CN113091089A

CN113091089A - 一种利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机

Info

Publication number: CN113091089A
Application number: CN202110399663.5A
Authority: CN
Inventors: 吴云柯; 王慧汝; 杨谦; 夏姣辉; 张良; 黄夏; 柳伟杰; 薛然然; 李瑞明
Original assignee: China Aero Engine Research Institute
Current assignee: China Aero Engine Research Institute
Priority date: 2021-04-14
Filing date: 2021-04-14
Publication date: 2021-07-09

Abstract

发明公开了一种利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，包括发动机本体，发动机本体中具有燃烧室,燃烧室中沿轴向依次具有头部区、燃烧区和掺混区，掺混区中固定安装有至少一个掺混区网状电极，燃烧区或燃烧区与掺混区接触位置固定安装有燃烧区网状电极，燃烧区网状电极和掺混区网状电极的平面均沿燃烧室径向设置，燃烧区网状电极和掺混区网状电极均与电场控制装置电连接；电场控制装置能够控制燃烧区网状电极和掺混区网状电极的电压及控制电压变化。本公开可以实现燃烧掺混过程的调节和燃烧室出口温度场的综合调节。可实现贫富油燃烧的平稳过渡，甚至在无掺混孔条件下实现电场控制的RQL燃烧方式，实现抑制NOx排放的同时，提高燃烧温升。

Description

一种利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机

技术领域

本公开属于航空发动机技术领域，具体涉及一种利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机。

背景技术

在航空发动机控制技术方面，发动机在不同工况下的状态控制能力和连续调节能力，对发动机性能、寿命、可靠性有重要影响。例如对于变循环发动机，通过不同飞行高度、速度下，发动机不同涵道进气量的调节与控制，可实现发动机工作在最优循环参数下，并大幅降低循环油耗、提高发动机极速性能；对于常规发动机，通过调节压气机静叶和级间放气装置，可有效防止发动机进气畸变造成的喘振、停车等事故；通过调节发动机尾喷管，可实现发动机推力大小的调节和推力矢量的控制。随着发动机控制技术的发展、控制元器件可靠性的提升及重量、体积的下降，各类先进控制技术还将越来越广泛地应用于发动机不同部件。但是在主燃烧室控制方面，目前则仅能通过调节燃油泵、燃油阀等，对燃油供油的流量、压力进行油门调节，缺乏其他更有效、更精细的控制方法与手段。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开的目的在于提供一种利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机；

一种利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，包括发动机本体，所述发动机本体中具有燃烧室,燃烧室中沿轴向依次具有头部区、燃烧区和掺混区，所述掺混区中固定安装有至少一个掺混区网状电极，所述燃烧区或燃烧区与掺混区接触位置中固定安装有燃烧区网状电极，所述燃烧区网状电极和掺混区网状电极的平面均沿燃烧室径向设置，所述燃烧区网状电极和掺混区网状电极均与电场控制装置电连接；电场控制装置能够控制燃烧区网状电极和掺混区网状电极的电压及控制电压变化。

可选地，所述掺混区网状电极包括环形的电极、放射型的电极、网状的电极中的一种或多种。

可选地，每个所述掺混区网状电极均包括多个同心环形的电极和/或多个放射型的电极，每个所述电极均与电场控制装置电连接。

可选地，每个环形的电极、放射型的电极和网状的电极均分别与电场控制装置电连接，由电场控制装置分别控制电压。

可选地，所述燃烧室的侧壁上均穿设有电场接线端子组，电场控制装置通过电场接线端子组与燃烧区网状电极、掺混区网状电极连接。

可选地，所述掺混区网状电极和燃烧区网状电极上的电极包括电极内芯和耐温的电极外壁，所述电极内芯的表面包裹有所述电极外壁。

可选地，所述电极内芯由铂、铑、钨或其合金材料制成。

可选地，所述电场控制装置包括依次连接的电源、变压器、直流稳压电源、电场控制器；

所述电场控制器包括升压模块、调压模块、电场激励模组，直流稳压电源通过升压模块、调压模块、电场激励模组与燃烧区网状电极和掺混区网状电极电连接，所述电场激励模组包括交流电场激励模组和/或直流电场激励模组。

可选地，所述交流电场激励模组包括波形调节模块、变频输出模块和交流电场激励模块；所述调压模块依次通过波形调节模块、变频输出模块、交流电场激励模块后分别与燃烧区网状电极和掺混区网状电极电连接。

可选地，所述直流电场激励模组包括镇流模块、直流波形调节模块和直流电场激励模块；所述调压模块依次通过镇流模块、直流波形调节模块、直流电场激励模块后分别与燃烧区网状电极和掺混区网状电极电连接。

