一种利用径向电场控制燃烧的发动机

技术领域

本公开属于航空发动机技术领域，具体涉及一种利用径向电场控制燃烧的发动机。

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径向电场控制燃烧的发动机；

一种利用径向电场控制燃烧的发动机，包括发动机本体，所述发动机本体中具有燃烧室，还包括：

径向电场生成装置，安装在燃烧室中，能够在燃烧室中生成径向电场；

电场控制装置，与径向电场生成装置电连接，能够控制径向电场生成装置输出的需要的电场及控制电场变化。

可选地，所述发动机本体包括外火焰筒壁、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，所述外火焰筒壁和内火焰筒壁上均穿设有电场接线端子组，电场控制装置通过外火焰筒壁上的电场接线端子组与外火焰筒壁电极组电连接，电场控制装置通过内火焰筒壁上的电场接线端子组与内火焰筒壁电极组电连接。

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，内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极均包括环形电极内芯和防烧蚀涂层，所述环形电极的裸露表面包裹有所述防烧蚀涂层。

可选地，所述外火焰筒壁或内火焰筒壁与防烧蚀涂层将环形电极内芯密封包裹。

可选地，所述环形电极内芯由铂、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、电场激励模组与径向电场生成装置电连接，所述电场激励模组包括径向交流电场激励模组和/或径向直流电场激励模组。

可选地，所述径向交流电场激励模组包括波形调节模块、变频输出模块和径向交流电场激励模块；所述调压模块依次通过波形调节模块、变频输出模块、径向交流电场激励模块后与径向电场生成装置电连接。

可选地，所述径向直流电场激励模组包括镇流模块、直流波形调节模块和径向直流电场激励模块；所述调压模块依次通过镇流模块、直流波形调节模块、径向直流电场激励模块与径向电场生成装置电连接。

本公开中设置径向电场生成装置构成了径向电场组；由电场控制装置控制电场的大小、频率等电场参数。利用径向电场，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。

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是本公开中利用径向电场控制燃烧的发动机的结构示意图；

图2是本公开中利用径向电场控制燃烧的发动机的局部结构示意图；

图3是本公开中利用径向电场控制燃烧的发动机的原理图；

图4是本公开中内火焰筒壁电极和外火焰筒壁电极的结构示意图；

图5是本公开中电场控制装置的结构示意图。

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，一种利用径向电场控制燃烧的发动机，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：

径向电场生成装置C，安装在燃烧室B中，能够在燃烧室B中生成径向电场；径向电场生成装置C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。

电场控制装置D，与径向电场生成装置C电连接，能够控制径向电场生成装置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，从而能够控制径向电场生成装置C输出直流电场或者交流电场。

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，燃烧室B截面是圆筒形，径向电场生成装置C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，电场可以是直流电场或交流电场或其组合；

在一个实施例中，结合图2、图3所示，燃烧室B截面是圆环形，该径向电场生成装置C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、1/2环电极、1/4环电极等，在外火焰筒壁22和内火焰筒壁23之间创造电场。

在一优选实施例中，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，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。

所述径向电场生成装置C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。

结合图3所示，外火焰筒壁电极在t时刻电压为U

当：

U

时，半径为R

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，U

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。

在另一实施例中，为了方便连接，所述外火焰筒壁22和内火焰筒壁23上均穿设有电场接线端子组6，电场控制装置D通过外火焰筒壁22上的电场接线端子组6与外火焰筒壁电极组13电连接，电场控制装置D通过内火焰筒壁23上的电场接线端子组6与内火焰筒壁电极组18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，方便各个区域使用不同的材料。

参阅图4所述，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。

实施例二

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、外环轴向分级电场子线缆组5后与外火焰筒壁电极组13连接；另一个端子26通过内环腔总线15、内环轴向分级电场子线缆组17后与内火焰筒壁电极组18连接。对于每个电极，电场控制器27都能单独控制。

参阅图5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、电场激励模组与径向电场生成装置C电连接，所述电场激励模组包括径向交流电场激励模组和/或径向直流电场激励模组。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，径向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；径向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。

所述径向交流电场激励模组包括波形调节模块273、变频输出模块274和径向交流电场激励模块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、径向交流电场激励模块275后与径向电场生成装置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，所述径向直流电场激励模组包括镇流模块276、直流波形调节模块277和径向直流电场激励模块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、径向直流电场激励模块278与径向电场生成装置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。