一种基于雷电电弧放电点火技术的超燃冲压发动机

摘要

本发明公开了一种基于雷电电弧放电点火技术的超燃冲压发动机，属于超燃冲压发动机技术领域，包括发动机外壳、进气道头锥、超声速燃烧室、喷管和供油机构；进气道头锥与发动机外壳的内壁形成沿其轴线对称的两条进气道；超声速燃烧室、喷管依次设置于发动机外壳；沿发动机外壳的周向等距设置有多个横向燃料射流口；供油机构通过输油管与横向燃料射流口连接。本发明采用横向射流强化混合技术和给燃料雾化喷嘴施加高电压，从而使分别带有正电荷和负电荷的雾化燃料在具备一定穿透深度的情形下与超燃冲压发动机空气来流迅速混合，并基于高压燃料雾化云团碰撞产生雷电电弧放电的原理进行点火，进而实现超燃冲压发动机的稳定点火与充分燃烧增强效果。

说明书

技术领域

本发明属于超燃冲压发动机技术领域，更具体地，涉及一种基于雷电电弧放电点火技术的超燃冲压发动机。

背景技术

超燃冲压发动机作为一种新型发动机，具有结构简单、重量轻、成本低、单位推力高和速度快的优点，是未来高超声速飞行器和火箭发动机的关键技术之一，受到越来越多国家的重视。但由于超燃冲压发动机运行在超声速环境下，燃料在燃烧室内的滞留时间只有毫米量级，要在如此短的时间内完成燃料与来流的混合、点火、形成扩散火焰并传播至整个燃烧室，实现稳定、高效的燃烧，难度很大，这也是燃烧室的燃烧效率和发动机的性能的关键制约因素。

为使超燃冲压发动机点火顺畅，现有技术中通常会在点火区域设置凹腔结构，利用凹腔内形成的回流创造一个低速点火区，同时在此区域设置火花塞引燃可燃混气，并作为点火源持续点燃上游输送过来的雾化燃料，如专利申请CN110822480A、CN104359125A和CN104764045A等公开的超声速燃烧室点火技术。为保障以上技术的顺畅点火，要求在凹腔内形成合适燃料与空气混合比的可燃混气，且这一可燃混气团恰好分布在火花塞电火花作用区域内，两个关键因素缺一不可，这无疑对超声速燃烧室的点火成功率带来一定的影响。此外，由于凹腔结构一般采用顺流不知，凹腔点火源在超声速流场中产生有益效果的区域有限，对于口径较大的超声速燃烧室不利于燃烧火焰传播至整个燃烧室，燃烧效率低下。

综上所述，如何提供一种提高点火成功率并使燃烧火焰贯穿整个超燃冲压发动机燃烧室成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于雷电电弧放电点火技术的超燃冲压发动机，由此解决现有技术超燃冲压发动机凹腔点火方式中由于凹腔内流流场结构复杂，且点火点处的燃料会发生富集，从而导致点火失败的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于雷电电弧放电点火技术的超燃冲压发动机，包括：发动机外壳、进气道头锥、超声速燃烧室、喷管和供油机构；

所述进气道头锥设置于所述发动机外壳的前端，且与所述发动机外壳的内壁形成沿其轴线对称的两条进气道；所述超声速燃烧室、所述喷管依次设置于所述发动机外壳且与所述进气道头锥同轴布置；

沿所述发动机外壳的周向等距设置有多个横向燃料射流口，且所述横向燃料射流口与所述超声速燃烧室连通；

所述供油机构通过输油管与所述横向燃料射流口连接；

所述供油机构用于通过所述横向燃料射流口向所述超声速燃烧室内提供携带正、负电荷的雾化燃料液滴，携带同种电荷的雾化燃料滴液相斥散开并与携带异种电荷的雾化燃料滴液及经所述进气道的超声速来流空气发生掺混，携带异种电荷的雾化燃料滴液相吸形成雾化燃料云团，雾化燃料云团之间发生雷电电弧放电以点燃雾化燃料从而实现超燃冲压发动机的点火；所述喷管用于使点火完成后的火焰喷出，为超燃冲压发动机提供动力。

优选地，所述供油机构包括绝缘燃料储油箱、超高压直流电源、燃料存储箱以及多个电磁阀组；

所述绝缘燃料储油箱设有与所述横向燃料射流口数量相同的多个，且所述绝缘燃料储油箱与所述横向燃料射流口一一对应连通；所述燃料存储箱通过输油管与所述绝缘燃料储油箱连通并且通过多个电磁阀组控制输油管的开闭以实现给所述绝缘燃料储油箱补油；所述绝缘燃料储油箱内设有正电极或负电极，所述超高压直流电源用于向正、负电极通电以使所述绝缘燃料储油箱内的燃料携带正、负电荷。

