CN101285590A - 电动旋流器、燃烧装置以及其使用方法 - Google Patents

Abstract

在本发明的一个实施例中，燃烧装置包括：氧化剂进口；燃料进口；被配置用于混合燃料和氧化剂以形成混合物的混合区域；与混合区域流畅相通的燃烧区域，被配置用于燃烧混合物；以及与燃烧区域流畅相通的出口；其中混合区域、燃烧区域、以及/或者出口包括被配置用于旋流电离气体的电动旋流器(54)，其中电动旋流器(54)包括与电源电性相通的多个电极。在一个实施例中，一种产生推进力的方法包括：混合燃料和氧化剂以形成混合物；点燃混合物以形成点燃混合物；燃烧点燃混合物以形成火焰；以及用火焰产生推进力，其中火焰以及/或者燃料和氧化剂被电动旋流。

Description

电动旋流器、燃烧装置以及其使用方法

【技术领域】

本发明主要涉及电动旋流器，尤其涉及包括该电动旋流器的燃烧装置以及其使用方法。

【背景技术】

各种推力和动力发生装置，例如燃气涡轮，燃烧空气和燃料的混合物。在燃气涡轮中，空气燃料混合物被持续的供应到燃烧室并在里面持续的燃烧以产生热燃烧气体。这些气体通过一个或者多个涡轮进程膨胀产生机械动能，并在一些情况下，产生推进力。脉冲爆震系统引爆空气燃料混合物，产生具有增加的温度和压力的热燃烧气体。热燃烧气体从发动机被引导以产生推力。

在如图1A-1F所示的脉冲爆震发动机中，电火花引燃混合物并开始爆燃，并通过燃烧转爆轰(DDT)将爆燃转变成稳定爆轰。膨胀的热燃烧产生类似活塞的行为，加速了火焰前缘(图1A)。由于火焰前缘加速并转化为湍流焰(图1C)，火焰前缘变得更皱、更多波纹形(图1B)，并增加了火焰表面区域。火焰表面区域进一步导致传播速度的加速和压缩波的产生(图1D)，该压缩波在加速过程中被放大成冲击波。如果冲击波对于增加反应物的气体温度足够的强并在气封内相互作用，会发生局部爆炸(图1E)，该局部爆炸引起过激爆震波以及冲击波和反应区之间的接合。一旦建立了该接合，就形成了爆震波(图1F)。

用于脉冲爆震发动机的示范性空气燃料混合物包括气态或液态的燃料和混合空气。在具有较低挥发性的燃料/空气混合物中爆震的问题是：较长的燃烧转爆轰(DDT)长度。人们已经努力过通过在爆震室内放置障碍物以及其它的揣流强化几何来降低DDT长度。一个特殊增加装置穿在带有螺旋状螺纹的爆震室的进口端的内表面内以提供脊形表面。降低DDT长度的其它尝试包括使用预起爆器以及改进电火花能量和位置的组合、爆震室几何形状、冲击聚焦、以及燃料/空气属性。虽然取得了一些成功，但是更短的DDT长度对于低挥发性的爆震系统如液态燃料系统而言仍是重要的挑战。

因此，提高空气燃料混合，降低DDT长度，提高火焰加速进程和发展中的爆震的控制，是人们所期待的。

【发明内容】

本发明所揭示装置的实施例包括电动旋流器及其使用方法。

在一个实施例中，燃烧装置包括：氧化剂进口、燃料进口、与燃料进口和氧化剂进口流畅相通的混合区域、与混合区域流畅相通的被配置用于燃烧混合物的燃烧区域、以及与燃烧区域流畅相通的出口。混合区域、燃烧区域、以及/或者出口包括被配置为旋流电离气体的电动旋流器。电动旋流器包括与电源带电相通的多个电极。

在一个实施例中，脉冲爆震装置包括：氧化剂进口、燃料进口、与燃料进口和氧化剂进口流畅相通的混合区域、位于混合区域下游并与之流畅相通的爆震室，以及位于爆震室下游并与之流畅相通的爆震出口。混合区域、爆震室、以及/或者爆震出口包括电动旋流器。电动旋流器包括与电源电性相通的多个电极。

在一个实施例中，产生推进力的方法包括：电动旋流燃料和氧化剂以形成混合物，点燃混合物以形成引燃混合物，燃烧引燃混合物以形成火焰，使用燃烧尾气以产生推进力。

在另一个实施例中，产生推进力的方法包括：混合燃料和氧化剂以形成混合物，点燃混合物以形成引燃混合物，燃烧引燃混合物以形成火焰，电动旋流火焰，以及使用火焰以产生推进力。

