全环回流燃烧室等离子体点火试验研究

张 险，陈 剑，袁 汀，蒋荣伟

(中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

燃烧室点火性能是航空发动机可靠工作的第一个重要环节，也是需优先考察的燃烧性能，其评估的关键参数是贫油点火油气比[1]。燃烧室贫油点火特性是关系到发动机地面点火起动和空中再起动能否成功的重要因素。燃烧室的点火过程极其复杂，现有的燃烧室设计理论和经验，以及在此基础上建立和发展的燃烧室设计方法，还不足以有把握设计出点火性能一次性达标的燃烧室。因此，在燃烧室研制过程中，需进行大量的燃烧室部件点火试验。

目前，燃烧室常见的点火方式主要有电火花点火和等离子体点火两种。电火花点火器因其体积小、结构简单、使用方便，是现在应用最广泛的点火形式。等离子体点火是一种新型的先进点火方式，在航空航天领域以及点火环境恶劣的条件下极具应用前景[2]。与电火花点火器相比，等离子体点火器具有放电能量大、耐污垢等优点，特别是点火的同时对燃烧具有强化作用。近年来，随着对燃烧理论研究的深入和相关高新技术的发展，等离子体点火技术越来越受到重视[3-9]。国外，Gallimore等[10]进行了等离子体射流点燃可燃混合气研究，结果表明等离子体射流中含有较高浓度的氢原子，化学活性高，同时等离子体射流表现出了良好的穿透性，有助于提升点火能力。Jacobsen等[11]进行了超声速条件下的等离子体点火实验，在等离子体点火器输入功率仅为2 kW时就可以产生高达5 000 K的高温活性气体，并在冲压发动机上进行测试研究。Matveev等[12]将等离子体点火应用到了飞机发动机上，在12 km以上高空表现出了可靠的点火性能。国内，宋文艳等[13]进行了超声速燃烧室等离子体点火实验研究，实现了煤油的可靠点火和稳定燃烧。李飞等[14]在直连式超燃实验台上开展了超声速气流中液态煤油燃料等离子体点火实验，研究了煤油在不同喷注位置和不同喷射压力下的点火性能。赵兵兵等[15]在燃烧段中进行了直流电弧等离子体射流点火器点火特性试验，表明等离子体射流点燃可燃混合气的温升速率快，点火延迟时间短。但目前国内等离子体点火研究大多在简易燃烧器中进行，在航空发动机燃烧室上进行的等离子体点火研究尚不多见。

本文以某型全环回流燃烧室为研究对象，开展了燃烧室等离子体点火试验研究，并与常规电火花点火试验结果进行了对比分析，以期为等离子体点火器在航空发动机上的应用提供有益参考。

2 试验系统及试验件

2.1 试验系统

试验在某燃烧室部件点火性能试验器(图1)上进行。试验器主要由进气系统、排气系统、燃油系统、冷却系统、电气系统、操控系统和测试系统等组成。通过气源站的空压机等提供稳定的压缩干燥空气。燃油系统采用先进的变频定量供油方式，调节快速、稳定、精准，具有自动控制和紧急停油等功能。测试系统主要由计算机、VXI数据采集系统、空气流量喷嘴、燃油质量流量计、温度热电偶、PSI9016压力模块等组成。燃烧室出口截面总温采用三支铂铑10-铂热电偶耙接入VXI数据采集系统进行测量，测量精度为±5℃，每支热电偶耙有五个测点。出口截面总压采用三支压力耙接入PSI9016压力模块测量，测量精度为±0.5%，每支压力耙有三个测点。三支热电偶耙和三支压力耙彼此交错间隔60°沿周向均布，每支热电偶耙和压力耙上的各测点沿燃烧室出口环面径向由外到内依次排列，燃烧室出口测点分布见图2。试验中，空气流量采用标准流量喷嘴测量，测量精度为±1.0%；燃油流量采用质量流量计测量，测量精度为±0.5%。所有的温度、压力、空气流量、燃油流量等测量参数，全部通过计算机VXI数据采集系统进行采集和处理。

2.2 试验件

试验件为某型全环回流环形燃烧室，主要由扩压器、燃烧室机匣、火焰筒组件、单油路纯气动雾化燃油喷嘴、单油路燃油总管以及点火器等组成，具体结构示意见图3。设计了专门的试验件前后转接段，主要由进气段、测量段和排气段三部分组成。其中，排气段装有摄像装置，可动态实时观察燃烧室出口火焰。

试验采用的等离子体点火系统(图4)以空气为工作介质，主要由等离子体点火器、驱动电源、供气系统等组成。等离子体点火器为高频高压脉冲起弧的非转移弧式等离子体射流点火器，阴极与阳级采用75%钨铜合金制作，既可耐高温、腐蚀，又具有良好的导电性。工作介质采用侧向进气方式。当点火气体(空气)通过阴极和阳极间的通道时，在等离子体电源的作用下产生高温等离子体电弧，并以高温射流的方式喷出[16-17]。采用的电火花点火系统主要由驱动电源、点火线圈、点火电嘴、点火电缆等组成。通过点火线圈中的升压整流变换成直流脉动电流，对储能的电容充电。当电容充满时，放电电流经过放电管、扼流线圈及点火电缆传送到点火电嘴，形成高能电弧火花[18]。

