，b/r0的取值范围为6～12，且任意两个中心高压电极的中心之间的距离大于3mm。

24、其进一步的技术方案为，中心高压电极与金属外壳之间填充的半导体材料的深度范围为1mm～3mm、电导率范围为10-6s/m～105s/m、电阻阻值范围为0.3ω～0.75ω、电容容值范围为20pf～4-pf。

25、其进一步的技术方案为，每个rc回路中分压电阻的阻值r的取值范围为1kω～3kω、储能电容的容值c的取值范围为0.1μf～5.5μf，分压电阻的阻值r以及储能电容的容值c的乘积的取值范围为2.5×10-4kω·μf～2×10-3kω·μf。

26、其进一步的技术方案为，每个气体放电管的击穿电压的电压范围为150v～4000v、最大耐流值大于15ka、电容容值的取值范围为1pf～10pf；每个保护二极管的反向耐压值大于1.5kv、最大耐流值大于10a。

27、本技术的有益技术效果是：

28、本技术设计的多电极火花塞结构，点火端面设置有多个中心高压电极和点火电路，可以实现多个电极连续放电，使电弧火团能量更高，点火电弧与混合燃料的接触面积更大，燃烧室内被点燃的更均匀，能够有效降低火花塞失火率，提高发动机运行可靠性。

29、本技术通过将多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数与多电极火花塞的设计参数匹配，削弱了电离区内粒子无规律产生和传输对电场均匀性的影响，使得电场不均匀系数小于预定阈值，减小火花塞的点火端面因离子的非均匀传输对电流密度的影响，使得各个中心高压电极具有较高的均匀度，更好的实现多电极连续放电。

30、本技术还设计了点火电路，通过控制点火电路元器件的参数，使得每个中心高压电极与接地电极之间得到一条放电通道发生放电击穿，且相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长，进一步保证了火花放电发生装置多通道放电的连续性。且通过点火电路的调控，使得每个中心高压电极处于等电位状态，相互之间不易发生放电击穿。

31、本技术的点火电路包括多个并联独立的rc回路，与传统火花塞单储能电路结构相比，在电容总能量相同时，本技术中单个电容储能更少，使电容器件体积更小，充能速率更快，可以降低对耐压值的要求，简化电路结构的复杂性；另外，小容量电容供能时，其元件中剩余能量所占电容总储能的比例更小，能够降低电能损耗率，有效提高火花塞电火花能量的利用效率。同时本技术的点火电路设计了单向导通的二极管保护器件，可有效防止电路短路。