CN115355146A - 基于磁流体流速进行负反馈调节的超燃发动机磁场发生系统与方法 - Google Patents

基于磁流体流速进行负反馈调节的超燃发动机磁场发生系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁流体流速进行负反馈调节的超燃发动机磁场发生系统与方法，通过速度传感器收集气体通道内某处附近等离子体流速，反馈到磁场发生装置中，根据外加电压不变情况下加速系统所能达到的最大加速效率，推算出对应磁场大小，再据此计算出磁场发生装置中的电流大小，利用该电流对磁场发生装置进行直接控制，以实现磁流体的“低热损、高效率”加速。本发明通过对磁流体加速系统进行优化设计，实现“低热损、高效率”加速，能够有效解决加速效率低、热损率大的问题。此外，为加速通道提供“低热损、高效率”加速环境，还能有效延长磁流体加速管道的使用寿命，降低了磁流体发电通道的经济成本。

Description

基于磁流体流速进行负反馈调节的超燃发动机磁场发生系统 与方法
技术领域
本发明涉及航空发动机磁流体加速技术领域，主要涉及一种基于磁流体流速进行负反馈调节的超燃发动机磁场发生系统与方法。
背景技术
航空发动机主要分为涡喷发动机、涡扇发动机和超燃冲压发动机。涡喷发动机中，空气先进入发动机后，先由许多叶片构造的压气机将空气压缩，而后进入燃烧室与航空煤油等燃料混合燃烧，成为高温高压的燃气气体后推动一级或多级涡轮高论转动再次增压后并由尾喷管向后高速喷出。由于涡喷发动机的全部动力都来源于燃烧室燃烧后由涡轮增压的高温高压气体，所以具有功率高、高空高速的优点，但是由于全部气体都需要燃料混合加热，所以油耗高、经济性较差、低速性能差是它的缺点；涡扇发动机中，进入发动机的空气首先要通过风扇，一部分从增压机和燃烧室的边缘流过然后直接从后喷出，另一部分空气跟涡喷发动机一样流入增压机和燃烧室再高速喷出。这两者共同形成发动机的推力这就使得涡扇发动机的燃油经济性更好，并且发动机更加安静而且具备了不逊于涡喷发动机的推力，但是涡扇发动机过于依赖外涵气流和结构复杂也导致了其高空高速性能不佳和制造难度大的缺点。
高超声速飞行器(飞行M数超过声速5倍的有翼和无翼飞行器)是未来军民用航空器的战略发展方向，被称为继螺旋桨、涡轮喷气推进飞行器之后航空史上的第三次革命。超燃冲压发动机是实现高超声速飞行器的首要关键技术，是21世纪以来世界各国竞相发展的热点领域之一。超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行Ma数在8以下，当使用液氢燃料时，其飞行Ma数可达到6～25。超声速或高超声速气流在进气道扩压到马赫4的较低超声速，然后燃料从壁面或气流中的突出物喷入，在超声速燃烧室中与空气混合并燃烧，最后，燃烧后的气体经扩张型的喷管排出。
与磁流体加速技术相结合的超燃冲压发动机，目前没有实际应用，但是在燃烧室和尾喷管之间加装磁流体加速通道可以实现继燃烧加速和通过管道结构加速后的进一步加速，即磁流体加速，既可以降低燃油产生的经济成本，又可以提升高速环境下的加速性能。本发明主要针对对象为超燃冲压发动机，超燃冲压发动机内部高温高压的环境是气流被电离为等离子体，本发明利用洛伦兹力做功，对超声速等离子体进行加速。
发明内容
发明目的：
针对上述背景技术中的不足，本发明提供了一种基于磁流体流速进行负反馈调节的超燃发动机磁场发生系统与方法，能够自主调节磁流体加速环境中的磁感应强度大小，改变磁流体在磁场中运动而产生的自感电流的大小，进而实现，提高能量利用率、降低经济成本并使发动机具备稳定的输出功率。
技术方案：
一种基于磁流体流速进行负反馈调节机制的磁场发生系统，包括沿等离子气体通道轴向设置的若干个速度传感器、与若干个速度传感器一一对应并电性连接的若干个磁场发生装置、外加电压装置；所述外加电压装置用于为气体通道提供电场；所述速度传感器用于检测气体通道内的等离子体流速；所述磁场发生装置用于为气体通道提供磁场，并读取速度传感器的等离子体流速数据，根据等离子体流速数据负反馈调节磁流体加速通道内等离子体流速。
