CN113091090A - 一种利用电场控制燃烧区燃烧的航空发动机 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种利用电场控制燃烧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，还包括：燃烧区电场生成装置，安装在燃烧区中，能够在燃烧区中生成电场；电场控制装置，与燃烧区电场生成装置电连接，能够控制燃烧区电场生成装置输出的需要的电场及控制电场变化。本公开通过在燃烧区中设置燃烧区电场生成装置，电场控制装置控制燃烧区电场生成装置产生需要的电场大小和频率，可调节燃烧区出口火焰的火焰横向传播扩散速率，调节不同区域的油气分布，调节燃烧区出口温度场分布，抑制特定的燃烧不稳定性。

Description

一种利用电场控制燃烧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燃烧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燃烧区燃烧的航空发动机；

一种利用电场控制燃烧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，还包括：

燃烧区电场生成装置，安装在燃烧区中，能够在燃烧区中生成电场；

电场控制装置，与燃烧区电场生成装置电连接，能够控制燃烧区电场生成装置输出的需要的电场及控制电场变化。

可选地，所述燃烧区安装有燃烧区电极支架，所述燃烧区电场生成装置包括至少一个燃烧区网状电极，所述燃烧区网状电极的平面沿燃烧室径向设置，所述燃烧区网状电极安装在电极支架上，每个所述燃烧区网状电极均包括多个同心环形的电极，所述电极与电场控制装置电连接。

可选地，所述燃烧区网状电极是圆环、方形环、三角形环形式的多环结构。

可选地，所述头部区具有头部端壁，所述燃烧区安装有燃烧区电极支架，头部端壁上安装有头部平面电极，所述燃烧区电场生成装置包括燃烧区网状电极，所述燃烧区网状电极延燃烧室径向设置，所述燃烧区网状电极安装在燃烧区电极支架上，且头部平面电极与燃烧区网状电极相对设置，头部平面电极和燃烧区网状电极均与电场控制装置电连接。

可选地，所述头部端壁和燃烧室侧壁上均穿设有电场接线端子组，电场控制装置通过头部端壁上的电场接线端子组与头部平面电极连接，电场控制装置还通过燃烧室侧壁的电场接线端子组与燃烧区网状电极。

可选地，所述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电场生成装置电连接，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与燃烧区电场生成装置电连接。

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、直流电场激励模块与燃烧区电场生成装置电连接。

本公开中通过在燃烧区中设置燃烧区电场生成装置，电场控制装置控制燃烧区电场生成装置产生需要的电场大小和频率，可调节燃烧区出口火焰的火焰横向传播扩散速率，调节不同区域的油气分布，调节燃烧区出口温度场分布，抑制特定的燃烧不稳定性，并可与其他电场生成装置产生的电场耦合作用，产生更为复杂的三维电场控制效果。

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燃烧区燃烧的航空发动机的结构示意图；

图2是本公开中燃烧区电场生成装置的局结构示意图；

图3是本公开中燃烧区网状电极的布局结构示意图；其中，图3a是同心三圆环型，图3b是同心三方环型，图3c是同心三角环型，图3d是交错网格环型，图3e是交错网格方环，图3f是交错网格三角环型。

图4是本公开中燃烧区电场生成装置中径向电场示意图；

图5是本公开中燃烧区电场生成装置中轴向电场示意图；

图6是本公开中电极的结构示意图；

图7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，一种利用电场控制燃烧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，电场控制燃烧区燃烧的航空发动机还包括：

燃烧区电场生成装置C，安装在燃烧室B中，能够在燃烧室B中生成电场；该燃烧区电场生成装置C可以包括能够产生轴向电场的轴向电场生成装置，可以包括能够产生径向电场的燃烧区电场生成装置，可以包括能够产生斜向电场的斜向电场生成装置，通过上述一种或多种电场生成装置，可以在燃烧区B2中产生需要放线的电场，来控制燃烧离解后的不同尺度离子团、分子团与自由电子，上述粒子又不断相互输运、碰撞、重组为新的离子团、分子团与自由电子，可调节燃烧区出口火焰的火焰横向传播扩散速率，调节不同区域的油气分布，调节燃烧区出口温度场分布，抑制特定的燃烧不稳定性。