本发明的上述描述和气体特征通过下面的附图和详细说明进行例证。

【附图说明】

本发明的参考附图仅为示范，而不是对本发明保护范围的限制，并且在附图中对相同元件进行统一标号。

图1A-1F为上述管内可燃混合物的燃烧转爆震过程的示意图。

图2为包括脉冲爆震系统的典型涡扇发动机的截面侧图。

图3为沿着图2所示的A-A方向，使用了脉冲爆震系统的脉冲爆震增压器的截面图。

图4为用于脉冲爆震室的典型配置的透视图。

图5为图4中的脉冲爆震室的顶视图。

图6为电动旋流器的典型圆锥电极配置的透视图。

图7为用于如图4所示的脉冲爆震室的典型三压装置的透视图，其中，电极彼此之间120度定位。

图8示意了使用两压的典型旋流器装置，该两压应用在正交通过旋流器容积，例如带有设在方形配置中的电极。

图9示意了带有三压装置和两极的典型七个电极配置。

【具体实施方式】

电动旋流器用于获得在燃烧混合物(例如燃烧前的燃料和空气混合物)中以及/或者在合成火焰中的电旋转场效果的好处。通过使用电子放电器或者等离子体，空气独自地或者燃料/空气混合物被预电离。使用单个电极组可获得等离子体，通过比独自空气或者燃料/空气混合物的点火电压高的电压给单个电极组提供电压。当电压高于独自空气或者燃料/空气混合物的点火电压时，通过电动旋流器本身的旋转电场也可产生等离子体。旋流器包括成组相连的多个电极，以在被供电时产生电场。旋转场作用于通过场的离子上。这些从电场中获得动量的离子将动量传递到空气中的不带电物质，包括循环相似流，例如在循环运动中设置火焰或空气混合物。这种效果可以用于在较小或没有压降下混合液体(例如燃料和氧化剂(如空气))、形成火焰(例如在脉冲爆震装置中膨胀火焰)、引导火焰、以及更改声响(例如感知振动以及/或者发出声响)。可以使用电动旋流器如何影响火焰的信息来按照期望调整火焰。

电动旋流器可以使用在各种燃烧装置中，如脉冲爆震发动机、发动机增压器等等。只要在燃烧室以及/或者在爆震部分内带电粒子存在或有目的地产生(例如使用等离子体放电器)，在燃烧前可以使用电动旋流器(例如代替机械旋流器(空气/燃料混合器)，或者除空气/燃料混合器之外)。电动旋流器可以产生作用在离子上的旋转场，这些离子包括在通过装置的离子流中(例如，预电离燃料/空气混合物、火焰、燃烧气体、或者其它类似物)。由离子获得的来自电场的动量被传递到不带电物质，火焰或气体被设于循环运动中。电场旋转速度是分段电极数目以及电压频率的一个功能。

电动旋流器可以包括多个电极。电极是多块传导物质(例如棒、丝、条等等，以及至少包括前述之一的组合)，这些传导物质可以进一步地用绝缘材料如陶瓷涂层进行包覆。特殊的电极材料取决于旋流器的特定位置(例如在燃烧之前或者其后)，从而旋流器暴露在环境条件下。可行的电极材料包括：黄铜、紫铜、石墨、钼、钨、铁质材料、至少包括前述之一的合金(包括超合金)，以及至少包括前述材料之一的化合物，如钢、高温合金、以及紫铜合金。如果旋流器位于燃烧室或者爆震室的上游，环境条件不是非常苛刻，可以使用例如黄铜、黄铜合金以及不锈钢之类的材料，当旋流器位于燃烧室或者爆震室的下游时，环境条件变得更加苛刻(更高的温度，更多的腐蚀等等)，可以使用例如不锈钢、钼、钨以及高温合金之类的材料。

电极被成组地布置和连接，从而当供电时获取期望的旋转电场。例如，电极可被布置形成为圆柱体(图4)或圆锥形(图6)，可以位于与多相电压源电流相通的位置。一个可行的配置，如图5和图6所示，包括三个圆柱外壳的电极，电极中心均匀地间隔120度。这些电极可以附在脉冲爆震发动机燃烧室的加速部分，其中电极外壳的轴线与燃烧室的圆柱外形的轴线排成一直线。使用的电极数目可以大于或者等于三。期望地，电极之间的间隔足够的大，以阻止电极之间的电弧。为了阻止电极之间的放电(必要时)，电极可以彼此电性隔离。可应用于每个电极的电压形式的相位也间隔120度，并且用于每个电极的频率可以完全相同，以产生期望的电旋转场。除了三电极旋流器，四个正交电极可产生旋转电场，以及可以使用多相对称或非对称电压系统供电的多个电极的其它变更。

