航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的能量計(jì)算研究

劉力瑜 王新悅 楊宇鵬 孫兆榮

摘 要：針對(duì)目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中存在的點(diǎn)火不成功且難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)點(diǎn)火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，通過(guò)采用積分法對(duì)采集的火花電壓和放電電流信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火能量，為點(diǎn)火系統(tǒng)性能測(cè)試提供一種快速有效的方法，為點(diǎn)火器的維修提供一種方便快捷的手段。實(shí)驗(yàn)表明，積分法能更加準(zhǔn)確的測(cè)算出點(diǎn)火系統(tǒng)在點(diǎn)火過(guò)程中釋放的能量，這有利于準(zhǔn)確判斷點(diǎn)火系統(tǒng)的工作狀況，及時(shí)排除隱患；也有利于降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)火系統(tǒng)；電容儲(chǔ)能；能量計(jì)算；積分法

中圖分類(lèi)號(hào)：V233.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0033-03

Abstract： In view of the problem that the ignition of aero-engine is unsuccessful and difficult to find， this paper is based on the structure and working principle of ignition system， and the collected spark voltage and discharge current signal are analyzed and calculated by integral method. The ignition energy of the ignition system is obtained， which provides a fast and effective method for the performance test of the ignition system and a convenient and fast method for the maintenance of the igniter. Experimental results show that the integration method can more accurately estimate the energy released in the ignition process， which is conducive to accurately judge the working status of the ignition system， timely eliminate hidden dangers， but also help to reduce costs and improve economic benefits.

Keywords： ignition system； capacitive energy storage； energy calculation； integral method

引言

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中存在著點(diǎn)火不成功卻難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，外場(chǎng)點(diǎn)火系統(tǒng)測(cè)試只能通過(guò)目視檢測(cè)或用替代件更換原系統(tǒng)部件的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)試及排故，這樣做不僅成本太高，而且存在較大的人為不確定因素，為飛機(jī)的安全飛行埋下隱患。為此，通過(guò)對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的分析研究，設(shè)計(jì)一種對(duì)點(diǎn)火能量進(jìn)行計(jì)算的優(yōu)化算法，以點(diǎn)火過(guò)程中的能量值為指標(biāo)來(lái)判斷點(diǎn)火是否成功。這樣，通過(guò)將點(diǎn)火問(wèn)題量化，可以有效地避免目前存在的問(wèn)題，節(jié)省物力財(cái)力，為點(diǎn)火系統(tǒng)的性能測(cè)試提供理論支持，更為飛機(jī)的安全飛行提供有力保障。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

根據(jù)能量變化原理的不同，點(diǎn)火系統(tǒng)可以分為電感儲(chǔ)能式和電容儲(chǔ)能式兩種。電感儲(chǔ)能式由電感線圈儲(chǔ)存能量，儲(chǔ)存的能量?jī)H為幾十毫焦耳，而且放電頻率較高，不可控。而電容儲(chǔ)能式儲(chǔ)存的能量可達(dá)到十幾焦耳，且放電頻率較低，可控。因此，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)基本采用電容儲(chǔ)能式，故我們此次搭建的點(diǎn)火激勵(lì)器是采用電容儲(chǔ)能式的交流高頻高壓高能點(diǎn)火激勵(lì)器。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)交流高頻高壓高能點(diǎn)火電路結(jié)構(gòu)圖如上圖1所示，主要由交流升壓模塊、整流倍壓儲(chǔ)能模塊、放電模塊三部分構(gòu)成。在點(diǎn)火激勵(lì)器輸入端所加的115V、400Hz的交流電經(jīng)扼流圈L3后，通過(guò)升壓變壓器T1升壓，可在次級(jí)繞組L2兩端感應(yīng)出高達(dá)2900V的高壓交流電，再經(jīng)整流電路和倍壓電路處理后對(duì)儲(chǔ)能電容C2進(jìn)行充電。儲(chǔ)能電容C2兩端的電壓持續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到放電管的閾值電壓后，放電管SG電離導(dǎo)通，使電容C4、高頻變壓器T2的初級(jí)線圈和地之間通過(guò)導(dǎo)通的放電管SG形成高頻振蕩回路，從而有高頻電流流過(guò)變壓器T2的初級(jí)線圈，在高頻變壓器T2的次級(jí)線圈上感應(yīng)出的高電壓加到點(diǎn)火電嘴的兩個(gè)電極之間，產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電，工作時(shí)產(chǎn)生的電火花可點(diǎn)燃燃燒室或氣缸內(nèi)的混合可燃?xì)怏w，完成點(diǎn)火過(guò)程。