电场控制装置D，与燃烧区电场生成装置C电连接，能够控制燃烧区电场生成装置C输出的需要的电场及控制电场变化。该电场控制装置D可以输出直流电压或者交流电压，从而能够控制燃烧区电场生成装置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。

所以，通过本公开的装置，燃料点火燃烧后，即发生解离，离解后的不同尺度离子团、分子团与自由电子，又不断相互输运、碰撞、重组为新的离子团、分子团与自由电子。当对火焰施加外部电场，离子团和自由电子都将受电场库伦力作用，其中相对大质量的离子团形成火焰的离子风，使火焰组分场、浓度场、温度场发生改变，而质量可忽略的自由电子则一方面在库伦力作用下，加速运动，从而改变火焰传播速度，另一方面在焦耳热效应作用下，电子能量升高，使燃烧反应被强化。因此，在燃烧过程中，施加电场，有望提高燃烧的效率，控制燃烧的生成物与温度场，从而实现对燃烧的高效组织与主动控制。

在一个实施例中，参阅图2、图4所示，所述燃烧区B2安装有燃烧区电极支架42，所述燃烧区电场生成装置C包括至少一个燃烧区网状电极8，电极支架42用于固定燃烧区网状电极8，该电极支架42可以是氧化铝、氧化锆或其他绝缘耐热材质制成，电极支架42可以通过由氧化铝、氧化锆或其他绝缘耐热材质制成的燃烧区网状电极薄壁支板43，通过焊接、铆接或紧固件连接等方式安装在燃烧室的内壁上，所述燃烧区网状电极8的平面沿燃烧室B径向设置，所述燃烧区网状电极8安装在电极支架42上，每个所述燃烧区网状电极8均包括多个同心环形的电极，所述电极与电场控制装置电连接，同心的环形电极之间可以形成电场。

参阅图3所示，该燃烧区网状电极8可以是圆环、方形环、三角形环形式的双环、三环或多环结构。

以燃烧区网状电极8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44、电场接线端子组6和图中未画出的外环轴向分级电场子线缆组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44均为无序的排布，实际应用中则可将耐热耐烧蚀导线44从薄壁支板43中心腔体穿过后与电场控制装置D电链接。

工作中，在t时刻，由电场控制装置D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。对于图3所示同心方环电极或同心三角环电极，则分母：R_a-R_b替换为所取两电极之间的间距。显然的，上式对于相互不绝缘、等电位的任意结构形式的燃烧器网状电极8也同样适用，此时有E_a，b(t)＝0，即在燃烧器网状电极8所在平面，不在燃烧器网状电极8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燃烧区网状电极8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燃烧区网状电极8，相邻燃烧区网状电极8之间也可以通过控制电压的大小来控制相邻燃烧区网状电极8之间的电场。

实施例二

结合图1、图5所示，所述头部区具有头部端壁39，头部断壁中安装有喷嘴组件25和旋流器24，燃烧区安装有燃烧区电极支架42，头部端壁39上安装有头部平面电极35，所述燃烧区电场生成装置C包括燃烧区网状电极8，所述燃烧区网状电极8延燃烧室径向设置，所述燃烧区网状电极8安装在燃烧区电极支架42上，且头部平面电极35与燃烧区网状电极8相对设置，头部平面电极35和燃烧区网状电极8均与电场控制装置D电连接。

工作中，电场控制装置D在任意t时刻向头部平面电极35输出电压信号，使其电位处于U(R_dome，t)。

头部平面电极35所在平面与燃烧器网状电极8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，任意燃烧器网状电极8与头部平面电极35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燃烧器网状电极8也同样适用。

参阅图3所示，该燃烧区网状电极8也可以设置成交错网格的结构，与头部平面电极35之间可以形成轴向电场。

实施例三

本实施例与实施例二的区别在于，燃烧区网状电极8设置有多个，电场控制装置D也可以控制多个燃烧区网状电极8相互之间产生电场，同一个燃烧区网状电极8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。

当燃烧区网状电极8的电极采用相互导通设计形式，燃烧区网状电极8需与头部平面电极35或其他燃烧区网状电极8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。

