预燃式等离子体射流点火器射流特性

程伟达，于锦禄, ，蒋陆昀，田 裕，张 磊，费 力

(1.空军工程大学航空工程学院，西安 710038；2.西北工业大学动力与能源学院，西安 710129；3.中国航发四川涡轮研究院，绵阳 621703；4.航天工程大学宇航科学与技术系激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416)

等离子体是由大量带电粒子、活性基团和自由基组成的离子化气体状物质，与固体、液体和气体一起广泛存在于人类世界之中[1-3].相比于常规电火花点火，等离子体点火技术的优势主要来源于3 大效应：化学效应、热效应和气动效应[4-7]，三者的相互作用能够明显地提升航空发动机的点火能力，有利于拓宽航空发动机高空二次点火边界，近些年各国科研人员进行了大量的实验研究[8-10].

宋文艳等[11]对超音速燃烧室中的点火问题进行了实验探究，实验发现，在来流马赫数为2 的情况下，大功率等离子体点火器可以直接点燃煤油，表明了等离子体点火器具有良好的点火效果；文献[12]进行了航空发动机等离子体点火系统的高空测试，带有APT 点火器的VPL-8 等离子体系统可以在内部空气源和功率范围为1.2～1.5 kW 情况下成功点火；文献[13]研究了空气等离子体射流点火器的点火特性，实验发现，在环形燃烧实验段中，与常规电火花点火器相比，空气等离子体点火器依靠其强大的高温火焰核心能够将成功点火时间从200 ms 减少为11 ms，表明等离子体点火器在缩短点火延迟时间方面的优势；文献[14-15]设计了一种适用于超燃冲压燃烧室的等离子体火炬点火器，并对点火器喷嘴的烧蚀程度进行了研究，实验发现，火炬喷嘴因等离子体火炬温度过高，发生严重腐蚀，从中可以得出，等离子体火炬不适合长时间工作.Yarantsev 等[16]研究了等离子体表面放电条件下碳氢燃料在超音速流动中的点火及燃烧.实验中可以产生横向和纵向两种放电模式.纵向模式等离子体区域长度更长，更有利于点火及燃烧.文献[17]对于等离子体强化燃烧技术在航空发动机上的应用进行了展望，提出了预燃式等离子体射流点火和三维旋转滑动弧助燃两种新型等离子体强化燃烧方案.文献[18]设计了一种甲烷预燃式等离子体射流点火器，对其射流特性、放电特性及光谱特性进行了研究，研究发现保持总质量流量不变的情况下，提升甲烷的质量百分数可以有效增加射流长度，最大增幅可超过160%.文献[19]对使用直流电源供电的预燃式等离子体射流点火器的工作特性进行了研究，实验发现，与空气等离子体点火器相比，预燃式等离子体射流点火器具有射流稳定，点火范围大的优点.

为了降低电极烧蚀和电源输入能量，本文设计了一种使用交流电源供电的预燃式等离子体射流点火器，因等离子体射流点火通过富含活性粒子的高温高速射流来点燃燃烧室内的油气混合气，射流长度反映了等离子体射流点火器的工作范围，射流长度越长，与油气混合气的接触面积越大，反应区域越广，点火概率和可靠性增加，所以本文探究了有无煤油参与时，点火器供气量和调压器电压对于等离子体射流的影响规律，为下一步预燃式等离子体射流点火器在燃烧室内实现良好的点火效果提供实验依据.

1 方法

1.1 点火器设计

本文设计的点火器主要由点火器外壳体、绝缘连接套、阳极、电极套、旋流器组成，其中点火器外壳体分为上下两部分，下部为点火器的阴极，在实验中作接地端.上部为供油接口，可以根据不同的供油系统进行更换，而不用更改点火器的其他结构，一方面保证了结构的固定性，另一方面提高了多数供油系统的适配性.点火器外壳体上下两部分的内侧均有螺纹，以内部带有外螺纹的绝缘套将两部分连接起来.绝缘套采用陶瓷材料.阳极通过底部螺纹与绝缘套连接，阳极顶部开有小孔，燃油等其他燃料从小孔喷出，由于尺寸限制，阳极无法加装现成的丹佛斯等成熟型号的喷嘴，故采用小孔喷油.电极套通过点火器外壳体侧面的圆形开孔与点火器进行配合.旋流器位于外壳体下部大小半径过渡的倒角处，用以对点火器内的空气进行整流并产生旋流.预燃式等离子体射流点火器如图1 所示.

