CN111380078B - 一种电热型加力燃烧室及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电热型加力燃烧室及工作方法，属于航空发动机技术领域。所述的电热型加力燃烧室包括外壁环、内壁环、法拉电容、支撑架和电极。所述的多个法拉电容和电极，将从所述电极掠过的气流电离为高温等离子体流，高温等离子体流与未被电离的气流在流道内对流换热变为温度高于涡轮后温度的高温气流，这样就能提高航空发动机的推力。本发明没有管路等设备，不会出现燃油堵塞、喷射难、燃烧震荡等复杂问题。其次，本发明在短时间内提升推力，并不会多余消耗燃油，而是使用法拉电容携带的电能作为加力动力来源。

Description

一种电热型加力燃烧室及工作方法
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，尤其涉及一种电热型加力燃烧室及工作方法。
背景技术
航空发动机为了应对特殊任务，需要在某时段短时间内大幅提高推力，现有的设计思路是在涡轮与拉瓦尔喷管之间添加加力燃烧室，在执行任务时，打开加力燃烧室，利用前方气流中未被燃尽的氧气与燃油燃烧，实现短时间内大幅提升推力。
使用燃油与未被燃尽的氧气燃烧在短时间内提升推力会导致油耗大幅上升，这是因为在加力燃烧室内氧气不充足，燃油燃烧效率降低而造成的。并且燃油、燃油管路、燃油喷射在高速气流中难以控制，且在高亚音速情况下，燃油管路若出现堵塞或其他故障，加力燃烧室就无法正常工作。另外，航空发动机的温度每提高55K，推力就可以提高10％，燃油在燃烧室狭小空间内提供的高温在气流一定的情况下是存在上限的。
发明内容
本发明针对现有技术中加力燃烧室工作时油耗大，并且燃油、燃油管路、燃油喷射在高速气流中难以控制等问题，提供一种电热型加力燃烧室，以克服航空发动机加力燃烧室油耗高、易出故障、气流震荡、气流存在高温上限的技术难题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电热型加力燃烧室，所述的电热型加力燃烧室包括外壁环1、内壁环2、法拉电容3、支撑架4和电极5。
所述的外壁环1和内壁环2均为薄壁圆筒形结构，内壁环2安装于外壁环1 内部。
所述的法拉电容3共有2N个，N为正整数，法拉电容3间按照圆周整列的方式安装在外壁环1与内壁环2之间。所述的法拉电容3为超级电容，可实现短时间内大功率放电。
所述的支撑架4包括一个支撑圆环和多个支撑杆，支撑圆环通过支撑杆安装在内壁环2的内部，支撑圆环与内壁环2同轴。
所述的电极5为偶数个，电极5安装在支撑圆环背对气流的一侧，相邻两个电极的极性不相同；所述电极5为圆锥体结构，圆锥尖指向气流流动方向。
进一步的，所述的电极5通过内置于所述支撑架4的导线与所述法拉电容3 连接，由法拉电容3向电极5供电。
进一步的，所述的法拉电容3由控制器控制放电过程。
一种电热型加力燃烧室的工作方法，包括以下步骤：
第一步：第一个法拉电容3供电t1(其中t1表示供电时间)，第一个法拉电容3停止供电；第二个法拉电容3供电时间t1，第二个法拉电容3停止供电；其余法拉电容3按照上述方式依次进行供电时间t1，本步放电时间总共为2N× t1；
第二步：相邻的21个法拉电容3组成法拉电容组，共分为2N-1组，第一组法拉电容组供电时间t2(其中t2表示供电时间)，第一组法拉电容组停止供电；第二组法拉电容组供电时间t2，第二组法拉电容组停止供电；其余法拉电容组按照上述方式依次进行供电时间t2，本步放电时间总共为2N-1×t2；
第三步：相邻的22个法拉电容3组成法拉电容组，共分为2N-2组，第一组法拉电容组供电时间t3(其中t3表示供电时间)，第一组法拉电容组停止供电；第二组法拉电容组供电时间t3，第二组法拉电容组停止供电；其余法拉电容组按照上述方式依次进行供电时间t3，本步放电时间总共为2N-2×t3；
