CN110274259A - 一种等离子体激励式v型火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

一种等离子体激励式V型火焰稳定器，为槽形。两侧壁板分别为上壁面和下壁面。上壁面与下壁面之间圆弧连接，形成了等离子体激励式V型火焰稳定器的前缘。在该前缘有弦向导流孔或展向导流孔。在上壁面的内表面和下壁面的内表面分别均布有多个电极，气流由导流孔流入火焰稳定器内部，能够降低稳定器后方可燃混合气的湍流强度。电极在高电压下击穿火焰稳定器内的可燃混合气形成放电电弧，电弧在从导流孔进入的气流气动力的作用下，形成沿气流方向连续滑动的滑动电弧。本发明提高了燃料的燃烧效率，改善回流区内的贫油状况，拓宽了加力燃烧室的稳定燃烧范围和贫油熄火边界，显著的提高了燃料的燃烧效率、拓宽了加力燃烧室中可燃混合气的稳定燃烧范围。

Description

一种等离子体激励式V型火焰稳定器

技术领域

本发明涉及航空发动机加力燃烧室的火焰稳定技术领域，具体是一种等离子体激励式V型火焰稳定装置。

背景技术

军用飞机在作战时为了取得高度、速度优势，扩大飞行包线以及超声速飞行，要求其装配的涡扇或涡喷发动机在短时间内增大推力、增强机动性能，使得战机在起飞、爬升和战斗状态下获得瞬间加速特性，通常采用复燃加力方案，即在涡轮和尾喷管之间设置加力燃烧室，向涡轮后排出的燃气流中重新喷入燃油，利用燃气中剩余的氧气进行再次燃烧，从而进一步提高燃气温度，增大喷管出口的排气速度，增加发动机的推力。虽然加力燃烧室只占航空发动机总重量的20％左右，但却能大幅增大推力。因此，加力燃烧能大幅增大航空发动机的推力和推重比，全面提升战机的机动性能并扩大飞行包线，提高战机的制空及空战能力，加力燃烧室在军用航空发动机的发展中占据着重要地位。

加力燃烧室的火焰稳定装置通常为V型火焰稳定器、蒸发稳定器、预燃式火焰稳定器等。目前，在航空发动机上应用最为广泛的是V型火焰稳定器，这类火焰稳定器的突出特点是结构简单、技术成熟，但其稳焰边界窄、燃烧效率不高、压力损失大、低温下稳定性差。这些缺陷使得传统V型火焰稳定器已不能满足先进航空发动机加力燃烧技术的需要。

中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所在公开号为CN105546578A的发明创造中提出了一种在火焰稳定器壁面上对称开设吸气孔的火焰稳定器，利用回流区内的低压空气抽吸稳定器壁面附近的液态燃油，有利于拓宽稳定器的贫油熄火边界。

中国科学院工程热物理研究所在公告号为CN105841191B的发明专利中提出了一种V型火焰稳定器多孔扇形空腔尾缘结构，用以减小湍流火焰根部脉动尺度，提高燃烧稳定性。华中科技大学钱壬章提出一种中缝式火焰稳定器，在稳定器前缘处开缝或开有导向槽，能够增大了高空低压条件下火焰稳定范围，拓宽富油稳定边界，提高燃烧效率。

但上述火焰稳定器都是对原有V型火焰稳定器进行局部结构上的改进，对拓宽稳定燃烧范围和提高燃烧效率的范围有限。

等离子体强化燃烧技术是一种新型的燃烧强化技术，具有化学活性强、能量转化率高等特点，能够显著增大化学反应速率、提高燃烧效率、扩大稳定燃烧范围。空军工程大学在公开号为CN107420199A的发明创造中提出了一种航空发动机燃烧室旋转滑动弧等离子体助燃激励器，采用三维旋转滑动弧放电产生等离子体喷入燃烧室内进行助燃。但该装置是在燃烧室外产生等离子体，再将等离子体喷入燃烧室内与油气混合气作用，增大化学反应速率，从而导致在产生的活性等离子体中一些寿命较短的激发态粒子失去活性，无法参与到燃烧室的可燃混合气中去促进燃烧，不能使燃烧效率得到显著提高。

发明内容

为解决现有技术中火焰稳定器存在的稳定燃烧范围较小、燃烧效率不高，以及等离子体助燃装置未能充分参与可燃混合气燃烧的不足，本发明提出一种等离子体激励式V型火焰稳定器。

