航空發(fā)動機電點火系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李奕新，譚航，楊水銀

（1.中國燃氣渦輪研究院，成都610500；2.陜西航空電氣有限責任公司，西安713107）

航空發(fā)動機電點火系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李奕新1，譚航1，楊水銀2

（1.中國燃氣渦輪研究院，成都610500；2.陜西航空電氣有限責任公司，西安713107）

航空發(fā)動機點火系統(tǒng)是保證飛機完成飛行任務(wù)的一個重要部件，其研發(fā)和制造涵蓋多個技術(shù)生產(chǎn)領(lǐng)域。介紹了國內(nèi)外電點火系統(tǒng)的主要體系和發(fā)展現(xiàn)狀，并根據(jù)航空發(fā)動機使用條件、起動包線、與燃燒室的兼容性、環(huán)境適應(yīng)性等總體要求及元器件材料和工藝水平，結(jié)合發(fā)動機電點火系統(tǒng)自身研制特點和技術(shù)特征，分析了不同電點火系統(tǒng)的設(shè)計原理和性能優(yōu)勢。探討了電點火系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，并指出變頻變能電點火系統(tǒng)是未來主要發(fā)展方向。

航空發(fā)動機；電容放電點火系統(tǒng)；變能變頻點火系統(tǒng)；技術(shù)特征；發(fā)展特點

1　引言

航空發(fā)動機燃油的燃燒需要點火系統(tǒng)引燃作為能量開啟。發(fā)動機必須保證低的空中停車率及良好的空中點火能力，點火系統(tǒng)是發(fā)動機起動和再起動的關(guān)鍵部件，其工作特性和能力將直接影響發(fā)動機起動和再起動的成功與否，甚至整個發(fā)動機的安全。隨著作戰(zhàn)需求的不斷變化，飛機作戰(zhàn)性能的要求也越來越高，對點火系統(tǒng)的設(shè)計、研制、生產(chǎn)，也提出了質(zhì)量輕、體積小、性能指標高、壽命長、可靠性高，甚至具備可自診斷和智能化等新的要求。

點火系統(tǒng)的選擇主要考慮［1］發(fā)動機類別、起動包線、點火系統(tǒng)與燃燒室的設(shè)計相容性、發(fā)動機環(huán)境適應(yīng)性等因素。不同發(fā)動機對點火系統(tǒng)的要求各不相同，這就決定了需要對點火系統(tǒng)進行廣泛研究、不斷豐富發(fā)展。本文立足于國內(nèi)外在研、在役電點火系統(tǒng)的研究和使用現(xiàn)狀，總結(jié)了電點火系統(tǒng)的技術(shù)特點，分析了電點火系統(tǒng)發(fā)展方向和趨勢。

2　電點火系統(tǒng)

航空發(fā)動機電點火系統(tǒng)一般由點火裝置、點火電嘴和點火電纜組成。常用的電點火系統(tǒng)分為高壓電感系統(tǒng)（電嘴放電電壓超過5 kV）、低壓電感系統(tǒng)（電嘴放電電壓低于5 kV）、高壓電容系統(tǒng)（電嘴放電電壓超過5 kV）和低壓電容系統(tǒng)（電嘴放電電壓低于5 kV）四種類型。四種點火系統(tǒng)的主要性能［2-3］見表1。表2為國內(nèi)外發(fā)動機燃燒室采用的電點火系統(tǒng)類型。

電點火系統(tǒng)研制技術(shù)能力要求高，產(chǎn)品的設(shè)計、制造涵蓋了電力電子、AC/DC變換、DC/AC變換、電磁設(shè)計、高壓電工程、冷卻系統(tǒng)設(shè)計、EMC技術(shù)、特種工程陶瓷材料、絕緣材料、數(shù)字/模擬電路、機械設(shè)計制造、熱工、金屬表面處理、封接等多個技術(shù)領(lǐng)域。除了研制和生產(chǎn)，還需進行一系列試驗驗證［4］，包括功能性能試驗、環(huán)境試驗、電磁兼容試驗、點火系統(tǒng)循環(huán)試驗，以及隨發(fā)動機飛行考核試驗等。