……
第k步：相邻的2k-1个法拉电容3为一组，共分为2N+1-k组，第一组法拉电容组一起供电tk(其中tk表示供电时间)，第一组法拉电容组停止供电；第二组法拉电容组供电时间tk，第二组法拉电容组停止供电；其余法拉电容组按照上述方式依次进行供电时间tk，本步放电时间总共为2k-1×tk；
……
第N+1步：2N个电容一起供电时间tN+1。
该方法总放电时间为：t1×2N+t2×2N-1+……+tk×2N+1-k+……+tN+1×20。
通过上述方式供电，将从所述电极5掠过的气流电离为高温等离子体流，高温等离子体流与未被电离的气流在流道内对流换热变为温度高于涡轮后温度的高温气流，这样就能提高航空发动机的推力。相较于沉重笨拙的铅酸蓄电池，多电容装置通过这种放电方式，可以实现在较为稳定的范围内以超高功率向用电器供电；相较于单个电容逐次放电，该放电模式可以实现更长时间的稳定供电。
本发明所述法拉电容3向所述电极5供电，在短时间内大功率放电，将流经电极5附近的气流电离为高温等离子体；未被电离的气流与等离子体流在所述内壁环2的管道内由于流体自身稳流作用对流换热形成一个温度较高且均匀的气流(该气流的平均温度高于进入燃烧室时的温度)。
本发明的有益效果：本发明通过电弧放电产生高温等离子体，具有以下优势：
一、电弧放电产生等离子体对工质的种类要求不高，所以涡轮前燃烧室可以将氧气几乎用尽，达到最高效率的燃烧，就不会存在燃烧效率低等问题；
二、等离子体不存在高温上限，相较于使用燃油的化学能作为高温热源，本发明可以不断提高发动机的推力性能；
三、本发明没有管路等设备，不会出现燃油堵塞、喷射难、燃烧震荡等复杂问题。其次，本发明在短时间内提升推力，并不会多余消耗燃油，而是使用法拉电容3携带的电能作为加力动力来源。
附图说明
图1为本发明电热型加力燃烧室正视图；
图2位本发明电热型加力燃烧室后视图。
图中：1、外壁环；2、内壁环；3、法拉电容；4、支撑架；5、电极。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和2所述的一种电热型加力燃烧室包括外壁环1、内壁环2、法拉电容3、支撑架4和电极5。
所述的外壁环1和内壁环2均为薄壁圆筒形结构，内壁环2安装于外壁环1 内部。
所述的法拉电容3共有16个，按照圆周整列的方式安装在外壁环1与内壁环2之间。所述的法拉电容3的额定电压为100V、电容容量为1000F的电容。
所述的支撑架4包括一个支撑圆环和多个支撑杆，支撑圆环通过支撑杆安装在内壁环2的内部，支撑圆环与内壁环2同轴。支撑圆环背对气流的一侧安装有26个电极5。所述的电极5通过内置于所述支撑架4的导线与所述法拉电容3连接，由所述法拉电容3向电极5供电。
进一步的，所述的法拉电容3由控制器控制放电过程。
本实施例的工作方法，包括以下步骤：
第一步：第一个法拉电容3供电t1(其中t1表示供电时间)，第一个法拉电容3停止供电；第二个法拉电容3供电时间t1，第二个法拉电容3停止供电；其余法拉电容3按照上述方式依次进行供电时间t1，本步放电时间总共为16× t1；
第二步：相邻的2个法拉电容3组成法拉电容组，共分为8组，第一组法拉电容组供电时间t2(其中t2表示供电时间)，第一组法拉电容组停止供电；第二组法拉电容组供电时间t2，第二组法拉电容组停止供电；其余6组法拉电容组按照上述方式依次进行供电时间t2，本步放电时间总共为8×t2；
第三步：相邻的4个法拉电容3组成法拉电容组，共分为4组，第一组法拉电容组供电时间t3(其中t3表示供电时间)，第一组法拉电容组停止供电；第二组法拉电容组供电时间t3，第二组法拉电容组停止供电；其余2组法拉电容组按照上述方式依次进行供电时间t3，本步放电时间总共为4×t3；
