李相政
(中國飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動機(jī)所,陜西 西安 710089)
航空發(fā)動機(jī)的真實(shí)工作條件非常復(fù)雜,從地面到萬米高空,從陸地到海上,復(fù)雜的工作環(huán)境使得航空發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火環(huán)境也極為復(fù)雜。航空發(fā)動機(jī)不僅有容易點(diǎn)火的環(huán)境,也存在高空再點(diǎn)火、高原點(diǎn)火、在高濕度的海面上點(diǎn)火等一系列惡劣的點(diǎn)火環(huán)境,這就要求點(diǎn)火器必須有足夠的點(diǎn)火裕度,才能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性,保證發(fā)動機(jī)高空安全運(yùn)行。
隨著航空發(fā)動機(jī)運(yùn)行空域的拓寬,傳統(tǒng)的火花塞點(diǎn)火技術(shù)越來越不適應(yīng)飛行器的點(diǎn)火需求。等離子體點(diǎn)火技術(shù)作為新型的點(diǎn)火技術(shù),在航空點(diǎn)火領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。射流等離子體點(diǎn)火器是目前較為常見的應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的新型點(diǎn)火器,但其在實(shí)際應(yīng)用過程中會遇到新的挑戰(zhàn):射流點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,點(diǎn)火器的能量注入過大會造成點(diǎn)火電極的嚴(yán)重?zé)g,嚴(yán)重影響點(diǎn)火器的壽命,降低了點(diǎn)火器長期使用的可靠性。
本文設(shè)計了一種新型射流點(diǎn)火器,并在超燃沖壓發(fā)動機(jī)上成功應(yīng)用。
本文設(shè)計的新型射流點(diǎn)火器為旋轉(zhuǎn)對稱件,便于制造加工。圖1為新型射流點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)剖面圖,1為帶有螺紋通氣口的尾部,其主要作用是連接放電裝置的陽極,為點(diǎn)火器導(dǎo)入氣體;2主要用于固定點(diǎn)火器陽極,保證點(diǎn)火器陽極桿處于中心位置;3為點(diǎn)火器的中心桿;4為陶瓷絕緣件,其主要用于絕緣;5為旋流器,主要用于整理來流氣體;6為點(diǎn)火器外殼;7為點(diǎn)火器陽極;8為點(diǎn)火器陰極。新型射流點(diǎn)火器實(shí)物圖見圖2。
圖1 點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)剖面圖
圖2 射流點(diǎn)火器實(shí)物圖
設(shè)計的新型點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)解決了射流點(diǎn)火器陰陽極不對齊導(dǎo)致的放電位置不合理、電路氣路分開導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不緊湊、點(diǎn)火器不宜安裝等問題。要使點(diǎn)火器有合理的放電位置,就要在設(shè)計過程中保證點(diǎn)火器內(nèi)部陰陽電極之間合理的軸向定位周向定心。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,陽極的定位定心是通過中心桿定心定位實(shí)現(xiàn),而中心桿要與陶瓷配合。因此,中心桿對中心要求高且不能出現(xiàn)過盈配合的定心定位配合方式。中心桿屬于桿件,其定心配合必須通過兩處不同的端面約束,其中一個配合端面為固定,另一個配合端面為周向約束,防止周向轉(zhuǎn)動。
