本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，具體是一種基于等離子體射流點(diǎn)火燃燒的極小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

目前，在飛行器上使用的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室包括主燃燒室空氣進(jìn)口通道1、火花塞點(diǎn)火器2、火焰筒3、燃燒室出口4、燃料噴嘴5、燃燒室外殼體6和火焰筒擴(kuò)散段7，基本都采用帶旋流器的燃燒室頭部，同時(shí)采用電火花進(jìn)行點(diǎn)火，此種點(diǎn)火方式的燃燒室存在諸多缺點(diǎn)，且因原理限制，改進(jìn)余地不大?；谛髌骱碗娀鸹c(diǎn)火的燃燒室主要存在著以下缺點(diǎn)：

1.傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室頭部的旋流器促使進(jìn)入的空氣旋轉(zhuǎn)，降低流速，使進(jìn)入燃燒室氣流的流動(dòng)損失很大；

2.旋流器產(chǎn)生的燃燒區(qū)體積較大,從燃燒室后側(cè)面主燃孔進(jìn)入的氣流多，使得燃燒室的長度加大，從而導(dǎo)致燃燒室的體積和重量大幅增加；

3.火花塞點(diǎn)火能量較小，很多條件下無法順利點(diǎn)燃混合氣，尤其是在高空條件下，點(diǎn)火邊界小,點(diǎn)火成功率低；

4.由于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，而氣流傳播速度較快，點(diǎn)火燃燒時(shí)依靠回流邊界穩(wěn)定火焰，氣流損失進(jìn)一步增大。

由此看來，目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的各種燃燒室都存在著明顯的缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單可靠，重量輕，體積小，效率高的燃燒室對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言具有重要的應(yīng)用前景。

近年來，利用等離子體強(qiáng)化燃燒，已經(jīng)引起了全世界各國科研人員的極大興趣。等離子體是物質(zhì)存在的第四態(tài)，是由部分電子被剝奪后的帶電正離子、負(fù)離子、自由基和各種活性基團(tuán)組成的集合體，也被成為“電漿體”。等離子體強(qiáng)化燃燒是利用氣體放電形成局部高溫區(qū)域，并激發(fā)大量活性粒子，實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)燃可燃混合氣或者強(qiáng)化燃燒進(jìn)程的一種燃燒方式。

在等離子體強(qiáng)化燃燒研究領(lǐng)域，等離子體射流點(diǎn)火是其中的一個(gè)重要研究方向。等離子體射流點(diǎn)火技術(shù)的工作原理是：利用氣體放電產(chǎn)生高溫高速的等離子體射流，可以快速可靠地點(diǎn)燃可燃混合氣。研究表明，等離子體射流點(diǎn)火能夠增加點(diǎn)火可靠性，具有更寬的點(diǎn)火范圍、降低燃燒室壁溫等優(yōu)點(diǎn)。基于等離子體射流點(diǎn)火和航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒組織特點(diǎn)，發(fā)明了一種極小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室結(jié)構(gòu)。

在ZL201320339282.9的發(fā)明專利中，中國人民解放軍空軍工程大學(xué)公開了一種用于內(nèi)燃機(jī)燃燒室的瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火器。在ZL201310084697.0的發(fā)明專利中，中國人民解放軍空軍工程大學(xué)公開了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣旋流等離子體點(diǎn)火器。但在上述發(fā)明創(chuàng)造中，僅僅只是一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)火器，并沒有將點(diǎn)火器、噴油嘴和燃燒室一體化。

美國GE公司、西門子發(fā)動(dòng)機(jī)精密系統(tǒng)公司、航空等離子技術(shù)公司在1992年以后以航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室或加力燃燒室為應(yīng)用對(duì)象申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，但是他們申請(qǐng)的基本上都是等離子射流點(diǎn)火，也沒有將點(diǎn)火器、噴油嘴和燃燒室一體化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的氣流的流動(dòng)損失大、燃燒室的體積和重量大幅增加和點(diǎn)火成功率低的不足，本發(fā)明提出了一種基于等離子體射流點(diǎn)火燃燒的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室。

本發(fā)明包括燃燒室外殼體、火焰筒和等離子體射流點(diǎn)火器。所述火焰筒位于燃燒室外殼體內(nèi)，等離子體射流點(diǎn)火器位于該火焰筒上端，其中射流出口伸入火焰筒約三分之一，等離子體射流點(diǎn)火器通過外側(cè)螺紋連接在燃燒室的入口端。所述燃燒室外殼體、火焰筒和等離子體射流點(diǎn)火器三者同軸。

