本發(fā)明涉及航空發(fā)動機領(lǐng)域，具體是一種基于等離子體射流點火燃燒的極小型航空發(fā)動機主燃燒室結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

目前，在飛行器上使用的航空渦輪發(fā)動機的主燃燒室包括主燃燒室空氣進口通道1、火花塞點火器2、火焰筒3、燃燒室出口4、燃料噴嘴5、燃燒室外殼體6和火焰筒擴散段7，基本都采用帶旋流器的燃燒室頭部，同時采用電火花進行點火，此種點火方式的燃燒室存在諸多缺點，且因原理限制，改進余地不大。基于旋流器和電火花點火的燃燒室主要存在著以下缺點：

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

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

4.由于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，而氣流傳播速度較快，點火燃燒時依靠回流邊界穩(wěn)定火焰，氣流損失進一步增大。

由此看來，目前在航空發(fā)動機上使用的各種燃燒室都存在著明顯的缺點。因此，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單可靠，重量輕，體積小，效率高的燃燒室對航空發(fā)動機而言具有重要的應(yīng)用前景。

近年來，利用等離子體強化燃燒，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、負離子、自由基和各種活性基團組成的集合體，也被成為“電漿體”。等離子體強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，實現(xiàn)快速點燃可燃混合氣或者強化燃燒進程的一種燃燒方式。

在等離子體強化燃燒研究領(lǐng)域，等離子體射流點火是其中的一個重要研究方向。等離子體射流點火技術(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，可以快速可靠地點燃可燃混合氣。研究表明，等離子體射流點火能夠增加點火可靠性，具有更寬的點火范圍、降低燃燒室壁溫等優(yōu)點?；诘入x子體射流點火和航空發(fā)動機燃燒室的燃燒組織特點，發(fā)明了一種極小型航空發(fā)動機的主燃燒室結(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)燃機燃燒室的瞬態(tài)等離子體點火器。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)動機空氣旋流等離子體點火器。但在上述發(fā)明創(chuàng)造中，僅僅只是一個單獨的點火器，并沒有將點火器、噴油嘴和燃燒室一體化。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明包括燃燒室外殼體、火焰筒和等離子體射流點火器。所述火焰筒位于燃燒室外殼體內(nèi)，等離子體射流點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火器三者同軸。

所述等離子體射流點火器包括頭部、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，為擴散型噴口。

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，并且該凸臺的外徑略大于旋流器的內(nèi)徑。當所述絕緣內(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火燃燒的極小型航空發(fā)動機主燃燒室的航空發(fā)動機點火和燃燒組織方式，采用等離子體射流點火技術(shù)，將點火器與噴嘴一體化，從而減小點火器和燃燒室的重量與體積，提高航空發(fā)動機燃燒室的點火可靠性，進而提升航空發(fā)動機的性能。

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。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)，下段為擴散型噴口，兩段之間開有燃油入口。點火器通過外側(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)電能力強的金屬或合金加工而成。工作時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)燃式等離子體點火器的輸入電壓和電流，可以控制擊穿強度和工作氣體的電離度，從而達到調(diào)節(jié)點火器點火強度的目的。

本等離子體射流點火燃燒室發(fā)明在工作時，通過電源給導(dǎo)電銅管通入高壓脈沖3kv，同時通過空氣入口從高壓壓氣機引氣進入電離區(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.將點火器、燃油噴嘴一體化，兼具噴油、點火和火焰穩(wěn)定的功能，極大縮小了燃燒室點火裝置的重量與體積，同時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)的點火器、燃油噴嘴頭部僅有傳統(tǒng)點火器的噴油嘴大小相當。以某型渦噴發(fā)動機為例，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氣的混合氣，形成等離子體來點火，整個過程響應(yīng)迅速，縮短了點火延遲時間，且通過控制電流和電壓或陰極的相對位置可以靈活地控制點火強度，根據(jù)相似的實驗室對比實驗表明，點火延遲時間可以縮短40％以上。

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

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

5.以某型渦噴發(fā)動機為例，將原有燃燒室中的的7個噴油嘴、7個旋流器和2個點火器，簡化為7個射流點火器，減少了零件個數(shù)，燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，增加了安全可靠性，降低了維護成本；由于體積小，重量輕，能間接提高發(fā)動機推重比。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的采用電嘴點火的航空發(fā)動機燃燒室結(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是軸測圖；

圖9是射流出口的剖視圖。圖中：

1.主燃燒室空氣進口通道；2.火花塞點火器；3.火焰筒；4.燃燒室出口；5.燃料噴嘴；6.燃燒室外殼體；7.火焰筒擴散段；9.等離子體射流點火器；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；

具體實施方式

本實施例是一種基于等離子體射流點火的航空發(fā)動機主燃燒室，由燃燒室外殼體6、火焰筒3、等離子體射流點火器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火器三者同軸。

所述等離子體射流點火器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，為擴散型噴口。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，進一步穩(wěn)固絕緣內(nèi)管18。當所述絕緣內(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，當該旋流器裝入所述外管內(nèi)后，二者之間間隙配合。

本實施例中，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個大孔、8個中孔、60個小孔，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，在變徑段有通氣斜孔18個，以使從主燃燒室空氣進口通道1進來的空氣充分進入到火焰筒3中。