本公开中通过在掺混区中设置掺混区网状电极，在燃烧区或燃烧区与掺混区接触位置中固定安装有燃烧区网状电极，电场控制装置控制燃烧区网状电极和掺混区网状电极产生需要电压，控制掺混区电场大小和频率，用于燃烧掺混过程的调节和燃烧室出口温度场的综合调节。可实现贫富油燃烧的平稳过渡，甚至在无掺混孔条件下实现电场控制的RQL燃烧方式，实现抑制NOx排放的同时，提高燃烧温升。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开中利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机的结构示意图；

图2是本公开中掺混区网状电极的结构示意图；

图3是本公开中掺混区网状电极的布局结构示意图；其中，图3a是同心圆环形，图3b是放射形，图3c是网格形，图3d是交错网格形，图3e是放射形与同心圆环组合，图3f是线形。

图4是本公开的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机中电场示意图；

图5是本公开中电极的结构示意图；

图6是本公开中电场控制装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

实施例一

参阅图1、图2所示，一种利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，包括发动机本体A，发动机本体A可以包括进气口1、燃料进管2、发动机外壳3、喷嘴组件25、出口11、外火焰筒壁22、内火焰筒壁23，外火焰筒壁22和内火焰筒壁23之间具有所述燃烧室B；空气从进气口1进入，通过外环腔区域和内环腔区域后，从外环筒壁孔4和内环筒壁孔16进入燃烧室B，燃料进管2向喷嘴组件25通入燃料，燃料通过喷嘴组件25喷入燃烧室B，燃料和空气在燃烧室B中燃烧以后从出口11喷出,该发动机的燃烧室B截面可以是筒形的燃烧室截面也可以是圆环形等，燃烧室中沿轴向依次具有头部区B1、燃烧区B2、掺混区B3。

所述掺混区B3中固定安装有至少一个掺混区网状电极12，，所述燃烧区B2或燃烧区B2与掺混区B3接触位置固定安装有燃烧区网状电极8，所述燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12均与电场控制装置C电连接，电场控制装置C通过向燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12输入不同的电压，掺混区网状电极12和燃烧区网状电极8之间可以形成电场；所述燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12的平面均沿燃烧室B径向设置，可以在掺混区B3中形成径向的电场；电场控制装置C能够控制燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12的电压及控制电压变化。通过控制电压的变化，可以实现调整燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12之间的电场。

电场控制装置C可以输出直流电压或者交流电压，从而能够控制掺混区电场生成装置C输出直流电场或者交流电场。当输出直流电场时，可以控制特定粒子或组团向特定方向移动，当输出交流电场时，可以控制特定粒子或组团震荡、失稳、破碎、碰撞、重组等。

为了方便固定，掺混区网状电极12安装于由氧化铝、氧化锆或其他绝缘耐热材质制成的掺混区网状电极支架46上，掺混区网状电极支架46通过掺混区网状电极薄壁支板47固定在燃烧区B内壁上，掺混区网状电极薄壁支板47也由氧化铝、氧化锆或其他绝缘耐热材质制成。并且，掺混区网状电极薄壁支板47、掺混区网状电极支架46均采用低流阻设计，使其对燃烧室B内的流场干扰尽可能小，且需要具有一定的刚性和强度，能够耐受主燃烧室高温燃气气流的冲击。同样，燃烧区网状电极8安装在燃烧区网状电极支架42上。

在一个实施例中，掺混区B3中安装有一个掺混区网状电极12，燃烧区B2与掺混区B3接触位置安装有燃烧区网状电极8，电场控制装置C通过向燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12输入不同的电压，掺混区网状电极12和燃烧区网状电极8之间可以形成电场，通过电场控制装置C控制电压的大小和变化，可以实现控制掺混区网状电极12和燃烧区网状电极8之间形成需要的电场。

在另一个实施例中，掺混区B3中示例性的安装有两个掺混区网状电极12，燃烧区B2安装有燃烧区网状电极8，电场控制装置C不但能够控制燃烧区网状电极8与最近的掺混区网状电极12之间形成电场，而且，电场控制装置C通过向两个的掺混区网状电极12输入不同的电压，两个掺混区网状电极12之间也可以形成需要的电场，通过电场控制装置C控制电压的大小和变化，可以实现控制两个掺混区网状电极12之间形成需要的电场。当然，在安装三个、四个或五个掺混区网状电极12时，其原理也相同。

通过上述装置，可以实现燃烧掺混过程的调节和燃烧室出口温度场的综合调节。可实现贫富油燃烧的平稳过渡，甚至在无掺混孔条件下实现电场控制的RQL燃烧方式，实现抑制NOx排放的同时，提高燃烧温升。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，参阅图3所示，所述掺混区网状电极12包括环形的电极、放射型的电极、网状的电极中的一种或多种。通过组合可以设置成同心圆环形、放射形、网格形、交错网格形、放射形与同心圆环组合型、线性等多种电极形式。每个所述掺混区网状电极12均包括多个同心环形的电极和/或多个放射型的电极，每个所述电极均与电场控制装置C电连接。其中，环形的电极可以是圆环、方形环、三角形环形式的同心多环结构。