进一步的，所述磁场发生装置包括数据读取模块、设置于磁流体加速通道外侧的线圈、线圈的工作电路、控制器；所述数据读取模块用于读取速度传感器的等离子体流速数据和外加电压装置的电压数据；所述控制器用于根据数据读取模块读取的数据计算线圈中的电流，并通过调节工作电路来调节线圈的电流，从而调节磁流体加速通道内等离子体流速。
进一步的，所述工作电路包括电机、电机正反转控制电路、受控变阻箱；电机连接受控变阻箱；所述控制器通过控制电机正反转控制电路来控制电机的状态，进而调节受控变阻箱的电阻值。
电机正反转控制电路包括正转模块以及反转模块，控制器具有用于输出正转信号或反转信号的输出端，正转模块包括耦接于所述输出端以接收所述正转信号的正转控制子模块以及耦接于所述正转控制子模块的正转开关，所述正转开关还用于耦接电机以在收到所述正转控制子模块基于获取到的所述正转信号而输出的第一导通信号时控制所述电机正转启动。所述反转模块包括耦接于所述输出端以接收所述反转信号的反转控制子模块以及耦接于所述反转控制子模块的反转开关，所述反转开关还用于耦接电机以在收到所述反转控制子模块基于获取到的所述反转信号而输出的第二导通信号时控制所述电机反转启动。
进一步的，所述控制器根据等离子体流速数据和外加电压装置的电压数据计算出等离子气体通道内的磁感应强度，根据磁感应强度计算出线圈中的电流，将计算出的电流与设定电流相比较，计算出将线圈电流增减为设定电流时线圈的工作电路中电阻的大小变化值；所述控制器根据计算出的工作电路的电阻大小变化值通过电机正反转控制电路控制电机的状态，以调节工作电路的电阻，进而调节线圈的电流。
进一步的，每个磁场发生系统包括四个共轴圆形线圈。
本发明还提供基于上述磁场发生系统的气体流速控制方法，包括如下步骤：在等离子气体通道设置磁场发生系统，为等离子气体通道提供电场和磁场；保持外场电压不变，需要增加等离子气体通道内流速时，减小磁场发生装置中线圈的电流，使气体通道内磁流体产生的反向自感电流强度小于外加电场产生的电流强度；需要减速时，增加磁场发生装置中线圈的电流，使气体通道内磁流体产生的反向自感电流强度大于外加电场产生的电流强度；需要保持匀速时，调节磁场发生装置中线圈的电流，使反向自感电流与正向外加电场产生的电流相抵消。
本发明还提供一种超燃发动机，在燃烧室和尾喷管之间设置等离子气体通道，等离子气体通道设置磁场发生系统。
上述超燃发动机的工作方法，包括如下步骤：混合气流由进气道进入燃烧室后燃烧成为高温高压的等离子体气流，该气流由燃烧室流出，进入等离子气体通道，通过控制等离子气体通道内电磁场的电流强度和磁感应强度，实现对等离子气体通道内的气流的加速、减速或维持速度，流体在通过磁流体加速通道后进入尾喷管，最后由尾喷管喷出流体。
本发明具有如下有益效果：
(1)能够降低磁流体发热量，延长磁流体加速通道使用寿命；
(2)根据所需磁感应强度(B＝E/u)调节受控变阻箱电阻大小增大共轴四线圈中的电流大小，进而提高磁感应强度，增强磁流体中产生的自感电流强度，使自感电流与外加电场产生的电流相抵消，使磁流体流速维持在某一速度不变，当磁流体速度低于规定值时，洛伦兹力做功将气流加速，当磁流体速度高于规定值时，自感电流增大，洛伦兹力反向做功，磁流体被减速，进而使磁流体速度恢复至规定值，从而实现控制磁流体流速的功能；
(3)当外加电压保持不变，根据磁流体流速大小随时调节磁场强度(B＝E/2u)使用于磁流体加速的能量保持最大值时，加速系统输入功率为定值，实现输入功率的稳定性，提高了加速系统对于不定流速磁流体的最大加速效果和加速系统对于不定流速磁流体的抗干扰性能。
(4)通过电磁能对磁流体进行加速，能在保证加速效率的前提既下降低燃油产生的经济成本，又可以提升高速环境下的加速性能。
(5)增加磁场发生系统的超燃发动机，可以降低发动机的燃油消耗，降低发动机温度，提高发动机使用寿命。
附图说明
图1为磁流体加速系统图，1-磁场发生装置；2-等离子气体通道；3-数据线；4-速度传感器；
图2为单个磁场发生装置图；4-速度传感器；5-数据读取模块；6-控制器7-工作电路；8-共轴四线圈；