在配合方式中,圓錐面配合適用于中心度要求高且不能出現(xiàn)過盈配合的零件定心定位。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,中心桿與陶瓷底端采用圓錐面配合設(shè)計,連接桿與陶瓷件軸孔配合采用間隙配合,用于中心桿的周向約束;陶瓷件與下圓柱殼件之間的周向約束間接影響到連接桿的周向約束,結(jié)合陶瓷件特性,陶瓷件與下圓柱殼件之間也采用圓錐面配合來保證對心度;中心桿與上圓柱殼體之間選用螺紋約束,用于固定中心桿。
點(diǎn)火器的進(jìn)氣口設(shè)計位置從點(diǎn)火器的側(cè)壁轉(zhuǎn)移到點(diǎn)火器尾端,且在點(diǎn)火器內(nèi)部設(shè)計中預(yù)留出足夠體積的氣流腔,保證氣流能夠順利流入放電間隙位置。點(diǎn)火器尾端通過氣電一體化裝置來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)完全同軸并保證點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)緊湊。
點(diǎn)火器設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu),在實(shí)際拆分為零部件的設(shè)計過程中,能夠保證各零部件的中心對稱性,這也就保證了各零部件的對稱軸都在正中心。點(diǎn)火器零部件的對稱軸均在正中心,在最終安裝集成為點(diǎn)火器時,保證了點(diǎn)火器的對稱性與同軸性。
圖3所示為點(diǎn)火器地面測試試驗(yàn)臺。試驗(yàn)臺主要由測量系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、雙頻激勵電源及同軸點(diǎn)火器等組成。試驗(yàn)中雙頻激勵電源分別為直流激勵電源CUT·50T與自制脈沖激勵電源。在單獨(dú)分析脈沖參數(shù)對等離子體參數(shù)的影響時,考慮到自制脈沖電源的不穩(wěn)定性,采用可靠的脈沖電源,在獲取脈沖激勵參數(shù)對等離子體的影響規(guī)律后,合理選取自制脈沖電源激勵參數(shù)。
圖3 點(diǎn)火器測試試驗(yàn)臺
試驗(yàn)過程中,采用高壓氣瓶作為供氣氣源,在氣源與放電裝置連接的管道上安裝質(zhì)量流量控制器,其型號為D0719B型,可控制質(zhì)量流量為50L/min,通過手動控制質(zhì)量流量旋鈕控制流量。供氣系統(tǒng)采用提前供氣與延遲關(guān)閉供氣,對點(diǎn)火器起到降溫保護(hù)作用。測量系統(tǒng)獲取點(diǎn)火器工作時的電壓、電流信號及等離子體圖像與等離子體光譜數(shù)據(jù)。采用示波器獲取放電過程中的電流信號與電壓信號,其型號為三系示波器,電壓探頭型號為TektronixP6015A型高壓探頭,探頭衰減為1000倍。電流的測量需要在電路負(fù)電極端接入4個并聯(lián)電阻,電阻阻值為1Ω。通過電阻兩端的電壓除以電阻計算出電路中的電流,采用普通相機(jī)獲得射流等離子體隨時間變化的圖像。
3.1.1 單激勵下工作特性