所述等离子体激励式V型火焰稳定器为槽形，该槽两侧壁板分别为上壁面和下壁面，并且所述上壁面与下壁面之间的夹角α为20°～40°，使其横截面呈V形。所述上壁面与下壁面之间圆弧连接，形成了该等离子体激励式V型火焰稳定器的前缘；所述圆弧的半径为6～15mm。在所述等离子体激励式V型火焰稳定器前缘的顶端有弦向导流孔或展向导流孔；在所述等离子体激励式V型火焰稳定器的上壁面和等离子体激励式V型火焰稳定器的下壁面的内表面分别均布有多个电极。

所述弦向导流孔有多个，均为条状；各所述弦向导流孔长度方向与该等离子体激励式V型火焰稳定器的弦向一致，并使各导流孔的两端分别靠近所述的上壁面与下壁面。所述相邻的两个弦向导流孔宽度方向的中心线之间的间距d＝5～20mm。所述各弦向导流孔的长度a为6～15mm；宽度b为4～6mm；弦向导流孔的两端为半圆形。

所述展向导流孔为一个，该展向导流孔的长度方向与所述火焰稳定器前缘的展向一致。所述展向导流孔的长度A与等离子体激励式V型火焰稳定器展向长度L之间的比值为A:L＝0.6～08，各所述展向导流孔的宽度B＝2～10mm；导流孔的宽度B：火焰稳定器尾缘宽度D＝0.05～0.2。

所述分别位于等离子体激励式V型火焰稳定器上壁面的电极与分别位于等离子体激励式V型火焰稳定器下壁面的电极组成一个电极组。

所述展向相邻的每组电极的电极间距为5～20mm；所述电极间距是相邻电极宽度方向中心线之间的距离。各所述电极的宽度均为5～10mm，长度均为40～50mm。

当采用所述弦向导流孔时，该电极组中的两个电极均与同一个弦向导流孔对应，并使各所述电极宽度方向的中心线分别与各所述弦向导流孔宽度方向的中心线空间重合。

本发明将等离子体助燃激励装置与V型火焰稳定器一体化设计，火焰稳定器前缘处开弦向导流孔或展向导流孔，上壁面内侧、下壁面内侧分别敷设有产生等离子体的电极。气流由火焰稳定器前缘的导流孔流入火焰稳定器内部，能够降低稳定器后方可燃混合气的湍流强度。同时，火焰稳定器上壁面、下壁面的电极在高电压下击穿火焰稳定器内的可燃混合气形成放电电弧，电弧在从导流孔进入的气流气动力的作用下，形成沿气流方向连续滑动的滑动电弧。

所述等离子体激励式V型火焰稳定器的前缘处有弦向导流孔或者展向导流孔，使得火焰稳定器上游气流可经由纵向或者展向导流孔流入火焰稳定器内部，当气流从导流孔进入火焰稳定器内部的过程中，气流的气动力会将电极之间形成的电弧沿电极方向吹向气流的下游，形成连续的滑动电弧。

与现有技术相比较，本发明取得了以下效果和优点：

1、本发明的将V型火焰稳定器与等离子体激励器一体化设计，即在不改变V型火焰稳定器结构的基础上，将多组等离子体激励器嵌入V型火焰稳定器表面，等离子体激励器工作时产生的大量活性粒子，活性粒子在V型火焰稳定器导流孔气流气动力的作用下与回流区内的可燃混合气掺混，从而增大了可燃混合气的化学反应速率，促进燃料燃烧更加充分，提高了燃料的燃烧效率。

2、本发明创造性的在V型火焰稳定器前缘处开有导流孔，能够使加力燃烧室上游的可燃混合气从导流孔进入火焰稳定器的回流区，改善回流区内的贫油状况，使回流区内的可燃混合气更有利于点火，同时拓宽了加力燃烧室的稳定燃烧范围和贫油熄火边界。

3、本发明创造性的在V型火焰稳定器上将等离子体激励器和火焰稳定器前缘处开有的导流孔进行组合设计，当等离子体激励器工作时在火焰稳定器上、下壁面电极之间形成高温电弧，电弧在从导流孔流进的可燃混合气气动力的作用下连续滑动，形成滑动弧放电，将火焰稳定器内燃气混合气电离产生大量活性粒子，活性粒子在气流气动力和滑动电弧共同作用下与周围可燃混合气充分掺混，显著的提高了燃料的燃烧效率、拓宽了加力燃烧室中可燃混合气的稳定燃烧范围。

