全環(huán)回流燃燒室等離子體點火試驗研究

張 險，陳 劍，袁 汀，蔣榮偉

(中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

燃燒室點火性能是航空發(fā)動機(jī)可靠工作的第一個重要環(huán)節(jié)，也是需優(yōu)先考察的燃燒性能，其評估的關(guān)鍵參數(shù)是貧油點火油氣比[1]。燃燒室貧油點火特性是關(guān)系到發(fā)動機(jī)地面點火起動和空中再起動能否成功的重要因素。燃燒室的點火過程極其復(fù)雜，現(xiàn)有的燃燒室設(shè)計理論和經(jīng)驗，以及在此基礎(chǔ)上建立和發(fā)展的燃燒室設(shè)計方法，還不足以有把握設(shè)計出點火性能一次性達(dá)標(biāo)的燃燒室。因此，在燃燒室研制過程中，需進(jìn)行大量的燃燒室部件點火試驗。

目前，燃燒室常見的點火方式主要有電火花點火和等離子體點火兩種。電火花點火器因其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的點火形式。等離子體點火是一種新型的先進(jìn)點火方式，在航空航天領(lǐng)域以及點火環(huán)境惡劣的條件下極具應(yīng)用前景[2]。與電火花點火器相比，等離子體點火器具有放電能量大、耐污垢等優(yōu)點，特別是點火的同時對燃燒具有強(qiáng)化作用。近年來，隨著對燃燒理論研究的深入和相關(guān)高新技術(shù)的發(fā)展，等離子體點火技術(shù)越來越受到重視[3-9]。國外，Gallimore等[10]進(jìn)行了等離子體射流點燃可燃混合氣研究，結(jié)果表明等離子體射流中含有較高濃度的氫原子，化學(xué)活性高，同時等離子體射流表現(xiàn)出了良好的穿透性，有助于提升點火能力。Jacobsen等[11]進(jìn)行了超聲速條件下的等離子體點火實驗，在等離子體點火器輸入功率僅為2 kW時就可以產(chǎn)生高達(dá)5 000 K的高溫活性氣體，并在沖壓發(fā)動機(jī)上進(jìn)行測試研究。Matveev等[12]將等離子體點火應(yīng)用到了飛機(jī)發(fā)動機(jī)上，在12 km以上高空表現(xiàn)出了可靠的點火性能。國內(nèi)，宋文艷等[13]進(jìn)行了超聲速燃燒室等離子體點火實驗研究，實現(xiàn)了煤油的可靠點火和穩(wěn)定燃燒。李飛等[14]在直連式超燃實驗臺上開展了超聲速氣流中液態(tài)煤油燃料等離子體點火實驗，研究了煤油在不同噴注位置和不同噴射壓力下的點火性能。趙兵兵等[15]在燃燒段中進(jìn)行了直流電弧等離子體射流點火器點火特性試驗，表明等離子體射流點燃可燃混合氣的溫升速率快，點火延遲時間短。但目前國內(nèi)等離子體點火研究大多在簡易燃燒器中進(jìn)行，在航空發(fā)動機(jī)燃燒室上進(jìn)行的等離子體點火研究尚不多見。

本文以某型全環(huán)回流燃燒室為研究對象，開展了燃燒室等離子體點火試驗研究，并與常規(guī)電火花點火試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，以期為等離子體點火器在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用提供有益參考。

2 試驗系統(tǒng)及試驗件

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗在某燃燒室部件點火性能試驗器(圖1)上進(jìn)行。試驗器主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、操控系統(tǒng)和測試系統(tǒng)等組成。通過氣源站的空壓機(jī)等提供穩(wěn)定的壓縮干燥空氣。燃油系統(tǒng)采用先進(jìn)的變頻定量供油方式，調(diào)節(jié)快速、穩(wěn)定、精準(zhǔn)，具有自動控制和緊急停油等功能。測試系統(tǒng)主要由計算機(jī)、VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、空氣流量噴嘴、燃油質(zhì)量流量計、溫度熱電偶、PSI9016壓力模塊等組成。燃燒室出口截面總溫采用三支鉑銠10-鉑熱電偶耙接入VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測量，測量精度為±5℃，每支熱電偶耙有五個測點。出口截面總壓采用三支壓力耙接入PSI9016壓力模塊測量，測量精度為±0.5%，每支壓力耙有三個測點。三支熱電偶耙和三支壓力耙彼此交錯間隔60°沿周向均布，每支熱電偶耙和壓力耙上的各測點沿燃燒室出口環(huán)面徑向由外到內(nèi)依次排列，燃燒室出口測點分布見圖2。試驗中，空氣流量采用標(biāo)準(zhǔn)流量噴嘴測量，測量精度為±1.0%；燃油流量采用質(zhì)量流量計測量，測量精度為±0.5%。所有的溫度、壓力、空氣流量、燃油流量等測量參數(shù)，全部通過計算機(jī)VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理。

