CN111980825A - 一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置及方法，该装置包括第一陶瓷底板、第二陶瓷底板、高压脉冲电源、电源控制器以及多组钨电极对；第一陶瓷底板和第二陶瓷底板嵌设于超燃冲压发动机的燃烧室底部，分别位于横向射流喷嘴的上游和下游，顶面均与燃烧室内侧底面平齐；第一陶瓷底板、第二陶瓷底板上均嵌设有多组钨电极对，各钨电极对沿燃烧室流场流向间隔分布，顶部与燃烧室内侧底面平齐，底部与高压脉冲电源连接；电源控制器与高压脉冲电源连接。本发明能够在超燃冲压发动机以横向射流的方式喷注燃料时，依靠电弧等离子体能量沉积的力、热扰动和湍流膨胀效应，提高燃料射流的穿透深度，实现燃料掺混增强，提高燃烧效率。

Description

一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置及方法

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机技术领域，尤其涉及一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置及方法。

背景技术

超燃冲压发动机是高超声速巡航导弹、跨大气层飞行器、可重复使用空间发射器以及单级入轨空天飞机的动力装置，其推力的产生必须依靠在燃烧室内合理的燃烧组织，因而燃烧室的燃烧组织技术是超燃冲压发动机的核心技术。对于燃烧室燃烧组织的设计，必须要保证燃料在有限的空间和时间的制约下完成掺混、点火和燃烧过程，且燃料的供应规律匹配不同的飞行条件，既能够让燃烧室正常工作，也能够使其具有尽可能小的性能损失。壁面燃料射流是超燃冲压发动机燃烧室常见的燃料注入方式，增大燃料射流的穿透深度，增强燃料掺混，对于提高燃烧室燃烧效率和发动机减重具有重要的工程实际意义。

当发动机燃烧室内来流流场马赫数较大时，横向的燃料射流由于受到来流压缩的影响，易贴于壁面传播，穿透深度较低，与来流流场的动量交换能力弱，燃料的掺混性能差，导致发动机燃料的燃烧效率下降。目前，增强燃料掺混的方式是在横向射流喷嘴前后增加肋片、斜坡等扰流装置，一方面会引起发动机有较大的总压损失，降低发动机推力性能，另一方面小肋片在高动压气动加热下存在烧蚀破坏的风险。

因此，针对以上不足，需要提供一种能够更加有效、安全地增强超燃冲压发动机燃料掺混的装置及方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分缺陷，提供一种基于脉冲电弧能量沉积的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置及方法，利用高频脉冲电弧等离子体能量沉积产生的力、热扰动作用于边界层及其附近的流场，实现辅助超燃冲压发动机燃烧室燃料掺混增强的效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，该装置包括：

第一陶瓷底板、第二陶瓷底板、高压脉冲电源、电源控制器以及多组钨电极对；

所述第一陶瓷底板和所述第二陶瓷底板嵌设于超燃冲压发动机的燃烧室底部，分别位于横向射流喷嘴的上游和下游，顶面均与所述燃烧室内侧底面平齐；

所述第一陶瓷底板、所述第二陶瓷底板上均嵌设有多组所述钨电极对，各所述钨电极对沿燃烧室流场流向间隔分布，顶部与所述燃烧室内侧底面平齐，底部与所述高压脉冲电源连接；

所述电源控制器与所述高压脉冲电源连接，用于根据输入信号向所述高压脉冲电源输入可调节的方波电压，以控制所述高压脉冲电源的输出功率。

优选地，各所述钨电极对串联，设于所述第一陶瓷底板的、串联起始端的钨电极对通过第一耐高压导线与所述高压脉冲电源的电源正极连接，设于所述第一陶瓷底板的、串联末端的钨电极对通过第二耐高压导线与所述高压脉冲电源的电源地连接。

优选地，所述第一耐高压导线、第二耐高压导线的耐压极限不低于30kV。

优选地，所述高压脉冲电源输入的方波电压的波形的上升沿和下降沿调节数值为50ns、100ns、150ns、200ns，波形的脉宽调节范围为50～2000ns。

优选地，所述高压脉冲电源输入的方波电压的范围为10～20kV，所述高压脉冲电源的放电频率范围为1kHz～10kHz，输出功率范围为50～300W。

优选地，所述第一陶瓷底板、所述第二陶瓷底板上，各所述钨电极对呈阵列式均匀间隔分布。

优选地，相邻两组所述钨电极对沿燃烧室流场流向间隔范围为10～15mm。

优选地，每组所述钨电极对包括两个钨电极，每个钨电极的直径为1～2mm。

本发明还提供了一种超燃冲压发动机燃料掺混增强方法，该方法包括如下步骤：

在超燃冲压发动机的燃烧室安装如上述任一项所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置；

开启燃烧室的横向射流喷嘴向燃烧室内喷射燃料射流，若燃料射流的穿透深度低于第一设定阈值，则利用电源控制器启动高压脉冲电源为各钨电极对供电，各钨电极对击穿空气，产生脉冲电弧等离子体能量沉积，辅助超燃冲压发动机燃烧室燃料掺混增强。