表1　電點火系統(tǒng)的主要性能比較Table 1 The comparison of the main performance for electric ignition systems

表2　國內(nèi)外發(fā)動機主燃燒室使用的點火裝置實例Table 2 The examples of ignition system for combustor

3　航空發(fā)動機電點火系統(tǒng)現(xiàn)狀

3.1國外現(xiàn)狀

航空發(fā)動機電點火系統(tǒng)的點火裝置，根據(jù)電路形式分為電子式和機械振子式兩種，其應(yīng)用都很廣泛。

目前，俄制大型航空發(fā)動機起動點火裝置，前級主要采用機械振子逆變升壓變壓器、后級采用氣體放電管作為放電開關(guān)的電路形式；歐美制大型航空發(fā)動機起動點火，前級主要采用半導(dǎo)體功率管逆變升壓、后級采用氣體放電管或功率半導(dǎo)體作為放電開關(guān)的電路形式；小型航空發(fā)動機、起動機、輔助動力裝置等的起動點火裝置，均采用半導(dǎo)體功率管逆變升壓、氣體放電管作為放電開關(guān)的電路形式。

機械振子逆變升壓變壓器［5］具有工作環(huán)境溫度范圍寬的優(yōu)點，但其體積大、質(zhì)量大、電磁輻射強，使得俄制點火裝置存在體積龐大、質(zhì)量大、壽命低、電磁兼容性差等缺點。氣體放電管的工作環(huán)境溫度范圍寬，過載性能好，但其擊穿電壓參數(shù)離散性較大，導(dǎo)致采用氣體放電管作為放電開關(guān)的點火裝置的輸出電壓、能量及放電頻率穩(wěn)定性差。

由于掌握了耐高溫半導(dǎo)體功率器件技術(shù)，歐美制航空發(fā)動機起動點火裝置具有體積小、質(zhì)量小、壽命長、可靠性高、電磁兼容性好、點火參數(shù)的反饋和管理較為先進等優(yōu)點。電點火系統(tǒng)多采用雙路一體化設(shè)計，且已將先進的可變頻率能量的點火系統(tǒng)應(yīng)用于在役飛行器。

為解決目前航空發(fā)動機點火裝置輸出電壓、能量及放電頻率穩(wěn)定性差等問題，歐美率先開展了固態(tài)點火裝置的研發(fā)。固態(tài)電點火裝置完全采用半導(dǎo)體器件代替機械式振子變壓器和氣體放電管，實現(xiàn)了減小質(zhì)量、體積，精確控制輸出電壓、能量及放電頻率的目的。同時，由于半導(dǎo)體器件具有可控性，為點火裝置實現(xiàn)變能、變頻、診斷等功能奠定了基礎(chǔ)。目前美國的一些軍用發(fā)動機輔助動力裝置及民用發(fā)動機，已采用了固態(tài)點火裝置。

3.2國內(nèi)現(xiàn)狀

從20世紀60年代的第一代高壓電感式點火裝置發(fā)展至今，國內(nèi)已完成幾代電點火系統(tǒng)的研發(fā)，基本滿足了航空、航天發(fā)動機的需要。但還沒有在產(chǎn)品設(shè)計、制造、試驗和基礎(chǔ)技術(shù)等各個方面形成完整的核心體系，特別是在材料、元器件、工藝等工程化技術(shù)方面差距較大，導(dǎo)致產(chǎn)品的可靠性、壽命等質(zhì)量指標上與國外存在一定差距。

國內(nèi)耐高溫半導(dǎo)體器件技術(shù)水平低，無法滿足大型航空發(fā)動機的高溫工作環(huán)境要求。目前，國內(nèi)大型航空發(fā)動機點火裝置，基本采用機械振子逆變升壓變壓器實現(xiàn)逆變升壓、采用氣體放電管作為放電控制開關(guān)的電路形式，只有在一些工作環(huán)境溫度較低的小型發(fā)動機、輔助動力裝置、起動機上，采用半導(dǎo)體功率管升壓電路。

