亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置

1.本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种针对亚燃冲压燃烧室喷油杆的等离子体燃油活化装置。


背景技术：

2.涡轮基组合循环发动机(turbine-based combined cycle，tbcc)是临近空间高速飞行器的理想动力形式之一，在多种不同的组合形式中，采用涡喷发动机与亚燃冲压发动机组合的技术方案具有技术成熟度高、研制风险可控等优势。
3.tbcc发动机在低速阶段由涡轮发动机提供推力，随着飞行速度增加，发动机进入模态转换阶段，涡轮发动机逐渐停止工作，亚燃冲压发动机点火起动，单独为飞行器提供推力。
4.涡喷发动机工作的速度范围通常为0-2.0马赫，亚燃冲压发动机的工作马赫数范围在2.0-5.0之间，由于两种动力形式工作的速度区间重叠较少，导致tbcc发动机在模态转换过程中存在推力不足，加速性差等问题，严重影响飞行安全。
5.解决上述问题的思路主要有两种，一是拓宽涡轮发动机工作的速度上边界，另一个是拓宽亚燃冲压发动机点火起动的速度下边界。采用第二种思路、即拓宽亚燃冲压发动机起动的速度下边界时，由于飞行速度相对较低，燃烧室进口总温较低，燃油的雾化蒸发特性差，导致亚燃冲压燃烧室点火困难，燃烧效率不足，难以满足飞行器对推进系统的性能要求。
6.典型的亚燃冲压燃烧室主要包括喷油杆和火焰稳定器两个主要部分，喷油杆作为燃烧室供油的主油路，供油量约占总供油量的80％-90％，其余燃油供入火焰稳定器中并被点燃，起到引燃主油路燃油的作用。现有技术主要通过优化稳定器几何构型与尺寸来提高低工况下燃烧室的点火性能，由于稳定器供油量较少，针对其进行的优化研究难以提升燃烧室的整体燃烧效率，因此对发动机推力性能的改善较为有限，依然难以解决tbcc发动机模态转换阶段推力不足的问题。
7.已有研究结果表明，等离子体具备显著的热效应与化学效应，在促进液态煤油雾化蒸发与提高化学活性方面表现出良好的应用前景。
8.综上，将等离子体应用于亚燃冲压燃烧室喷油杆，对主油路的燃油进行处理，有望显著提升液态煤油的化学活性，进而拓宽亚燃冲压燃烧室点火起动的速度下边界，并提升低工况下发动机的推力性能。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提出一种亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，包括燃烧室壳体1、喷油杆2、火焰稳定器3、等离子体激励器4；其中
10.燃烧室壳体1为圆柱形中空筒体；
11.喷油杆2为空心金属杆，在靠近燃烧室进口的截面上，沿圆周方向均匀布置多个完
全相同的喷油杆2，每个喷油杆2沿燃烧室圆周半径的方向固定在燃烧室壳体1上，深入燃烧室内的一端封闭，燃烧室壳体外的一端与发动机供油管路连接，每根喷油杆壁面上开有多个喷油孔，喷孔方向沿燃烧室轴线方向指向下游，多个喷孔与喷油杆远端保持一定距离；
12.火焰稳定器3为亚燃冲压燃烧室常见的蒸发式火焰稳定器，其与燃烧室壳体1同轴并固定连接，位于喷油杆的下游；
13.等离子体激励器4与喷油杆2成对布置，数量相同，位于喷油杆正后方，在径向位置上与喷油杆2相同，在轴向上位于喷油杆2下游并与其保持一定距离；
14.等离子体激励器4包括高压电极5、低压电极6、陶瓷内芯7、金属外套8；
15.陶瓷内芯7为细长的实心圆柱体，长度短于喷油杆2；自陶瓷内芯7端面在其直径方向上以端面圆心为对称点，沿与陶瓷内芯7轴线平行方向打两个对称通孔，作为插入高压电极5和低压电极6的预制圆孔；
16.高压电极5和低压电极6均为细长圆柱体，长度略长于陶瓷内芯7，两根金属电极以紧配合插入圆柱形的陶瓷内芯7的预制圆孔中，金属电极深入燃烧室的一端长度大于陶瓷内芯的长度，因此能够裸露在燃烧室内；金属电极在燃烧室壳体外的一端同样裸露在外，通过导线与电源连接；
