CN113606606A - 一种利用电场控制发动机的方法及发动机 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种利用电场控制发动机的方法及发动机，方法包括对燃料射流进行充电，燃油液滴表面携带同极性静电荷，将燃料射流喷入发动机燃烧室，在发动机的燃烧室中产生交流电场和/或直流电场。本公开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，并且可以在燃烧室内不同区域，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。

Description

一种利用电场控制发动机的方法及发动机

技术领域

本公开属于液流试验技术领域，具体涉及一种利用电场控制发动机的方法及发动机。

背景技术

针对各类液流装置的试验系统，用于调节压力和流量的装置不同，针对各类液流试验，试验件工作特性、气枕压力值、试验流量值、系统关键参数设置、试验方法均不相同，如何预设储罐气枕压力值，如何进行气体流速和压力的调节，如何快速而精准调节试验流量，采取怎样的流量控制方法和实施流程，才能确保试验过程中进入储罐的高压气体体积流量与挤出储罐的水介质体积流量恒定相等，获得准确、稳定、持续的液流供应，缩短正式试验前的系统预调试过程，对液流试验的准确性、可靠性、试验周期和试验效率有重要影响。

现有技术中的流量控制，存在压力波动范围大、实际试验流量与目标流量偏差过大、试验流量不稳定、试验前预调节次数过多等问题，且无法保证试验流量准确、稳定、持续的供给，尤其是高压力、大流量试验工况，以及被测试验件实际工作特性与其理论设计值偏差过大时，均会导致试验准确性、可靠性及试验效率大大降低，周期延长，成本增加。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开第一目的在于提供了一种利用电场控制发动机的方法。

本公开的第二目的在于提供一种根据上述方法的发动机；

为了实现本公开的第一目的，本公开所采用的技术方案如下：

一种利用电场控制发动机的方法，包括：

对燃料射流进行充电，燃油液滴表面携带同极性静电荷，将燃料射流喷入发动机燃烧室，在发动机的燃烧室中产生交流电场和/或直流电场。

可选地，所述交流电场和直流电场均包括沿发动机燃烧室的轴向电场、径向电场。

为了实现本公开的第二目的，本公开所采用的技术方案如下：

一种根据上述方法的发动机，包括发动机本体，所述发动机本体中具有燃烧室，还包括以下部件：

雾化充电装置，与外部的电源装置连接，雾化充电装置安装在发动机燃料喷口位置处，能够对燃料射流进行充电；

电场生成装置，安装在燃烧室中，能够在燃烧室中生成需要的电场；

电场控制装置，与电场生成装置电连接，能够控制电场生成装置输出需要的电场及控制电场变化。

可选地，所述电场生成装置包括径向电场生成装置、轴向电场生成装置和轴向电极装置中的一种或多种组合，所述径向电场生成装置、轴向电场生成装置、轴向电极装置均安装在燃烧室中；径向电场生成装置能够在燃烧室中生成径向电场，所述轴向电场生成装置能够在燃烧室中生成轴向电场，所述轴向电极装置包括至少两个沿燃烧室轴向设置的轴向电极，轴向电极装置能够在燃烧室中的任意两个轴向电极之间生成电场。

可选地，所述发动机还包括外火焰筒壁、内火焰筒壁，外火焰筒壁和内火焰筒壁之间具有所述燃烧室；

所述径向电场生成装置包括：

内火焰筒壁电极组，包括至少一个内火焰筒壁电极，内火焰筒壁电极安装在内火焰筒壁的燃烧室的一侧；

外火焰筒壁电极组，包括至少一个外火焰筒壁电极，外火焰筒壁电极安装在外火焰筒壁的燃烧室的一侧；

外火焰筒壁电极与所述内火焰筒壁电极位置一一对应。

可选地，所述内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极均是环形结构，所述内火焰筒壁电极在内火焰筒壁的燃烧室的一侧设置有一圈，所述外火焰筒壁电极在外火焰筒壁的燃烧室的一侧设置有一圈。

可选地，燃烧室包括头部区、燃烧区和掺混区，所述头部区具有头部端壁，所述燃烧区和/或掺混区均安装有至少一个燃烧室电极支架，所述轴向电场生成装置包括头部平面电极和至少一个燃烧室网状电极，头部端壁上安装有头部平面电极，所述燃烧室网状电极一一对应的安装在燃烧室电极支架上，所述头部端壁和燃烧室网状电极的平面均沿燃烧室径向设置，所述头部端壁和燃烧室网状电极均与电场控制装置电连接。

