CN114183280A - 一种等离子体调节燃烧释热分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种等离子体调节燃烧释热分布的方法，涉及冲压发动机技术领域，在发动机燃烧室中，构建作用于燃烧区的放电等离子体，利用所述放电等离子体中具有的活性粒子来提高燃烧释热速率；通过改变所述活性粒子在所述燃烧区中的空间分布，影响火焰形态发展，引起所述燃烧区的轴向变化，实现燃烧释热规律的空间分布调节。本发明能够实现对时间尺度上的燃烧释热速率以及空间尺度上的燃烧区燃烧释热强弱分布的快速调控，同时减少了更多的热力能耗。
Description
技术领域
本发明涉及冲压发动机领域，特别是涉及一种调节发动机燃烧室内释热分布规律的调节方法。
背景技术
飞行器发动机在不同来流及高度等条件下具有不同的飞行性能，这与燃烧室内的燃烧组织有着密切的关系。良好的燃烧组织意味着燃烧区的稳定燃烧释热以及火焰形态的良好发展，燃烧区燃烧释热的稳定及可控对于发动机的安全运行具有重要价值，故实现发动机燃烧室中燃烧释热分布的调节是必要的。燃烧室中的燃烧释热分布一般是通过改变燃烧室内燃料分级喷注方式来改变释热分布，即利用燃料喷注量、喷注位置、喷注时序等方式的调整与结合，通过燃料燃烧释热量与释热产生区域的改变，在气流流动条件的配合下实现燃烧释热分布的改变。但是这种传统的机械式热力调整方法并不能对时间尺度上的燃烧释热速率以及空间尺度上的燃烧区燃烧释热强弱分布进行快速调控。
因此，亟待提供一种新型的等离子体调节燃烧释热分布的方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子体调节燃烧释热分布的方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现对时间尺度上的燃烧释热速率以及空间尺度上的燃烧区燃烧释热强弱分布的快速调控，同时减少了更多的热力能耗。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种等离子体调节燃烧释热分布的方法，在发动机燃烧室中，构建作用于燃烧区的放电等离子体，利用所述放电等离子体中具有的活性粒子来提高燃烧释热速率；通过改变所述活性粒子在所述燃烧区中的空间分布，影响火焰形态发展，引起所述燃烧区的轴向变化，实现燃烧释热规律的空间分布调节。
优选的，将所述放电等离子体构建作用于燃烧区，在扩散火焰形成初始阶段，火焰的中心根部注入活性粒子，增强作用区的燃烧释热速率，从而提高温度变化率；
在气流流动协同作用下，影响火焰形态由扩散态向活性粒子高浓度区发展，致使火焰出现吸附于放电端面发展的现象，即引起燃烧区的空间位置沿发动机的轴向方向进行移动，发动机沿程各位置的总温发生变化，形成燃烧释热规律的空间分布调节。
优选的，所述放电等离子体具有多种不同种类的高能活性粒子，能够通过物理效应层面及化学效应层面加速燃烧反应的进程。
优选的，利用等离子体点火器产生所述放电等离子体，所述等离子体点火器固定于所述发动机燃烧室的中心位置，所述放电等离子体的放电作用区域位于所述发动机燃烧室的中心轴线处。
优选的，所述等离子体点火器为产生射流形式的等离子体点火器，所述等离子体点火器通过固定结构固定于所述发动机燃烧室的中心位置。
优选的，所述固定结构采用对称状结构。
优选的，所述发动机燃烧室中燃料的喷注位置位于所述放电等离子体的放电作用区域的前侧，向所述放电作用区域方向进行水平喷注。
优选的，所述等离子体点火器外接有电源，所述电源包括直流电源和脉冲电源，所述电源为单独或耦合功率使用。
优选的，所述直流电源的电流为0.1A～200A；
所述脉冲电源的电压为0～10kV，脉冲重复频率最大能够达到100kHz。
优选的，所述发动机燃烧室为超燃冲压发动机燃烧室、亚燃冲压发动机燃烧室或双模态发动机燃烧室。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明相对于发动机燃烧室中传统的燃烧释热分布调节方法更加快捷方便，由于其直接作用于燃烧区的火焰，因此这种放电参数的调节能够实现对时间尺度上的燃烧释热速率以及空间尺度上的燃烧区燃烧释热强弱分布的快速调控，同时减少了更多的热力能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为超燃冲压发动机燃烧室内普通火焰燃烧形态；
图2为超燃冲压发动机燃烧室内等离子体点火器以一定强激励功率开启后的火焰燃烧形态；
图3为亚燃冲压发动机燃烧室内普通火焰燃烧形态；
图4为亚燃冲压发动机燃烧室内等离子体点火器以一定强激励功率开启后的火焰燃烧形态；
图5为超燃冲压发动机验证实施的沿程释热量分布变化示意图；
其中，1为燃烧室内壁，2为固定结构，3为等离子体点火器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种等离子体调节燃烧释热分布的方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现对时间尺度上的燃烧释热速率以及空间尺度上的燃烧区燃烧释热强弱分布的快速调控，同时减少了更多的热力能耗。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-2所示，本实施例提供一种等离子体调节燃烧释热分布的方法，在发动机燃烧室中，构建作用于燃烧区的等离子体，利用其中具有的大量高能活性粒子来提高燃烧释热速率；通过改变高能活性粒子在燃烧区中的空间分布，影响火焰形态由扩散态向活性粒子高浓度区发展，引起主燃烧区的轴向变化，实现燃烧释热规律的空间分布调节。
在本实施例中，放电等离子体具有大量不同种类的高能活性粒子，能够加快燃料的扩散雾化等物理过程；由于其中包含的活性基团可以在化学效应层面加速燃烧反应的进程，增强其作用区的燃烧释热速率，从而提高温度变化率；将放电等离子体构建直接作用于燃烧区，改变等离子体的空间分布，在一定流速的气流流动协同作用下，就会诱导燃烧区主要发生在等离子体存在较多的空间中，致使火焰出现吸附于放电端面发展的现象，即引起主燃烧区的空间位置沿发动机的轴向方向进行移动，发动机沿程各位置的总温会发生变化，形成燃烧释热规律的空间分布调节。