图3为共轴四线圈工作电路图；9-挡位控制开关；10-接地端；11-第一电源；12-1挡用电器；13-第二电源；14-2挡用电器；15-控制电机；16-第一受控变阻箱；17-第三电源；18-控制开关；19-第二受变阻箱；20-共轴四线圈；21-电极板；
图4为现有超燃发动机燃烧室和尾喷管连接示意图；
图5为增加气体通道的超燃发动机燃烧室和尾喷管连接示意图；
图6为以u＝1330m/s为例的洛伦兹力做功及焦耳热随B的变化趋势验证。
具体实施方式
本发明提供一种基于磁流体流速进行负反馈调节的磁场发生系统，包括沿等离子气体通道轴向设置的若干个速度传感器、与若干个速度传感器一一对应并电性连接的若干个磁场发生装置、外加电压装置。所述外加电压装置用于为等离子气体通道提供电场；所述速度传感器用于检测等离子气体通道内的气体流速；所述磁场发生装置用于为等离子气体通道提供磁场，并读取速度传感器的等离子体流速数，根据等离子体流速数据负反馈调节磁流体加速通道内等离子体流速。
外加电压由电极板提供，与磁场发生装置安装在同一横截面位置，使通道中心轴、磁场方向和电场方向两两垂直。
所述磁场发生装置包括数据读取模块、设置于等离子气体通道外侧的线圈、线圈的工作电路、控制器。所述数据读取模块用于读取速度传感器的等离子体流速数据和外加电压装置的电压数据；所述控制器用于根据数据读取模块读取的数据计算线圈中的电流，并通过调节工作电路来调节线圈的电流，从而调节磁流体加速通道内等离子体流速。
工作电路包括电机、电机正反转控制电路、受控变阻箱；电机连接受控变阻箱；所述控制器通过控制电机正反转控制电路来控制电机的状态，进而调节受控变阻箱的电阻值。
电机正反转控制电路包括正转模块以及反转模块，控制器具有用于输出正转信号或反转信号的输出端，正转模块包括耦接于所述输出端以接收所述正转信号的正转控制子模块以及耦接于所述正转控制子模块的正转开关，所述正转开关还用于耦接电机以在收到所述正转控制子模块基于获取到的所述正转信号而输出的第一导通信号时控制所述电机正转启动。所述反转模块包括耦接于所述输出端以接收所述反转信号的反转控制子模块以及耦接于所述反转控制子模块的反转开关，所述反转开关还用于耦接电机以在收到所述反转控制子模块基于获取到的所述反转信号而输出的第二导通信号时控制所述电机反转启动。
下面给出工作电路的一个实施例，如图3所示：
档位控制开关9分别连接接地端10、第一电源11、第二电源13，三者与控制电机15相连形成三档位控制中枢(0档、1档、2档)；第一电源11、第二电源13分别与1挡用电器12、1挡用电器14相连后与电阻相连形成电动机的控制电路；控制电机15分别与第一受控变阻箱16、第二受变阻箱19相连，第一受控变阻箱16、第二受变阻箱19均经连第三电源17、控制开关18后分别与共轴四线圈20中的外圈两线圈和内圈两线圈相连形成电生磁磁场发生回路。由电极板21为气体通道提供电场。
档位控制开关9有三种状态，分别决定控制电机15的正转、反转和不转三种状态。线圈电流I’等于设定电流I1、2时，档位控制开关9连接接地端10。线圈电流I’大于设定电流I1、2时，控制器输出正转信号，1档位开关(即正转开关)接通，增大工作电路电阻，减小线圈电流。当线圈电流I’小于设定电流I1、2时，控制器输出反转信号，2档位开关(即反转开关)接通，减小工作电路电阻，增加线圈电流。控制电机15调节控制受控变阻箱16、19的电阻值来调节共轴四线圈20中电流大小，使其产生特定磁感应强度大小的匀强磁场，另外还有独立控制的电极板21提供磁流体加速通道的外加电场。
当外加电场的能量输入较高时，通过调节受控变阻箱16、19电阻大小减小共轴四线圈20中的电流大小，进而降低磁感应强度，减弱磁流体中产生的自感电流强度，实现在提高磁流体加速效率的同时，尽量降低焦耳热的产生，降低发热，提高能量利用率。其特征在于，降低磁流体发热量后，可延长磁流体加速通道使用寿命。
在外加电压保持不变的情况下，可通过调节受控变阻箱16、19电阻大小增大共轴四线圈20中的电流大小，进而提高磁感应强度，增强磁流体中产生的反向自感电流强度，使反向自感电流与正向外加电场产生的电流相抵消，使磁流体流速维持在某一速度不变，当磁流体速度低于规定值时，洛伦兹力做功将气流加速，当磁流体速度高于规定值时，自感电流增大，洛伦兹力反向做功，磁流体被减速，进而使磁流体速度恢复至规定值，从而实现控制磁流体流速的功能。