所述等離子體射流點(diǎn)火器包括頭部、導(dǎo)電銅管、空氣入口、陰極、旋流器、燃油入口、射流出口、外管和絕緣內(nèi)管。所述陰極位于導(dǎo)電銅管內(nèi)，并與導(dǎo)電銅管通過螺紋連接；導(dǎo)電銅管位于絕緣內(nèi)管內(nèi)，導(dǎo)電銅管頂端的直徑與絕緣內(nèi)管的直徑比例為5：4；所述絕緣內(nèi)管裝在外管內(nèi)；旋流器位于外管和絕緣內(nèi)管之間，且距離頭部的底端為頭部的三分之一，絕緣內(nèi)管、旋流器和外管通過螺紋連接；頭部和射流出口通過螺紋連接。所述陰極、導(dǎo)電銅管、絕緣內(nèi)管、旋流器、外管和射流出口均同軸。

所述射流出口作為陽極。該射流出口呈漏斗狀，其內(nèi)部上段為漏斗狀的電離區(qū)，下段為擴(kuò)散型噴口，兩段之間有燃油入口。該射流出口的外徑略大于外管的外徑。該射流出口的內(nèi)表面為弧面，并且該射流出口中部的內(nèi)徑最小，兩端的內(nèi)孔呈喇叭狀外擴(kuò)，為擴(kuò)散型噴口。

所述射流出口的上端喇叭口表面切線與該射流出口的中心線成60°，下端喇叭口表面切線與該射流出口的中心線成45°；該射流出口的最小內(nèi)徑約為該射流出口的內(nèi)徑的三分之一；最小內(nèi)徑與上端喇叭口的比例為1：3，最小內(nèi)徑與下端喇叭口的比例為2：3。

所述外管的內(nèi)徑與旋流器的外徑相同，通過螺紋連接。所述外管上端的管內(nèi)徑最小，形成了階梯差，并且該階梯的內(nèi)端面為絕緣內(nèi)管上端的定位面。

絕緣內(nèi)管的內(nèi)徑與導(dǎo)電銅管的外徑相同，導(dǎo)電銅管插入到絕緣內(nèi)管中，并且二者之間為間隙配合。該絕緣內(nèi)管外圓周表面上端的外徑與所述外管的上端最小內(nèi)徑相同，二者通過螺紋連接。該絕緣內(nèi)管自所述與外管配合面以下的外徑最小，并使該絕緣內(nèi)管的最大外徑與最小外徑之間斜面過渡。所述絕緣內(nèi)管距下端有用于固定絕緣內(nèi)管的下端部分和旋流器的凸臺(tái)，并且該凸臺(tái)的外徑略大于旋流器的內(nèi)徑。當(dāng)所述絕緣內(nèi)管裝在外管內(nèi)后，二者之間的上端封閉，該絕緣內(nèi)管的外表面部分與外管內(nèi)表面之間形成間隙，用于將空氣入口進(jìn)來的空氣輸送到旋流器，形成穩(wěn)定的氣流。

所述旋流器的旋流孔與該旋流器的中心線成60°，該旋流器的外徑略小于外管的內(nèi)徑，當(dāng)該旋流器裝入外管內(nèi)后，二者之間間隙配合。

本發(fā)明是基于等離子體射流點(diǎn)火燃燒的極小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室的航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和燃燒組織方式，采用等離子體射流點(diǎn)火技術(shù)，將點(diǎn)火器與噴嘴一體化，從而減小點(diǎn)火器和燃燒室的重量與體積，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火可靠性，進(jìn)而提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

本發(fā)明中，陰極通過導(dǎo)電銅管上的凹槽過緊配合連于導(dǎo)電銅管底部，并與導(dǎo)電銅管一同置于絕緣內(nèi)管內(nèi)，導(dǎo)電銅管頂端用于連接電源接口。絕緣內(nèi)管底部套有旋流器，旋流器內(nèi)環(huán)直徑與絕緣內(nèi)管外徑相同，兩者同時(shí)套入外管內(nèi)，外管與旋流器外環(huán)通過底部螺紋相連。外管上端焊接有空氣入口，空氣入口下方有便于固定的螺紋和凸臺(tái)。外管底部與射流出口通過螺紋相連。射流出口作為陽極，其內(nèi)部上段為漏斗狀的電離區(qū)，下段為擴(kuò)散型噴口，兩段之間開有燃油入口。點(diǎn)火器通過外側(cè)螺紋連接在燃燒室的入口端。

本發(fā)明的陰極和陽極采用耐高溫、導(dǎo)電能力強(qiáng)的金屬或合金加工而成。工作時(shí)在電極輸入高壓脈沖，陽極接地，高壓脈沖擊穿并電離陰、陽極之間的空氣形成等離子體，快速點(diǎn)燃可燃混合氣。通過改變陰極的長度大小調(diào)節(jié)陰極與陽極之間的距離，或改變預(yù)燃式等離子體點(diǎn)火器的輸入電壓和電流，可以控制擊穿強(qiáng)度和工作氣體的電離度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)點(diǎn)火器點(diǎn)火強(qiáng)度的目的。