2 放電能量的計(jì)算

2.1 根據(jù)電容上儲(chǔ)存的總能量來(lái)計(jì)算放電能量

依據(jù)電容放電的原理，在不考慮外界因素對(duì)放電過(guò)程產(chǎn)生影響的條件下，理論計(jì)算電火花放電能量的計(jì)算式為

其中公式中：E總稱(chēng)為電容C2中儲(chǔ)存的總能量，單位：焦耳J；C稱(chēng)為總電容，單位：法拉F；U稱(chēng)為充電過(guò)程結(jié)束后電容兩端的電壓，單位：福特V。由于在放電的過(guò)程中，電容不能完全將儲(chǔ)存的電能放盡，并且電路中還存在著能量損耗等問(wèn)題，故電容中儲(chǔ)存的總能量要比電火花放電所釋放的真實(shí)能量要大[1]。

通過(guò)借助Micro_cap軟件對(duì)本實(shí)驗(yàn)所用的電路進(jìn)行仿真，可得出充電結(jié)束后電容C2的電壓大小，代入上式（1）可計(jì)算出放電過(guò)程中電容釋放的能量大小約為E總=18J。

2.2 電火花放電過(guò)程中實(shí)際放電能量的計(jì)算

如上所述，一般而言，電容在放電過(guò)程中不可避免地會(huì)存在有能量損耗的問(wèn)題，假設(shè)忽略外界因素對(duì)火花放電過(guò)程產(chǎn)生的影響，而只考慮放電過(guò)程結(jié)束后電容中殘余的能量，則通過(guò)計(jì)算可得到電火花放電的能量，其計(jì)算公式[2][3]為

其中公式中：E1稱(chēng)為電容在放電過(guò)程結(jié)束后殘余的能量，單位：焦耳J；Q2稱(chēng)為電容在放電過(guò)程結(jié)束后殘余的電荷量，單位：庫(kù)倫C；Q22稱(chēng)為在放電過(guò)程中電容轉(zhuǎn)移的電荷量，單位：庫(kù)倫C；Q21稱(chēng)為在電容中儲(chǔ)存的總的電荷量，單位：庫(kù)倫C；i（t）稱(chēng)為電容在放電過(guò)程中放電電路中電流的瞬時(shí)值，單位：安培A；E2稱(chēng)在該假設(shè)條件下電火花的實(shí)際放電能量，單位：焦耳J。

通過(guò)分析放電管被擊穿后電容的放電過(guò)程，并結(jié)合基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL）可知，在放電管擊穿的瞬間電路中的各物理量滿足下式

公式中：uc2（t）表示放電過(guò)程中電容C2兩端電壓的瞬時(shí)值，單位：福特V；i2（t）表示流過(guò)電容C2的電流瞬時(shí)值，單位：安培A； L5表示變壓器T2的初級(jí)線圈，單位：亨特H；M表示變壓器T2兩線圈間的互感系數(shù)，單位：亨特H；uc4（t）表示電容C4兩端的電壓瞬時(shí)值，單位：福特V；i2（t）表示流過(guò)電容C4的電流瞬時(shí)值，單位：安培A；L4表示變壓器T2的次級(jí)線圈，單位：亨特H；rg（t）表示火花動(dòng)態(tài)電阻，單位：歐姆Ω。

借助MALTAB軟件，結(jié)合式（5）和（6）對(duì)火花放電過(guò)程中電流數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下圖2所示。

結(jié)合仿真結(jié)果，根據(jù)式（2）（3）（4），即可求得電火花放電過(guò)程中實(shí)際釋放的能量E2=6.48J。

此小節(jié)在第一小節(jié)的基礎(chǔ)上更加詳細(xì)地分析了點(diǎn)火過(guò)程中的能量變化，所得的結(jié)果也更接近于實(shí)際值，且由式（4）可知，E1即為兩種計(jì)算方法得到的電火花能量的差值，由此可求得電容的能量損耗率，即電容中殘存的能量占其儲(chǔ)存的總能量的百分比φ1=×100%=64%。可見(jiàn)，電容用于放電的能量不足其儲(chǔ)存能量的一半，能量利用率較低。