單獨(dú)直流激勵電源的放電信號如4所示,為直流激勵電源輸出15A時的電壓電流信號。直流激勵放電可分為兩個過程:啟弧階段與穩(wěn)弧階段。啟弧階段由直流激勵電源內(nèi)部自帶的脈沖引弧器啟動,脈沖引弧器產(chǎn)生的脈沖高壓迅速擊穿工質(zhì)氣體形成電弧,隨后脈沖引弧器停止工作,在放電信號圖中對應(yīng)著突增的電壓變化。穩(wěn)弧階段,在初始電弧形成后,直流激勵開始工作,由于直流激勵功率較強(qiáng),可電弧加強(qiáng),隨后穩(wěn)定,形成一股等離子體從噴嘴處噴出,在放電信號圖中對應(yīng)著幾乎穩(wěn)定的電壓與電流變化。
圖4 直流激勵放電信號圖
圖5所示為單獨(dú)脈沖激勵作用下的放電信號,可以看出,單個脈沖激勵放電也可以分為兩個過程,起始放電時脈沖產(chǎn)生一個很高的電壓,用于擊穿啟弧,隨后電壓經(jīng)過幾次振蕩最終衰減為0。脈沖激勵放電是許多單個脈沖形成的脈沖簇間斷放電。
圖5 脈沖激勵放電信號圖
3.1.2 雙頻激勵耦合下點(diǎn)火器的工作特性
對于直流激勵與脈沖激勵放電而言,直流激勵屬于低頻段放電,脈沖激勵放電頻率相對較高。如果脈沖激勵電源與直流激勵電源直接耦合,兩者會形成互相干擾,造成放電不穩(wěn)定,嚴(yán)重時會互相損害激勵電源。因此,必須有合理的隔離裝置,使得直流激勵與交流激勵能夠很好地耦合起來,形成雙頻耦合放電。耦合隔離電路如圖6所示,圖中左側(cè)為自制脈沖電源,自制脈沖電源可以通過改變m與n的比值來改變脈沖幅值。右側(cè)為直流激勵電源,中間部分為保護(hù)電路。保護(hù)電路由電感電阻與電容組成,相當(dāng)于一個簡單的分離器。由于電感與電容的存在,保護(hù)電路所允許通過的激勵必須為高頻,即脈沖激勵能通過,而直流激勵不能通過。
圖6 隔離電路示意圖
雙頻激勵電源工作時,保護(hù)電路的存在可以保證脈沖電源所產(chǎn)生的脈沖激勵被保護(hù)電路過濾掉,避免了脈沖激勵對直流激勵的損害,但保護(hù)電路也會過濾掉直流激勵本身的引弧脈沖。直流激勵在雙頻耦合的條件下,必須由脈沖激勵引弧后才能單獨(dú)工作。所以在雙頻耦合工作時,必須保證脈沖激勵先工作,或者兩者同時工作。
圖7所示為某次雙頻耦合放電過程的電信號圖,可以看出,雙頻耦合放電時,脈沖激勵與直流激勵輪流放電,互不干擾。脈沖激勵以脈沖簇的形式耦合在放電過程中,每個脈沖激勵包含一定數(shù)量的單個脈沖,該類電信號可作為耦合放電的判定依據(jù)。
圖7 雙頻耦合放電信號圖
對于雙頻激勵同軸等離子體點(diǎn)火器而言,由于等離子體的作用方式為射流,因此其產(chǎn)生的等離子體空間分布特性不僅受電源激勵參數(shù)的影響,還要受到工質(zhì)氣流速度的影響。本文通過試驗(yàn)研究了不同激勵參數(shù)與不同工質(zhì)氣流速度共同作用下的等離子體分空間分布特性規(guī)律。
3.2.1 工質(zhì)氣流速度對射流等離子體的影響
圖8所示為不同直流激勵參數(shù)下,射流等離子體長度隨工質(zhì)氣流速度變化結(jié)果。由圖中數(shù)據(jù)可以計算出,工質(zhì)氣流速度所引起射流長度變化范圍最大能到50%。試驗(yàn)中工質(zhì)氣流速度由低變高時,噴射出的射流等離子體長度先增加后減少,分析其原因,是當(dāng)工質(zhì)氣流速度較低時,氣流對射流等離子體的降溫作用不明顯,對射流等離子體的運(yùn)輸作用占主導(dǎo)。隨著工質(zhì)氣流速度稍微增大,吹出了更多等離子體,因此射流等離子體長度增大。當(dāng)工質(zhì)氣流速度進(jìn)一步加大時,工質(zhì)氣流對射流等離子體的降溫效應(yīng)開始起作用,使得部分等離子體降溫,因此噴出的射流等離子體長度減小。
圖8 直流參數(shù)與氣流速度對射流長度的影響
3.2.2 直流激勵對射流等離子體的影響