可选地，轴向电极包括燃烧区轴向电极和掺混区轴向电极，燃烧区轴向电极穿设在头部端壁与燃烧区电极支架之间，所述掺混区轴向电极依次架设在头部端壁、燃烧区电极支架和掺混区电极支架上，且所述燃烧区中的掺混区轴向电极的电极外壁上包裹有电场屏蔽壳，每个轴向电极均与电场控制装置电连接。

可选地，雾化充电装置包括外环电极和内部电极，燃料喷口出口位置安装有内部电极，燃料喷口连通有外部电源，所述燃料喷口出口外圈安装有所述外环电极，所述外环电极和内部电极均与电场控制装置电连接。

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依次相互连通的升压模块和调压模块，所述调压模块依次通过波形调节模块、变频输出模块后分别与轴向交流电场激励模块、径向交流电场激励模块、轴向电极交流电场激励模块、头部交流电场激励模块电连接，所述调压模块依次通过镇流模块、直流波形调节模块后分别与轴向直流电场激励模块、径向直流电场激励模块、轴向电极直流电场激励模块、头部直流电场激励模块电连接；

轴向电场生成装置分别与轴向交流电场激励模块、轴向直流电场激励模块电连接，径向电场生成装置分别与径向交流电场激励模块、径向直流电场激励模块电连接，轴向电极装置分别与轴向电极交流电场激励模块、轴向电极直流电场激励模块电连接。

本公开中电场对燃料雾化与燃烧过程的空间物理场作用，主要通过库伦力和焦耳热两种途径实现。

对于雾化和液雾两相掺混过程，燃油射流初步失稳、破碎，形成较小液滴，小液滴表面十分容易携带静电荷。可通过人工充电方式，使一部分小液滴携带同极性电荷，再通过在燃烧室布置交流电场，使燃油液滴能够在交流电场中，受到电场库伦力的交替拉压和焦耳热传递，发生外部激励振荡与空间物理场加热，加速液滴向更小尺度液滴失稳、破碎。液滴飞出交流电场后，仍携带同极性电荷，液滴之间存在相互排斥的库伦力，从而可继续强化液滴在主流空气中的扩散与掺混。因此，在燃油雾化过程中，施加交流电场，有望改善燃油雾化掺混效果，从而改善燃烧室大工况冒烟、小工况贫油熄火、高空高速下点火等问题。

对于燃烧过程，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。

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的发动机的结构示意图；

图2是本公开中发动机的结构示意图；

图3是本公开中径向电场生成装置的结构示意图；

图4是本公开中径向电场生成装置的电场控制原理图；

图5是本公开中燃烧区网状电极位置处的结构示意图；

图6是本公开中燃烧区网状电极的布局结构示意图；其中，图6a 是同心三圆环形，图6b是同心三方环形，图6c是同心三角环形，图6d 是交错网格环形，图6e是交错网格方形，图6f是交错网格三角环形；

图7是本公开中掺混区网状电极位置处的结构示意图；

图8是本公开中掺混区网状电极的布局结构示意图；其中，图8a 是同心圆环形，图8b是放射形，图8c是网格形，图8d是交错网格形，图8e是放射形与同心圆环组合，图8f是线形；

图9是本公开中轴向电极分布形式示意图；

图10是本公开中雾化充电装置的结构示意图；

图11是本公开中电场控制器的结构框图。

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所示，一种利用电场控制发动机的方法，首先对燃料射流进行充电，燃油液滴表面携带同极性静电荷，充电可以采用在喷嘴出口接通高压直流电，将燃料射流喷入发动机燃烧室E，燃料射流可以采用离心喷嘴结合头部旋流器24实现，同时在发动机的燃烧室E中产生交流电场和/或直流电场。

在本实施例中，发动机的燃烧室E分为头部区E1、燃烧区E2、掺混区E3；交流电场和/或直流电场可以设置在头部区E1、燃烧区E2、掺混区E3中的一处或者是多处，且其中的交流电场和/或直流电场可以是沿燃烧室E的轴向电场、径向电场或者斜向电场中的一种或几种；