优选地，所述携带正电荷燃料的绝缘燃料储油箱和所述携带负电荷燃料的绝缘燃料储油箱对称或交错布置，以使输入的携带正、负电荷燃料在所述横向燃料射流口内对称或交错布置。

优选地，所述正电极与所述负电极的电势差为±30kv～±100kv。

优选地，所述供油机构还包括燃料控制系统，所述燃料控制系统用于控制所述电磁阀组以实现不同油路的反复切换，从而保证超燃冲压发动机能够连续工作。

优选地，所述横向燃料射流口至少设有两对。

优选地，所述横向燃料射流口分布于垂直所述超燃冲压发动机轴线的同一平面上，且所述横向燃料射流口设置于所述超声速燃烧室靠近进气道的位置。

优选地，所述横向燃料射流口的轴线与所述超声速燃烧室的轴线的夹角为60°～90°。

优选地，所述横向燃料射流口将燃料喷入所述超声速燃烧室，燃料喷射的距离为超声速燃烧室直径的1/2～1。

优选地，所述喷管为渐扩结构，所述喷管从点火端到火焰喷出端的直径逐渐增大。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明改变了传统的单点火源点火方式，利用雷电电弧放电可以在雾化燃料云团中实现多处点火，能够大幅增加超燃冲压发动机点火成功率，提高超燃冲压发动机工作的可靠性。

2、本发明在供油机构的作用下，经横向燃料射流口高速喷入超声速燃烧室内的雾化燃料云团带上正电势或负电势，利用同性相斥的原理，进一步强化横向燃料射流雾化过程，达到雾化燃料在超声速燃烧室内快速混合均匀的目的。

3、本发明利用异性相吸的原理，带有正电势或负电势的雾化燃料云团在横向贯穿超声速燃烧室时会互相吸引，引导雾化燃料向超声速燃烧室中心部位靠拢，进一步增大横向燃料射流雾化过程的贯穿长度，达到雾化燃料在整个超声速燃烧室横截面上混合均匀的效果。

4、本发明利用带有正电势或负电势的雾化燃料云团在横向贯穿超声速燃烧室时会互相碰撞，在雾化燃料云团中会形成极高电势差的电场，从而发生雷电电弧放电，其产生的能量能够点燃燃料和空气混合恰当的云团。

附图说明

图1是本发明实施例基于雷电电弧放电点火技术的超燃冲压发动机的结构示意图；

图2是本发明实施例横向燃料射流口及正负电极布置结构示意图；

图3是本发明另一个实施例横向燃料射流口及正负电极布置结构示意图；

图4是本发明实施例中以两对横向燃料射流口为例的横向燃料射流口外供油机构的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：进气道头锥1；进气道2；横向燃料射流口3；喷管4；超声速燃烧室5；发动机外壳6；绝缘燃料储油箱7；正电极8；电源9；燃料存储箱10；负电极11。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；另外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

本发明提出了一种基于雷电电弧放电点火技术的超燃冲压发动机，其结构如图1和图3所示，所述超燃冲压发动机包括发动机外壳6、进气道头锥1、横向燃料射流口和供油机构，其中

如图1所示，所述发动机外壳6分为头段、中段和尾端，所述进气道头锥1设置于所述发动机外壳6的头段并且与所述发动机外壳6内壁将所述发动机外壳头段的腔体分为两条进气道2，所述发动机外壳的中段设有超声速燃烧室5，所述发动机外壳6的尾段设有具有渐扩结构的喷管4。所述进气道头锥1、所述超声速燃烧室5与所述喷管4为同轴布置。

具体的，沿所述发动机外壳6中段的周向等距设置有多个横向燃料射流口3。需要说明的是，所述横向燃料射流口3为成对设置，并且在本发明中，为了保障超燃冲压发动机能够连续工作，所述横向燃料射流口3至少设有两对。

更进一步的说明，所述横向燃料射流口3对称布设于所述超声速燃烧室5的上游位置并且与所述超声速燃烧室5连通，以便使燃料与空气有充足的混合距离与点火空间，以提高点火成功率。按照一定规律布置横向燃料射流口可以使雾化产生的正电势云团与负电势云团发生碰撞。

优选地，横向燃料射流口3轴线与超声速燃烧室5轴线的夹角在60°至90°之间，以提高燃料与空气的混合效率，并提高点火成功率。

优选地，所述横向燃料射流口3以超声速将燃料喷入所述超声速燃烧室内，贯穿距离为超声速燃烧室直径的1/2～1。

进一步地，所述供油机构由绝缘燃料储油箱7、电源9、燃料存储箱10、燃料控制系统以及多个电磁阀组构成。

绝缘燃料储油箱7设有多个，且与所述横向燃料射流口3的数量一致，每个绝缘燃料储油箱为每个对应的横向燃料射流口通过输油管连接。所述燃料存储箱10与各个绝缘燃料储油箱7依次连通，通过所述燃料控制系统控制多个电磁阀组控制输油管的打开或关闭以向各个绝缘燃料储油箱提供燃料，从而实现不同油路的反复切换，保证超燃冲压发动机能够连续工作。