2.2 試驗件

試驗件為某型全環(huán)回流環(huán)形燃燒室，主要由擴(kuò)壓器、燃燒室機(jī)匣、火焰筒組件、單油路純氣動霧化燃油噴嘴、單油路燃油總管以及點火器等組成，具體結(jié)構(gòu)示意見圖3。設(shè)計了專門的試驗件前后轉(zhuǎn)接段，主要由進(jìn)氣段、測量段和排氣段三部分組成。其中，排氣段裝有攝像裝置，可動態(tài)實時觀察燃燒室出口火焰。

試驗采用的等離子體點火系統(tǒng)(圖4)以空氣為工作介質(zhì)，主要由等離子體點火器、驅(qū)動電源、供氣系統(tǒng)等組成。等離子體點火器為高頻高壓脈沖起弧的非轉(zhuǎn)移弧式等離子體射流點火器，陰極與陽級采用75%鎢銅合金制作，既可耐高溫、腐蝕，又具有良好的導(dǎo)電性。工作介質(zhì)采用側(cè)向進(jìn)氣方式。當(dāng)點火氣體(空氣)通過陰極和陽極間的通道時，在等離子體電源的作用下產(chǎn)生高溫等離子體電弧，并以高溫射流的方式噴出[16-17]。采用的電火花點火系統(tǒng)主要由驅(qū)動電源、點火線圈、點火電嘴、點火電纜等組成。通過點火線圈中的升壓整流變換成直流脈動電流，對儲能的電容充電。當(dāng)電容充滿時，放電電流經(jīng)過放電管、扼流線圈及點火電纜傳送到點火電嘴，形成高能電弧火花[18]。

分別采用等離子體點火器和電火花點火器進(jìn)行點火。兩種點火器的安裝方式、安裝位置均相同，點火器均垂直于進(jìn)氣氣流方向，且點火器端面深入燃燒室的深度相同。

3 試驗與結(jié)果分析

燃燒室分別裝配等離子體點火器和電火花點火器，在常溫常壓下按表1中狀態(tài)1～6進(jìn)口參數(shù)進(jìn)行燃燒室地面點火試驗，試驗中等離子體點火系統(tǒng)的供氣通過試驗器冷卻氣進(jìn)氣管道新增旁路提供。對應(yīng)表1中的每個點火試驗狀態(tài)，起動點火器點火的同時開始計時和噴嘴供油。記錄點火時間、燃燒室出口溫度等參數(shù)。通過出口三支熱電偶耙的溫升并輔以排氣段上出口攝像裝置拍攝的火焰圖像，判斷燃燒室的點火情況。每支熱電偶耙的溫度通過耙上五個測點的溫度取平均值，只要有一支熱電偶耙的溫升高于80℃，則表明燃燒室著火成功；如果三支熱電偶耙的溫度都大于250℃，則表明燃燒室聯(lián)焰成功。以油氣比為0.034時對應(yīng)的燃油流量為起始供油流量，若燃燒室著火成功，則逐步減少燃油流量直至不著火。若燃燒室不著火，則逐步增加燃油流量直至著火成功。通過上述方式，得到燃燒室能夠著火成功的最小油氣比，即貧油點火邊界。為排除偶然因素，貧油點火邊界驗證需重復(fù)至少兩次以上。

表1 燃燒室點火試驗參數(shù)Table 1 Parameters of the combustor ignition experiment

表2給出了按狀態(tài)1～6進(jìn)口參數(shù)進(jìn)行地面點火試驗時燃燒室著火成功的最小油氣比。可見，采用等離子體點火，狀態(tài)1～6只需要較小的油氣比就能著火成功；而采用電火花點火時，則需要較大的油氣比才能著火成功。圖5為采用不同點火系統(tǒng)點火時的性能比較，可看出采用等離子體點火系統(tǒng)點火可獲得更寬的貧油點火邊界。