本等離子體射流點(diǎn)火燃燒室發(fā)明在工作時(shí)，通過電源給導(dǎo)電銅管通入高壓脈沖3kv，同時(shí)通過空氣入口從高壓壓氣機(jī)引氣進(jìn)入電離區(qū)，空氣在電離區(qū)中被高壓電極電離形成等離子體，之后降低通入電壓至27V,即可保持空氣電離狀態(tài)，形成穩(wěn)定等離子體，等離子體與從燃油入口流入的燃油混合。從而燃油被加熱、部分預(yù)燃，隨后加速噴出噴嘴，與噴嘴外部的空氣進(jìn)一步混合燃燒，形成穩(wěn)定的火焰。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1.將點(diǎn)火器、燃油噴嘴一體化，兼具噴油、點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定的功能，極大縮小了燃燒室點(diǎn)火裝置的重量與體積，同時(shí)縮小了燃燒室的燃燒區(qū)。與傳統(tǒng)燃燒室相比，該結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火器、燃油噴嘴頭部僅有傳統(tǒng)點(diǎn)火器的噴油嘴大小相當(dāng)。以某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為例，火焰筒的長度可以縮短40％，因此火焰筒的體積和重量可以減小20％。

2.利用電極電離空氣與燃?xì)獾幕旌蠚?，形成等離子體來點(diǎn)火，整個(gè)過程響應(yīng)迅速，縮短了點(diǎn)火延遲時(shí)間，且通過控制電流和電壓或陰極的相對(duì)位置可以靈活地控制點(diǎn)火強(qiáng)度，根據(jù)相似的實(shí)驗(yàn)室對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，點(diǎn)火延遲時(shí)間可以縮短40％以上。

3.取消了燃燒室進(jìn)口端的旋流器，從而很大程度上減少了流進(jìn)空氣的流動(dòng)損失；點(diǎn)火功率大，并可以在很高的氣流速度下工作，從而增強(qiáng)燃燒室的工作能力。

4.相比于電嘴點(diǎn)火，等離子體射流點(diǎn)火燃燒過程中火焰直接由等離子體點(diǎn)火器頭部延伸到燃燒室內(nèi)，相當(dāng)于等離子體點(diǎn)火器在持續(xù)不斷的點(diǎn)火，因此產(chǎn)生的火焰穩(wěn)定，不易熄滅，點(diǎn)火可靠性較高，可以適應(yīng)極端條件下的點(diǎn)火燃燒，高空點(diǎn)火性能更好，使發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性得到了提升，可以提高飛機(jī)的高空性能。

5.以某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為例，將原有燃燒室中的的7個(gè)噴油嘴、7個(gè)旋流器和2個(gè)點(diǎn)火器，簡化為7個(gè)射流點(diǎn)火器，減少了零件個(gè)數(shù)，燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，增加了安全可靠性，降低了維護(hù)成本；由于體積小，重量輕，能間接提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的采用電嘴點(diǎn)火的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是等離子體射流點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是頭部的外管和絕緣內(nèi)管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是絕緣內(nèi)管的的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是導(dǎo)電銅管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是陰極剖視圖；

圖8是旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中8a是俯視圖，8b是軸測(cè)圖；

圖9是射流出口的剖視圖。圖中：

1.主燃燒室空氣進(jìn)口通道；2.火花塞點(diǎn)火器；3.火焰筒；4.燃燒室出口；5.燃料噴嘴；6.燃燒室外殼體；7.火焰筒擴(kuò)散段；9.等離子體射流點(diǎn)火器；10.頭部；11.導(dǎo)電銅管；12.空氣入口；13.陰極；14.旋流器；15.燃油入口；16.射流出口；17.外管；18.絕緣內(nèi)管；19.絕緣內(nèi)管的凸臺(tái)；

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種基于等離子體射流點(diǎn)火的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室，由燃燒室外殼體6、火焰筒3、等離子體射流點(diǎn)火器9三大部分組成。所述火焰筒3位于燃燒室外殼體6內(nèi)，等離子體射流點(diǎn)火器9位于該火焰筒上端，其中射流出口伸入火焰筒約三分之一，等離子體射流點(diǎn)火器通過外側(cè)螺紋連接在燃燒室的入口端。所述燃燒室外殼體、火焰筒和等離子體射流點(diǎn)火器三者同軸。