在一个实施中，当在燃烧室E加载交流电场时，对于交流电场，喷口喷出的燃油主要雾化和液雾两相掺混过程，燃油射流初步失稳、破碎，形成较小液滴，小液滴表面十分容易携带静电荷。可通过人工充电方式，使一部分小液滴携带同极性电荷，再通过在喷嘴出口附近布置垂直于燃油射流方向的交流电场，使燃油液滴能够在交流电场中，受到电场库伦力的交替拉压和焦耳热传递，发生外部激励振荡与空间物理场加热，加速液滴向更小尺度液滴失稳、破碎。液滴飞出交流电场后，仍携带同极性电荷，液滴之间存在相互排斥的库伦力，从而可继续强化液滴在主流空气中的扩散与掺混。因此，在燃油雾化过程中，施加交流电场，有望改善燃油雾化掺混效果，从而改善燃烧室大工况冒烟、小工况贫油熄火、高空高速下点火等问题。本实施例中，交流电场可以设置在头部区E1、燃烧区E2、掺混区E3中的一处或者是多处。

在另一个实施例中，当在燃烧室E加载直流电场时，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。本实施例中，直流电场可以设置在头部区E1、燃烧区E2、掺混区E3中的一处或者是多处。

同时，可以同时加载直流电场和交流电场，并且沿燃烧室轴向可以进行分层分梯度的加载电场，实现在燃烧室E内的多梯度、流向正交、轴向分级电场驱动燃烧组织与控制。

本公开，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，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，燃烧室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。

优选的，直流电场以燃烧区和掺混区结合位置处为界限，燃烧区的电场方向朝向燃烧室入口，掺混区的电场方向朝向燃烧室出口。

实施例二

参阅图2所示，一种根据上述方法的发动机，包括发动机本体A，所述发动机本体A中具有燃烧室，在本实施例中，所述发动机本体A 示例性的包括进气口1、燃料进管2、发动机外壳3、燃料喷口25、出口11、外火焰筒壁22、内火焰筒壁23，燃烧室B中沿轴向依次具有头部区、燃烧区和掺混区，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，发动机外壳3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的燃烧区和掺混区，燃料进管2向燃料喷口 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。

发动机还包括以下部件：

雾化充电装置B，与外部的电源装置连接，外部的电源装置接通高压直流电，使燃油液滴表面携带同极性静电荷，雾化充电装置B安装在发动机燃料喷口25位置处，能够对燃料射流进行充电；该雾化充电装置 B可以采用离心喷嘴结合头部旋流器24实现，或者采用其他直喷式喷口。

电场生成装置C，安装在燃烧室E中，能够在燃烧室B中生成需要的电场；电场生成装置C能够在燃烧室E中的头部区E1、燃烧区 E2、掺混区E3中的一个区域或多个区域产生需要的直流电场和/或交流电场；并且，电场方向可以是轴向电场、径向电场、斜向电场或以上的组合。

电场控制装置D，与电场生成装置C电连接，能够控制电场生成装置C输出需要的电场及控制电场变化。该电场控制装置D可以分别控制头部区E1、燃烧区E2、掺混区E3的电极，方便在不同的区域产生不同的电场，并且也可以在不同区域中进行分层分梯度的加载电场，实现在燃烧室E内的多梯度、流向正交、轴向分级电场驱动燃烧组织与控制，同时还可以根据燃烧室E中燃料燃烧的情况，进行反馈调节电场。该电场控制装置C可以由发动机上的发电机供电。

在本实施例中，所述电场生成装置C包括径向电场生成装置C1、轴向电场生成装置C2和轴向电极装置C3中的一种或多种组合，所述径向电场生成装置C1、轴向电场生成装置C2、轴向电极装置C3均安装在燃烧室E中；径向电场生成装置C1能够在燃烧室E中生成径向电场，所述轴向电场生成装置C2能够在燃烧室E中生成轴向电场，所述轴向电极装置C3包括至少两个沿燃烧室轴向设置的轴向电极，轴向电极装置C3能够在燃烧室E中的任意两个轴向电极之间生成电场。

