超声速燃烧室等离子体射流点火实验平台设计

窦志国， 刘 毅， 邓友义

(1. 装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室， 北京 101416；2. 北京空间信息中继传输技术研究中心， 北京 100094；3.装备学院 训练部，北京 101416)

超声速燃烧室等离子体射流点火实验平台设计

窦志国1,3， 刘 毅1,2， 邓友义1

(1. 装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室， 北京 101416；2. 北京空间信息中继传输技术研究中心， 北京 100094；3.装备学院 训练部，北京 101416)

为研究超声速燃烧室等离子体射流点火特性，设计了一套包括超燃直连式实验台、点火装置、流场观测装置和测量控制系统的超声速点火和燃烧的实验平台。以煤油、乙烯为燃料，采用等离子体射流点火方式对该实验平台进行了测试，分析了典型火焰特征和燃料喷注位置对点火特性的影响。结果表明，该实验平台可完成超声速燃烧室等离子体射流点火实验，具有操作方便、实验效率高的优点，可为开展超声速点火和燃烧研究提供依据。

超声速燃烧室； 等离子体射流； 点火特性； 实验设计

超声速点火和燃烧是超燃冲压发动机的关键技术[1]，超燃冲压发动机工作状态下可燃混气在燃烧室内驻留时间仅为毫秒级[2]，在如此短的时间内要实现可靠点火和稳定燃烧是超燃冲压发动机燃烧室的难点。在低马赫数飞行条件下由于来流总焓不足以实现发动机自点火，因此需要采用强迫点火方式。开展超声速点火和燃烧需要大量的实验数据作为支撑，因此，需要搭建一套操作方便、测量精度高的实验平台。

开展超声速点火和燃烧实验研究一般采用超燃直连式实验台，主要包括加热器、喷管、燃烧室等。对于点火装置，传统的点火方式包括支板[3-4]、引导火焰[5-6]、节流点火[7]和电火花点火[8]等，这些传统点火方法对发动机燃烧室工作条件要求较高，在临近空间环境下，大气温度和压力都比较低，进入发动机燃烧室的来流流量小，燃烧室点火更加困难。为解决发动机燃烧室点火这一难题，等离子体点火助燃技术受到世界众多国家的广泛关注[9-11]。

本文建立了一套可用于超声速点火和燃烧的实验平台，采用等离子体射流点火方式，开展了超声速燃烧室等离子体射流点火实验，分析了典型火焰结构特征和燃料喷注位置对点火特性的影响。

1 实验平台搭建

分别搭建了超燃直连式实验台、点火装置、流场观测系统和测量控制系统。实验平台结构示意图见图1。

图1 实验平台结构示意图

1.1 超燃直连式实验台

超声速燃烧直连式实验台主要包括加热器、喷管、燃烧室等。加热器主要作用是将空气加热使其达到所模拟的飞行条件；喷管的作用是将加热的空气加速，产生均匀超声速气流进入燃烧室；燃烧室完成燃料喷注点火，并实现稳定燃烧，产生高速高温气流经延长段加速排出。图2为超燃直连式实验台装置图。

图2 超燃直连式实验台

1.2 点火装置

等离子体点火装置采用氩弧切割焊电源改装的等离子体射流进行强迫点火。工作气体可选用氮气、空气、氩气。通过调节工作气体的喷注压力和电源电流进行等离子体射流的功率控制。通过前期的初步实验，并考虑燃烧室的背压特征，采用工作气压力55×105Pa(5 atm)作为基准工况。图3为等离子体射流点火装置。

图3 等离子体射流点火装置

1.3 流场观测装置

流场观测采用高速摄影仪和纹影系统，对流场结构和火焰特征进行拍摄。纹影系统主要由两面纹影镜构建，要求视场能够覆盖被测流场区域，满足测量灵敏度和测量范围的要求，能够将光源狭缝面精确成像于刀口面上。纹影显示原理是利用纹影仪将光线通过气流扰动区后引起的不同方向的偏折光区分开来，将产生的光源像位移用纹影刀口挡掉部分，以改变视屏上的照度，使扰动区折射率的变化呈现为视屏上明暗变化的纹影图像。图4为纹影显示原理示意图。

图4 纹影显示原理示意图

光源系统如图5所示，根据实验需要，采用碘钨灯和激光光源。碘钨灯采用功率50 W的碘钨灯，可获得连续均匀背景光。光源经透镜聚焦，通过狭缝去除边缘不均匀部分。激光光源包括脉冲激光器和连续激光器，可根据需要产生脉冲激光或者连续激光。

图5 光源系统

2 实验平台测试

图6为用于实验的燃烧室结构图，图中实线为燃烧室壁面轮廓图，虚线表示通过更换壁面部件可实现的燃烧室构型。为了提高实验效率，研究过程中在一次实验时序同时加入气态(乙烯)、液态(煤油)燃料进行喷注过程。实验过程中，液态煤油分别在K1、K2、K3 3个位置进行喷注，喷注孔采用3个直径为0.6 mm直孔。气态乙烯在凹腔前沿15 mm的位置I1进行喷注。根据实验台气流模拟能力，本文共模拟两种燃烧室入口来流状态，即Ma2和Ma3，来流参数及模拟的飞行状态见表1。