在本实施例中，可以利用等离子体点火器产生放电等离子体的射流形式。
在本实施例中，发动机燃烧室可以为超燃冲压发动机燃烧室、亚燃冲压发动机燃烧室或双模态发动机燃烧室。
本实施例是按以下步骤进行的：
(1)空气流入发动机；(2)发动机燃料注入发动机；(3)发动机燃烧室内形成稳定普通火焰形态的燃烧；(4)将等离子体点火器转换一定强功率进行工作。
本实施例中提供了一种基于上述等离子体调节燃烧释热分布的方法的发动机燃烧室内布局，发动机燃烧室为超燃冲压发动机燃烧室，等离子体点火器3由固定结构2固定于燃烧室中心位置处，等离子体点火器3内部电极与超燃冲压发动机燃烧室外部的电源的输出端连接；超燃冲压发动机燃烧室燃料的喷注位置位于放电作用区域的前侧，向放电作用区域方向进行水平喷注。
在本实施例中，燃烧室内壁1中对应设置固定结构2，通过固定结构2对等离子体点火器3进行固定，使其处于中心位置，从而保持等离子体始终产生于中心轴线位置。
其中，固定结构2优选为对称状结构，包括上下对称的支板，等离子体点火器3安装于支板之间；或者，固定结构2亦可以根据需要选择其它的结构，亦可以选择非对称状结构，只要能够实现将等离子体点火器3固定于燃烧室中心位置处即可。
在本实施例中，所用电源为直流与脉冲电源，直流电源电流范围为0.1A～50A；脉冲电源电压范围为0～10kV，脉冲重复频率最大可达100kHz。
实施例二
本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：
发动机燃烧室为亚燃冲压发动机燃烧室，燃烧释热分布规律调节方法的如图3-4所示，发动机燃烧室一般为等直段式。
实施例三
本实施例是在实施例一或二的基础上进行的改进，其改进之处在于：
发动机燃烧室为双模态冲压发动机燃烧室，燃烧室整体造型结构与一般超燃冲压发动机相似。
下面对本实施例进行验证：
(1)空气流入发动机；(2)发动机燃料注入发动机；(3)等离子体点火器以单一电源的一定激励强度开启，发动机燃烧室内形成稳定的中心火焰燃烧；(4)将等离子体点火器转换成耦合电源的一定强功率开启。
按照上述步骤操作的验证结果，通过放电等离子体对燃烧释热的增强作用，等离子体点火器以一定强激励功率开启后，发动机的沿程总温比普通火焰形态下的发动机沿程总温整体更高，如图5所示，可以看出：燃烧室内整体燃烧释热量增强；通过构建中心放电等离子体作用于火焰根部以及对放电激励参数调整的方式是利用等离子体在燃烧区内分布的改变，如图1-2所示，能够促使图1中发动机内的中心火焰形态转换成图2中主燃烧区轴向移动的火焰形态。在图5的释热量分布图中释热量大幅增强变化位置前移现象，这实现了燃烧释热空间分布的改变。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：在发动机燃烧室中，构建作用于燃烧区的放电等离子体，利用所述放电等离子体中具有的活性粒子来提高燃烧释热速率；通过改变所述活性粒子在所述燃烧区中的空间分布，影响火焰形态发展，引起所述燃烧区的轴向变化，实现燃烧释热规律的空间分布调节。
2.根据权利要求1所述的等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：将所述放电等离子体构建作用于燃烧区，在扩散火焰形成初始阶段，火焰的中心根部注入活性粒子，增强作用区的燃烧释热速率，从而提高温度变化率；
在气流流动协同作用下，影响火焰形态由扩散态向活性粒子高浓度区发展，致使火焰出现吸附于放电端面发展的现象，即引起燃烧区的空间位置沿发动机的轴向方向进行移动，发动机沿程各位置的总温发生变化，形成燃烧释热规律的空间分布调节。
3.根据权利要求2所述的等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：所述放电等离子体具有多种不同种类的高能活性粒子，能够通过物理效应层面及化学效应层面加速燃烧反应的进程。
4.根据权利要求1所述的等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：利用等离子体点火器产生所述放电等离子体，所述等离子体点火器固定于所述发动机燃烧室的中心位置，所述放电等离子体的放电作用区域位于所述发动机燃烧室的中心轴线处。
5.根据权利要求4所述的等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：所述等离子体点火器为产生射流形式的等离子体点火器，所述等离子体点火器通过固定结构固定于所述发动机燃烧室的中心位置。
6.根据权利要求5所述的等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：所述固定结构采用对称状结构。
7.根据权利要求4所述的等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：所述发动机燃烧室中燃料的喷注位置位于所述放电等离子体的放电作用区域的前侧，向所述放电作用区域方向进行水平喷注。
8.根据权利要求4所述的等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：所述等离子体点火器外接有电源，所述电源包括直流电源和脉冲电源，所述电源为单独或耦合功率使用。
9.根据权利要求8所述的等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：
所述直流电源的电流为0.1A～200A；
所述脉冲电源的电压为0～10kV，脉冲重复频率最大能够达到100kHz。
10.根据权利要求1所述的等离子体调节燃烧释热分布的方法，其特征在于：所述发动机燃烧室为超燃冲压发动机燃烧室、亚燃冲压发动机燃烧室或双模态发动机燃烧室。
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