旋流器同样可以具有全部的圆柱形或圆锥形外壳。下游的电极间隔增加可促进上游的等离子体的产生，以及仅仅促进下游的旋转场。这提供了连续电离及旋转空气和空气/燃料混合物的选择。

图2是包括脉冲爆震系统22的涡扇发动机20的截面侧图。图3为沿着图2所示的A-A方向，脉冲爆震增压器的截面图。在一个实施例中，涡扇发动机20可以为来自俄亥俄州的辛辛那提的通用电气飞机发动机获得的带有发动机(例如涡扇发动机，脉冲爆震发动机等等)(增压器)62的F110/129发动机。发动机20具有一在正向28和尾向30延伸的纵向延伸轴或者中心线26。发动机20包括核心发动机32，核心发动机32包括高压压气机34、燃烧室36以及高压涡轮38。它还具有风扇和驱动风扇的低压涡轮，所有这些元件连续排列，并为轴流关系。

脉冲爆震系统22设于核心发动机32的下游，并接收来自核心发动机32的核心发动机燃烧气体。在没有使用包含在核心发动机32内的涡轮机下，脉冲爆震系统22产生发动机20内的温度上升和压力上升以从发动机20产生推进力。脉冲爆震系统22包括脉冲爆震增压器24，脉冲爆震增压器24包括进口侧面42、出口侧面44、以及激波管子系统46。进口侧面42位于出口侧面44的上游并环绕包围发动机中心体48。

激波管子系统46包括在脉冲爆震增压器进口侧面42和脉冲爆震增压器出口侧面44之间延伸的多个激波管50(例如爆震室，包括爆震管、调谐爆震腔、以及环形爆震腔)。激波管50允许燃料和空气进入到脉冲爆震系统22中以混合和爆震。每个激波管50和激波管子系统46可以具有圆形或者非圆形横截面。激波管50从核心发动机32延伸至缩扩排气喷嘴52。排气喷嘴52设在脉冲爆震系统22和激波管50的下游。

运行时，气流进入到发动机20，燃料被引入到核心发动机32。空气和燃料混合(例如在混合区域内，同样可称作混合域和混合室)并在核心发动机内被点火以产生热燃烧气体。特别地，从高压压气机34的高压空气与燃料在燃烧室36内混合。在燃烧室36内，混合物被点燃从而产生燃烧气体。这种燃烧气体驱动高压涡轮38，高压涡轮38驱动高压压气机34。燃烧气体从高压涡轮38排入到低压涡轮40中。核心气流从低压涡轮40中被排出。

组合气流流入到脉冲爆震系统22并与引入至发动机20的附加燃料混合。脉冲爆震系统22引爆混合物以产生发动机内的温度上升和压力上升，以及产生发动机20的推进力。脉冲爆震系统22可以任意使用几个电动旋流器。第二电动旋流器56可位于点火位置(例如电火花)的上游以混合引入的液体。一个或者多个激波管50可以包括位于点火点下游的电动旋流器58，例如，来控制以及/或者扩大火焰，消除热点，以及降低DDT长度(相比与没有电动旋流器的系统)。DDT长度(在带有/不带有旋流器下获取)为10-15个的管径。同样，其它静电旋流器60可进一步地位于下游(例如靠近以及/或者以及位于引爆点的下游)，例如，控制或者引导合成火焰。

如上所述，一个或者多个电动旋流器可以置于发动机的全部位置，例如，在燃烧室之前、之内、以及/或者之后，在引爆室之前、之内、以及/或者之后，以及/或者在喷嘴处。如果旋流器用在空气中没有离子的区域，例如，燃烧部分之前，气体混合物被预电离。每个旋流器也可以根据其位置和功能设计，例如补充混合，完成混合，形成火焰等等。因此，电极的大小、能量和数量、电极形状可以根据旋流器的位置和功能确定。例如，可以使用带有在电极之间60度的统一间隔(图7)以及管径10cm的三电极配置。两电极之间的最大压差不超过150KV的峰值电压。电压波形的频率可以为Hz到kHz的范围。频率60Hz时电极旋转每分钟3600转。最佳频率取决于应用。负载量密度、气体粘性以及横向速度和电场强度是决定性参数。