17.陶瓷内芯7深入燃烧室一端的表面为台阶状，高低两个台阶各占一个半圆，固定有低压电极6的半圆长度大于固定有高压电极5的半圆的长度；
18.金属外套8为空心圆柱形外筒，长度略短于陶瓷内芯7的最短长度；金属外套8内径等于或略大于陶瓷内芯7外径，便于陶瓷内芯7紧配合插入其中；金属外套8在燃烧室壳体外的一端与陶瓷内芯7外端面平齐，陶瓷内芯7与金属外套8固定连接；等离子体激励器4借由金属外套8与燃烧室壳体1固定连接。
19.在本发明的一个具体实施例中，每根喷油杆壁面上开有2个喷油孔，两个喷孔与喷油杆远端的距离分别为15mm、40mm。
20.在本发明的另一个具体实施例中，等离子体激励器4在轴向上位于喷油杆2下游15mm处。
21.在本发明的一个实施例中，燃烧室壳体1由高温合金制成；火焰稳定器3由高温合金制成；高压电极5和低压电极6由金属钨制成。
22.在本发明的又一个具体实施例中，亚燃冲压燃烧室中喷油杆数量为6根，沿周向均匀布置，每根喷油杆上开设有2个喷油孔；等离子体激励器与喷油杆成组出现，一一对应，也为6根，位于喷油杆正后方15mm处。
23.在本发明的还一个具体实施例中，
24.燃烧室壳体1的壁厚为10mm、内径为240mm、长度为400mm；
25.喷油杆2的外径为8mm、内径为4mm、总长120mm、深入燃烧室内的长度为100mm，喷油杆上布置2处喷油孔，喷孔与喷油杆远端的距离分别为20mm、45mm，喷油孔直径为1mm；
26.金属外套8为圆筒形，外径8mm、内径6mm、总长70mm、深入燃烧室内的长度为50mm；
27.陶瓷内芯7外径6mm，陶瓷内芯的上端为平面，并与金属外套8的上表面平齐，深入燃烧室的下表面等分成两部分，一半固定低压电极6、另一半固定高压电极5，固定低压电极6的半圆柱长度为65mm、固定高压电极5的半圆柱长度为60mm；
28.高压电极5和低压电极6直径均为1mm，总长分别为82.5mm和87.5mm，深入燃烧室内
的长度分别为62.5mm和67.5mm。
29.此外，在本发明的一个实施例中，上述亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置的工作原理为：tbcc发动机冲压燃烧室起动时，通过外接等离子体电源，在等离子体激励器4的高压电极5和低压电极6之间施加电压，当电压超过两电极间的击穿电压时，在电极间形成电弧等离子体放电，在气流作用下，电弧等离子体放电通道被不断拉长，最终断裂，随后在电极间重新击穿放电形成电弧，并周期性的重复上述过程。
30.本发明优点如下：
31.通过产生电弧等离子体放电，对喷油杆喷出的燃油进行油气活化处理，能够提升低工况下亚燃冲压燃烧室的点熄火性能与燃烧效率，显著改善tbcc发动机模态转换阶段的推进效能。
32.等离子体放电具有结构简单、放电参数可调、频响高、来流适应性好的优点，可以在不改变燃烧室几何结构的前提下，实现宽参数范围内的点火与燃烧调控。
附图说明
33.图1为本发明的剖视结构图；
34.图2为等离子体激励器的结构简图；
35.附图标记：
①
燃烧室壳体，
②
喷油杆，
③
火焰稳定器，
④
等离子体激励器，
⑤
高压电极，
⑥
低压电极，
⑦
陶瓷内芯，
⑧
金属外套。
具体实施方式
36.为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。
37.如图1所示，一种亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，包括燃烧室壳体1、喷油杆2、火焰稳定器3、等离子体激励器4。
38.燃烧室壳体1为圆柱形中空筒体，由高温合金制成。