直流激勵參數(shù)變化對等離子體空間分布的影響如圖8所示,由圖可以計算出,直流激勵所引起的射流長度變化范圍最大能達(dá)到80%,這表明工質(zhì)氣流速度與直流激勵電流大小對射流等離子體的長度影響權(quán)重相當(dāng)。當(dāng)氣流速度較低時,隨著直流激勵電流的增大,射流等離體的長度也增大。當(dāng)氣流速度較大時,射流等離子體的長度隨著直流激勵電流的增大先增大后穩(wěn)定。其原因可能是當(dāng)工質(zhì)氣流速度較低時,直流激勵電流的增大增強(qiáng)了等離子體的生成,所以等離子體的射流長度增大。但是當(dāng)工質(zhì)氣流速度較大時,氣流對等離子體的運(yùn)輸能力是有限的,射流等離子體的長度基本不變。
3.2.3 脈沖激勵下等離子體參數(shù)分布特性
由于脈沖激勵的放電頻率較高,只有在合適的工質(zhì)氣流條件下,點(diǎn)火器才能產(chǎn)生并噴射出脈沖射流等離子體,因此在這里不討論工質(zhì)氣流速度對射流等離子體的影響,只研究脈沖頻率變化及脈沖幅值變化對射流等離子體分布的影響。
圖9所示為在工質(zhì)氣流速度不變的條件下,脈沖激勵頻率與幅值變化對射流等離子體空間分布的影響。圖中實(shí)線部分為射流等離子體長度尺寸,虛線部分為射流離子體最寬寬度尺寸。由圖可以看出,脈沖幅值與頻率的增大都會增加射流等離子體的長度及直徑,增強(qiáng)等離子體空間分布。但相比于增大頻率,增大脈沖激勵的幅值對增強(qiáng)等離子體的空間分布更為顯著,這是由于雖然放電頻率增大與脈沖幅值增大都提高了放電能量,但脈沖幅值增大能直接增強(qiáng)放電通道,提高放電頻率不會增強(qiáng)每次放電的強(qiáng)度,只增加了放電的速度。因此,對增強(qiáng)等離子體的空間分布作用有限。與直流激勵相比,單獨(dú)脈沖激勵參數(shù)變化對等離子體的影響數(shù)值變化太小,幾乎可以忽略不計。
圖9 脈沖激勵射流等離子體長度變化
3.2.4 雙頻激勵耦合下等離子體分布特性
在獲取了直流激勵與脈沖激勵對等離子體射流空間分布的影響后,進(jìn)一步研究雙頻激勵參數(shù)變化對等離子體空間分布的影響試驗(yàn)。由于直流激勵放電強(qiáng)度比脈沖激勵放電強(qiáng)很多,因此雙頻耦合時,對等離子體射流長度分布起主導(dǎo)作用的是直流激勵,脈沖激勵對射流等離子體的長度影響是有限的。圖10對比了雙頻耦合與只有直流激勵的放電等離子體圖像,每張圖像中標(biāo)注了射流等離子體的長度及最大寬度。由圖分析可得,在工質(zhì)氣流速度相對較低時,有脈沖相對于無脈沖,射流等離子體的長度基本沒有什么變化,但射流等離子體在噴嘴前方的寬度明顯增強(qiáng),且等離子體變得更加明亮,整體的最大橫截面積也增大,這表明脈沖激勵能量灌入后,射流等離子體作用效果增強(qiáng)。
(a)無脈沖 (b)有脈沖圖10 氣源壓力0.5MPa,有無脈沖對比
圖11對比了工質(zhì)氣流速度相對較高時的射流等離子體,可以看出,無脈沖相比于有脈沖而言,射流長度略微變短,但只有直流激勵形成射流等離子體開始變得不穩(wěn)定,而脈沖激勵能量注入進(jìn)去后,射流等離子體才變得穩(wěn)定。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,對于放電電弧而言,同一時刻不可能出現(xiàn)兩條電弧,即脈沖激勵與直流激勵不可能同時放電。由于脈沖放電頻率快,流速較低時其對放電電弧位置影響不大,無論是脈沖激勵還是直流激勵,放電電弧位置都是在噴嘴內(nèi)部。但隨著工質(zhì)氣流速度變快,單獨(dú)直流激勵放電電弧的位置可能由點(diǎn)火器噴嘴內(nèi)部向外部轉(zhuǎn)移,這時放電電弧的位置既可能出現(xiàn)在噴嘴內(nèi)部,也可能出現(xiàn)在在噴嘴外部,這就使得直流激勵放電電弧不穩(wěn)定。當(dāng)雙頻耦合時,無論氣流速度多大,脈沖激勵放電總是在點(diǎn)火器內(nèi)部。