2.3 積分法求放電全過(guò)程的能量

為了能夠更準(zhǔn)確的測(cè)量出放電過(guò)程釋放的能量，參照國(guó)標(biāo)GB/T1994[4]、歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN13821：2002[5]、美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)E2019-03[6]中提出的方法，通過(guò)對(duì)點(diǎn)火電嘴兩端的電流和電壓乘積的積分來(lái)直接計(jì)算整個(gè)過(guò)程中的放電能量，計(jì)算公式為

公式中：E稱(chēng)為電火花有效能量，單位：焦耳J；usp（t）稱(chēng)為火花放電時(shí)點(diǎn)火電嘴兩端電壓，單位：伏特V；t稱(chēng)為從電容剛剛開(kāi)始放電到結(jié)束放電時(shí)所需的總時(shí)間，單位：秒s。

根據(jù)式（7），利用MALTAB仿真，可得出火花放電時(shí)能量變化情況以及釋放的能量值E=9.049J，仿真結(jié)果如圖3所示。

由于積分法全面考慮了電容中的殘存能量和電路中的損耗能量，而且計(jì)算公式中所用的電壓值和電流值均能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量而準(zhǔn)確得到，因此，積分法求得的能量值與火花放電能量的真實(shí)值更接近，誤差更小。采用積分法求得的放電全過(guò)程的能量E與上述第二步計(jì)算得到的電火花能量E2的差值即為電路中損耗能量E損，即E損=E-E2=2.569J。電路的能量損耗率，即電路中損耗的能量占電容儲(chǔ)存的總能量的百分比φ2=×100%=14.3%。

3 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)的目的在于提供一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)能量計(jì)算的方法，為點(diǎn)火系統(tǒng)的性能測(cè)試提供技術(shù)支持。本文根據(jù)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作及結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的交流高頻高壓高能點(diǎn)火激勵(lì)器為實(shí)驗(yàn)電路，分析研究了在放電過(guò)程中火花放電的能量變化情況，并借助Micro_cap與MATLAB軟件進(jìn)行了波形與數(shù)值的仿真。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[7][8]，采用積分法分三步來(lái)逐步求解計(jì)算點(diǎn)火過(guò)程中釋放的能量值及對(duì)應(yīng)的損耗大小。由于放電過(guò)程中高電壓、大電流的影響，電路損耗較大而用于實(shí)際放電的能量較少。通過(guò)采集點(diǎn)火過(guò)程中電壓、電流等參數(shù)的值，能夠快速準(zhǔn)確的測(cè)量出火花放電的能量，判斷點(diǎn)火成功與否，大大提高工作的效率與準(zhǔn)確性，為點(diǎn)火器的維修診斷提供技術(shù)理論支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]Eckhoff R K， Ngo M， Olsen W. On the minimum ignition energy（MIE） for propane/air[J]. Journal of Hazardous Materials， 2010，175（12）： 293-297.

[2]Shepherd J E， Bane S P M， Kwon E， et al. Statistical analysis of electrostatic spark ignition of lean H2/O2/Air mixtures[J].International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（7）：2344-2350.

[3]Ngo M. Determination of The minimum ignition energy of premixed propane/air[D].Bergen， Norway： University of Bergen，2009.

[4]GB/T 16428-1996，粉塵云最小著火能測(cè)定方法[S].國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，1996.

[5]European Standard EN 13821：2002 Potentially explosive atmospheres， explosion prevention and protection， determination of minimum ignition energy of dust/air mixtures[S]. Comite Europeen de Normalisation（CEN），2002.

[6]Standards： E2019-02 Standard test method for minimum ignition energy of a dust cloud in air[S].American Society for Testing and Materials（ASTM），2002.

[7]劉慶明，汪建平，李磊，等.電火花放電能量及其損耗的計(jì)算[J].高壓電技術(shù)，2014，40（4）：1255-1260.

[8]李宏光.航空點(diǎn)火器故障機(jī)理及測(cè)試方法研究[D].中國(guó)民航大學(xué)，2015.