我國點火系統(tǒng)的電磁兼容性研發(fā)工作開展得較晚，相應(yīng)的電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和元器件比較薄弱，點火系統(tǒng)的電源傳導(dǎo)干擾（CE102）和電場輻射干擾（RE102）都普遍超標。目前通過開展點火裝置、點火電纜和點火電嘴之間的匹配性研究，進行系統(tǒng)級電磁兼容性試驗，開展技術(shù)攻關(guān)，逐步解決點火系統(tǒng)電磁兼容性問題。

我國近年來也開展了固態(tài)點火系統(tǒng)、等離子點火系統(tǒng)、變能變頻點火系統(tǒng)的預(yù)研工作，并完成了大量的試驗驗證。目前固態(tài)點火系統(tǒng)已具備在一些工作環(huán)境溫度較低的小型發(fā)動機上工程化試驗驗證的能力；等離子點火系統(tǒng)、變頻變能點火系統(tǒng)已開展工程化應(yīng)用論證。但由于國內(nèi)耐高溫半導(dǎo)體器件技術(shù)進步緩慢，遲遲不能為我國大型航空發(fā)動機提供質(zhì)量小、體積小、壽命長、電磁兼容性好的固態(tài)點火裝置及變能變頻點火裝置。

4　發(fā)展趨勢

隨著飛行器作戰(zhàn)需求的不斷變化和作戰(zhàn)性能的不斷提高，對其推進裝置提出了更高的要求——推重比高、燃燒室長度縮短、火焰穩(wěn)定極限范圍縮小。相應(yīng)地，對點火系統(tǒng)的設(shè)計、研制、生產(chǎn)也提出了新的要求：質(zhì)量小、體積小、性能高、壽命長、可靠性高，甚至要求具備可控、可自診斷、可故障預(yù)報等功能。航空發(fā)動機起動點火系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，可歸納為：

（1）從電感儲能走向電容儲能。

點火裝置是能量貯存與釋放的關(guān)鍵件，內(nèi)部有專門的儲能器件，為電容或電感。電感儲能點火裝置的儲存能量一般為幾十毫焦耳，放電頻率高，不可控。電容儲能式點火裝置儲能可達十幾焦耳，放電頻率低，可控。電感系統(tǒng)用于間接點火，系統(tǒng)質(zhì)量大；電容系統(tǒng)用于直接點火。目前除個別老機種尚沿用電感系統(tǒng)外，新機種均使用電容系統(tǒng)。常見電容放電點火系統(tǒng)原理如圖1所示，通過對存儲電容器充電積累足夠的電壓，以電容器瞬時放電的方式釋放給點火電嘴。其儲能能量指點火部件放電管飛弧瞬間充電儲能電容器中的電場能量，或利用斷電器觸點使感應(yīng)線圈初級繞組中的電流切斷瞬間線圈的磁場能量，決定了放電能量和儲能電容器（或感應(yīng)線圈）的質(zhì)量及尺寸。

圖1　常見電容放電點火系統(tǒng)原理圖Fig.1 The scheme of the capacitance-type ignition system

（2）從機械式走向電子式。

點火系統(tǒng)的發(fā)展歷程，也是電子元器件的發(fā)展歷程，從有觸點發(fā)展為無觸點，從模擬式發(fā)展為數(shù)字式。

有觸點式和無觸點式點火裝置［5］的區(qū)別主要在于，點火裝置內(nèi)部是否含有帶振動觸點的電壓變換器等器件。有觸點式點火裝置，直流變換部分通過電磁機械振子來完成。通過振子變壓器線圈的變換作用，將低壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏好}沖電，經(jīng)冷陰極管整流后對儲能電容器充電，電容器的電壓達到放電管的擊穿電壓后，放電管被擊穿，將能量釋放給電纜和電嘴，在點火電嘴發(fā)火端形成電火花，然后重復(fù)這個過程。正因為裝置內(nèi)部含有機械活動部件，有觸點式點火裝置的使用壽命比無觸點電子式點火裝置短很多。據(jù)統(tǒng)計，帶機械觸點的點火裝置首翻期大多不超過1 000次接通工作。