本发明的电动旋流器允许电能应用到电离气体(如火焰或者等离子体)以及通过带电粒子的运动允许动量附加在不带电物质。旋流器的使用允许燃料和空气更复杂的混合，因此帮助了保持更低的峰值火焰温度以及降小了NOx的排放。另外，相比与机械旋流器，使用电动旋流器时降低了通过旋流器部分的压降。而且，电动旋流器允许火焰的引导，可以降低或者消除热点，以及降低DDT长度。另外，旋流器的使用可以允许发动机的主动控制，例如，火焰监控的数据、气体的混合，以及/或者温度可以确定需要使用的电能。

这里揭示范围包括端值并可组合地(例如上限至大约25wt％，或者更具体地，大约5wt％到大约25wt％，包括大约5wt％到大约25wt％范围的端值和中间值等等)。“化合物”包括掺合物、混合物、合金、反应产物以及气体类似物。并且，用语“第一”、“第二”等在这里并不指示了任何顺序、数量或者重要程度，而仅仅用于将一个元件区分出。用语“一”在这里并不是数量的限制，而仅仅指示为涉及项至少其一的存在。用于数量的修饰语“大约”包括状态值并具有文中说指示的意思(例如，包括与特殊数量测量相关联的误差度)。用在这的后缀？s)□有目的性地包括指代词的单数以及复数，因此包括一个或者多个术语(例如色料包括一个或者多个着色剂)。说明书全文中所述的“一个实施例”、“另一个实施例”等意味着与实施例相关的描述的特定元件(例如，特征、结构、以及/或者特性)包括在至少一个实施例中，并可以存在或者不存在于其它实施例中。另外，所述元件可以以任何可行方式结合在各种实施例中。

所有引用的专利、专利申请以及其它参考文件完全引用到这里。然而，如果本发明的一术语与引用文件相冲突或者抵触，本发明的术语比引用文件的冲突术语更优先。

本发明结合优选实施例已进行了详细描述，容易理解，在不背离本发明保护范围的情况下，对于本领域的一般技术人员可以进行改变或者用等同物替代本发明中的元件。另外，在不背离本发明保护范围的情况下，可以对本发明进行修改以适应于特殊位置或者材料。因此，本发明不应当限于说揭示的特定实施例作为实施本发明的最佳期待模式，而应当包括落入权利要求书的保护范围的所有实施例。

Claims (9)

1.一种燃烧装置，包括：

氧化剂进口；

燃料进口；

与燃料进口和氧化剂进口流畅相通的混合区域，被配置用于混合燃料和氧化剂以形成混合物；

与混合区域流畅相通的燃烧区域，被配置用于燃烧混合物；以及

与燃烧区域流畅相通的出口；

其中混合区域、燃烧区域、以及/或者出口包括被配置用于旋流电离气体的电动旋流器(54)，其中电动旋流器(54)包括与电源电性相通的多个电极。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包括：位于燃烧区域下游的脉冲爆震系统(22)，其中脉冲爆震系统(22)包括与出口和额外的燃料以及/或者氧化剂流畅相通的混合室、位于混合室下游并与之流畅相通的爆震室(50)、以及位于爆震室(50)的下游并与之流畅相通的爆震出口。

3.如权利要求1-2任一项所述的装置，其中混合区域进一步包括第二电动旋流器(56)。

4.如权利要求2-3任一项所述的装置，其中爆震室(50)进一步包括点火位置以及位于点火位置下游的第三电动旋流器(58)。

5.如权利要求2-4任一项所述的装置，其中爆震出口进一步包括第二电动旋流器(56)。

6.一种脉冲爆震装置，包括：

燃料进口；

氧化剂进口；

与燃料进口和氧化剂进口流畅相通的混合区域；

位于混合区域下游并与之流畅相通的爆震室(50)；以及

位于爆震室(50)的下游并与之流畅相通的爆震出口。

其中混合室、爆震室(50)、以及/或者爆震出口包括电动旋流器(54)，其中电动旋流器(54)包括与电源电性相通的多个电极。

7.一种产生推进力的方法，包括：

点燃燃料和氧化剂的初始混合物以形成点燃混合物；

燃烧点燃混合物以形成火焰；以及

用火焰产生推进力；

其中初始混合物被电动旋流以及/或者火焰被电动旋流。

8.如权利要求7所述的方法，包括电动旋流火焰。

9.如权利要求7-8任一项所述的装置，其中点燃混合物为爆震波，并进一步地包括电动旋流爆震波。

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