39.喷油杆2为空心金属杆，在靠近燃烧室进口的截面上，沿圆周方向均匀布置多个完全相同的喷油杆2，每个喷油杆2沿燃烧室圆周半径的方向例如以焊接形式，固定在燃烧室壳体1上，深入燃烧室内的一端封闭，燃烧室壳体外的一端与发动机供油管路连接，每根喷油杆壁面上开有例如2个喷油孔，喷孔方向沿燃烧室轴线方向指向下游，两个喷孔距离喷油杆远端的距离分别为15mm、40mm。高压煤油从喷油孔中喷出，在压力作用下雾化成细小的液滴，并以近似圆锥的形状向下游喷射。
40.火焰稳定器3为亚燃冲压燃烧室常见的蒸发式火焰稳定器(郑殿峰，张会强，林文漪等.蒸发式稳定器常压和低压燃烧性能试验研究[j].哈尔滨工业大学学报，2004(12)：1724-1728.)，与燃烧室壳体1同轴，由高温合金制成，位于喷油杆的下游，通过安装支架以螺栓连接的形式与燃烧室壳体1固定在一起。
[0041]
等离子体激励器4与喷油杆2成对布置，数量相同，位于喷油杆正后方，在径向位置上与喷油杆2相同，在轴向上例如位于喷油杆2下游15mm处。
[0042]
如图2所示，等离子体激励器4由高压电极5、低压电极6、陶瓷内芯7、金属外套8组成。
[0043]
陶瓷内芯7为细长的实心圆柱体，长度短于喷油杆2。自陶瓷内芯7端面在其直径方向上以端面圆心为对称点，沿与陶瓷内芯7轴线平行方向打两个对称通孔，作为插入高压电极5和低压电极6的预制圆孔。
[0044]
高压电极5和低压电极6由金属钨制成，均为细长圆柱体，长度略长于陶瓷内芯7，两根金属电极以紧配合插入圆柱形的陶瓷内芯7的预制圆孔中，并用高温胶固定，金属电极深入燃烧室的一端长度大于陶瓷内芯的长度，因此可以裸露在燃烧室内；金属电极在燃烧室壳体外的一端同样裸露在外，通过导线与电源连接。
[0045]
陶瓷内芯7深入燃烧室一端的表面为台阶状，高低两个台阶各占一个半圆，固定有低压电极6的半圆长度大于固定有高压电极5的半圆的长度。
[0046]
金属外套8为空心圆柱形外筒，长度略短于陶瓷内芯7的最短长度。金属外套8内径等于或略大于陶瓷内芯7外径，便于陶瓷内芯7紧配合插入其中。金属外套8在燃烧室壳体外的一端与陶瓷内芯7外端面平齐，陶瓷内芯7与金属外套8例如以胶黏形式固定。等离子体激励器4借由金属外套8与燃烧室壳体1固定连接。在本发明的一个具体实施例中，金属外套8靠近燃烧室外壳的一端设计有安装螺纹，以螺纹连接的形式固定于燃烧室壳体1上。
[0047]
亚燃冲压燃烧室喷油杆径向等离子体燃油活化装置的工作原理为：tbcc发动机冲压燃烧室起动时，通过外接等离子体电源，在等离子体激励器4的高压电极5和低压电极6之间施加电压，当电压超过两电极间的击穿电压时，在电极间形成电弧等离子体放电，在气流作用下，电弧等离子体放电通道被不断拉长，最终断裂，随后在电极间重新击穿放电形成电弧，并周期性的重复上述过程。
[0048]
通过放电产生电弧等离子体，一方面利用电弧显著的热效应，对喷油孔喷出的煤油进行加热，加速煤油的雾化蒸发，使其变成小液滴；另一方面利用电弧等离子体的化学活性，使部分煤油发生裂解化学反应，产生h2、ch4、c2h2等化学活性较强的小分子产物，从而增强油气混合气的化学活性。通过上述两方面的作用，都可以降低亚燃冲压燃烧室点火的难度、提高燃烧室的燃烧效率，以提升亚燃冲压燃烧室的工作性能。
[0049]
如图1-2所示，在本发明的一个具体实施例中：
[0050]
燃烧室壳体1的壁厚为10mm、内径为240mm、长度为400mm；
[0051]
喷油杆2的外径为8mm、内径为4mm、总长120mm、深入燃烧室内的长度为100mm，喷油杆上布置2处喷油孔，距离喷油杆远端距离分别为20mm、45mm(远端是指远离供油进口的一端，即插入燃烧室内部的一端)，喷油孔直径为1mm；
[0052]
等离子体激励器4的金属外套8为圆筒形，外径8mm、内径6mm、总长70mm、深入燃烧室内的长度为50mm；
[0053]
等离子体激励器4的陶瓷内芯7为圆柱形，外径6mm，陶瓷内芯的上端为平面，并与金属外套8的上表面平齐，深入燃烧室的下表面等分成两部分，一半固定低压电极6、另一半固定高压电极5，固定低压电极6的半圆柱长度为65mm、固定高压电极5的半圆柱长度为60mm，两个半圆柱呈台阶状；