其中，径向电场生成装置C1可以是燃烧室B内壁中的中心电极、环形电极、1/2环电极、1/4环电极、块状平面电极或者是圆形平面电极，也可以是燃烧室B中外火焰筒壁22和内火焰筒壁23中的长条形的环形电极，在外火焰筒壁22和内火焰筒壁23之间创造电场。燃烧室B截面是圆筒形，径向电场生成装置C1包括中心电极和环形电极，环形电极可以是整体环形电极或者是1/2环电极、1/4环电极等，加工安装方便，结构较为简单，也可以是安装在燃烧室B内壁中的多个块状平面电极或者是圆形平面电极，电极数量可以设置较多，可以精确控制每个电极之间的电场；电场控制装置D可以控制中心电极和环形电极之间的电场。

轴向电极装置C3中的轴向电极沿燃烧室轴向平行的设置有多个。多个轴向电极可以是按多个同心圆环式阵列进行布置，也可以是矩形阵列方式布置，也可以是相互交错式的矩形阵列方式布置,轴向电极的数量可以根据电场控制的精度从而设置疏密程度。在任意间距、任意两根轴向电极之间施加不同的电压，均可按该式生成不同强度电场。这样即可在燃烧区和掺混区生成两个轴向电极之间的电场

通过分成径向电场生成装置C1、轴向电场生成装置C2和轴向电极装置C3可以方便电场控制装置C统一控制。

下面结合实施例说明径向电场生成装置C1、轴向电场生成装置 C2和轴向电极装置C3的可选结构及产生的电场情况。

实施例三

结合图2、图3所示，在一个实施例中，所述发动机包括外火焰筒壁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E；

所述径向电场生成装置C1包括：

内火焰筒壁电极组18，包括至少一个内火焰筒壁电极，内火焰筒壁电极安装在内火焰筒壁23的燃烧室B的一侧，内火焰筒壁电极可以设置为一圈，可以分段设置，也可以壁面上分块的设置；内环火焰筒壁电极设置多个时，其沿轴向方向平行的设置有多圈。

外火焰筒壁电极组13，包括至少一个外火焰筒壁电极，外火焰筒壁电极安装在外火焰筒壁22的燃烧室B的一侧；外火焰筒壁电极可以设置为一圈，可以分段设置，也可以壁面上分块的设置；外环火焰筒壁电极设置多个时，其沿轴向方向平行的设置有多圈。

外火焰筒壁电极与所述内火焰筒壁电极位置一一对应。相对应的一对内火焰筒壁电极和外环火焰筒壁电极之间可以形成电场，当设置多圈电极时，通过电场控制装置D可以在发动机轴向方向设置多级的径向电场，用于调节火焰的径向组分、速度与温度分布。

在本实施例中，所述内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极均是环形结构，所述内火焰筒壁电极在内火焰筒壁23的燃烧室的一侧设置有一圈，所述外火焰筒壁电极在外火焰筒壁22的燃烧室的一侧设置有一圈。这样设置是为了在同一径向平面，可以统一控制电场大小；内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极也可以在周向上进行分段设置，通过电场控制装置D可以调节同一径向平面中的不同扇区电场强度不同。

并且，环形电极可以是整体环形电极或者是1/2环电极、1/4环电极等，加工安装方便，结构较为简单，也可以是安装在燃烧室B内壁中的多个块状平面电极或者是圆形平面电极，电极数量可以设置较多，可以精确控制每个电极之间的电场；电场控制装置D可以控制中心电极和环形电极之间的电场，电场可以是直流电场或交流电场或其组合；

结合图4所示，外火焰筒壁电极在t时刻电压为U₁(t)，内火焰筒壁电极在t时刻电压为U₂(t)；外火焰筒壁电极的半径为R₁，内火焰筒壁电极的半径为R₂；

当：

U₂(t)-U₁(t)≠0

时，半径为R₁的外火焰筒壁电极与半径为R₂的内火焰筒壁电极之间，将形成一个强度为E(t)的径向电场：

这一径向电场的强度和方向可以通过调节外火焰筒壁电极和内火焰筒壁电极的电压来动态调节。显然的，任意一组同心的内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极之间，均可形成一个这样的电场。

一般可在主燃烧室的轴向方向，从燃烧区至出口区，沿火焰筒内壁布置多组内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极，并通过在不同轴向位置、同心、成对的内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极之间形成不同强度的电场E(x，t)：