优选地，若利用电源控制器启动高压脉冲电源为各钨电极对供电后，燃料射流的穿透深度低于第二设定阈值，则根据燃料射流的穿透深度增加高压脉冲电源输入的方波电压，

和/或

减小方波电压的波形的上升沿数值，

和/或

减小方波电压的波形的脉宽。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置及方法，该装置中，各钨电极对嵌入燃烧室内侧底面，没有侵入式的机械结构，可有效减小发动机的总压损失，避免装置的气动烧蚀；钨电极对放电形成脉冲电弧等离子体能量沉积，依靠高频的脉冲电弧等离子体能量沉积的力、热扰动原理，在流场中诱导产生间歇性的高温加热气团，加热气团向下游传播与燃料射流诱导的压缩激波/边界层干扰区流动相互作用，产生大尺度的旋涡结构，利用能量沉积的湍流膨胀效应直接冲击横向射流喷嘴下游的燃料，提高燃料穿透深度，促进燃料组分分散，以及与来流流场的动量交换，位于横向射流喷嘴上、下游的部分同时发挥作用，以不同的原理实现燃料掺混增强的效果，从而提高发动机燃料的燃烧效率。并且，本发明实现电弧等离子体能量沉积的输出时只需消耗电能，通过调节电源控制器，即可方便地控制高压脉冲电源的启动和输出，进而调整该超燃冲压发动机燃料掺混增强装置工作状态。

附图说明

图1是本发明实施例中一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置剖面示意图；

图2是本发明实施例中一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置立体示意图；

图3是本发明实施例中一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置工作状态照片。

图中：1：燃烧室；2：横向射流喷嘴；3：燃料射流；4：压缩激波；5：第一陶瓷底板；6：第二陶瓷底板；7：钨电极；8：第三耐高压导线；9：加热气团；10：爆炸波；11：第一耐高压导线；12：第二耐高压导线；13：高压脉冲电源；14：电源正极；15：电源地；16：电源控制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置包括：第一陶瓷底板5、第二陶瓷底板6、高压脉冲电源13、电源控制器16以及多组钨电极对。

如图1所示，第一陶瓷底板5和第二陶瓷底板6均嵌设于超燃冲压发动机的燃烧室1底部，第一陶瓷底板5和第二陶瓷底板6分别位于横向射流喷嘴2的上游和下游。横向射流喷嘴2用于提供燃料射流3，其出口处喷射燃料的方向，与燃烧室1内主流燃料流场的来流方向(如图1中箭头所示方向)相互垂直。横向射流喷嘴2的上游即更靠近来流方向的一侧，下游即远离来流方向的一侧。第一陶瓷底板5和第二陶瓷底板6的顶面均与燃烧室1的内侧底面平齐。

如图1和图2所示，第一陶瓷底板5、第二陶瓷底板6上均嵌设有多组钨电极对。一组钨电极对包括两个钨电极7，每个钨电极7的直径优选为1～2mm，一组钨电极对中两个钨电极7的中心间隔距离范围优选为2～6mm。各钨电极对沿燃烧室流场流向(即燃烧室1内主流燃料流场的来流方向)间隔分布，相邻两组各钨电极对平行间隔，间隔大小可根据实际需求设定，为使电弧能量沉积产生的热团结构具有相互叠加，增强作用效果，相邻两组钨电极对沿燃烧室流场流向的间隔范围优选为10～15mm。各钨电极对的顶部与燃烧室1的内侧底面平齐，也即与其所在的第一陶瓷底板5或第二陶瓷底板6的顶面平齐。各钨电极对的底部与高压脉冲电源13连接，由高压脉冲电源13为各个钨电极7供电。

如图2所示，电源控制器16与高压脉冲电源13连接，用于根据输入信号向高压脉冲电源13输入方波电压，且电源控制器16向高压脉冲电源13输入的方波电压可调节，以控制高压脉冲电源13的输出功率，进而实现根据实际情况调整该超燃冲压发动机燃料掺混增强装置的工作状态。高压脉冲电源13为各组钨电极对提供高压脉冲，以实现电弧放电。输入电源控制器16的输入信号可以来自于用户输入，实现人机交互，也可以来自于发动机监测信号，实现自动化控制。