[0054]
高压电极5和低压电极6均为等直圆柱体，直径均为1mm，总长分别为82.5mm和87.5mm，深入燃烧室内的长度分别为62.5mm和67.5mm。
[0055]
已有的亚燃冲压燃烧室性能提升主要通过火焰稳定器几何结构优化设计实现，等离子体放电具有结构简单、放电参数可调、频响高、来流适应性好的优点，可以在不改变燃
烧室几何结构的前提下，实现宽参数范围内的点火与燃烧调控。
[0056]
在本发明另一个实施例中：
[0057]
亚燃冲压燃烧室火焰稳定器3采用亚燃冲压燃烧室常见的蒸发式火焰稳定器，通过安装支架以螺栓连接的形式与燃烧室壳体固定；
[0058]
亚燃冲压燃烧室中喷油杆数量为6根，沿周向均匀布置，每根喷油杆上开设有2个喷油孔。等离子体激励器与喷油杆成组出现，一一对应，也为6根，位于喷油杆正后方15mm处。
[0059]
还提供一种亚燃冲压燃烧室喷油杆液态煤油等离子体油气活化方法，其基于上述亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，具体为：tbcc发动机冲压燃烧室起动时，通过外接等离子体电源，在等离子体激励器4的高压电极5和低压电极6之间施加电压，当电压超过两电极间的击穿电压时，在电极间形成电弧等离子体放电，在气流作用下，电弧等离子体放电通道被不断拉长，最终断裂，随后在电极间重新击穿放电形成电弧，并周期性的重复上述过程。
[0060]
通过放电产生电弧等离子体，一方面利用电弧显著的热效应，对喷油孔喷出的煤油进行加热，加速煤油的雾化蒸发，使其变成小液滴；另一方面利用电弧等离子体的化学活性，使部分煤油发生裂解化学反应，产生h2、ch4、c2h2等化学活性较强的小分子产物，从而增强油气混合气的化学活性。通过上述两方面的作用，都可以降低亚燃冲压燃烧室点火的难度、提高燃烧室的燃烧效率，以提升亚燃冲压燃烧室的工作性能。

技术特征：
1.一种亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，其特征在于，包括燃烧室壳体(1)、喷油杆(2)、火焰稳定器(3)、等离子体激励器(4)；其中燃烧室壳体(1)为圆柱形中空筒体；喷油杆(2)为空心金属杆，在靠近燃烧室进口的截面上，沿圆周方向均匀布置多个完全相同的喷油杆(2)，每个喷油杆(2)沿燃烧室圆周半径的方向固定在燃烧室壳体(1)上，深入燃烧室内的一端封闭，燃烧室壳体外的一端与发动机供油管路连接，每根喷油杆壁面上开有多个喷油孔，喷孔方向沿燃烧室轴线方向指向下游，多个喷孔与喷油杆远端保持一定距离；火焰稳定器(3)为亚燃冲压燃烧室常见的蒸发式火焰稳定器，其与燃烧室壳体(1)同轴并固定连接，位于喷油杆的下游；等离子体激励器(4)与喷油杆(2)成对布置，数量相同，位于喷油杆正后方，在径向位置上与喷油杆(2)相同，在轴向上位于喷油杆(2)下游并与其保持一定距离；等离子体激励器(4)包括高压电极(5)、低压电极(6)、陶瓷内芯(7)、金属外套(8)；陶瓷内芯(7)为细长的实心圆柱体，长度短于喷油杆(2)；自陶瓷内芯(7)端面在其直径方向上以端面圆心为对称点，沿与陶瓷内芯(7)轴线平行方向打两个对称通孔，作为插入高压电极(5)和低压电极(6)的预制圆孔；高压电极(5)和低压电极(6)均为细长圆柱体，长度略长于陶瓷内芯(7)，两根金属电极以紧配合插入圆柱形的陶瓷内芯(7)的预制圆孔中，金属电极深入燃烧室的一端长度大于陶瓷内芯的长度，因此能够裸露在燃烧室内；金属电极在燃烧室壳体外的一端同样裸露在外，通过导线与电源连接；陶瓷内芯(7)深入燃烧室一端的表面为台阶状，高低两个台阶各占一个半圆，固定有低压电极(6)的半圆长度大于固定有高压电极(5)的半圆的长度；金属外套(8)为空心圆柱形外筒，长度略短于陶瓷内芯(7)的最短长度；金属外套(8)内径等于或略大于陶瓷内芯(7)外径，便于陶瓷内芯(7)紧配合插入其中；金属外套(8)在燃烧室壳体外的一端与陶瓷内芯(7)外端面平齐，陶瓷内芯(7)与金属外套(8)固定连接；等离子体激励器(4)借由金属外套(8)与燃烧室壳体(1)固定连接。