無觸點式點火裝置是當接通直流電源時，通過濾波電路、直流變換電路將低壓直流變換為高壓交流電，經(jīng)過高壓硅堆整流后對儲能電容器充電，電容器的電壓達到放電管的擊穿電壓后，放電管被擊穿，通過放電管進行放電，電嘴發(fā)出一個火花。這種無觸點式點火裝置的電壓變換，主要靠晶體管器件。

這種使用晶體管器件的點火裝置（圖2）的直流變換由于采用自激逆變原理，其輸出參數(shù)的穩(wěn)定性受到輸入?yún)?shù)和環(huán)境條件的影響仍然較大。有觸點式點火裝置可以在180℃環(huán)境下長期工作，在210℃下短期工作。而采用晶體管器件的無觸點點火裝置最大的劣勢，就是因元器件溫度限制（125℃下長期工作），難以滿足部分航空發(fā)動機對成附件使用溫度越來越高的要求。所以，目前高推重比發(fā)動機普遍采用有觸點式點火裝置。但從另一方面講，無觸點的點火裝置內(nèi)部無活動部件，因此無機械和電氣磨損，耐振動、沖擊等環(huán)境適應(yīng)性好，且內(nèi)部無機械開關(guān)動作，大大降低了電磁輻射，其相對主機的電磁兼容性較好。

圖2　晶體管點火裝置線路實例Fig.2 The example of circuit for transistor-type ignition unit

目前，絕大部分點火裝置均采用放電管作為放電回路的控制元件，但放電管的壽命短，且為保證放電管的穩(wěn)定性，通常會在產(chǎn)品內(nèi)部添加氣態(tài)放射性元素，大大提高了系統(tǒng)安全性保障措施要求。

為解決上述問題，另一種無觸點點火裝置——數(shù)字集成電路式點火裝置成為國內(nèi)的研究方向。該類型點火裝置的直流變換部分采用他激原理，多數(shù)使用脈寬調(diào)制器對產(chǎn)品進行自穩(wěn)頻控制，使輸出參數(shù)徹底擺脫輸入?yún)?shù)和環(huán)境條件的影響。采用晶閘管（可控硅）代替放電管。與放電管相比，晶閘管具有體積小、結(jié)構(gòu)可靠、壽命長且不具有放射性等諸多優(yōu)點。目前，模擬式和數(shù)字式的無觸點點火裝置的首翻期可達到4 000次接通工作，并隨著技術(shù)進步不斷增加。同時，由于半導(dǎo)體器件具有可控性，為點火裝置實現(xiàn)變能、變頻、診斷等功能奠定了基礎(chǔ)。目前，固態(tài)點火裝置已在美國一些軍用發(fā)動機輔助動力裝置及民用發(fā)動機上采用。國內(nèi)正在將固態(tài)點火技術(shù)與數(shù)控技術(shù)結(jié)合，研制一種變能變頻點火系統(tǒng)。

（3）從固定頻率式走向變能變頻式。

變能變頻點火技術(shù)是基于傳統(tǒng)電點火系統(tǒng)的一種先進的智能化點火技術(shù)，基于此技術(shù)形成的點火系統(tǒng)與傳統(tǒng)點火系統(tǒng)的最大區(qū)別，在于擁有可變點火頻率和火花能量的點火裝置。變頻變能電點火電路框圖見圖3，其核心技術(shù)是固態(tài)點火技術(shù)。該技術(shù)利用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)點火技術(shù)中的觸點變壓器、氣體放電管等，其電磁兼容性、電源適應(yīng)性、輸出參數(shù)穩(wěn)定性、壽命、可靠性、維修性，均比傳統(tǒng)的點火裝置有較大的提高。

