CN109723577B - 一种基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，包括步骤1，等离子体激励器布设：在喷注器内和/或邻近喷注面板的上下游壁面布设等离子体激励器；步骤2，高频燃烧不稳定条件预设；步骤3，监测燃烧室的压力信号；步骤4，高频燃烧不稳定现象抑制：当步骤3监测到的压力信号中压力振荡幅度达到预设的最大压力振荡幅度且频率达到1 kHz以上时，将等离子体激励器开启，直至高频燃烧不稳定现象消除。本发明能灵活调控发动机内燃烧流场，主动应对不同工况下的高频燃烧不稳定。同时，无传统机械结构，避免了热防护等问题；且响应迅速，电学控制及等离子体时间尺度远小于发动机内流动、燃烧时间尺度，能在第一时间抑制高频燃烧不稳定。

Description

一种基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机、航空发动机、内燃机等动力装置领域，特别是一种基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法。

背景技术

当前，航天运载器、高超声速飞行器以及空天飞机等大都采用了液体火箭发动机作为主要动力装置。然而，自上世纪三十年代末在液体火箭发动机内发现燃烧不稳定现象以来，每一种型号液体火箭发动机在研制过程中几乎都会遇到各种燃烧不稳定性问题，高频燃烧不稳定一般是指特征频率大于1000 Hz的高幅值压力振荡的不稳定燃烧现象。

我国长征系列运载火箭的研制过程中也一直伴随着燃烧不稳定问题，积累了丰富的工程经验，处理好燃烧不稳定问题也是当前我国新一代无毒、无污染大推力火箭发动机研制的重要工作之一。遗憾的是迄今为止，不论是对燃烧不稳定本身的认识，还是解决方法，都还主要依靠工程经验或者半经验理论。不稳定燃烧，尤其是高频不稳定燃烧已成为制约液体火箭发动机技术发展的主要瓶颈之一。

高频燃烧不稳定主要表现出如下特点：具有严重的破坏后果、具有很强的复杂性、具有高度的敏感性。另外，发生高频燃烧不稳定时燃烧室内压力分布极不均匀，燃烧过程与燃烧室声学振荡发生耦合，会导致燃烧室喷注面板及燃烧室内壁面烧蚀，发动机组件或导管损坏，燃烧室烧毁甚至爆炸。因此，在大多数情况下即使付出高昂的代价也要解决这一问题。

一直以来，国际上解决高频燃烧不稳定的主要方法是在工程上通过反复修改整个发动机燃烧室结构参数和喷嘴参数，或是采取在燃烧室喷注面板布置声腔、隔板等措施。这样虽然能够在一定程度上提高液体火箭发动机燃烧稳定性并抑制试车中出现的部分燃烧不稳定现象，但这些方法本质上是被动的，依赖于工程经验或半经验理论，极大增加了试验的时间和经济成本，面对复杂、宽广的工况，主动适应能力十分有限；而且不稳定燃烧的高度敏感性导致不论是试验过程中还是实际发射中，传统的解决方案都难以实时对其施加及时、充分、有效的控制。

近年来，等离子体辅助燃烧技术在航空航天动力领域得到了大量研究。等离子体激励器形式多样、布置灵活、响应迅速、无传统机械运动部件，已经被证实能缩短点火延迟时间、扩大熄火极限、提高燃烧效率、降低尾气排放等，而液体火箭发动机高频燃烧不稳定的强破坏性、复杂性和敏感性都极大地突显了等离子体控制燃烧技术的优势，即快速响应、频率可调、主动作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，该基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法通过在液体火箭发动机喷注器内和/或燃烧室壁面布置激励器产生等离子体，并通过改变激励器电学参数实现灵活调控发动机内燃烧流场，主动应对不同工况下的高频燃烧不稳定。同时，无传统机械结构，避免了热防护等问题；且响应迅速，电学控制以及等离子体时间尺度通常远小于发动机内流动、燃烧时间尺度，使得能在第一时间抑制高频燃烧不稳定。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，包括如下步骤。