當(dāng)工質(zhì)氣流速度處于直流激勵放電位置的過渡階段時,由于脈沖激勵的存在,保證了每次放電的位置都在點(diǎn)火器噴嘴內(nèi)部。當(dāng)工質(zhì)氣流速度進(jìn)一步增大時,單直流激勵下的放電會變得穩(wěn)定,而雙頻激勵變得不穩(wěn)定,這是由于對于直流激勵而言,放電位置總是在點(diǎn)火器外部,而脈沖激勵放電總是在點(diǎn)火器外殼內(nèi)部,所以會導(dǎo)致雙頻耦合放電變得不穩(wěn)定,且流速增加,流體的湍動度也會增大,這也會引起放電不穩(wěn)定。雙頻對于等離子體的調(diào)控作用與氣流關(guān)系較大,因此在實(shí)際點(diǎn)火時,需要結(jié)合實(shí)際的點(diǎn)火工況分析雙頻對等離子體空間的調(diào)控作用。
(a)無脈沖 (b)有脈沖圖11 氣源壓力2MPa,有無脈沖對比
3.2.5 不同激勵參數(shù)下的空間分布對比分析
對于射流等離子體的空間分布而言,雙頻激勵作用下產(chǎn)生的等離子體射流的長度與單獨(dú)直流激勵相比無變化,但射流等離子體的橫截面積卻增大了。為了量化對比分析雙頻激勵的增強(qiáng)效果,圖12給出了相同條件下的雙頻激勵與單獨(dú)直流激勵作用下的等離子體橫截面積。從數(shù)據(jù)分析可得,對于雙頻激勵而言,平均橫截面積增大了20%,這對點(diǎn)火而言有很強(qiáng)的增強(qiáng)效果。
圖12 有無脈沖下的等離子體橫截面積對比
經(jīng)綜合分析,可得雙頻激勵與直流激勵對等離子體的作用效果。在相同條件下,兩者的射流等離子體長度相差不大,這表明雙頻激勵與單獨(dú)直流激勵兩者在點(diǎn)火時的穿透作用相當(dāng)。雙頻激勵作用下的等離子體橫截面積比單獨(dú)直流激勵要大得多,這表明雙頻激勵產(chǎn)生的等離子體在點(diǎn)火時有更大的作用區(qū)域與更強(qiáng)的點(diǎn)火作用效果。
雖然耦合器使得雙頻激勵等離子體點(diǎn)火器耦合放電,但點(diǎn)火器實(shí)際工作時,其點(diǎn)火邊界要受工質(zhì)氣流速度的制約。為保證點(diǎn)火器放電穩(wěn)定,保證點(diǎn)火器應(yīng)用的可靠性,必須對點(diǎn)火器工作的點(diǎn)火邊界進(jìn)行研究。為保證工質(zhì)邊界的適用性,點(diǎn)火器的工作邊界測量是在實(shí)際點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行,并非在地面試驗(yàn)臺進(jìn)行。試驗(yàn)時的工質(zhì)氣體采用氧氣,每次以0.5MPa為增量不斷增加點(diǎn)火氧氣源壓力,直到點(diǎn)火器工作失效,這時的氧氣源壓力為該激勵條件下點(diǎn)火器工作的邊界壓力。表1所示為不同激勵條件下的點(diǎn)火邊界,可以看出,隨著直流激勵的增加,點(diǎn)火器的極限工作壓力增大,同條件下的雙頻激勵工作邊界與單獨(dú)直流激勵相比略微下降。
表1 點(diǎn)火器點(diǎn)火邊界
隨著工質(zhì)氣源壓力的增加,直流激勵單獨(dú)工作時,其放電包括4個階段:噴嘴內(nèi)部放電、過渡放電、噴嘴外部放電、點(diǎn)火器完全不工作。當(dāng)處于過渡階段時,點(diǎn)火器雖然工作不穩(wěn)定,但這并不代表點(diǎn)火器不能點(diǎn)著火,只是點(diǎn)火器產(chǎn)生的等離子體出現(xiàn)抖動,其點(diǎn)火效果也不穩(wěn)定。對于內(nèi)部放電與外部放電而言,點(diǎn)火器工作可認(rèn)為是動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài),因此選取點(diǎn)火器不工作時的氣源壓力為邊界壓力。當(dāng)雙頻耦合時,隨著氣源壓力的增大,由于脈沖激勵的存在,點(diǎn)火器的過渡
