[发明专利]一种发动机燃烧室的等离子体助燃方法

说明书

一种发动机燃烧室的等离子体助燃方法，将等离子体助燃激励器安装在发动机燃烧室外机匣上，通过等离子体助燃激励器内预先产生化学活性粒子实现对航空发动机环形燃烧室、航空发动机环管型燃烧室、航空发动机加力燃烧室和地面燃气涡轮发动机环形燃烧室的助燃。本发明能够能够提高发动机燃烧室的出口截面平均温度和燃烧室燃烧效率、改善燃烧室出口温度分布的不均匀性。本发明无需改变发动机燃烧室原有的结构，将等离子体助燃激励器插入火焰筒内，避免了燃烧区域的高温对激励器的烧蚀，同时也减小了激励器高压电屏蔽的难度，保证了等离子体助燃激励器的用电安全。

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体是一种发动机燃烧室的等离子体助燃方法。

背景技术

随着热力机械的不断发展，对发动机燃烧室的性能提出了更高的要求。在军用航空发动机领域，为了大幅提高推重比或功重比，其燃烧室朝着高温升和高稳定性的方向发展，要求发动机燃烧室无论在飞行高度变化、飞行速度变化以及发动机转速变化等条件下均具有较大的温升、较为宽广的熄火边界，同时确保燃烧室出口温度场具有良好的品质。在民用航空发动机、地面燃气轮机等领域，出于经济性和环境保护的考虑，所以低耗油率和低污染燃烧是其燃烧室主要的发展方向，要求发动机燃烧室具有尽量高的燃烧完全度和尽可能少的污染物排放量。目前，国内外提高航空发动机燃烧室性能的主要技术途径包括，多级旋流头部技术、多环腔火焰筒技术、新型燃油喷嘴技术、多点喷射技术等。这些新技术主要基于现有燃烧室结构的改进和优化，难以满足对航空发动机性能日益提高的要求，同时航空发动机燃烧室的结构越来越复杂也为加工带来了难度。

等离子体助燃技术是提高航空发动机燃烧室性能的新型燃烧强化技术，它可以提高发动机燃烧室的燃烧效率、扩宽稳定燃烧范围、改善燃烧室出口温度分布的不均匀性、提高燃料燃烧的完全度、减小污染物的排放量。早在20世纪70年代就引起了各国专家的广泛关注，国内外都已经开展了等离子体助燃激励器的研制。

我国对等离子体助燃的研究较晚，主要处于在等离子体助燃的实验室验证阶段。中国科学院工程热物理所研制了值班火焰装置并于2011年公开在公布号为103133144A的发明创造中，该值班火焰装置是一种等离子体助燃激励器，其结构如图1所示，包括裸露电极1、掩埋电极2和绝缘锥罩3，其中，所述裸露电极位于绝缘锥罩的内侧面，与交流电源的一端相连；所述掩埋电极掩埋于绝缘锥罩内部，与交流电源的另一端相连。该装置通过对其周围的空气进行加热，同时产生活性自由基，可以扩宽熄火边界，增加燃烧的稳定性。该结构决定了这种实施等离子体助燃的方法需要在燃烧室的内部安装等离子体助燃激励器，其优势是加热的空气和产生的活性粒子可以直接参与燃烧反应；但是其不利因素为，该方法使得等离子体助燃激励器暴露于具有高温高压环境的燃烧室中，一方面高温高压和复杂的流场环境使得等离子体助燃激励器难以保证其正常工作和使用寿命；其次燃烧室内的复杂结构也不利于等离子体助燃激励器的供电线路的高压电屏蔽。综上所述，这种将等离子体助燃激励器安装到燃烧室内部实施等离子体助燃的方法在实际的工程中难以应用。

目前等离子体助燃激励器还处在理论研究阶段，较少考虑到如何将等离子体助燃激励器应用于发动机燃烧室的具体实施方法，所以设计的助燃激励器存在结构尺寸较大、产生的活性粒子不利于施加到燃烧室内以及缺乏高压电屏蔽措施等问题，导致其无法应用在现有的发动机燃烧室上或将来的燃烧室设计中。

中国人民解放军空军工程大学在2017研制了圆管型等离子体助燃激励器，包括介质阻挡放电的圆管型等离子体助燃激励器和旋转滑动弧放电的旋转滑动弧等离子体助燃激励器。其中所述的旋转滑动弧等离子体助燃激励器被公开在申请号为201710204625.3的发明创造中，该旋转滑动弧等离子体助燃激励器的结构如图2所示。但是，该发明创造提出了一种以发动机燃烧室等离子体助燃为背景的用于产生化学活性粒子的等离子体助燃激励器的装置及其结构，并没有提出完整的等离子体助燃激励器应用于发动机燃烧室助燃的方法。

发明内容