步骤1，等离子体激励器布设：在喷注器内和/或邻近喷注面板的上下游壁面布设等离子体激励器。

步骤2，高频燃烧不稳定条件预设：对燃烧室高频燃烧时所允许的最大压力振荡幅度进行预设，当燃烧室内的压力振荡幅度小于预设的最大压力振荡幅度或者压力振荡特征频率低于1 kHz时，认为未发生高频燃烧不稳定；当燃烧室内的压力振荡幅度等于或超过预设的最大压力振荡幅度且频率达到1 kHz以上时，认为发生了高频燃烧不稳定。

步骤3，对燃烧室的压力信号进行监测。

步骤4，高频燃烧不稳定现象抑制：当步骤3监测到的压力信号中压力振荡幅度和频率达到步骤2预设的高频燃烧不稳定条件时，将步骤1布设的等离子体激励器开启，直至高频燃烧不稳定现象消除。

步骤1中，等离子体激励器布设在喷注器内，等离子体激励器包括高压电极和两个地电极；

喷注器包括从内至外依次同轴设置的氧化剂通道和燃料通道；其中，氧化剂通道的外壁面作为高压电极，燃料通道的外壁面作为其中一个地电极；在氧化剂通道的正中心沿轴向插入一根实心杆作为另一根地电极；通过接通不同的地电极，能实现氧化剂通道放电、燃料通道放电以及氧化剂通道和燃料通道同时放电。

高压电极和两个地电极中任意一个、两个或三个朝放电一侧的表面敷设介质阻挡层。

介质阻挡层的材料为石英、陶瓷或聚四氟乙烯。

根据发生燃烧不稳定的时刻，通过选择不同放电区域或调节等离子体激励器的电压幅值、电压波形、电源类型、激励频率来改变喷注器出口射流温度和组分，直至达到抑制高频燃烧不稳定的目的。

步骤1中，等离子体激励器至少具有两个，等离子体激励器对称布设在邻近喷注面板的上下游壁面，每个等离子体激励器均包括一对平行设置的柱状电极，其中一根柱状电极垂直设置在邻近喷注面板的喷注器壁面，另一根柱状电极垂直设置在邻近喷注面板的燃烧室壁面；当等离子体激励器通电时，每个等离子体激励器均能产生一个呈L型的丝状等离子通道。

等离子体激励器的数量为2~4个。

步骤4中，将等离子体激励器开启后，通过调节等离子体激励器的控制参数，使得高频燃烧不稳定现象快速消除；等离子体激励器的控制参数包括激励源类型、激励强度、激励器数量、控制频率和占空比。

激励源类型为直流、交流和脉冲控制方式中的任意一种。

本发明具有如下有益效果：

1、通过改变等离子体激励器的控制参数实现灵活调控发动机内燃烧流场，主动应对不同工况下的高频燃烧不稳定。

2、无传统机械结构，避免了热防护等问题。

3、响应迅速（微秒甚至纳秒量级），电学控制以及等离子体时间尺度通常远小于发动机内流动、燃烧时间尺度，使得能在第一时间抑制高频燃烧不稳定。

4、降低燃烧室压力振荡幅值、减小局部释热、改变振荡频率，最终达到抑制高频燃烧不稳定的作用。

5、当采用脉冲控制等非定常激励方式时能改变释热与压力之间的相位关系，从而抑制高频燃烧不稳定。

附图说明

图1显示了本发明中等离子体激励器布设在喷注器内时的结构示意图。

图2显示了本发明中等离子体激励器布设在邻近喷注面板的上下游壁面时的结构示意图。

图3显示了图2中其中一个等离子体激励器中一对柱状电极的布设示意图。

图4显示了高频燃烧不稳定压力信号的示意图。

图5显示了现有技术中喷注面板附近回流区和剪切层的示意图。

图6显示了双激励连续作用下燃烧室近喷注面板附近壁面监测点压力历程示意图。

其中有：

10.喷注器；11.氧化剂通道；12.燃料通道；

20.燃烧室；30.喷注面板；31.回流区；32.剪切层；

40.丝状等离子通道；41.柱状电极；42.来流；

51.高压电极；52.中心地电极；53.外地电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，包括如下步骤。