附图说明

图1是中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所提出的火焰稳定器。

图2是中国科学院工程热物理研究所提出的V型火焰稳定器多孔扇形空腔尾缘结构，其中图2a是主视图，图2b是图2a中A部位的局部放大图。

图3是华中科技大学提出的缝式火焰稳定器；其中图3a是V形中缝稳定器，图3b是曲线中缝稳定器，图3c是导向槽V形中缝稳定器，图3d是导向槽曲线中缝稳定器。

图4是空军工程大学提出的航空发动机燃烧室旋转滑动弧等离子体助燃激励器。

图5是实施例中1提出的等离子体激励式V型火焰稳定器的三维视图。

图6是图5的正视图。

图7是图5的后视图。

图8是图5剖面图。

图9是实施例中2提出的等离子体激励式V型火焰稳定器的三维视图。

图10是图9的正视图。

图11是图9的后视图。

图12是图9的剖面图。图中：

1.上壁面；2.展向导流孔；3.电极；4.下壁面；5.弦向导流孔；6.前缘。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种具有弦向导流孔的等离子体激励式V型火焰稳定器。

所述等离子体激励式V型火焰稳定器为槽形，该槽两侧壁板分别为上壁面1和下壁面4，并且所述上壁面与下壁面之间的夹角α为20°～40°，使其横截面呈V形。所述上壁面与下壁面之间圆弧连接，形成了该等离子体激励式V型火焰稳定器的前缘6；所述圆弧的半径为6～15mm。本实施例中，所述上壁面与下壁面之间的夹角α为30°，所述圆弧的半径为10mm。

在所述等离子体激励式V型火焰稳定器前缘的顶端沿展向均布有多个弦向导流孔；各所述弦向导流孔均为条状，其长度方向与该等离子体激励式V型火焰稳定器的弦向一致，并使各导流孔的两端分别靠近所述的上壁面与下壁面，在所述等离子体激励式V型火焰稳定器前缘形成了多个弦向导流孔5。相邻的两个弦向导流孔5宽度方向的中心线之间的间距d＝5～20mm。所述各弦向导流孔5的长度a为6～15mm；宽度b为4～6mm；弦向导流孔5的两端为半圆形。本实施例中，相邻的两个弦向导流孔5宽度方向的中心线之间的间距d＝10mm。所述各弦向导流孔5的长度a为12mm；宽度b为5mm。

在所述等离子体激励式V型火焰稳定器的上壁面1的内表面均布有多个电极3，并使各电极宽度方向的中心线分别与各所述弦向导流孔宽度方向的中心线空间重合。在所述等离子体激励式V型火焰稳定器的下壁面4的内表面亦均布有多个电极3，并使各电极宽度方向的中心线分别与各所述弦向导流孔宽度方向的中心线空间重合。所述分别位于等离子体激励式V型火焰稳定器上壁面的电极与分别位于等离子体激励式V型火焰稳定器下壁面的电极组成一个电极组，该电极组中的两个电极均与同一个弦向导流孔对应。

所述展向相邻的每组电极3的电极间距m＝5～20mm；所述电极间距是相邻电极宽度方向中心线之间的距离。各所述电极3的宽度均为5～10mm，长度均为40～50mm。本实施例中，所述展向相邻的每组电极3的电极间距m＝12mm；各所述电极3的宽度均为8mm，长度均为45mm。

所述电极3采用现有技术。电极3能够产生滑动弧放电等离子体激励。

本实施例中，使每一个弦向导流孔5都分别对应一组电极3，在气流从弦向导流孔5进入等离子体激励式V型火焰稳定器内部的过程中，能够降低稳定器后方可燃混合气的湍流强度。同时，火焰稳定器上壁面1、下壁面4内侧的电极3在高电压下击穿火焰稳定器内的可燃混合气形成放电电弧，气流的气动力会将电极3之间形成的电弧沿电极3方向吹向气流的下游，形成连续滑动的滑动电弧。

实施例2

本实施例是一种具有展向导流孔的等离子体激励式V型火焰稳定器。

所述等离子体激励式V型火焰稳定器为槽形，该槽两侧壁板分别为该火焰稳定器的上壁面1和下壁面4，并且所述上壁面与下壁面之间的夹角α为20°～40°，使其横截面呈V形。所述上壁面与下壁面之间圆弧连接，形成了该等离子体激励式V型火焰稳定器的前缘6；所述圆弧的半径为6～15mm。本实施例中，所述上壁面与下壁面之间的夹角α为30°，所述圆弧的半径为10mm。