所述等離子體射流點(diǎn)火器9包括頭部10、導(dǎo)電銅管11、空氣入口12、陰極13、旋流器14、燃油入口15、射流出口16、外管17、絕緣內(nèi)管18。所述陰極13位于導(dǎo)電銅管11內(nèi)，陰極13與導(dǎo)電銅管11通過螺紋連接；導(dǎo)電銅管11位于絕緣內(nèi)管18內(nèi)，導(dǎo)電銅管11頂端的直徑略大于絕緣內(nèi)管18的直徑，直徑比約為5：4，間隙配合；所述絕緣內(nèi)管18裝在外管17內(nèi)；旋流器14位于外管17和絕緣內(nèi)管18之間，且距離頭部10的底端約為頭部10的三分之一，絕緣內(nèi)管18、旋流器14和外管17通過螺紋連接；頭部10和射流出口16通過螺紋連接。所述陰極13、導(dǎo)電銅管11、絕緣內(nèi)管18、旋流器14、外管17和射流出口16均同軸。

所述射流出口作為陽極。該射流出口16為中空回轉(zhuǎn)體，呈漏斗狀，其內(nèi)部上段為漏斗狀的電離區(qū)，下段為擴(kuò)散型噴口，兩段之間開有燃油入口15。該射流出口16的外徑略大于外管17的外徑，過度配合。該射流出口16的內(nèi)表面為弧面，并且該射流出口16的中部內(nèi)徑最小，兩端的內(nèi)孔呈喇叭狀外擴(kuò)，為擴(kuò)散型噴口。其中，該射流出口16的上端喇叭口表面切線與該射流出口16的中心線成60°，下端喇叭口表面切線與該射流出口16的中心線成45°；該射流出口16的最小內(nèi)徑約為該射流出口16的內(nèi)徑的三分之一；最小內(nèi)徑與上端喇叭口的比例為1：3，最小內(nèi)徑與下端喇叭口的比例為2：3。

所述外管17的內(nèi)徑與旋流器14的外徑相同，通過螺紋連接。所述外管17上端的管內(nèi)徑最小，形成了階梯差，并且該階梯的內(nèi)端面為絕緣內(nèi)管18上端的定位面。

絕緣內(nèi)管18為中空回轉(zhuǎn)體。該絕緣內(nèi)管18的內(nèi)徑與導(dǎo)電銅管11的外徑相同，導(dǎo)電銅管11直接插入到絕緣內(nèi)管18中，為間隙配合。。該絕緣內(nèi)管18外圓周表面上端的外徑與所述外管17的上端最小內(nèi)徑相同，二者通過螺紋連接。該絕緣內(nèi)管18自所述與外管17配合面以下的外徑最小，并使該絕緣內(nèi)管18的最大外徑與最小外徑之間斜面過渡。所述絕緣內(nèi)管18距下端六分之一的外圓周表面焊有徑向凸出的絕緣內(nèi)管的凸臺(tái)19，用于固定絕緣內(nèi)管18的下端部分和旋流器14；并且該徑向凸出的絕緣內(nèi)管的凸臺(tái)19的外徑略大于旋流器14的內(nèi)徑，以使旋流器14將絕緣內(nèi)管18卡住，進(jìn)一步穩(wěn)固絕緣內(nèi)管18。當(dāng)所述絕緣內(nèi)管18裝在外管17內(nèi)后，二者之間的上端便封閉，該絕緣內(nèi)管18的外表面部分與外管內(nèi)表面之間形成間隙，中空回轉(zhuǎn)，用于將空氣入口12進(jìn)來的空氣輸送到旋流器14，形成穩(wěn)定的氣流。

所述導(dǎo)電銅管11為薄壁殼體。該導(dǎo)電銅管11的外徑與絕緣內(nèi)管18的內(nèi)徑相同，當(dāng)導(dǎo)電銅管11裝入絕緣內(nèi)管18的內(nèi)孔后，二者之間形成間隙配合。

所述旋流器14為帶有旋流孔的回轉(zhuǎn)體。旋流孔與該旋流器的中心線成60°，該旋流器的外徑略小于外管17的內(nèi)徑，當(dāng)該旋流器裝入所述外管內(nèi)后，二者之間間隙配合。

本實(shí)施例中，所述燃燒室外殼體6、火焰筒3采用現(xiàn)有技術(shù)。該火焰筒3的筒體由等徑段與變徑段組成。所述變徑段處于火焰筒3的上端，并且該變徑段一端的筒口的內(nèi)徑與所述等離子體射流點(diǎn)火器10中外管的外徑相同，通過螺紋連接，形成間隙配合。所述火焰筒3的筒體上均勻分布有6個(gè)大孔、8個(gè)中孔、60個(gè)小孔，并且所述各孔的孔徑與排布方式均采用現(xiàn)有技術(shù)。另外，在火焰筒3的筒體上端有旋流孔8個(gè)，在變徑段有通氣斜孔18個(gè)，以使從主燃燒室空氣進(jìn)口通道1進(jìn)來的空氣充分進(jìn)入到火焰筒3中。