图3是本发明实施例中一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置工作状态照片。本发明采用耐高温的钨电极，避免因电弧放电引起电极烧蚀，提高装置的使用寿命；钨电极对嵌入燃烧室1内侧底面，没有侵入式的机械结构，可有效减小发动机的总压损失，避免装置的气动烧蚀；并且，本发明利用高频脉冲电弧等离子体能量沉积产生的力、热扰动作用于边界层及其附近的流场，实现了辅助超燃冲压发动机燃烧室燃料掺混增强的效果，具体表现为：钨电极对之间产生脉冲电弧等离子体能量沉积，能量沉积的力、热扰动作用于流场，诱导流场产生加热气团9和爆炸波10，位于上游的电弧等离子体能量沉积形成的加热气团9与下游的燃料射流3诱导的压缩激波4相互作用时，产生大尺度的旋涡结构，促进横向射流喷嘴2喷出的燃料与来流流场的动量交换；位于下游的电弧等离子体能量沉积形成的湍流膨胀直接作用于燃料射流3，使燃料射流3的穿透深度提高，射流组分更加分散，且促使燃料射流3内产生大尺度旋涡结构，进一步促进燃料的掺混，达到提高发动机燃烧效率的目的。

优选地，该超燃冲压发动机燃料掺混增强装置中各钨电极对串联，设于第一陶瓷底板5的、串联起始端的钨电极对通过第一耐高压导线11与高压脉冲电源13的电源正极14连接，设于第一陶瓷底板5的、串联末端的钨电极对通过第二耐高压导线12与高压脉冲电源13的电源地15连接。如图2所示，自串联起始端的钨电极对至串联末端的钨电极对，相邻的两组钨电极对之间通过第三耐高压导线8连接，第一陶瓷底板5上嵌设的钨电极对与第二陶瓷底板6上嵌设的钨电极对之间同样通过第三耐高压导线8连接，各组钨电极对与高压脉冲电源13通过耐高压导线(即第一至第三耐高压导线)形成电流回路，使得该装置位于横向射流喷嘴2上游和下游的部分同时发挥作用，增大电弧等离子体能量沉积的作用范围。在其他的实施方式中，根据实际需要，各钨电极对也可采用其他连接方式，例如设于第一、二陶瓷底板的钨电极对分别串联，分别通过耐高压导线连接高压脉冲电源等，当钨电极对的连接电路发生改变。进一步地，耐高压导线的耐压极限不低于30kV，以确保装置的安全性能。

优选地，高压脉冲电源13输入的方波电压的方波波形的上升沿和下降沿调节数值为50ns、100ns、150ns、200ns，方波波形的脉宽数值调节范围为50～2000ns。在输出功率和放电频率一定的条件下，采用纳秒或微秒时间量级的脉冲电弧放电，脉冲电弧能量沉积对流场产生力和热的扰动较大，可更好地提高燃料射流穿透深度。通常，在高压脉冲电源13的输出功率和放电频率一定时，方波波形的上升沿和脉宽的数值越小，单脉冲能量沉积的扰动能力越强。

由于当高压脉冲电源13输入的方波电压较高，或高压脉冲电源13的放电频率较低时，单脉冲电弧放电能量较大，使用时，可根据来流的速度和燃料射流的穿透深度来选择方波电压和放电频率。例如，为保证脉冲电弧对流场产生持续的扰动，当来流的速度较低时，可选择较低的放电频率；而当来流的速度较高时，应选择较高的放电频率。优选地，高压脉冲电源13输入的方波电压的电压范围为10～20kV，高压脉冲电源13的放电频率范围为1kHz～10kHz，输出功率范围为50～300W，增大高压脉冲电源13输入的方波电压，可提高输出功率。采用上述参数范围，可保证工作时各组钨电极对均击穿，形成电弧能量沉积，对流场产生持续的扰动，且能够覆盖超燃冲压发动机的速度范围。

优选地，第一陶瓷底板5、第二陶瓷底板6上，各钨电极对呈阵列式均匀间隔分布。

本发明还提供了一种超燃冲压发动机燃料掺混增强方法，该方法包括如下步骤：

在超燃冲压发动机的燃烧室1安装如上述任一项实施方式的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，在燃烧室1内横向射流喷嘴的上、下游分别嵌入装有钨电极对的第一陶瓷底板5、第二陶瓷底板6，并完成电路连接。安装后，第一陶瓷底板5、第二陶瓷底板6(及嵌设其中的钨电极对)顶面均与燃烧室1内侧底面平齐，避免因壁面不平整而产生干扰流动和气动烧蚀，影响发动机性能。