表2 燃燒室點火試驗結(jié)果Table 2 Results of the combustor ignition experiment

圖6、圖7分別示出了狀態(tài)6采用等離子體點火器和電火花點火器在貧油點火邊界著火成功時，燃燒室出口溫度與點火時間的關(guān)系曲線。圖中，Tt41av、Tt42av、Tt43av分別表示燃燒室出口截面三支熱電偶耙各自測量的五點溫度的平均值，Tt4av表示出口三支熱電偶耙的平均溫度，溫度平均值均通過除以Tt4av的最大值Tt4avmax進(jìn)行了無量綱處理?？梢姡捎玫入x子體點火器點火時，供油5 s后燃燒室著火成功；采用電火花點火器點火時，供油11 s后才著火成功。其余狀態(tài)的點火曲線圖也呈類似規(guī)律，這就說明采用等離子體點火器進(jìn)行點火的點火延遲時間明顯比電火花點火器的小。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為等離子體點火機(jī)理與電火花點火機(jī)理不同[15]。相比電火花點火，等離子體點火有以下幾方面優(yōu)勢：首先，等離子體點火的點火源為一股持續(xù)的高溫?zé)嵘淞?，點火能量更高，能更有效地加熱未燃混合氣，也就能適應(yīng)更惡劣的點火環(huán)境。其次，等離子體點火器產(chǎn)生的等離子體以高速射流的方式噴射，熱射流穿過混合氣時的穿透深度更深，與火焰筒內(nèi)部混合氣的接觸范圍更大，點火源能深入到靠近火焰筒中心區(qū)域油氣比相對較高的油氣混合物，對點火器附近的油氣比、氣流速度等條件要求下降；另外，高速的熱射流還能增強(qiáng)燃燒室內(nèi)氣流的湍流脈動強(qiáng)度，強(qiáng)化燃料與空氣的混合，有利于燃料的快速霧化及蒸發(fā)。最后，等離子體點火的放電過程中產(chǎn)生了大量的活性原子和基團(tuán)，這些中間產(chǎn)物降低了化學(xué)反應(yīng)的活化能，減小了點火延遲時間，最終加速了燃燒的化學(xué)動力學(xué)過程。因此，采用等離子體點火器更容易實現(xiàn)點火，且著火更加迅速。

從圖6和圖7的結(jié)果還可看出，不管采用何種點火器，燃燒室均只能著火成功，而不能聯(lián)焰成功，這說明該型燃燒室的聯(lián)焰效果不好，燃燒室的聯(lián)焰與采用何種點火器無直接關(guān)聯(lián)。采用不同的點火器只決定了是否能在點火器附近形成穩(wěn)定的火團(tuán)，只與燃燒室是否能夠著火成功有關(guān)。等離子體點火器能增大燃燒室著火成功的邊界，但不能改變?nèi)紵业穆?lián)焰特性。這是因為形成火團(tuán)只是燃燒室啟動的第一步，是燃燒室聯(lián)焰的前提條件，火焰的傳播則受到燃燒室本身氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

表3給出了燃燒室采用電火花點火器進(jìn)行點火時的試驗結(jié)果。從表中可發(fā)現(xiàn)，同一燃油流量，當(dāng)進(jìn)口空氣馬赫數(shù)較小時不能著火成功，增加進(jìn)口空氣馬赫數(shù)則能夠使燃燒室著火成功。這是因為狀態(tài)1到狀態(tài)6進(jìn)口空氣流量均較小，燃燒室采用的又是純氣動霧化噴嘴，常溫常壓狀態(tài)下，在一定程度上當(dāng)進(jìn)口空氣馬赫數(shù)增大時，噴嘴頭部進(jìn)氣流量和流速也會增大，噴嘴噴出的燃油更容易被空氣帶動破碎霧化，且霧化質(zhì)量更好，所以更容易著火。當(dāng)然并不是進(jìn)口空氣馬赫數(shù)越大越容易著火，因為過大的進(jìn)口氣流速度會增加火焰穩(wěn)定的困難，只有在一定的參考速度范圍內(nèi)才符合此規(guī)律。這說明燃燒室的參考速度在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加，燃燒室呈現(xiàn)更容易著火的趨勢。狀態(tài)1到狀態(tài)6，進(jìn)口空氣流量逐漸增大，在進(jìn)口空氣馬赫數(shù)0.09到0.13范圍內(nèi)，增加進(jìn)氣流速有助于燃燒室點火。

表3 燃燒室電火花點火試驗結(jié)果Table 3 Results of the electric spark ignition experiment in the combustor

4 結(jié)論

分別采用等離子體點火器和電火花點火器，進(jìn)行了某型全環(huán)回流燃燒室的地面點火試驗，主要結(jié)論如下：

(1)等離子體點火器具有點火能量大、火舌穿透力強(qiáng)等特點，相同條件下比電火花點火器更容易點火。

(2)相較于電火花點火器，等離子體點火器可有效減小燃燒室的點火延遲時間。

(3)點火器是決定燃燒室點火過程能否著火成功的重要因素，但是對燃燒室聯(lián)焰影響不明顯，燃燒室聯(lián)焰主要受燃燒室氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

(4)采用純氣動霧化噴嘴的燃燒室，在一定范圍內(nèi)增加燃燒室的進(jìn)口空氣流量，燃油霧化質(zhì)量更好，更容易點火。

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