此外，在固態(tài)點火電路的基礎(chǔ)上，變能變頻點火裝置還增加了控制電路，實現(xiàn)了對輸出頻率、能量的控制；能在不同氣候條件下為航空發(fā)動機提供相應(yīng)點火頻率、能量的電火花。如低溫、低氣壓等環(huán)境條件下起動較難，此時起動點火需要較大的火花能量及較高的火花頻率；而在高溫、發(fā)動機熱態(tài)下點火較容易，可適當降低火花能量及頻率，從而降低電源功率，減輕飛行器負擔。變頻變能點火裝置因其輸出參數(shù)連續(xù)可調(diào)的優(yōu)質(zhì)特性，可在試驗中逐步確定其所配套發(fā)動機不同工況下的最佳點火參數(shù)，摸索出點火系統(tǒng)儲存能量極限值和燃燒室點火火花頻率極限值，通過兩者從最低到峰值的相互匹配，逐一進行點火試驗，確定不同工況下儲存能量和火花頻率的最佳組合值。進一步通過控制邏輯給出發(fā)動機不同工況下點火參數(shù)，從而有效提升航空發(fā)動機在不同條件下的起動點火可靠性。

圖3　變頻變能電點火電路框圖Fig.3 The principle chart of the variable-frequency ignition system

變頻變能點火裝置還配備有診斷電路，實現(xiàn)了系統(tǒng)輸出參數(shù)（火花能量、頻率等）、產(chǎn)品工作故障的可反饋，可判斷，甚至進行故障預(yù)報，以便控制系統(tǒng)實時監(jiān)控，進一步提高點火成功率。同時，也提升了產(chǎn)品的測試性及維修性，有利于發(fā)動機的健康管理，減輕發(fā)動機研發(fā)經(jīng)濟負擔。

（4）交直流供電并行，直流從低壓供電走向高壓供電。

電點火系統(tǒng)既可采用直流供電，也可采用交流供電，不同供電方式的電路示意圖見圖4。兩者之間最大的區(qū)別在于直流電源需要增加逆變模塊，將直流逆變成交流，才能通過電磁感應(yīng)原理升壓。因而交變點火系統(tǒng)機構(gòu)簡單，可靠性高，體積和質(zhì)量小，同時具有使用溫度高、壽命長等優(yōu)點，但其必須配備相應(yīng)的交流電源設(shè)備。因此，交流點火系統(tǒng)雖然在體積、質(zhì)量等方面占優(yōu)勢，但是受到主機電源設(shè)備的限制。

圖4　點火系統(tǒng)電路示意圖Fig.4 The sketch map of the circuit for ignition system

發(fā)動機地面起動時，燃燒室點火系統(tǒng)一般由直流電源供電；發(fā)動機工作后，飛機的交流發(fā)電機可提供交流電源，同時考慮控制點火系統(tǒng)質(zhì)量和體積，加力燃燒室點火系統(tǒng)優(yōu)先選用交流供電。國內(nèi)小型飛機，特別是無人機，基本只配備直流電源一種，且配裝的發(fā)動機多為小型渦噴或渦扇發(fā)動機，不帶加力燃燒室。因此，直流點火系統(tǒng)目前在國內(nèi)應(yīng)用得更為常規(guī)和普遍，只有大推力帶加力燃燒室的發(fā)動機才考慮配裝交流點火系統(tǒng)。為滿足加力燃燒室快速點燃的需要，加力點火系統(tǒng)的火花頻率要求較高。

270 V高壓直流點火系統(tǒng)是近年的發(fā)展趨勢。其原理與低壓直流點火系統(tǒng)相同，但因其供電電源電壓高，升壓電路升壓比明顯減小，大大縮小了升壓電路的體積與質(zhì)量；不過考慮到飛行器電源需要給各類機載設(shè)備和成附件供電，28 V低壓電源的適用性更強，因此目前配備高壓電源的飛行器非常少，難以普遍應(yīng)用。但隨著飛行器電源系統(tǒng)的豐富，高壓點火系統(tǒng)發(fā)展迅速。表3示出了不同電源系統(tǒng)優(yōu)缺點對比。

表3　不同電源系統(tǒng)優(yōu)缺點對比Table 3 The comparison of various power supply system

（5）點火電嘴耐溫逐步提升。

航空發(fā)動機研制中，為提升燃油效率，壓氣機的進口溫度和燃燒室的燃燒溫度將提高。相應(yīng)地，點火電嘴的工作環(huán)境溫度特別是頭部耐溫也必須提高。