当外加电压保持不变，根据磁流体流速大小随时调节磁场强度使用于磁流体加速的能量保持最大值时，加速系统输入功率为定值，实现输入功率的稳定性，提高了加速系统对于不定流速磁流体的最大加速效果和加速系统对于不定流速磁流体的抗干扰性能。
本发明还提供一种超燃发动机，在原有超燃发动机(图4)的基础上，在燃烧室和尾喷管之间设置气体通道(图5)，气体通道设置磁场发生系统(磁场发生系统在通道外部，通道壁面默认有冷却措施，具体冷却方法根据具体技术情况确定，如果通道外部的温度较低则没有特殊要求，如果通道内部的高温流体使磁场发生装置工作环境温度过高则需要其制作时使用耐高温材料)。只需对发动机的尾喷管稍加改进即可得到等离子气体通道(利用尾喷管长度，减化设计)。可将尾喷管设置为矩形渐扩通道。气体通道材料与尾喷管材料一致。线圈紧密排布于通道两侧，以确保磁场沿流向连续，每个线圈原则上对用一个传感器，使得每个线圈产生与安装位置流速对应的磁场。
为降低电极板的内部产生的焦耳热，电极板采用间隔布置(间隔大致为20mm)。在气体通道的上下布置多块电极板，左右壁面加装线圈来产生磁场。
安装磁场发生系统后，可通过调节工作电路来调节线圈的电流，从而调节磁流体加速通道内等离子体流速。
混合气流由进气道进入燃烧室后燃烧成为高温高压的气流，该气由燃烧室流出，进入气体通道，通过控制气体通道内电磁场的电流强度和磁感应强度，实现对气体通道内的气流的加速、减速或维持速度，流体在通过磁流体加速通道后进入尾喷管，最后由尾喷管喷出流体。
本发明的理论依据如下：
实现权利要求中所提到的一种磁流体流速进行负反馈调节机制的磁场发生系统，所依据的理论依据如下：
A＝πr2
根据广义欧姆定律可得：
E·j＝u·(j×B)+j2/σ，
其中u为磁流体沿管道轴向的速度，E为电场强度，j为电流密度，B为磁感应强度，σ为电导率，u·(j×B)项为洛伦兹力所做的功，记为Ql；j2/σ项为焦耳热，记为Qj；E·j项是外部系统与流体之间的能量交换，记为Qe。因此，在保持外加电势恒定不变的情况下，磁场强度增大导致洛伦兹力做功项u·(j×B)增大，因此，在外加电能E·j项基本保持不变时，磁场增大导致Ql增大，Qj减小，即通道内部的焦耳热耗散减小，因此通道内部的温度也会相应降低。
电流密度公式为：
Figure BDA0003794926170000071
Figure BDA0003794926170000072
Jz＝σEz
u、v、w分别为X、Y、Z方向(坐标轴见图1)的速度分量，在本计算中由于忽略霍尔效应的影响和Y、Z方向的速度分量，所以霍尔参数β和Y、Z方向的速度分量v、w在以上各公式中均为0。
电流密度简化后的公式如下：
E·j＝u·(j×B)+j/σ
j＝σ(E-uB)
将(2)式代入(1)式可求得：在电场强度保持不变时，随着磁感应强度的增大，外接输入能量Qe不断减小，洛伦兹力做功Ql先增大后减小，焦耳热Qj不断减小。因此，综合考虑“保证较小能量输入以及较高的能量利用率”和“Qe不断减小，Ql先增大后减小”，将Ql的拐点处确定为提高能量利用效率的最优解。
B＝E/(2u)时，
Figure BDA0003794926170000081
Figure BDA0003794926170000082
下图为具体数据及推算，数值设置及加速效果均以相关论文为依据：
表1
Figure BDA0003794926170000083
表2边界条件
Figure BDA0003794926170000084
Figure BDA0003794926170000091
同等速度下，随磁感应强度增大，能量输入减小，洛伦兹力做功先增大后减小，焦耳热显著减少。根据公式，洛伦兹力做功极大值为B＝E/(2u)处。此时为能量利用效率优化最优解。
表3不同磁感应强度下的功/能数据
Figure BDA0003794926170000092
表4当B＝E/(2u)时的功/能数据
Figure BDA0003794926170000093