分别采用等离子体点火器和电火花点火器进行点火。两种点火器的安装方式、安装位置均相同，点火器均垂直于进气气流方向，且点火器端面深入燃烧室的深度相同。

3 试验与结果分析

燃烧室分别装配等离子体点火器和电火花点火器，在常温常压下按表1中状态1～6进口参数进行燃烧室地面点火试验，试验中等离子体点火系统的供气通过试验器冷却气进气管道新增旁路提供。对应表1中的每个点火试验状态，起动点火器点火的同时开始计时和喷嘴供油。记录点火时间、燃烧室出口温度等参数。通过出口三支热电偶耙的温升并辅以排气段上出口摄像装置拍摄的火焰图像，判断燃烧室的点火情况。每支热电偶耙的温度通过耙上五个测点的温度取平均值，只要有一支热电偶耙的温升高于80℃，则表明燃烧室着火成功；如果三支热电偶耙的温度都大于250℃，则表明燃烧室联焰成功。以油气比为0.034时对应的燃油流量为起始供油流量，若燃烧室着火成功，则逐步减少燃油流量直至不着火。若燃烧室不着火，则逐步增加燃油流量直至着火成功。通过上述方式，得到燃烧室能够着火成功的最小油气比，即贫油点火边界。为排除偶然因素，贫油点火边界验证需重复至少两次以上。

表1 燃烧室点火试验参数Table 1 Parameters of the combustor ignition experiment

表2给出了按状态1～6进口参数进行地面点火试验时燃烧室着火成功的最小油气比。可见，采用等离子体点火，状态1～6只需要较小的油气比就能着火成功；而采用电火花点火时，则需要较大的油气比才能着火成功。图5为采用不同点火系统点火时的性能比较，可看出采用等离子体点火系统点火可获得更宽的贫油点火边界。

表2 燃烧室点火试验结果Table 2 Results of the combustor ignition experiment

图6、图7分别示出了状态6采用等离子体点火器和电火花点火器在贫油点火边界着火成功时，燃烧室出口温度与点火时间的关系曲线。图中，Tt41av、Tt42av、Tt43av分别表示燃烧室出口截面三支热电偶耙各自测量的五点温度的平均值，Tt4av表示出口三支热电偶耙的平均温度，温度平均值均通过除以Tt4av的最大值Tt4avmax进行了无量纲处理。可见，采用等离子体点火器点火时，供油5 s后燃烧室着火成功；采用电火花点火器点火时，供油11 s后才着火成功。其余状态的点火曲线图也呈类似规律，这就说明采用等离子体点火器进行点火的点火延迟时间明显比电火花点火器的小。

出现这种现象是因为等离子体点火机理与电火花点火机理不同[15]。相比电火花点火，等离子体点火有以下几方面优势：首先，等离子体点火的点火源为一股持续的高温热射流，点火能量更高，能更有效地加热未燃混合气，也就能适应更恶劣的点火环境。其次，等离子体点火器产生的等离子体以高速射流的方式喷射，热射流穿过混合气时的穿透深度更深，与火焰筒内部混合气的接触范围更大，点火源能深入到靠近火焰筒中心区域油气比相对较高的油气混合物，对点火器附近的油气比、气流速度等条件要求下降；另外，高速的热射流还能增强燃烧室内气流的湍流脉动强度，强化燃料与空气的混合，有利于燃料的快速雾化及蒸发。最后，等离子体点火的放电过程中产生了大量的活性原子和基团，这些中间产物降低了化学反应的活化能，减小了点火延迟时间，最终加速了燃烧的化学动力学过程。因此，采用等离子体点火器更容易实现点火，且着火更加迅速。

从图6和图7的结果还可看出，不管采用何种点火器，燃烧室均只能着火成功，而不能联焰成功，这说明该型燃烧室的联焰效果不好，燃烧室的联焰与采用何种点火器无直接关联。采用不同的点火器只决定了是否能在点火器附近形成稳定的火团，只与燃烧室是否能够着火成功有关。等离子体点火器能增大燃烧室着火成功的边界，但不能改变燃烧室的联焰特性。这是因为形成火团只是燃烧室启动的第一步，是燃烧室联焰的前提条件，火焰的传播则受到燃烧室本身气动结构设计的影响。

表3给出了燃烧室采用电火花点火器进行点火时的试验结果。从表中可发现，同一燃油流量，当进口空气马赫数较小时不能着火成功，增加进口空气马赫数则能够使燃烧室着火成功。这是因为状态1到状态6进口空气流量均较小，燃烧室采用的又是纯气动雾化喷嘴，常温常压状态下，在一定程度上当进口空气马赫数增大时，喷嘴头部进气流量和流速也会增大，喷嘴喷出的燃油更容易被空气带动破碎雾化，且雾化质量更好，所以更容易着火。当然并不是进口空气马赫数越大越容易着火，因为过大的进口气流速度会增加火焰稳定的困难，只有在一定的参考速度范围内才符合此规律。这说明燃烧室的参考速度在一定范围内适当增加，燃烧室呈现更容易着火的趋势。状态1到状态6，进口空气流量逐渐增大，在进口空气马赫数0.09到0.13范围内，增加进气流速有助于燃烧室点火。

表3 燃烧室电火花点火试验结果Table 3 Results of the electric spark ignition experiment in the combustor

4 结论

分别采用等离子体点火器和电火花点火器，进行了某型全环回流燃烧室的地面点火试验，主要结论如下：

(1)等离子体点火器具有点火能量大、火舌穿透力强等特点，相同条件下比电火花点火器更容易点火。

(2)相较于电火花点火器，等离子体点火器可有效减小燃烧室的点火延迟时间。

(3)点火器是决定燃烧室点火过程能否着火成功的重要因素，但是对燃烧室联焰影响不明显，燃烧室联焰主要受燃烧室气动结构设计的影响。

(4)采用纯气动雾化喷嘴的燃烧室，在一定范围内增加燃烧室的进口空气流量，燃油雾化质量更好，更容易点火。

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