开启燃烧室1的横向射流喷嘴2向燃烧室1内流场喷射燃料射流3，若燃料射流3的穿透深度低于第一设定阈值，则利用电源控制器16启动高压脉冲电源13为各钨电极对供电，各钨电极对击穿空气，建立高频脉冲电弧放电通道，产生脉冲电弧等离子体能量沉积，能量沉积的力、热扰动作用于流场，诱导流场产生加热气团9和爆炸波10。

位于射流喷嘴上游的钨电极对产生的加热气团9向燃烧室1下游传播，与燃料射流3诱导的压缩激波4相互作用，形成大尺度旋涡结构，增加流场涡量，促进燃料射流3与来流流场掺混。位于射流喷嘴下游的电极对产生的加热气团9直接作用于燃料射流3，通过其形成过程中的力、热扰动和湍流膨胀促进燃料射流3深度的提高，燃料射流体内涡量增加，进一步促进燃料掺混，达到提高发动机燃烧效率的目的。

进一步地，若利用电源控制器启动高压脉冲电源为各钨电极对供电后，燃料射流的穿透深度低于第二设定阈值，即穿透深度依然不足，则可根据燃料射流的穿透深度，选择增加高压脉冲电源输入的方波电压、减小方波电压的波形的上升沿数值、减小方波电压的波形的脉宽中一种或几种方式。对于高压脉冲电源13，设置输入的方波电压越大，上升沿和脉宽越小，脉冲电弧放电能量沉积对流场产生的作用力越大，燃料的掺混效果越好。特别地，高压脉冲电源13的放电频率可根据超燃冲压发动机内来流的速度自动匹配，按10倍于来流的速度的数值选定放电频率，即可实现连续控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，其特征在于，包括：

第一陶瓷底板、第二陶瓷底板、高压脉冲电源、电源控制器以及多组钨电极对；

所述第一陶瓷底板和所述第二陶瓷底板嵌设于超燃冲压发动机的燃烧室底部，分别位于横向射流喷嘴的上游和下游，顶面均与所述燃烧室内侧底面平齐；

所述第一陶瓷底板、所述第二陶瓷底板上均嵌设有多组所述钨电极对，各所述钨电极对沿燃烧室流场流向间隔分布，顶部与所述燃烧室内侧底面平齐，底部与所述高压脉冲电源连接；

所述电源控制器与所述高压脉冲电源连接，用于根据输入信号向所述高压脉冲电源输入可调节的方波电压，以控制所述高压脉冲电源的输出功率。

2.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，其特征在于：

各所述钨电极对串联，设于所述第一陶瓷底板的、串联起始端的钨电极对通过第一耐高压导线与所述高压脉冲电源的电源正极连接，设于所述第一陶瓷底板的、串联末端的钨电极对通过第二耐高压导线与所述高压脉冲电源的电源地连接。

3.根据权利要求2所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，其特征在于：

所述第一耐高压导线、第二耐高压导线的耐压极限不低于30kV。

4.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，其特征在于：

所述高压脉冲电源输入的方波电压的波形的上升沿和下降沿调节数值为50ns、100ns、150ns、200ns，波形的脉宽调节范围为50～2000ns。

5.根据权利要求4所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，其特征在于：

所述高压脉冲电源输入的方波电压的范围为10～20kV，所述高压脉冲电源的放电频率范围为1kHz～10kHz，输出功率范围为50～300W。

6.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，其特征在于：

所述第一陶瓷底板、所述第二陶瓷底板上，各所述钨电极对呈阵列式均匀间隔分布。

7.根据权利要求6所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，其特征在于：

相邻两组所述钨电极对沿燃烧室流场流向间隔范围为10～15mm。

8.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置，其特征在于：

每组所述钨电极对包括两个钨电极，每个钨电极的直径为1～2mm。

9.一种超燃冲压发动机燃料掺混增强方法，其特征在于：包括如下步骤：

在超燃冲压发动机的燃烧室安装如权利要求1-8任一项所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强装置；

开启燃烧室的横向射流喷嘴向燃烧室内喷射燃料射流，若燃料射流的穿透深度低于第一设定阈值，则利用电源控制器启动高压脉冲电源为各钨电极对供电，各钨电极对击穿空气，产生脉冲电弧等离子体能量沉积，辅助超燃冲压发动机燃烧室燃料掺混增强。

10.根据权利要求9所述的超燃冲压发动机燃料掺混增强方法，其特征在于：

若利用电源控制器启动高压脉冲电源为各钨电极对供电后，燃料射流的穿透深度低于第二设定阈值，则根据燃料射流的穿透深度增加高压脉冲电源输入的方波电压，

和/或

减小方波电压的波形的上升沿数值，

和/或

减小方波电压的波形的脉宽。

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