更进一步的说明，所述绝缘燃料储油箱7为绝缘设置，所述电源9为超高压直流电源。每个绝缘燃料储油箱内均设有正电极8或者负电极11，通过超高压直流电源为所述绝缘燃料储油箱内的正电极或负电极通电，以使得所述绝缘燃料储油箱内的燃料携带正电荷或者负电荷。

具体的，所述正电极与所述负电极的电势差为±30kv～±100kv。

如图1所示，本发明超燃冲压发动机工作时，超声速来流通过超燃冲压发动机头段设置的所述进气道头锥1，使超声速来流经所述进气道头锥1产生的斜激波和所述进气道2内产生的激波串减速增压后进入所述超声速燃烧室5，在所述超声速燃烧室5内的空气仍可达到音速以上。

超声速燃烧室5壁面周向分布的横向燃料射流口3射出的雾化燃料带有相反电势，使得带正电势或负电势的雾化燃料云团可以在超声速燃烧室5内进行有效碰撞。雾化燃料在进入超声速燃烧室5后快速与空气掺混，基于同性相斥的原理，带有同种电荷的雾化燃料液滴会迅速散开，并与带有异性电荷燃料液滴及超声速来流空气发生充分掺混。带有不同电势的雾化燃料云团之间形成强电场，并发生电弧放电，电弧放电产生的高温将满足适当油气比的云团点燃从而实现超燃冲压发动机的点火。由于超声速燃烧室5内带有异种电势的雾化燃料云团发生了充分掺混，由此在超声速燃烧室5内将形成数目众多的微电弧放电点，进而形成了许多点火点，从而大大提高了点火成功率。点火完成后，火焰在超声速燃烧室5内向下游传播，并从喷管4喷出，为发动机提供动力。至此完成了一个工作流程。

本发明的一个实施例中以三对横向燃料射流口3在超声速燃烧室5壁面周向布置为例，如图2和图3所示分别给出了两种正电极8和负电极11在绝缘燃料储油箱7内的布置方式，前者为正电极8和负电极11对称布置，后者为正电极8和负电极11间隔布置。实际应用中，绝缘燃料储油箱7内的正电极8和负电极11布置方式不限，可有效实现带正电势云团或负电势的雾化燃料云团相互碰撞接触即可。

更进一步的说明，为防止超燃冲压发动机燃油系统因电源短路或静电火花放电所带来的危害，燃料存储箱10和横向燃料射流口3之间采用了绝缘燃料储油箱7经行了过渡，按如下工作方式保证超燃冲压发动机的连续工作。如图4所示给出了以布置两对横向燃料射流口3为例的供油机构示意图，并对其编号为横向燃料射流口组A与横向燃料射流口组B。当基于雷电电弧放电点火技术的超燃冲压发动机开始工作时，所述电极均不带电势。液体燃料经燃料输送管和电磁阀组V2进入绝缘燃料储油箱7。当绝缘燃料储油箱7内液体燃料达到合适量时，电磁阀组V2关闭。之后，A组射流口对应的外部油路中的超高压直流电源带电，在其作用下绝缘燃料储油箱7内液体燃料带上相对于参考电势为±30kv到±100kv之间的电势，A组射流口所对应的外部油路电磁阀组V1收到打开信号，A组射流口对应外部油路中的绝缘燃料储油箱7内的带有相反电势的液体燃料经电磁阀组V1由横向燃料射流口3高速喷入超声速燃烧室5，雾化后的液体燃料随超声速燃烧室5内的超声速气流传播的方向传播。此时A组射流口进行工作，为发动机提供动力。当A组射流口外部油路中的绝缘燃料储油箱7内的液体燃料液余量低时，电磁阀组V1关闭，电极不带电，电磁阀组V2打开，进行燃料补充，同时B组射流口以同样的流程开始工作，为发动机提供动力，周而复始，从而保证超燃冲压发动机连续工作的同时防止整个燃料输送管带电，避免由于燃料存储箱10带电所带来的安全隐患。

本实施例中，为进一步加强点火的成功率，正电极和负电极之间的电势差为±30kv到±100kv之间，保证带有不同电势的雾化燃料云团之间发生电弧放电时的点火能量。

本发明既吸取了传统横向射流燃料混合点火的优点，即壁面横向射流能提供良好的燃料穿透能力和较快的近场混合效果，且射流产生的回流区能起到火焰稳定的作用，同时壁面射流没有伸入流场的物理结构，不需要额外的冷却也不会产生额外的阻力。也克服了凹腔点火方式的部分缺点：由于凹腔内流流场结构复杂，且点火点处的燃料会发生富集，从而导致点火失败。是一种极具有潜力的超燃冲压发动机点火形式。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。