Figure BDA0003794926170000101
表5规律总结及验证--速度约束
Figure BDA0003794926170000102
理论总结：由以上数据以及结论看出，通过根据磁流体流速而实时调整的磁感应强度，实现了：减小共轴四线圈中的电流大小，进而降低磁感应强度(调整为B＝E/u)，减弱磁流体中产生的自感电流强度，实现在提高磁流体加速效率的同时，尽量降低焦耳热的产生，降低发热，提高能量利用率。

Claims (8)

1.一种基于磁流体流速进行负反馈调节的磁场发生系统，其特征在于，包括沿等离子气体通道轴向设置的若干个速度传感器、与若干个速度传感器一一对应并电性连接的若干个磁场发生装置、外加电压装置；所述外加电压装置用于为等离子气体通道提供电场；所述速度传感器用于检测等离子气体通道内的等离子体流速；所述磁场发生装置用于为等离子气体通道提供磁场，并读取速度传感器的等离子体流速数据，根据等离子体流速数据负反馈调节磁流体加速通道内等离子体流速。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流体流速进行负反馈调节的磁场发生系统，其特征在于，所述磁场发生装置包括数据读取模块、设置于等离子气体通道外侧的线圈、线圈的工作电路、控制器；所述数据读取模块用于读取速度传感器的等离子体流速数据和外加电压装置的电压数据；所述控制器用于根据数据读取模块读取的数据计算线圈中的电流，并通过调节工作电路来调节线圈的电流，从而调节等离子气体通道内等离子体流速。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁流体流速进行负反馈调节的磁场发生系统，其特征在于，所述工作电路包括电机、电机正反转控制电路、受控变阻箱；电机用于调节受控变阻箱的电阻值；所述控制器通过控制电机正反转控制电路来控制电机的状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于磁流体流速进行负反馈调节的磁场发生系统，其特征在于，所述控制器根据等离子气体通道内等离子体的流速数据和外加电压装置的电压数据计算出等离子气体通道内的磁感应强度，根据磁感应强度计算出线圈中的电流，将计算出的电流与设定电流相比较，计算出将线圈电流增减为设定电流时线圈的工作电路中电阻的大小变化值；所述控制器根据计算出的工作电路的电阻大小变化值通过电机正反转控制电路控制电机的状态，以调节工作电路的电阻，进而调节线圈的电流。
5.根据权利要求2所述的一种基于磁流体流速进行负反馈调节的磁场发生系统，其特征在于，每个磁场发生系统包括四个共轴圆形线圈。
6.基于权利要求1-5任一所述磁场发生系统的气体流速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：在等离子气体通道设置磁场发生系统，为等离子气体通道提供电场和磁场；保持外场电压不变，需要增加等离子气体通道内流速时，减小磁场发生装置中线圈的电流，使等离子气体通道内磁流体产生的反向自感电流强度小于外加电场产生的电流强度；需要减速时，增加磁场发生装置中线圈的电流，使等离子气体通道内磁流体产生的反向自感电流强度大于外加电场产生的电流强度；需要保持匀速时，调节磁场发生装置中线圈的电流，使反向自感电流与正向外加电场产生的电流相抵消。
7.一种超燃发动机，其特征在于，使用步骤1-5任一所述磁场发生系统，在燃烧室和尾喷管之间设置等离子气体通道，等离子气体通道设置磁场发生系统。
8.权利要求7所述超燃发动机的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：混合气流由进气道进入燃烧室后燃烧形成等离子体气流，该气流由燃烧室流出，进入等离子气体通道，通过控制等离子气体通道内电磁场的电流强度和磁感应强度，实现对等离子气体通道内的气流的加速、减速或维持速度，流体在通过磁流体加速通道后进入尾喷管，最后由尾喷管喷出流体。
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