一种利用轴向电极控制燃烧的发动机的制作方法

1.本公开属于航空发动机技术领域，具体涉及一种利用轴向电极控制燃烧的发动机。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.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轴向电极控制燃烧的发动机；
4.一种利用轴向电极控制燃烧的发动机，包括发动机本体，所述发动机本体中具有燃烧室，还包括：
5.轴向电极组，安装在燃烧室中，轴向电极组包括至少两个沿燃烧室轴向设置的轴向电极，轴向电极组能够在燃烧室中的任意两个轴向电极之间生成电场；
6.电场控制装置，与轴向电极组电连接，能够控制轴向电极组输出的需要的电场及控制电场变化。
7.可选地，燃烧室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，
8.所述轴向电极组包括安装在头部端壁和燃烧区电极支架之间的至少2个燃烧区轴向电极。
9.可选地，所述掺混区安装有掺混区电极支架，所述轴向电极组包括安装在燃烧区电极支架和掺混区电极支架之间的至少两个掺混区轴向电极。
10.可选地，其中一个所述轴向电极是中心电极，所述中心电极的一端安装在所述燃烧区电极支架上，中心电极的另一端悬空，且中心电极的另一端与燃烧室中的燃料喷口位置相对应。
11.可选地，所述头部端壁上穿设有电场接线端子组，电场控制装置通过外头部端壁上的电场接线端子组与燃烧区轴向电极连接，电场接线端子组还与穿过燃烧区的掺混区轴向电极连接。
12.可选地，所述轴向电极包括轴向电极内芯和耐温的轴向电极外壁，所述轴向电极内芯的表面包裹有所述轴向电极外壁，穿过燃烧区的掺混区轴向电极表面还具有电场屏蔽壳。
13.可选地，所述轴向电极内芯由铂、铑、镧钼合金或钨丝材料制成，所述电场屏蔽壳由耐温导电材料制成。
14.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；
15.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、电场激励模组与轴向电极组电连接，所述电场激励模组包括轴向电极交流电场激励模组和/或轴向电极直流电场激励模组。
16.可选地，所述轴向电极交流电场激励模组包括波形调节模块、变频输出模块和轴向电极交流电场激励模块；所述调压模块依次通过波形调节模块、变频输出模块、轴向电极交流电场激励模块后与轴向电极组电连接。
17.可选地，所述轴向电极直流电场激励模组包括镇流模块、直流波形调节模块和轴向电极直流电场激励模块；所述调压模块依次通过镇流模块、直流波形调节模块、轴向电极直流电场激励模块与轴向电极组电连接。
18.本公开中设置轴向电极组，在任意间距、任意两根电极之间施加不同的电压，生成不同强度电场。这样，即可在燃烧区和掺混区生成与出口平面正交的、任意方向与强度的电场；由电场控制装置控制电场的大小、频率等电场参数。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。
附图说明
19.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。
20.图1是本公开中利用轴向电极控制燃烧的发动机的结构示意图；
21.图2是本公开中利用轴向电极控制燃烧的发动机的轴向电极分布形式示意图；
22.图3是本公开中轴向电极局部电场调节原理示意图；
23.图4是本公开中燃烧区轴向电极的结构示意图；
24.图5是本公开中掺混区轴向电极的结构示意图
25.图6是本公开中电场控制装置的结构示意图。
具体实施方式
26.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。
27.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。
28.实施例一
29.参阅图1、图2所示，一种利用轴向电极控制燃烧的发动机，包括发动机本体a，所述发动机本体a中具有燃烧室b，燃料在燃烧室b中进行燃烧，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，还包括：
30.轴向电极组c，安装在燃烧室b中，轴向电极组b包括至少两个沿燃烧室轴向设置的轴向电极。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；该轴向电极截面可以是圆形，方便制造，轴向电极截面也可以是矩形、三角形或者其他形状也不影响本方案的实施；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。
31.电场控制装置d，与轴向电极组c电连接，能够控制轴向电极组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，从而能够控制轴向电极组c输出直流电场或者交流电场，该电场控制装置d可以由发动机上的发电机供电。
32.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。
33.在一实施例中，结合图1所示，所述发动机本体a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，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。
34.由于燃烧区和掺混区的燃烧形式不同，所以在本实施例中，对于燃烧区和掺混区均单独控制电场；
35.所述头部区具有头部端壁39，头部端壁39上安装有喷嘴组件25和旋流器24，所述燃烧区安装有燃烧区电极支架42，所述轴向电极组c包括安装在头部端壁39和燃烧区电极支架42之间的至少2个燃烧区轴向电极9。通过设置燃烧区轴向电极9，电场控制装置d可以控制燃烧区相邻的两个燃烧区轴向电极9之间生成电场。通过在燃烧区单独设置燃烧区轴向电极9，可以通过燃烧区轴向电极9单独控制燃烧区的电场方向、大小等参数。
36.所述掺混区安装有掺混区电极支架46，所述轴向电极组c包括安装在燃烧区电极支架42和掺混区电极支架46之间的至少两个掺混区轴向电极10。通过在掺混区单独设置掺混区轴向电极10，可以通过掺混区轴向电极10单独控制掺混区的电场方向、大小等参数。
37.其中一个所述轴向电极是中心电极7，所述中心电极7的一端安装在所述燃烧区电极支架42上，中心电极7的另一端悬空，且中心电极7的另一端与燃烧室中的燃料喷口位置相对应。通过设置中心电极，中心电极与掺混区轴向电极10之间也可以形成电场，由电场控
制装置d控制其电场的大小、方向等参数。中心电极7相比燃烧区轴向电极9和掺混区轴向电极组10要更有刚性。