狀態(tài)是極其不穩(wěn)定的,從點(diǎn)火試驗(yàn)來看,幾乎沒有點(diǎn)火效果。因此,雙頻激勵的工作邊界是以出現(xiàn)不穩(wěn)定工作時的氣源壓力為點(diǎn)火邊界,這解釋了相同直流激勵條件下雙頻激勵的點(diǎn)火器邊界壓力比直流低的原因。
在實(shí)際工程應(yīng)用時,脈沖的存在剛好補(bǔ)足了直流過渡階段的不穩(wěn)定狀態(tài),依據(jù)不同直流激勵下不同工質(zhì)氣源壓力,選擇注入脈沖激勵可拓寬整個點(diǎn)火器的工作邊界。
為驗(yàn)證新型射流點(diǎn)火器的工程性,將其應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺可模擬發(fā)動機(jī)在飛行速度為Ma6、高度25km時發(fā)動機(jī)入口的氣體流入條件。發(fā)動機(jī)加熱器來流總壓約為2.1MPa,總溫約為1510K,加熱器的總流量約為1.67kg/s,含氧量約23%。
對于超燃沖壓發(fā)動機(jī)而言,在發(fā)動機(jī)內(nèi)部形成的火焰穩(wěn)定后,發(fā)動機(jī)火焰處于動態(tài)穩(wěn)定中,此時應(yīng)關(guān)注的是超燃發(fā)動機(jī)內(nèi)部所產(chǎn)生的推力,主要展示點(diǎn)火器在不同激勵工作模式下發(fā)動機(jī)的壁面壓力變化。
圖13展示了相同條件下,雙頻激勵工作模式與直流激勵工作模式下點(diǎn)火穩(wěn)定后的超燃沖壓發(fā)動機(jī)壓力對比。相比于直流激勵工作模式,雙頻激勵在壁面壓力升高位置提前了,且其最大壓升比單直流激勵的最大壓升提高了大約0.4,兩者最大壓升比位置沒變,且越往后壓升比越接近。
圖13 發(fā)動機(jī)壁面壓力
雙頻激勵點(diǎn)火比單直流激勵點(diǎn)火擁有更高的燃燒效率,這是因?yàn)殡p頻激勵中脈沖激勵的存在短時間內(nèi)急速增加了燃油的燃燒過程,火焰燃燒增強(qiáng),熱擁塞的位置提前。前端火焰燃燒增強(qiáng)效果會隨著流場進(jìn)一步傳遞至后端火焰,這就使得在發(fā)動機(jī)的每一段燃燒效率都得到了增強(qiáng)。但是,由于點(diǎn)火器作用區(qū)域的限制,這種作用效果離點(diǎn)火器越遠(yuǎn)越弱,最終會消失。因此,直流激勵與雙頻激勵在發(fā)動機(jī)尾端的壓升變化幾乎重合,這與點(diǎn)火器地面測試試驗(yàn)中脈沖激勵對等離子體點(diǎn)火的影響結(jié)果相似。
本文設(shè)計了一種面向航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用的射流等離子體點(diǎn)火器,該點(diǎn)火器具有壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便等特點(diǎn)。分析不同條件下點(diǎn)火器產(chǎn)生的等離子體工作特性,結(jié)果如下:隨著工質(zhì)氣流速度的增大,點(diǎn)火器產(chǎn)生的等離子體射流先增大后減小;雙頻激勵模式下產(chǎn)生的等離子體射流體積比單激勵模式更大,但雙頻激勵模式下點(diǎn)火器工作邊界變窄。將點(diǎn)火器應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn),結(jié)果表明,該點(diǎn)火器能有效可靠地點(diǎn)燃超燃沖壓發(fā)動機(jī),且雙頻點(diǎn)火模式下的發(fā)動機(jī)具有更高的燃燒效率。