所述掺混区网状电极12上的电极包括电极内芯36和耐温的电极外壁37，所述电极内芯36的表面包裹有所述电极外壁37。电极内芯36用于通电，并形成电场；电极外壁37用于保护防止电极内芯36高温破坏，同时确保其不被烧蚀或氧化腐蚀。所述电极内芯36可以由铂、铑、钨等耐热、导电性能良好的金属材料制成，或其合金材料制成，电极外壁37为氧化铝、氧化锆等陶瓷材质或其他绝缘、致密材质的涂层或铠装层。电极外部还可以采用搪瓷、耐热涂层或陶瓷铠装工艺制作，确保隔绝空气。

同一个掺混区网状电极12上的环形电极可以采用相互导通设计，也可以采用各自绝缘设计形式。

当掺混区网状电极12的电极采用相互导通设计形式，掺混区网状电极12需与燃烧区网状电极8或其他掺混区网状电极12联合工作，来实现垂直于主燃烧室旋流器24出口平面方向的轴向电场的激发。

当掺混区网状电极12的电极采用各自绝缘设计形式，掺混区网状电极12既可在各相互绝缘的电极之间形成平行于主燃烧室旋流器24出口平面的径向电场，也可与燃烧区网状电极8或其他掺混区网状电极12联合工作，来实现垂直于主燃烧室旋流器24出口平面方向的轴向电场的激发。

当掺混区网状电极12的电极采用各自绝缘设计形式，对同一掺混区网状电极12中的电极之间的电场分析如下：

结合图2所示，以掺混区网状电极12是三环同心圆环结构为例；三个圆环形电极相互绝缘，并根据其圆环半径，标记为圆环电极R_a、圆环电极R_b和圆环电极R_c，三个圆环形电极分别通过耐热耐烧蚀导线45、电场接线端子组6和电场子线缆组5、外环腔总线14连接至控制器输出端子26。为方便展示，耐热耐烧蚀导线45均为无序的排布，实际应用中则可将耐热耐烧蚀导线45从掺混区网状电极薄壁支板47中心腔体穿过后与电场控制装置C电链接。

工作中，在t时刻，由电场控制装置C分别向三个圆环形电极输出电压信号，使半径为R_a的圆环形电极处于U(R_a，t)电位，半径为R_b的圆环形电极处于U(R_b，t)电位，半径为R_c的圆环形电极处于U(R_c，t)电位。

在工作中，任意t时刻，以圆环电极R_a、圆环电极R_b为例，任意相互绝缘的圆环形网状电极之间形成的平面电场强度为：

式中，角标a、b可根据不同电极替换。显然的，上式对于相互不绝缘、等电位的任意结构形式的掺混区网状电极12也同样适用，此时有E_a，b(t)＝0，即在掺混区网状电极12所在平面，不在掺混区网状电极12之间利用其电极形成电场。通过调整各个环形电极上的电压就可以调整掺混区网状电极12平面中的电场，实现控制电场的大小。同时，可以在多个截面设置多个掺混区网状电极12，相邻掺混区网状电极12之间也可以通过控制电压的大小来控制相邻掺混区网状电极12之间的电场。

当掺混区网状电极12的电极采用相互导通设计形式，对掺混区网状电极12与燃烧区网状电极8之间、相邻掺混区网状电极12之间的电场分析如下：

参阅图4所示，工作中，电场控制装置c在任意t时刻向燃烧区网状电极8或掺混区网状电极12输出电压信号，使其电位处于U(R，t)。

燃烧区网状电极8与掺混区网状电极12所在平面相互平行，间距为D，因此，在工作中，任意t时刻，以圆环电极R_a为例，任意燃烧区网状电极8与掺混区网状电极12之间，形成的电场强度为：

显然的，上式对于其他任意结构形式、相互绝缘或不绝缘的掺混区网状电极12也同样适用。

实施例三

参阅图1所示，所述电场控制装置C包括依次连接的电源33、变压器31、直流稳压电源29、电场控制器27；该电源33可以是机载发电机，发动机34驱动机载发电机发电，发出的电力通过机载电缆32输送至变压器31变为特定压力的交流电，再通过机载电缆30输送至直流稳压电源29。直流稳压电源29将特定压力的交流电做进一步滤波、稳压、镇流处理，输出恒定电压、电流与波形的直流电，并通过机载电缆28输送至电场控制器27。电场控制器27内置可切换的升降压电路、逆变电路、斩波电路、变频电路、开关，可根据控制需求与控制信号，通过控制器输出端子26输出多路、各自独立的交直流可变、电压可调、波形可调、频率可调的电信号。其中一个端子26通过外环腔总线14后分别与燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12电连接。