式中，E(x,t)表示轴向坐标x位置、t时刻的电场强度，U₂(x,t)表示轴向坐标x位置、t时刻的沿火焰筒内壁布置多组内火焰筒壁电极的电压，U₁(x,t)表示轴向坐标x位置、t时刻的沿火焰筒内壁布置多组外火焰筒壁电极的电压，R₁(x)表示轴向坐标x位置外火焰筒壁电极半径，R₂(x)表示轴向坐标x位置内火焰筒壁电极半径。

不同轴向位置x处的成对内、外火焰筒壁电极构成了轴向分级的径向电场组。因此将这一电场称为轴向分级径向电场。利用轴向分级径向电场，可在燃烧室不同轴向位置，驱动火焰沿燃烧室径向向内或向外的运动与传播，从而调节控制火焰，尤其是调节燃烧室内的油气分布与出口温度场分布。

实施例四

在本实施例中，参阅图2、图5、图7所示，所述头部区E1具有头部端壁39，所述燃烧区E2和/或掺混区E3均安装有至少一个燃烧室电极支架，所述轴向电场生成装置C2包括头部平面电极35和至少一个燃烧室网状电极，头部端壁39上安装有头部平面电极35，所述燃烧室网状电极一一对应的安装在燃烧室电极支架上，所述头部端壁39和燃烧室网状电极的平面均沿燃烧室径向设置，所述头部端壁39和燃烧室网状电极均与电场控制装置D电连接。安装在燃烧区E2中的燃烧室电极支架是燃烧区电极支架42，安装在掺混区E3的燃烧室电极支架是是掺混区电极支架46，安装在燃烧区电极支架42上的燃烧室网状电极是燃烧区网状电极8，安装在掺混区电极支架46上的燃烧室网状电极是是掺混区网状电极12；电场控制装置D在头部平面电极35、燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12上加载不同的电压，相互之间可以产生电场。

掺混区电极支架46由氧化铝、氧化锆或其他绝缘耐热材质制成，掺混区电极支架46通过掺混区网状电极薄壁支板47固定在燃烧区E2 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安装在燃烧区电极支架42上。

燃烧区电极支架42由氧化铝、氧化锆或其他绝缘耐热材质制成，燃烧区电极支架42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，分别与内火焰筒壁23、外火焰筒壁22连接，使燃烧区网状电极8的安装角度与相对位置处于固定状态，薄壁支板43、网状电极支架42均采用低流阻设计，使其对主燃烧室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。

参阅图6、图8所示，每个所述燃烧区网状电极8和掺混区网状电极12是环形的电极、放射型的电极、网型的电极中的一种或多种组合，每个所述电极均与外部的电场控制装置电连接。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。

同一个燃烧区网状电极8或掺混区网状电极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。

下面以燃烧区网状电极8进行分析；

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需与掺混区网状电极12、其他燃烧区网状电极8或头部平面电极35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，也可与掺混区网状电极12、其他燃烧区网状电极8或头部平面电极35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。

参阅图5所示，当燃烧区网状电极8的电极采用各自绝缘设计形式，对同一燃烧区网状电极8中的电极之间的电场分析如下：

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。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电链接。

工作中，在t时刻，由电场控制装置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。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。掺混区网状电极12中的电极采用各自绝缘设计时，其分析过程与上述相同。

当燃烧区网状电极8的电极采用相互导通设计形式，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、相邻燃烧区网状电极8、燃烧区网状电极8与头部平面电极35均可以产生轴向电场。

下面以燃烧区网状电极8与头部平面电极35之间产生的轴向电场为例进行分析：

工作中，电场控制装置在任意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、掺混区网状电极12也同样适用。

实施例五

在本实施例中，参阅图2、图9所示，轴向电极包括燃烧区轴向电极9和掺混区轴向电极10，燃烧区轴向电极9穿设在头部端壁39 与燃烧区电极支架42之间，所述掺混区轴向电极10依次架设在头部端壁39、燃烧区电极支架42和掺混区电极支架46上，且所述燃烧区中的掺混区轴向电极10的电极外壁上包裹有电场屏蔽壳38。所述电场屏蔽壳38由耐温导电材料制成。通过轴向电极外壁37及额外增加的空腔或绝缘材质，确保其不与轴向电极内芯36导通。这样就能使得部分掺混区轴向电极10在燃烧区不与其他电极发生作用、形成电势差进而产生电场，而仅在掺混区产生电场，也即仅在掺混区起作用。具体的，燃烧区轴向电极9和掺混区轴向电极10为细丝结构，其直径也需尽可能小，以防止对主燃烧室内流动产生大的扰动。