图6 燃烧室构型、燃料喷注位置及点火位置示意图

实验过程中，加热器通过燃烧氢气并补充氧气方式启动，为燃烧室提供高焓气流；加热器稳定工作后，燃烧室内进行燃料喷注，实现燃料的点火和稳定燃烧，最后依次关闭各管路供应系统终止实验。在加热器有效参数时间范围内，采取先喷注气态燃料，后喷注液态燃料的方式进行实验，确保燃料的工作交互时间为1 s，并在各自单独喷注的时间间隔内设置等离子体和高能火花点火(图6中Pi为不同的点火位置)。该实验时序可用于同时考察气态燃料和液态燃料分别在两种点火方式下的点火性能及其引导点火过程。

表1 实验研究典型工况

图7为两类典型工况的加热器运行参数实验结果(图中p0和T0分别为总压和总温)，从图中可以看出加热器运行平稳，响应迅速，性能指标满足实验要求。

图7 两类典型工况运行参数实验结果

3 实验结果与分析

3.1 火焰特征分析

图8为Ma2来流条件下的几种典型的火焰结构特征。其中煤油在K1位置喷注，喷注压力为4 MPa，乙烯在I1位置采用单孔和展向三孔喷注，喷注压力为3 MPa。图8(a)为煤油自稳定火焰结构，火焰主要集中在凹腔内部，自凹腔前缘向下游发展厚度增大，火焰明亮范围增大，剪切层区域的火焰高度发展缓慢，基本位于剪切层以内；图8(b)为煤油在等离子体射流作用下的火焰结构，从图中可以看出，等离子体射流对煤油火焰结构无明显改变；图8(c)为乙烯自稳定火焰，火焰主要集中在剪切层，沿剪切层发展火焰厚度增加，火焰明亮区范围增大；图8(d)所示为乙烯在等离子体射流作用下的火焰结构，从图中可以看出，火焰明亮范围增大、突起位置前提，分析认为等离子体射流对凹腔内燃料的卷吸助燃作用，增强了燃烧放热程度。

图8 Ma 2条件下典型火焰特征

图9为Ma2来流下乙烯在等离子体射流作用下的凹腔火焰建立过程，乙烯在I1位置采用三孔喷注，喷注压力为3 MPa。在点火初期，火焰呈现淡蓝色，无明显明亮区域，随后凹腔呈现黄色火焰，表现出富燃特征，最后在等离子体射流作用下，凹腔内积存燃料消耗，黄色富燃火焰消失，形成乙烯自稳定火焰，可见等离子体射流可以消耗凹腔内积存燃料，改善富燃现象，增强火焰稳定性。

3.2 燃料喷注位置对点火特性的影响

在本次点火实验中，液态煤油在隔离段中部喷注，煤油经长距离输运实现预蒸发，煤油点火成功并实现稳定燃烧。图10所示为Ma2来流下煤油采用凹腔上游喷注和凹腔前壁面喷注时点火瞬间的高速摄影图像。图10(a)和(c)为煤油在凹腔前方进行横向喷注时等离子体和高能火花的放电图像，喷注压力为4 MPa。图10(b)和(d)为燃油在凹腔喷注时的点火图像，对于凹腔内直接喷注情形采用了在凹腔内补入空气的方法进行燃料浓度调节，但是由于实验中缺乏各组分流量的精确控制设备，使得凹腔内的浓度未达到预定目标，点火仍难以实现。从图10中的(b)和(d)可以看出，该条件下凹腔剪切层区域覆盖着稠密的燃料液滴，点火位置的燃油以两相流状态存在，周边散布的稠密液滴将吸收大量的放电能量，并有部分液滴卷吸进入凹腔参与初始火核的形成，使得点火初始火核难以生成。

图9 等离子体射流点燃乙烯的凹腔火焰建立过程

图10 Ma 2来流下两相态煤油喷雾的点火激励特征

4 结语

在超声速点火和燃烧中，等离子体射流点火技术点火能量大、射流穿透度高、可产生大量活性自由基，具有广泛的应用前景[12-14]。本文搭建的超声速点火和燃烧实验平台，可开展超声速燃烧室等离子体射流点火和流场观测实验，分析典型火焰特征和燃料喷注位置对点火特性的影响，具有操作方便、实验效率高的优点，可为开展超声速点火和燃烧研究提供依据。

References)

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Design of experimental platform for plasma jet ignition in supersonic combustor

Dou Zhiguo1,3, Liu Yi1,2， Deng Youyi1

(1. State Key Laboratory of Laser Propulsion and Application, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Beijing Research Center for Space Information Relay Transmission Technology, Beijing 100094, China;3. Training Department, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

For the study of the ignition characteristics of the plasma jet in the supersonic combustor, an experimental platform for supersonic ignition and combustion which includes a supersonic direct combustion experimental rig, an ignition device, a flow field observation device and a measurement control system is designed. By using liquid kerosene and ethylene gas as fuel, and by adopting the method of the plasma jet ignition, the experimental platform is tested, and the effect of typical flame features and fuel injection position on the ignition characteristics is analyzed. The results show that this experimental platform can be used to test the plasma jet ignition in the supersonic combustor, which has the advantages of convenient operation and high experimental efficiency, and can provide the basis for the study of supersonic ignition and combustion.

supersonic combustor; plasma jet; ignition characteristics; experimental design

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.010

2016-11-04

窦志国(1963—)，男，内蒙古赤峰,硕士，教授，硕士研究生导师，主要从事先进推进技术研究.

E-mail：dou-zhiguo@tom.com

TK16-33

A

1002-4956(2017)06-0036-05

实验技术与方法