当燃烧区网状电极8的电极采用各自绝缘设计形式，燃烧区网状电极8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，也可与头部平面电极35或其他燃烧区网状电极8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。

在另一实施例中，为了方便连接，所述头部端壁39和燃烧室侧壁上均穿设有电场接线端子组6，电场控制装置D通过头部端壁39上的电场接线端子组6与头部平面电极35电连接，电场控制装置D通过内燃烧室侧壁上的电场接线端子组6与燃烧区网状电极电连接。通过电场接线端子组6来将相对高温区和相对低温区的导电元件密封的电连接，方便各个温度区域使用不同的材料。

参阅图6所述，所述燃烧区网状电极8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。

实施例四

参阅图1所示，所述电场控制装置D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后与燃烧区网状电极8连接；另一个端子26通过头部总线19、头部分级电场子线缆组20后与头部平面电极35连接。对于每个电极，电场控制器27都能单独控制。

参阅图7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、电场激励模组与燃烧区电场生成装置C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，控制电场生成装置C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，控制电场生成装置C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后与燃烧区电场生成装置C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与燃烧区电场生成装置C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：

(1)贫油燃烧不稳定性主动控制

本申请在燃烧室临近燃烧不稳定性工况点，利用电场对火焰施加体积力，从而达到增加扰动传递与发展阻尼、抑制振荡燃烧不稳定性幅度的效果，实现对贫油燃烧不稳定性的主动控制。

(2)主燃烧室出口温度场调节

本申请在燃烧区内，利用电场对火焰局部区域的带电离子施加电场力，驱动火焰形态和局部燃烧组分、中间产物浓度发生变化，从而达到调节局部燃烧释热的效果，实现对主燃烧室出口温度场的调节。

(3)过渡工况及部分工况点燃烧特性的调节。

本申请可在燃烧区个别未完全达到设计点性能的工况点和不同工况点之间的过渡工况下，以及发动机进气畸变、发生喘振等特情下，针对不同类型的燃烧性能或排放问题，如冒黑烟、燃烧不充分、出口热斑、熄火等，利用电场对火焰的作用，实现不同程度的调节。

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 (10)

1.一种利用电场控制燃烧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，还包括：

燃烧区电场生成装置，安装在燃烧区中，能够在燃烧区中生成电场；

电场控制装置，与燃烧区电场生成装置电连接，能够控制燃烧区电场生成装置输出的需要的电场及控制电场变化。

2.如权利要求1所述的利用电场控制燃烧区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述燃烧区安装有燃烧区电极支架，所述燃烧区电场生成装置包括至少一个燃烧区网状电极，所述燃烧区网状电极的平面沿燃烧室径向设置，所述燃烧区网状电极安装在电极支架上，每个所述燃烧区网状电极均包括多个同心环形的电极，所述电极与电场控制装置电连接。

3.如权利要求2所述的利用电场控制燃烧区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述燃烧区网状电极是圆环、方形环、三角形环形式的多环结构。

4.如权利要求1所述的利用电场控制燃烧区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述头部区具有头部端壁，所述燃烧区安装有燃烧区电极支架，头部端壁上安装有头部平面电极，所述燃烧区电场生成装置包括燃烧区网状电极，所述燃烧区网状电极延燃烧室径向设置，所述燃烧区网状电极安装在燃烧区电极支架上，且头部平面电极与燃烧区网状电极相对设置，头部平面电极和燃烧区网状电极均与电场控制装置电连接。

5.如权利要求4任意一项所述的利用电场控制燃烧区燃烧的航空发动机，其特征在于，所述头部端壁和燃烧室侧壁上均穿设有电场接线端子组，电场控制装置通过头部端壁上的电场接线端子组与头部平面电极连接，电场控制装置还通过燃烧室侧壁的电场接线端子组与燃烧区网状电极。

6.如权利要求2-5任意一项所述的利用电场控制燃烧区燃烧的航空发动机，其特征在于：所述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燃烧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燃烧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；

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电场生成装置电连接，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。

9.如权利要求8所述的利用电场控制燃烧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与燃烧区电场生成装置电连接。

10.如权利要求8所述的利用电场控制燃烧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、直流电场激励模块与燃烧区电场生成装置电连接。

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