结合图9所示，任选一对轴向电极m、n，两个电极的圆心距为L，其中轴向电极n所在位置距离喷嘴中心位置为r1，电极m所在位置距离喷嘴中心位置为r2。工作中，在任意t时刻，电场控制装置C可向电极m输出电压U(m，r₂，t)，向电极n输出电压U(m，r₁，t)，则电极m、n之间形成的电场强度为：

显然的，在任意间距、任意两根电极之间施加不同的电压U(i,r_i,t)，均可按该式生成不同强度电场。这样，即可在燃烧区和掺混区生成与旋流器24出口平面正交的、任意方向与强度的电场。

在燃烧室工作中，利用任意一对燃烧区和掺混区轴向电极产生的局部、简单二维电场，可在电极直径尺度上，精确调节、控制该二维电场扫略平面的火焰；而如3根或3根以上不共线的电极同时工作，还可形成耦合的三维复杂电场，精确调节多根电极包络区域内的燃烧特性。

实施例六

在本实施例中，参阅图10所示，雾化充电装置A包括外环电极51 和内部电极52，燃料喷口25连通有外部电源，使燃油液滴表面携带同极性静电荷,燃料喷口25出口位置安装有内部电极52，所述燃料喷口25出口外圈安装有所述外环电极51，所述外环电极51和内部电极52均与电场控制装置D电连接,电场控制装置D可以在内部电极52和外环电极51 之间形成高频振荡，将加速液滴的失稳和破碎，而液滴间的同极性电荷斥力，又可以加速液滴扩散掺混。这样一来，起到的总的效果就是，消耗少量电能，就能对各种工况下的燃油雾化达到强化，而雾化效果的改善，对于发烟问题来说，是最关键的。

实施例六

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。其中一组端子26通过内环腔总线15、内环轴向分级电场子线缆组17后与径向电场生成装置C1、轴向电极装置C3连接，其中另一组端子26通过外环腔总线15、外环轴向分级电场子线缆组5 后与径向电场生成装置C1、轴向电极装置C3连接，其中再一组端子26 通过头部总线19、头部分级电场子线缆组20后与轴向电场生成装置 C2、雾化充电装置B连接，对于每个电极，电场控制器27都能单独控制。

参阅图11所示，所述电场控制器27包括依次相互连通的升压模块2701和调压模块2702，，所述调压模块2702依次通过波形调节模块2703、变频输出模块2704后分别与轴向交流电场激励模块2707、径向交流电场激励模块2708、轴向电极交流电场激励模块2709、头部交流电场激励模块2710电连接，所述调压模块2702依次通过镇流模块2705、直流波形调节模块2706后分别与轴向直流电场激励模块2711、径向直流电场激励模块2712、轴向电极直流电场激励模块2713、头部直流电场激励模块电2714连接；升压模块2701将定值高压交流电输出至调压模块2702，调压模块2702具有多路可调压力输出能力，用于调节电压变量，调压模块2702将调压后的交流电分别输出至波形调节模块2703(交流)和镇流模块2705(直流)，其中波形调节模块2703 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2704实现多路交流电频率的调节。变频输出模块2704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。

雾化充电装置B分别与头部交流电场激励模块2710、头部直流电场激励模块电连接2714，轴向电场生成装置C2分别与轴向交流电场激励模块2707、轴向直流电场激励模块2711电连接，径向电场生成装置C1分别与径向交流电场激励模块2708、径向直流电场激励模块 2712电连接，轴向电极装置C3分别与轴向电极交流电场激励模块2709、轴向电极直流电场激励模块2713电连接。

整套系统通过电场驱动燃烧控制系统控制与调节，电场控制装置D 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 2702、波形调节模块2703、变频输出模块2704、镇流模块2705和直流波形调节模块2706。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