2.如权利要求1所述的亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，其特征在于，每根喷油杆壁面上开有2个喷油孔，两个喷孔与喷油杆远端的距离分别为15mm、40mm。3.如权利要求1所述的亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，其特征在于，等离子体激励器(4)在轴向上位于喷油杆(2)下游15mm处。4.如权利要求1所述的亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，其特征在于，燃烧室壳体(1)由高温合金制成；火焰稳定器(3)由高温合金制成；高压电极(5)和低压电极(6)由金属钨制成。5.如权利要求1所述的亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，其特征在于，亚燃冲压燃烧室中喷油杆数量为6根，沿周向均匀布置，每根喷油杆上开设有2个喷油孔；等离子体激励器与喷油杆成组出现，一一对应，也为6根，位于喷油杆正后方15mm处。6.如权利要求1所述的亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，其特征在于，燃烧室壳体(1)的壁厚为10mm、内径为240mm、长度为400mm；喷油杆(2)的外径为8mm、内径为4mm、总长120mm、深入燃烧室内的长度为100mm，喷油杆
上布置2处喷油孔，喷孔与喷油杆远端的距离分别为20mm、45mm，喷油孔直径为1mm；金属外套(8)为圆筒形，外径8mm、内径6mm、总长70mm、深入燃烧室内的长度为50mm；陶瓷内芯(7)外径6mm，陶瓷内芯的上端为平面，并与金属外套(8)的上表面平齐，深入燃烧室的下表面等分成两部分，一半固定低压电极(6)、另一半固定高压电极(5)，固定低压电极(6)的半圆柱长度为65mm、固定高压电极(5)的半圆柱长度为60mm；高压电极(5)和低压电极(6)直径均为1mm，总长分别为82.5mm和87.5mm，深入燃烧室内的长度分别为62.5mm和67.5mm。7.如权利要求1所述的亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，其特征在于，该装置的工作原理为：tbcc发动机冲压燃烧室起动时，通过外接等离子体电源，在等离子体激励器(4)的高压电极(5)和低压电极(6)之间施加电压，当电压超过两电极间的击穿电压时，在电极间形成电弧等离子体放电，在气流作用下，电弧等离子体放电通道被不断拉长，最终断裂，随后在电极间重新击穿放电形成电弧，并周期性的重复上述过程。

技术总结
本发明提供一种亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化装置，包括燃烧室壳体(1)、喷油杆(2)、火焰稳定器(3)、等离子体激励器(4)；其中，等离子体激励器(4)由高压电极(5)、低压电极(6)、陶瓷内芯(7)、金属外套(8)组成。还提供一种亚燃冲压燃烧室喷油杆等离子体燃油活化方法。本发明用于解决亚燃冲压燃烧室在低工况下点火困难、燃烧效率低的问题。本发明在亚燃冲压燃烧室喷油杆后采用创新滑动弧等离子体激励装置，可在不外加几何可调机构的前提下，实现宽来流参数范围内的亚燃冲压燃烧室工作性能优化。性能优化。性能优化。


技术研发人员：金迪 崔巍 张志波 贾敏 宋慧敏 李军 程信尧
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军工程大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/14