點火電嘴的工作最高溫度從原來的800～900℃增加到現(xiàn)在的1 000～1 100℃，目前在研產(chǎn)品的最高溫度已提升到1 200℃左右，將來點火電嘴的最高工作溫度甚至會超過1 300℃。傳統(tǒng)點火電嘴電極材料的最高使用溫度不到1 300℃，不能滿足將來的高溫使用環(huán)境條件要求。尤其是電極材料在高溫條件下的電腐蝕、氧化及變形，會顯著影響點火電嘴的性能和壽命，研究并制造高溫、耐氧化、耐電腐蝕的電極材料，以及相關(guān)的應(yīng)用工藝、加工方法，已經(jīng)提上日程并進入實質(zhì)研究階段。

5　結(jié)束語

以四代機為代表的先進戰(zhàn)斗機發(fā)展的主要方向包括：高機動/敏捷性、垂直/短距起落、隱身、超聲速巡航等。隨著戰(zhàn)斗機自身要求的不斷提高，對其發(fā)動機的要求也隨之提升。航空發(fā)動機電點火系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢與航空發(fā)動機的發(fā)展密不可分。正是由于航空發(fā)動機逐步控制成附件質(zhì)量及尺寸，電點火系統(tǒng)才走向了低壓電容點火系統(tǒng)；航空發(fā)動機電源種類的日益豐富，電點火系統(tǒng)才擁有了交流點火系統(tǒng)和高壓直流點火系統(tǒng)；為滿足全機健康管理及擴展起動包線的需求，才誕生了變能變頻點火系統(tǒng)。目前，我國在役成熟的點火系統(tǒng)均為固定能量、固定頻率，但隨著發(fā)動機起動包線的不斷拓寬，使用條件更加苛刻，單一的點火頻率及火花能量已不能滿足發(fā)動機的設(shè)計需要。為滿足發(fā)動機需求、提高點火可靠性、同時延長點火系統(tǒng)壽命及減重需要，可根據(jù)發(fā)動機工作條件提供相匹配的能量和頻率的變能變頻點火系統(tǒng)的成功運用，將有效解決發(fā)動機高原起動、空中再起動等技術(shù)難題，為航空發(fā)動機配裝飛機拓寬工作領(lǐng)域提供一條較為有效的途徑。

［1］GJB 3811-1999，航空發(fā)動機點火系統(tǒng)特性和燃燒室設(shè)計相容性要求［S］.

［2］李奕新.航空燃氣渦輪發(fā)動機電點火系統(tǒng)的選擇［R］.成都：中國燃氣渦輪研究院，2004.

［3］《航空發(fā)動機設(shè)計手冊》總編委會.航空發(fā)動機設(shè)計手冊：第9冊——主燃燒室［K］.北京：航空工業(yè)出版社，2000.

［4］GJB 6065-2007，航空渦輪發(fā)動機電點火系統(tǒng)通用規(guī)范［S］.

［5］吳天德.國外航空發(fā)動機電點火裝置發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.民用飛機設(shè)計與研究，1996，（1）：1—2.

An initial study on the current development and derivatives of the electric ignition system of aero-engine

LI Yi-xin，TAN Hang，YANG Shui-yin
（1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.Shanxi Aviation Electricity Limited Company，Xi'an713107，China）

The ignition system，which involves multiple technology areas in development and manufacture，is one of important components for flight task.The design principle and current development of ignition systems were presented.According to the general requirements like use conditions，start envelop，compatibility to combustor and environment adaptability of aero-engine and element material as well as technological level，the design principles and performances of different ignition systems were analyzed based on the development characteristics and technical features.The trend of ignition system was discussed and it was pointed out that variable-frequency ignition system would be the focus.

aero-engine；the capacitance-type ignition system；variable-frequency ignition system；technical characteristic；development feature

V233.3

A

1672-2620（2015）06-0049-06

2015-05-11；

2015-10-12

李奕新（1970-），女，河北徐水人，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機電氣系統(tǒng)研制工作。