步骤1，等离子体激励器布设。

等离子体激励器有如下三种优选布设方式，也即三个优选实施例。

优选实施例1、布设在在喷注器内

如图1所示，等离子体激励器包括高压电极51和两个地电极。

喷注器包括从内至外依次同轴设置的氧化剂通道11和燃料通道12。

液体火箭发动机燃烧室内温度整体很高，可达3000 K，而喷注器内温度远低于燃烧室温度，考虑到这一特点，在喷注器内可以采用介质阻挡放电，也可以不用阻挡介质而在电极之间直接施加高电压放电。

上述氧化剂通道的外壁面作为高压电极，燃料通道的外壁面作为其中一个地电极，也称外地电极53；在氧化剂通道的正中心沿轴向插入一根实心杆作为另一根地电极，也称中心地电极52。实心杆可以用法兰在其远离燃烧室一端加以固定。

通过接通不同的地电极，能实现氧化剂通道放电（产生氧等离子体）、燃料通道放电（产生燃料等离子体）以及氧化剂通道和燃料通道同时放电。

高压电极和两个地电极中任意一个、两个或三个朝放电一侧的表面敷设介质阻挡层。介质阻挡层的材料优选为石英、陶瓷或聚四氟乙烯等。

根据发生燃烧不稳定的时刻，通过选择不同放电区域或调节等离子体激励器的电压幅值、电压波形、电源类型、激励频率等激励器控制参数（因为涉及不同类型电源，所以参数不一样，考虑的高压电源包括高频交流、高压直流、皮秒/纳秒/微秒脉冲这三大类）来改变喷注器出口射流温度和组分，直至达到抑制高频燃烧不稳定的目的。

优选实施例2、布设在邻近喷注面板的上下游壁面——喷注器和燃烧室同时布设

等离子体激励器的数量可以为一个、两个或多个，优选为两个以上，本发明中如图2所示，优选为2~4个。等离子体激励器优选对称布设在邻近喷注面板的上下游壁面，如图3所示，每个等离子体激励器均包括一对平行设置的柱状电极41，其中一根柱状电极垂直设置在邻近喷注面板的喷注器壁面，另一根柱状电极垂直设置在邻近喷注面板的燃烧室壁面。每根柱状电极的头部（尖端）与燃烧室内壁面平齐而不凸出来，以防止对发动机内部流动产生机械装置存在的扰动，另外一端与导线相连接。

当等离子体激励器通电时，每个等离子体激励器均能产生一个呈L型的丝状等离子通道40。

优选实施例3、布设在邻近喷注面板的上下游壁面——同时布设在燃烧室壁面上

等离子体激励器的数量可以为一个、两个或多个，优选为两个以上。等离子体激励器优选对称布设在邻近喷注面板的燃烧室壁面上。每个等离子体激励器均包括一对平行设置的柱状电极，两根柱状电极均垂直设置在邻近喷注面板的燃烧室壁面上，也即两根柱状电极相互平行；当等离子体激励器通电时，每个等离子体激励器均能产生一个呈直线型的丝状等离子通道。

当然，作为替换，如下几种组合变换方式或其它的变换形式，也均在本申请的保护范围之内。

变换方式一：布设在邻近喷注面板的上下游壁面——同时布设在喷注器壁面上

等离子体激励器的数量可以为一个、两个或多个，优选为两个以上。等离子体激励器优选对称布设在邻近喷注面板的燃烧室壁面上。每个等离子体激励器均包括一对平行设置的柱状电极，两根柱状电极均垂直设置在邻近喷注面板的喷注器壁面上，也即两根柱状电极相互平行；当等离子体激励器通电时，每个等离子体激励器均能产生一个呈直线型的丝状等离子通道。

变换方式二：同时布设优选实施例1和优选实施例2。

变换方式三：同时布设优选实施例1和优选实施例3。

步骤2，高频燃烧不稳定条件预设：对燃烧室高频燃烧时所允许的最大压力振荡幅度进行预设，当燃烧室内的压力振荡幅度小于预设的最大压力振荡幅度或者压力振荡特征频率低于1 kHz时，认为未发生高频燃烧不稳定；当燃烧室内的压力振荡幅度等于或超过预设的最大压力振荡幅度且频率达到1 kHz以上时，认为发生了高频燃烧不稳定。