图1 预燃式等离子体射流点火器结构示意Fig.1 Schematic diagram of structure of pre-combustion plasma jet igniter

预燃式等离子体射流点火器有3 个系统，分别为供气系统、供油系统和供电系统.在供气系统中，空气从外壳体一侧的气流通道进入，在点火器内部经过旋流器作用，产生空气旋流经过点火器出口的收敛段以及直通道喷出，一方面对点火器的阳极和外壳体进行冷却，另一方面吹动两电极间形成的电弧使其滑动和拉长.在供油系统中，燃油从点火器外壳体上部的供油接口进入，通过绝缘套进入到阳极内的燃油通道中，在压力的作用下再经由小孔喷出，形成带有一定雾化效果的燃油喷雾，同时点火器出口通道处的旋流加强其雾化效果.在供电系统中，电极通过电极套与阳极接触，电极接电源的高压输出，外壳体下部作阴极接地，通电后在两电极间形成高场强，达到一定程度后将电极间的空气或者油气混合气击穿形成电弧.预燃式等离子体射流点火器工作时，在不通油时，两电极间的介质被击穿后在气流的作用下形成空气等离子体射流，在通油时，燃油与空气在点火器出口混合，电弧点燃油气混合气之后仍在旋流的作用下形成预燃式等离子体射流，与空气等离子体射流相比，其具有高温高速、射流刚度较强、湍流程度较大的特点，其中火焰与等离子体混合，具有较强的穿透能力和较强的点火能量，同时因使用交流电源供电，电极几乎没有烧蚀.

1.2 实验系统

等离子体点火器射流特性实验系统如图2 所示.该系统主要由点火器、气源、电源、供油系统、普通相机和高速相机等组成.点火器的气源由空气压缩机压缩的空气提供，空气流量由D08-1F 流量显示仪和配套的流量调节阀控制，其中流量显示仪的测量范围为0～300 L/min，精度为0.2 L/min.电源组件由等离子体电源和调压器组成，其中等离子体电源采用空军工程大学设计南京苏曼等离子体科技公司生产的CTP-2000 KP 型高功率中频单高压正弦电源，其最大输出功率为1 000 W，输出频率在5～25 kHz 范围内连续可调，输出电压峰值为0～60 kV.调压器为正泰TDGC2-1kVA 型接触调压器，标定电压为0～250 V，标定容量为1 kVA.供油系统即给点火器供油的设备，为空军工程大学自行设计的可移动燃油流量自动控制系统，其供油精度可达到0.001 L/min，通过改变供油压力改变供油流量，通过电磁阀对油路的通断进行控制.射流特性中的拍摄设备为索尼A6300数码相机和彩色高速相机，其中彩色高速相机为Photron 公司生产的UX-50 32G 高速彩色CCD 相机，分辨率可达1 280×1 024，此分辨率下拍摄帧率可达2 000 帧/s，在最小分辨率下的拍摄帧率可达170 000 帧/s.

图2 预燃式等离子体射流点火器射流特性实验系统Fig.2 Experimental system of jet characteristics of precombustion plasma jet igniter

2 结果与讨论

2.1 无煤油参与时点火器射流特性

无煤油通入时，典型点火器供气量和调压器电压下的点火器射流如图3 所示.高速相机的拍摄参数为：拍摄帧率为50 帧/s，曝光时间为0.02 s.整体上来看，点火器出口区域呈亮白色，射流外围呈淡黄色，且淡黄色区域较窄，由于射流外围距离电弧区域较远，电弧的电离作用减弱，能量衰减较快，从而呈现淡黄色，由于采用正弦交流电源驱动，功率较直流电源驱动低，因此电弧的能量较直流电源驱动下的电弧弱，从而造成了电弧外围的能量衰减加快，故而淡黄色区域较窄.由于射流的能量主要集中在高亮区域，因此定义射流长度H 为高亮区域(不包含淡黄色外围及尾焰)的顶端距点火器出口端面的距离.

在图3 中，除了Wa=10 L/min 之外，其余点火器供气量下均存在点火器射流无法喷出点火器出口的情况，且随着点火器供气量的增大，此类情况越明显，即随着点火器供气量的增大，点火器射流喷出点火器出口端面(H＞0)对应的调压器电压也越大.这是由于点火器供气量增大，点火器出口气流速度加快，对电弧的冷却作用增强，在调压器电压较低也就是电源功率较小时，电弧前端未超出点火器出口端面电弧即被拉断，在足够的电源功率下电弧才能充分发展至超出点火器出口端面，且冷却作用越强，需要的电源功率越大.

图3 点火器供气量和调压器电压对点火器射流的影响Fig.3 Influence of igniter air supply and regulator voltage on igniter jet

从图3 可以看出，尽管电弧的其中一端在点火器内部的阳极，但射流仍充满了整个点火器出口，这是由于点火器内部气流通过旋流器后产生旋流，在点火器出口区域仍存在切向速度，电弧一边被拉长一边旋转，在较为宏观的时间尺度下，电弧在点火器外壳体的一端滑过了整个出口边缘，射流主要由电弧形成，故而射流充满了整个点火器出口.