在所述火等离子体激励式V型焰稳定器前缘6顶端处有一个条形的展向导流孔2，该导流孔的长度方向与所述火焰稳定器前缘的展向一致。所述展向导流孔2的长度A与等离子体激励式V型火焰稳定器展向长度L之间的比值为A:L＝0.6～08，各所述展向导流孔的宽度B＝2～10mm，导流孔的宽度B：火焰稳定器尾缘宽度D＝0.05～0.2。本实施例中，所述展向导流孔2的长度A与等离子体激励式V型火焰稳定器展向长度L之间的比值为A:L＝0.6～08，各所述展向导流孔的宽度B＝6mm；导流孔的宽度B：火焰稳定器尾缘宽度D＝0.2。

所述的等离子体激励式V型火焰稳定器的上壁面1内侧和下壁面4内侧分别敷设有电极3，并使位于上壁面1的电极与位于下壁面4的电极的位置相对应，形成电极组。所述展向相邻的每组电极3的电极间距m′＝5～20mm；所述电极间距是相邻电极宽度方向中心线之间的距离。各所述电极3的宽度为5～10mm，各所述电极的长度为40～50mm。本实施例中，所述展向相邻的每组电极3的电极间距m′＝12mm；各所述电极3的宽度为8mm，各所述电极的长度为45mm。

本实施例中，该火焰稳定器上壁面1内表面和下壁面4内表面分别敷设有能够产生等离子体的电极3，使气流由火焰稳定器前缘的展向导流孔2流入火焰稳定器内部，能够降低稳定器后方可燃混合气的湍流强度。同时，分别位于该火焰稳定器上壁面内表面和下壁面内表面的电极3在高电压下击穿火焰稳定器内的可燃混合气形成放电电弧，该放电电弧在从展向导流孔进入的气流气动力的作用下，形成沿气流方向连续滑动的滑动电弧。

Claims (6)

1.一种等离子体激励式V型火焰稳定器，其特征在于，所述等离子体激励式V型火焰稳定器为槽形，该槽两侧壁板分别为上壁面和下壁面，并且所述上壁面与下壁面之间的夹角α为20°～40°，使其横截面呈V形；所述上壁面与下壁面之间圆弧连接，形成了该等离子体激励式V型火焰稳定器的前缘；所述圆弧的半径为6～15mm；在所述等离子体激励式V型火焰稳定器前缘的顶端有弦向导流孔或展向导流孔；在所述等离子体激励式V型火焰稳定器的上壁面和等离子体激励式V型火焰稳定器的下壁面的内表面分别均布有多个电极。

2.如权利要求1所述等离子体激励式V型火焰稳定器，其特征在于，所述弦向导流孔有多个，均为条状；各所述弦向导流孔长度方向与该等离子体激励式V型火焰稳定器的弦向一致，并使各导流孔的两端分别靠近所述的上壁面与下壁面；所述相邻的两个弦向导流孔宽度方向的中心线之间的间距d＝5～20mm；所述各弦向导流孔的长度a为6～15mm；宽度b为4～6mm；弦向导流孔的两端为半圆形。

3.如权利要求1所述等离子体激励式V型火焰稳定器，其特征在于，所述展向导流孔为一个，该展向导流孔的长度方向与所述火焰稳定器前缘的展向一致；所述展向导流孔的长度A与等离子体激励式V型火焰稳定器展向长度L之间的比值为A:L＝0.6～08，各所述展向导流孔的宽度B＝2～10mm；导流孔的宽度B：火焰稳定器尾缘宽度D＝0.05～0.2。

4.如权利要求1所述等离子体激励式V型火焰稳定器，其特征在于，所述分别位于等离子体激励式V型火焰稳定器上壁面的电极与分别位于等离子体激励式V型火焰稳定器下壁面的电极组成一个电极组。

5.如权利要求1所述等离子体激励式V型火焰稳定器，其特征在于，所述展向相邻的每组电极的电极间距为5～20mm；所述电极间距是相邻电极宽度方向中心线之间的距离；各所述电极的宽度均为5～10mm，长度均为40～50mm。

6.如权利要求1所述等离子体激励式V型火焰稳定器，其特征在于，当采用所述弦向导流孔时，该电极组中的两个电极均与同一个弦向导流孔对应，并使各所述电极宽度方向的中心线分别与各所述弦向导流孔宽度方向的中心线空间重合。