本申请在燃烧室内不同区域，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

本申请可在主燃烧室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发动机的方法，其特征在于，包括：

对燃料射流进行充电，燃油液滴表面携带同极性静电荷，将燃料射流喷入发动机燃烧室，在发动机的燃烧室中产生交流电场和/或直流电场。

2.如权利要求1所述的利用电场控制发动机的方法，其特征在于：所述交流电场和直流电场均包括沿发动机燃烧室的轴向电场、径向电场。

3.一种根据权力要求1所述方法的发动机，其特征在于，包括发动机本体，所述发动机本体中具有燃烧室，还包括以下部件：

雾化充电装置，与外部的电源装置连接，雾化充电装置安装在发动机燃料喷口位置处，能够对燃料射流进行充电；

电场生成装置，安装在燃烧室中，能够在燃烧室中生成需要的电场；

电场控制装置，与电场生成装置电连接，能够控制电场生成装置输出需要的电场及控制电场变化。

4.如权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述电场生成装置包括径向电场生成装置、轴向电场生成装置和轴向电极装置中的一种或多种组合，所述径向电场生成装置、轴向电场生成装置、轴向电极装置均安装在燃烧室中；径向电场生成装置能够在燃烧室中生成径向电场，所述轴向电场生成装置能够在燃烧室中生成轴向电场，所述轴向电极装置包括至少两个沿燃烧室轴向设置的轴向电极，轴向电极装置能够在燃烧室中的任意两个轴向电极之间生成电场。

5.如权利要求4所述的发动机，其特征在于，所述发动机还包括外火焰筒壁、内火焰筒壁，外火焰筒壁和内火焰筒壁之间具有所述燃烧室；

所述径向电场生成装置包括：

内火焰筒壁电极组，包括至少一个内火焰筒壁电极，内火焰筒壁电极安装在内火焰筒壁的燃烧室的一侧；

外火焰筒壁电极组，包括至少一个外火焰筒壁电极，外火焰筒壁电极安装在外火焰筒壁的燃烧室的一侧；

外火焰筒壁电极与所述内火焰筒壁电极位置一一对应。

6.如权利要求5所述的发动机，其特征在于，所述内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极均是环形结构，所述内火焰筒壁电极在内火焰筒壁的燃烧室的一侧设置有一圈，所述外火焰筒壁电极在外火焰筒壁的燃烧室的一侧设置有一圈。

7.如权利要求4所述的发动机，其特征在于：燃烧室包括头部区、燃烧区和掺混区，所述头部区具有头部端壁，所述燃烧区和/或掺混区均安装有至少一个燃烧室电极支架，所述轴向电场生成装置包括头部平面电极和至少一个燃烧室网状电极，头部端壁上安装有头部平面电极，所述燃烧室网状电极一一对应的安装在燃烧室电极支架上，所述头部端壁和燃烧室网状电极的平面均沿燃烧室径向设置，所述头部端壁和燃烧室网状电极均与电场控制装置电连接。

8.如权利要求7所述的发动机，其特征在于：轴向电极包括燃烧区轴向电极和掺混区轴向电极，燃烧区轴向电极穿设在头部端壁与燃烧区电极支架之间，所述掺混区轴向电极依次架设在头部端壁、燃烧区电极支架和掺混区电极支架上，且所述燃烧区中的掺混区轴向电极的电极外壁上包裹有电场屏蔽壳，每个轴向电极均与电场控制装置电连接。

9.如权利要求8所述的发动机，其特征在于：雾化充电装置包括外环电极和内部电极，燃料喷口连通有外部电源，燃料喷口出口位置安装有内部电极，所述燃料喷口出口外圈安装有所述外环电极，所述外环电极和内部电极均与电场控制装置电连接。

10.如权利要求4所述的发动机，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依次相互连通的升压模块和调压模块，所述调压模块依次通过波形调节模块、变频输出模块后分别与轴向交流电场激励模块、径向交流电场激励模块、轴向电极交流电场激励模块、头部交流电场激励模块电连接，所述调压模块依次通过镇流模块、直流波形调节模块后分别与轴向直流电场激励模块、径向直流电场激励模块、轴向电极直流电场激励模块、头部直流电场激励模块电连接；

轴向电场生成装置分别与轴向交流电场激励模块、轴向直流电场激励模块电连接，径向电场生成装置分别与径向交流电场激励模块、径向直流电场激励模块电连接，轴向电极装置分别与轴向电极交流电场激励模块、轴向电极直流电场激励模块电连接。

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