38.在一个实施例中，所述头部端壁39上穿设有电场接线端子组6，电场控制装置c通过外头部端壁39上的电场接线端子组6与燃烧区轴向电极9连接，燃烧区轴向电极9的另一端与燃烧区电极支架42绝缘连接，掺混区轴向电极10可以设置为穿过燃烧区和掺混区，电场接线端子组6还与穿过燃烧区的掺混区轴向电极10连接。若掺混区轴向电极10只需调节掺混区电压，其中燃烧区的部分需要用电磁屏蔽层包裹。当穿过燃烧区和掺混区的轴向电极上不包裹电磁屏蔽层时，该轴向电极的燃烧区部分作为燃烧区轴向电极9，掺混区部分作为掺混区电极，由电场控制装置c整体控制相同的电压。
39.结合图3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(n,r1,t)，则电极m、n之间形成的电场强度为：
[0040][0041]
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。
[0042]
中心电极7在工作中也可通电，其电压为u0(t)，则显然的，当中心电极7通电时，任一燃烧区轴向电极n，均可与中心电极7产生与旋流器24出口平面正交的、方向为沿径向任意方向的电场，其电场强度为：
[0043][0044]
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。
[0045]
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，所述轴向电极包括轴向电极内芯36和耐温的轴向电极外壁37，所述轴向电极内芯36由铂、铑、镧钼合金或钨丝材料制成，以同时满足其在主燃烧室内工作时，导电性和耐热性方面的需求，所述轴向电极内芯36的表面包裹有所述轴向电极外壁37，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，确保轴向电极工作过程中不直接与燃气或空气发生接触，防止烧蚀或腐蚀，穿过燃烧区的掺混区轴向电极10表面还具有电场屏蔽壳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。
[0046]
中心电极7的结构与轴向电极结构相似，即电极内芯为铂、铑、镧钼合金或钨丝，以
同时满足其在主燃烧室内工作时，导电性和耐热性方面的需求。电极外壁为氧化铝、氧化锆等陶瓷材质或其他绝缘、致密材质的涂层，确保中心电极7在工作过程中不直接与燃气或空气发生接触，防止烧蚀或腐蚀。中心电极7在内芯与外壁铠装层材料选取方面，需具有更高的刚性，在直径上，由于喷嘴喷射燃油通常存在雾化嘴角，在中心区域燃油浓度较低，且在旋流器24作用下，进入燃烧区的燃油液雾和空气的旋流数都较大，受离心力作用将向甩离喷嘴中心轴线的方向运动，因此与喷嘴中心轴线共线的中心电极7的直径可以设计得较粗，而不用担心其过于扰动主燃烧室内的气流流动。这样即可确保其仅靠一端与燃烧区电极支架42连接固定、另一端悬空的设计形式，仍能在主燃烧室内保持较高的稳定性和刚性。
[0047]
内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极均包括环形电极内芯41和防烧蚀涂层40，所述环形电极41的裸露表面包裹有所述防烧蚀涂层40。环形电极内芯41用于通电，并形成电场；防烧蚀涂层40用于保护防止环形电极内芯41。所述外火焰筒壁22或内火焰筒壁23与防烧蚀涂层40将环形电极内芯41密封包裹。使环形电极内芯41可工作于与外界隔绝空气、且不与高温燃气直接接触的环境下，从而确保其不被烧蚀或氧化腐蚀。所述环形电极内芯41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。
[0048]
实施例二
[0049]
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通过头部总线19、头部分级电场子线缆组20后与轴向电极组c连接，对于每个电极，电场控制器27都能单独控制。
[0050]
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、电场激励模组与轴向电极组c电连接，所述电场激励模组包括轴向电极交流电场激励模组和/或轴向电极直流电场激励模组。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，轴向电极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；轴向电极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。
[0051]
所述轴向电极交流电场激励模组包括波形调节模块273、变频输出模块274和轴向电极交流电场激励模块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、轴向电极交流电场激励模块275后与轴向电极组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。
[0052]
具体的，所述轴向电极直流电场激励模组包括镇流模块276、直流波形调节模块277和轴向电极直流电场激励模块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、轴向电极直流电场激励模块278与轴向电极组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。
[0053]
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。
[0054]
本公开的优点在于：
[0055]
(1)贫油燃烧不稳定性主动控制
[0056]
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。
[0057]
(2)主燃烧室出口温度场调节
[0058]
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。
[0059]
(3)过渡工况及部分工况点燃烧特性的调节
[0060]
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。
[0061]
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。
[0062]
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。
[0063]
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。