步骤3，对燃烧室的压力信号进行监测，燃烧室的压力信号监测图如图4所示，图4中的两条水平虚线则表示为燃烧不稳定时的压力振荡幅度边界；图4中纵坐标表示归一化压力振荡幅度值。

步骤4，高频燃烧不稳定现象抑制：当步骤3监测到的压力信号中压力振荡幅度和频率达到步骤2预设的高频燃烧不稳定条件时，将步骤1布设的等离子体激励器开启，直至高频燃烧不稳定现象消除。

下面就本发明的两个优选实施例的高频燃烧不稳定现象的抑制，进行详细说明。

优选实施例1

当步骤3监测到的压力信号中压力振荡幅度和频率达到步骤2预设的最大压力振荡幅度和频率时，立即开启等离子体激励器电源对喷注器内推进剂（燃料和氧化剂统称为推进剂）施加放电，喷注器通道内推进剂工质在同轴体放电作用下形成部分电离的等离子体射流，其喷射进入燃烧室的化学组分和温度与供应系统提供的相比发生了变化，然后观察压力信号和频率特性，直至不稳定现象消失，最后关闭激励器电源。

已有文献指出高频燃烧不稳定与推进剂混合比和温度高低关。当在发动机喷注器内布置激励器时，通过对燃料和氧化剂（统称为推进剂）放电，经电离改变了两者的成份，达到了调节混合比的作用，并且放电对推进剂有加热作用，可以改变推进剂温度，已有文献研究指出推进剂，尤其是低温推进剂（氢/氧、甲烷/氧）喷射温度对高频燃烧不稳定具有重要影响，所以喷注器内布置激励器可以达到控制液体火箭发动机高频燃烧不稳定的目的。

根据发生燃烧不稳定的时刻，通过选择不同放电区域或调节等离子体激励器的电压幅值、电压波形等控制参数来改变喷注器出口射流温度和组分，直至达到抑制高频燃烧不稳定的目的。

优选实施例2

现有技术中，由于后向台阶处存在回流区，见图5，该回流区上方因速度差形成了剪切层，剪切层阻碍了回流区流体与外部喷注器喷出流体之间的质量交换，进而影响了燃烧室头部燃料与氧化剂的掺混和燃烧，从而在一定程度上决定了燃烧不稳定。

当步骤3监测到的压力信号中压力振荡幅度和频率达到步骤2预设的最大压力振荡幅度和频率时，立即开启激励器电源，放电在柱状电极间形成如图2和图3所示的呈L型的丝状等离子体通道。

L型的丝状等离子体通道形成原理：由于来流从图3示左侧向右侧流过，对等离子体形成吹风作用，且两电极y向高度不同，因此形成了接近倒置“L”型的等离子体通道。

上述丝状等离子体通道具有高温、高化学活性等特征，这类等离子体温度一般大于1500 K，对流而言具有热阻塞作用，即来流42几乎不可穿透该丝状等离子体通道。

上述丝状等离子体通道穿过剪切层，破坏了剪切层的完整结构，阻挡了剪切层中涡的运动，切断了压力振荡与释热之间的耦合关系，或者降低局部释热，也即改变了燃烧室流场局部流动、混合与释热，从而改变了当地质量交换过程，进而可以影响到高频燃烧不稳定。

监测燃烧室压力信号振荡幅度，降低至低于预设的最大压力振荡幅度后即可关闭电源，如燃烧不稳定复现，则再施加放电或改变等离子体激励器控制参数直到完全抑制燃烧不稳定现象。等离子体激励器的控制参数包括激励源类型、激励强度、激励器数量、控制频率和占空比。其中，激励源类型为直流、交流和脉冲控制方式中的任意一种。放电类型则为电弧放电、准直流放电、皮秒\纳秒\微秒\脉冲放电；控制方式包括多个激励器，连续与脉冲。