第四步：相邻的8个法拉电容3为一组，共分为2组，第一组法拉电容组一起供电t4(其中t4表示供电时间)，第一组法拉电容组停止供电；第二组法拉电容组供电时间t4，第二组法拉电容组停止供电；本步放电时间总共为2×t4；
第五步：8个电容一起供电时间t5。
本实施例总放电时间为：16×t1+8×t2+4×t3+2×t4+t5。
经过调整每一阶段的放电时长，可实现放电效率最优化，而且这种方式可以保证在每一个阶段放电功率过程基本类似。电压、电流、功率随着放电时间逐渐降低，后一阶段的放电初始电压为前一阶段的放电结束电压，然而，后一阶段的放电初始电流为前一阶段放电结束电流的两倍，通过对每一阶段的放电时间调整，可以保持每一阶段的放电功率在一个恒定范围，实现电弧高温等离子体的稳定产生。相较于沉重笨拙的铅酸蓄电池，多电容装置通过这种放电方式，可以实现在较为稳定的范围内以超高功率向用电器供电；相较于单个电容逐次放电，该放电模式可以实现更长时间的稳定供电。
工作原理为，该装置安装在航空发动机涡轮后。所述的多个法拉电容3，通过上述方式供电，将从所述电极5掠过的气流电离为高温等离子体流，高温等离子体流与未被电离的气流在流道内对流换热变为温度高于涡轮后温度的高温气流，这样就能提高航空发动机的推力。

Claims (1)

1.一种电热型加力燃烧室的工作方法，其特征在于，所述的电热型加力燃烧室包括外壁环(1)、内壁环(2)、法拉电容(3)、支撑架(4)和电极(5)；
所述的外壁环(1)和内壁环(2)均为薄壁圆筒形结构，内壁环(2)安装于外壁环(1)内部；
所述的法拉电容(3)共有2N个，N为正整数，法拉电容(3)间按照圆周整列的方式安装在外壁环(1)与内壁环(2)之间；所述的法拉电容(3)为超级电容，可实现短时间内大功率放电；
所述的支撑架(4)包括一个支撑圆环和多个支撑杆，支撑圆环通过支撑杆安装在内壁环(2)的内部，支撑圆环与内壁环(2)同轴；
所述的电极(5)为偶数个，电极(5)安装在支撑圆环背对气流的一侧，相邻两个电极的极性不相同；所述电极(5)为圆锥体结构，圆锥尖指向气流流动方向；所述的电极(5)通过内置于所述支撑架(4)的导线与所述法拉电容(3)连接，由法拉电容(3)向电极(5)供电；
所述电热型加力燃烧室的工作方法，包括以下步骤：
第一步：第一个法拉电容(3)供电t1，其中t1表示供电时间，第一个法拉电容(3)停止供电；第二个法拉电容(3)供电时间t1，第二个法拉电容(3)停止供电；其余法拉电容(3)按照上述方式依次进行供电时间t1，本步放电时间总共为2N×t1；
第二步：相邻的21个法拉电容(3)组成法拉电容组，共分为2N-1组，第一组法拉电容组供电时间t2，其中t2表示供电时间，第一组法拉电容组停止供电；第二组法拉电容组供电时间t2，第二组法拉电容组停止供电；其余法拉电容组按照上述方式依次进行供电时间t2，本步放电时间总共为2N-1×t2；
第三步：相邻的22个法拉电容(3)组成法拉电容组，共分为2N-2组，第一组法拉电容组供电时间t3，其中t3表示供电时间，第一组法拉电容组停止供电；第二组法拉电容组供电时间t3，第二组法拉电容组停止供电；其余法拉电容组按照上述方式依次进行供电时间t3，本步放电时间总共为2N-2×t3；
……
第k步：相邻的2k-1个法拉电容(3)为一组，共分为2N+1-k组，第一组法拉电容组一起供电tk，其中tk表示供电时间，第一组法拉电容组停止供电；第二组法拉电容组供电时间tk，第二组法拉电容组停止供电；其余法拉电容组按照上述方式依次进行供电时间tk，本步放电时间总共为2k-1×tk；
……
第N+1步：2N个电容一起供电时间tN+1。
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