点火器供气量不变时，随着调压器电压的增大，射流长度也增大；调压器电压不变时，随着点火器供气量的增加，射流长度存在一定程度上的减小.为更清晰地表明射流长度H 与调压器电压Ua和点火器供气量Wa之间的关系，将图3 中的射流长度以数据化的形式体现，如图4 所示.

由图4 可知，在36 个工况下，Wa=10 L/min、Ua=240 V 时的射流长度最长，Hmax=9 mm，除去射流长度为0 的工况，Wa=60 L/min、Ua=120 V 时的射流长度最短，Hmin=1 mm.在各个点火器供气量下，射流长度H 随调压器电压Ua的变化趋势为先迅速增加后增速减缓但仍有一定程度的增加.以Wa=30 L/min 为例，射流长度的快速增长区(Ua≤120 V)增长速度为0.04 mm/V，射流长度的缓慢增长区(Ua≥120 V)增长速度为0.022 5 mm/V.射流长度的缓慢增长区和快速增长区与点火器放电状态有关，在间断击穿放电状态下，射流长度较短甚至为0，在稳定间断击穿放电状态下，射流长度快速增长，在稳定击穿模式下放电状态下，射流长度缓慢增长.这是由于不同的放电状态下点火器的放电功率不同，间断击穿放电状态下，放电功率较小，电弧长度较短，因而射流长度较短.在稳定间断击穿放电状态下，点火器放电功率得到增加，放电状态转变后，电弧不再局限于点火器内部，电弧的一端跨过点火器出口孔边缘，在平滑端面上滑动，不易被拉断，故而造成了射流长度的显著增加.在稳定间断击穿放电下，电弧已经处于稳定击穿模式，由于电弧生成发展熄灭的客观规律，电弧的长度已经接近此点火器供气量下的极限，调压器电压继续增加带来的功率提升和能量输入对射流长度的提升有限，但仍有缓慢的提升，因此若想继续增加射流长度，需要从减小点火器供气量方面考虑.同等调压器电压下，点火器供气量越大，射流长度越短，这与供气量增大带来的冷却作用增强有关.调压器电压保持不变，电源的最大输出功率不变，点火器供气量增加，点火器出口气流速度加快，对电弧的冷却作用增强，电弧更容易也更早地在电弧发展前期转变为非平衡态，相较于准平衡态来说，非平衡态的电弧不是很稳定，因此更容易被拉断，故而造成了点火器供气量增加射流长度减小的情况.因此，为实现较长的射流长度和较大的射流接触面积，可通过增大调压器电压和减小点火器供气量来实现.

图4 点火器供气量和调压器电压对点火器射流长度的影响Fig.4 Influence of igniter air supply and regulator voltage on igniter jet length

2.2 煤油参与时点火器射流特性

有煤油通入时，煤油经由阳极顶端的小孔喷出，通过放电通道及电弧区域，与等离子体相互作用，并与空气混合，在点火器状态合适的情况下，煤油会被点燃形成射流火焰，为与燃烧室的点火相区别，称点火器的点火为自点火，如图5 所示.

图5 点火器自点火Fig.5 Self-ignition image of igniter

从图5 可以看出，射流火焰的长度与无煤油通入时的射流长度不在同一数量级，射流火焰后的背景中一层窗高1.2 m，因此射流火焰的总长达到2.5 m，远远大于图3 中的最大射流长度9 mm.由于点火器处于一个开放空间中，煤油从点火器的阳极小孔喷出后在点火器的外部和开放可流动的空气环境相接触，当形成预燃火焰后，火焰不断卷吸外围空气，补充已经消耗的空气，在火焰的作用下，煤油的雾化也被增强，同时发生裂解.在热效应及雾化燃油的作用下，火焰不断向上发展，从而形成长达2.5 m 的射流火焰.一旦煤油被点着，其所分布的范围及射流火焰的长度基本上与点火器的工作参数如点火器供气量及调压器电压无关，故不讨论射流火焰的长度与点火器工作参数的关系，而是讨论点火器工作参数对于射流火焰形成的影响.

点火器供气量和调压器电压对射流火焰的形成影响较大.点火器供气量一方面影响点火器的放电状态，另一方面影响煤油的雾化效果.点火器未放电时，不同点火器供气量(Wa=0 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min)下的煤油喷雾效果如图6 所示，供油压力均为1 MPa.