本发明中，为增强等离子体控制高频燃烧不稳定的效果，根据实际控制效果，可以采用多等离子体激励器控制方案（本例中一个激励器包括一对柱状电极），即多等离子体激励器同时放电产生多条等离子体通道，图2给出了发动机后向台阶处4个对称布置的激励器放电产生4条丝状等离子体通道的示意图；也可以采用脉冲控制方式，即通过周期性开关激励电源，实现间断地产生等离子体。

未开启激励器与双激励器（对称布置）连续作用下靠近图2所示发动机喷注面板燃烧室壁面监测点的压力信号见图6，在双激励器作用下原来高幅值压力振荡强度明显减小，表现为压力峰峰值降低，尤其是在35 ms之前一段时间内振荡幅值远低于高频燃烧不稳定判断标准，说明该激励器工作方案下等离子体起到了抑制高频燃烧不稳定的作用。此外，可调节的激励器控制参数主要包括激励源类型（直流、交流、脉冲）、激励强度、激励器数量、控制频率和占空比。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，等离子体激励器布设：在喷注器内和/或邻近喷注面板的上下游壁面布设等离子体激励器；等离子体激励器布设在喷注器内，等离子体激励器包括高压电极和两个地电极；

喷注器包括从内至外依次同轴设置的氧化剂通道和燃料通道；其中，氧化剂通道的外壁面作为高压电极，燃料通道的外壁面作为其中一个地电极；在氧化剂通道的正中心沿轴向插入一根实心杆作为另一根地电极；通过接通不同的地电极，能实现氧化剂通道放电、燃料通道放电以及氧化剂通道和燃料通道同时放电；

步骤2，高频燃烧不稳定条件预设：对燃烧室高频燃烧时所允许的最大压力振荡幅度进行预设，当燃烧室内的压力振荡幅度小于预设的最大压力振荡幅度或者压力振荡特征频率低于1 kHz时，认为未发生高频燃烧不稳定；当燃烧室内的压力振荡幅度等于或超过预设的最大压力振荡幅度且频率达到1 kHz以上时，认为发生了高频燃烧不稳定；

步骤3，对燃烧室的压力信号进行监测；

步骤4，高频燃烧不稳定现象抑制：当步骤3监测到的压力信号中压力振荡幅度和频率达到步骤2预设的高频燃烧不稳定条件时，将步骤1布设的等离子体激励器开启，直至高频燃烧不稳定现象消除。

2.根据权利要求1所述的基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，其特征在于：高压电极和两个地电极中任意一个、两个或三个朝放电一侧的表面敷设介质阻挡层。

3.根据权利要求2所述的基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，其特征在于：介质阻挡层的材料为石英、陶瓷或聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，其特征在于：根据发生燃烧不稳定的时刻，通过选择不同放电区域或调节等离子体激励器的电压幅值、电压波形、电源类型、激励频率来改变喷注器出口射流温度和组分，直至达到抑制高频燃烧不稳定的目的。

5.根据权利要求1所述的基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，其特征在于：步骤1中，等离子体激励器至少具有两个，等离子体激励器对称布设在邻近喷注面板的上下游壁面，每个等离子体激励器均包括一对平行设置的柱状电极，其中一根柱状电极垂直设置在邻近喷注面板的喷注器壁面，另一根柱状电极垂直设置在邻近喷注面板的燃烧室壁面；当等离子体激励器通电时，每个等离子体激励器均能产生一个呈L型的丝状等离子通道。

6.根据权利要求5所述的基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，其特征在于：等离子体激励器的数量为2~4个。

7.根据权利要求5所述的基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，其特征在于：步骤4中，将等离子体激励器开启后，通过调节等离子体激励器的控制参数，使得高频燃烧不稳定现象快速消除；等离子体激励器的控制参数包括激励源类型、激励强度、激励器数量、控制频率和占空比。

8.根据权利要求7所述的基于等离子体的高频燃烧不稳定主动控制方法，其特征在于：激励源类型为直流、交流和脉冲控制方式中的任意一种。

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