参阅图6所示，所述电场控制器27包括升压模块271、调压模块272、电场激励模组，直流稳压电源29通过升压模块271、调压模块272、电场激励模组分别与燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12电连接，所述电场激励模组包括交流电场激励模组和/或直流电场激励模组。升压模块271将定值高压交流电输出至调压模块272，调压模块272具有多路可调压力输出能力，用于调节电压变量，交流电场激励模组可以输出高压高频电，控制网状电极产生高压高频电场；直流电场激励模组可以输出高压直流电，控制网状电极产生高压直流电场。

所述交流电场激励模组包括波形调节模块273、变频输出模块274和交流电场激励模块275；所述调压模块272依次通过波形调节模块273、变频输出模块274、交流电场激励模块275后分别与燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12电连接。调压模块272将调压后的交流电分别输出至波形调节模块273(交流)和镇流模块276(直流)，其中波形调节模块273具有多路输入、多路输出能力，用于实现交流电波形实验变量调节。经波形调节的交流电通过变频输出模块274实现多路交流电频率的调节。变频输出模块274也具备多路输入、多路输出能力，可将不同电压、波形交流电，按给定的不同实验频率值输出。

具体的，所述直流电场激励模组包括镇流模块276、直流波形调节模块277和直流电场激励模块278；所述调压模块272依次通过镇流模块276、直流波形调节模块277、直流电场激励模块278后分别与燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12电连接。镇流模块276具有多路交流输入、多路直流输出调节能力，用于实现不同电压交流电转换为不同电压的直流电。

整套系统通过电场驱动燃烧控制系统控制与调节，电场驱动燃烧控制系统通过上位机输入控制指令与控制目标，并将控制信号输出至调压模块272、波形调节模块273、变频输出模块274、镇流模块276和直流波形调节模块277。控制方式可以是开环的，也可以根据燃烧室内测得的燃烧压力、特定区域的火焰温度，采取反馈调节的闭环控制。

本公开的优点在于：通过电场调节可以实现燃烧掺混过程的调节和燃烧室出口温度场的综合调节。可实现贫富油燃烧的平稳过渡，甚至在无掺混孔条件下实现电场控制的RQL燃烧方式，实现抑制NOx排放的同时，提高燃烧温升。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims

1.一种利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，包括发动机本体，所述发动机本体中具有燃烧室,燃烧室中沿轴向依次具有头部区、燃烧区和掺混区，其特征在于：所述掺混区中固定安装有至少一个掺混区网状电极，所述燃烧区或燃烧区与掺混区接触位置固定安装有燃烧区网状电极，所述燃烧区网状电极和掺混区网状电极的平面均沿燃烧室径向设置，所述燃烧区网状电极和掺混区网状电极均与电场控制装置电连接；电场控制装置能够控制燃烧区网状电极和掺混区网状电极的电压及控制电压变化。

2.如权利要求1所述的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述掺混区网状电极包括环形的电极、放射型的电极、网状的电极中的一种或多种。

3.如权利要求2所述的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，其特征在于：每个所述掺混区网状电极均包括多个同心环形的电极和/或多个放射型的电极，每个所述电极均与电场控制装置电连接。

4.如权利要求3所述的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，其特征在于：每个环形的电极、放射型的电极和网状的电极均分别与电场控制装置电连接，由电场控制装置分别控制电压。

5.如权利要求4所述的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述燃烧室的侧壁上均穿设有电场接线端子组，电场控制装置通过电场接线端子组与燃烧区网状电极、掺混区网状电极连接。

6.如权利要求1-5任意一项所述的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述掺混区网状电极和燃烧区网状电极上的电极包括电极内芯和耐温的电极外壁，所述电极内芯的表面包裹有所述电极外壁。

7.如权利要求6所述的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述电极内芯由铂、铑、钨或其合金材料制成。

8.如权利要求1所述的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述电场控制装置包括依次连接的电源、变压器、直流稳压电源、电场控制器；

9.如权利要求8所述的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述交流电场激励模组包括波形调节模块、变频输出模块和交流电场激励模块；所述调压模块依次通过波形调节模块、变频输出模块、交流电场激励模块后分别与燃烧区网状电极和掺混区网状电极电连接。

10.如权利要求8所述的利用电场控制掺混区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述直流电场激励模组包括镇流模块、直流波形调节模块和直流电场激励模块；所述调压模块依次通过镇流模块、直流波形调节模块、直流电场激励模块后分别与燃烧区网状电极和掺混区网状电极电连接。