图6 不同点火器供气量下的煤油喷雾Fig.6 Kerosene spray with different igniter air supply

从图中可以得知，点火器未通入空气时，从点火器阳极喷出的煤油全靠压力进行雾化，雾化效果较差，能够观察到明显的液柱；点火器中通入空气后，在旋流空气的作用下，煤油的雾化效果变好，随着点火器供气量的增大，空气的雾化效果逐渐增强，煤油喷出后形成的液柱逐渐消失，在点火器供气量Wa=60 L/min 时，煤油液柱基本消失不见，取而代之的是分布均匀的煤油喷雾.在点火器供气的情况下，不同点火器供气量下的煤油雾化锥角无较大差异，这主要与点火器出口空气旋流角度及阳极喷油孔和点火器出口的相对位置有关.对于同一点火器供气量下的煤油喷雾来说，由于通道限制，出口处的煤油聚集较多，因此此处的煤油雾化质量较差，从点火器的出口往上，随着煤油和旋流空气的掺混程度的加强，煤油喷雾中的大液滴被打碎成小液滴，且随着雾化锥形的扩大，分布范围变广，煤油的雾化程度和分布均匀程度也相应变好.

在实际实验中，点火器供气量增大虽然会增强煤油雾化利于点火器的自点火，但是同时点火器供气量的增大也会改变点火器的放电状态，降低电弧能量，减弱点火效能，同时，调压器电压也会影响点火器的放电状态，因此需要综合以上因素对点火器实际的自点火性能进行分析.不同点火器供气量(Wa分别为10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min)和不同调压器电压(Ua分别为40 V、80 V、120 V、160 V、200 V、240 V)下的点火器自点火情况如表1 所示.

表1 不同点火器供气量和调压器电压下的点火器自点火情况Tab.1 Self-ignition state of igniter under different igniter air supplies and voltage regulators

从表中可以得知，点燃和未点燃的工况基本上相等，且各自分布集中，分别位于表1 的左下角和右上角.在调压器电压Ua=40 V 时，各个点火器供气量下均无法点燃，此状态下点火器放电功率较低、电弧能量较小，不易点燃煤油.在相同点火器供气量下，随着调压器电压的增加，点火器的自点火情况从未点燃到点燃，这是由于调压器电压增加导致点火器放电功率提升，电弧能量增加，电弧温度升高，有利于煤油的点燃.在相同调压器电压下，随着点火器供气量的增加，点火器的自点火情况由点燃到未点燃，这是由于点火器供气量增大，气流对电弧的冷却作用增强，电弧温度降低，同时点火器的放电状态改变为非平衡放电状态或者向非平衡放电状态过渡，导致电弧能量降低，点火能力减弱，不利于煤油的点燃，尽管点火器供气量增大带来了煤油雾化的增强，但是雾化效果增强对点火器自点火的正面作用不及其他因素带来的负面作用明显，因此综合以上因素可知，在小流量大电压下易着火，在大流量小电压下难着火.

由以上分析可知，在相同点火器供气量下，随着点火器从未点燃向点燃状态过渡，中间必然有一个临界调压器电压，小于此临界调压器电压，点火器无法点燃，大于此临界调压器电压，点火器可以点燃.不同点火器供气量下的点火器自点火临界调压器电压如图7 所示.从图中可以清晰地得知，随着点火器供气量的增加，临界调压器电压增加，与表1 相吻合.在点火器供气量Wa≥50 L/min 时，临界调压器电压达到了200 V 及以上，与Wa=10 L/min 时的53 V相比，在电源可提供的输出功率范围内，提升的空间有限，因此不利于在实际燃烧室点火中对点火器工作参数的调控.

图7 不同点火器供气量下的点火器自点火临界调压器电压Fig.7 Critical regulator voltage of igniter self-ignition under different igniter air supplies

3 结论

本文对是否通入煤油时的预燃式等离子体射流点火器的射流特性进行了研究，得到了以下结论：

(1) 未通入煤油时，点火器的射流特性与侧面电弧特性类似，调压器电压越高，点火器供气量越小，射流长度越长.在相同的点火器供气量下，射流长度的增加遵循着先快后慢的规律，在Wa=10 L/min、Ua=240 V 时的射流长度最长，Hmax=9 mm，除去射流长度为0 的工况，Wa=60 L/min、Ua=120 V 时的射流长度最短，Hmin=1 mm.

(2) 通入煤油后，点火器有点燃和未点燃两种状态，在同一供气量下，存在一个临界电压，并且随着供气量的增大，临界电压逐渐增加.调压器电压越高，点火器供气量越小，点火器越易点燃，反之则越难点燃.

(3) 为了达到预燃式等离子体射流点火器良好的点火效果，在进行点火实验时，点火器的供气量应当定在Wa=10 L/min 左右，因为此时点火器自点火相对容易，在电源输出的能量较少的情况下就能实现自点火，符合预燃式等离子体射流点火器设计的初衷，即利用煤油燃烧产生的高温射流代替大功率空气射流点火器产生的高温射流进行点火.