預(yù)燃式等離子體射流點火器射流特性

程偉達，于錦祿, ，蔣陸昀，田 裕，張 磊，費 力

(1.空軍工程大學航空工程學院，西安 710038；2.西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安 710129；3.中國航發(fā)四川渦輪研究院，綿陽 621703；4.航天工程大學宇航科學與技術(shù)系激光推進及其應(yīng)用國家重點實驗室，北京 101416)

等離子體是由大量帶電粒子、活性基團和自由基組成的離子化氣體狀物質(zhì)，與固體、液體和氣體一起廣泛存在于人類世界之中[1-3].相比于常規(guī)電火花點火，等離子體點火技術(shù)的優(yōu)勢主要來源于3 大效應(yīng)：化學效應(yīng)、熱效應(yīng)和氣動效應(yīng)[4-7]，三者的相互作用能夠明顯地提升航空發(fā)動機的點火能力，有利于拓寬航空發(fā)動機高空二次點火邊界，近些年各國科研人員進行了大量的實驗研究[8-10].

宋文艷等[11]對超音速燃燒室中的點火問題進行了實驗探究，實驗發(fā)現(xiàn)，在來流馬赫數(shù)為2 的情況下，大功率等離子體點火器可以直接點燃煤油，表明了等離子體點火器具有良好的點火效果；文獻[12]進行了航空發(fā)動機等離子體點火系統(tǒng)的高空測試，帶有APT 點火器的VPL-8 等離子體系統(tǒng)可以在內(nèi)部空氣源和功率范圍為1.2～1.5 kW 情況下成功點火；文獻[13]研究了空氣等離子體射流點火器的點火特性，實驗發(fā)現(xiàn)，在環(huán)形燃燒實驗段中，與常規(guī)電火花點火器相比，空氣等離子體點火器依靠其強大的高溫火焰核心能夠?qū)⒊晒c火時間從200 ms 減少為11 ms，表明等離子體點火器在縮短點火延遲時間方面的優(yōu)勢；文獻[14-15]設(shè)計了一種適用于超燃沖壓燃燒室的等離子體火炬點火器，并對點火器噴嘴的燒蝕程度進行了研究，實驗發(fā)現(xiàn)，火炬噴嘴因等離子體火炬溫度過高，發(fā)生嚴重腐蝕，從中可以得出，等離子體火炬不適合長時間工作.Yarantsev 等[16]研究了等離子體表面放電條件下碳氫燃料在超音速流動中的點火及燃燒.實驗中可以產(chǎn)生橫向和縱向兩種放電模式.縱向模式等離子體區(qū)域長度更長，更有利于點火及燃燒.文獻[17]對于等離子體強化燃燒技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用進行了展望，提出了預(yù)燃式等離子體射流點火和三維旋轉(zhuǎn)滑動弧助燃兩種新型等離子體強化燃燒方案.文獻[18]設(shè)計了一種甲烷預(yù)燃式等離子體射流點火器，對其射流特性、放電特性及光譜特性進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)保持總質(zhì)量流量不變的情況下，提升甲烷的質(zhì)量百分數(shù)可以有效增加射流長度，最大增幅可超過160%.文獻[19]對使用直流電源供電的預(yù)燃式等離子體射流點火器的工作特性進行了研究，實驗發(fā)現(xiàn)，與空氣等離子體點火器相比，預(yù)燃式等離子體射流點火器具有射流穩(wěn)定，點火范圍大的優(yōu)點.

為了降低電極燒蝕和電源輸入能量，本文設(shè)計了一種使用交流電源供電的預(yù)燃式等離子體射流點火器，因等離子體射流點火通過富含活性粒子的高溫高速射流來點燃燃燒室內(nèi)的油氣混合氣，射流長度反映了等離子體射流點火器的工作范圍，射流長度越長，與油氣混合氣的接觸面積越大，反應(yīng)區(qū)域越廣，點火概率和可靠性增加，所以本文探究了有無煤油參與時，點火器供氣量和調(diào)壓器電壓對于等離子體射流的影響規(guī)律，為下一步預(yù)燃式等離子體射流點火器在燃燒室內(nèi)實現(xiàn)良好的點火效果提供實驗依據(jù).

1 方法

1.1 點火器設(shè)計

本文設(shè)計的點火器主要由點火器外殼體、絕緣連接套、陽極、電極套、旋流器組成，其中點火器外殼體分為上下兩部分，下部為點火器的陰極，在實驗中作接地端.上部為供油接口，可以根據(jù)不同的供油系統(tǒng)進行更換，而不用更改點火器的其他結(jié)構(gòu)，一方面保證了結(jié)構(gòu)的固定性，另一方面提高了多數(shù)供油系統(tǒng)的適配性.點火器外殼體上下兩部分的內(nèi)側(cè)均有螺紋，以內(nèi)部帶有外螺紋的絕緣套將兩部分連接起來.絕緣套采用陶瓷材料.陽極通過底部螺紋與絕緣套連接，陽極頂部開有小孔，燃油等其他燃料從小孔噴出，由于尺寸限制，陽極無法加裝現(xiàn)成的丹佛斯等成熟型號的噴嘴，故采用小孔噴油.電極套通過點火器外殼體側(cè)面的圓形開孔與點火器進行配合.旋流器位于外殼體下部大小半徑過渡的倒角處，用以對點火器內(nèi)的空氣進行整流并產(chǎn)生旋流.預(yù)燃式等離子體射流點火器如圖1 所示.

圖1 預(yù)燃式等離子體射流點火器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of structure of pre-combustion plasma jet igniter

預(yù)燃式等離子體射流點火器有3 個系統(tǒng)，分別為供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和供電系統(tǒng).在供氣系統(tǒng)中，空氣從外殼體一側(cè)的氣流通道進入，在點火器內(nèi)部經(jīng)過旋流器作用，產(chǎn)生空氣旋流經(jīng)過點火器出口的收斂段以及直通道噴出，一方面對點火器的陽極和外殼體進行冷卻，另一方面吹動兩電極間形成的電弧使其滑動和拉長.在供油系統(tǒng)中，燃油從點火器外殼體上部的供油接口進入，通過絕緣套進入到陽極內(nèi)的燃油通道中，在壓力的作用下再經(jīng)由小孔噴出，形成帶有一定霧化效果的燃油噴霧，同時點火器出口通道處的旋流加強其霧化效果.在供電系統(tǒng)中，電極通過電極套與陽極接觸，電極接電源的高壓輸出，外殼體下部作陰極接地，通電后在兩電極間形成高場強，達到一定程度后將電極間的空氣或者油氣混合氣擊穿形成電弧.預(yù)燃式等離子體射流點火器工作時，在不通油時，兩電極間的介質(zhì)被擊穿后在氣流的作用下形成空氣等離子體射流，在通油時，燃油與空氣在點火器出口混合，電弧點燃油氣混合氣之后仍在旋流的作用下形成預(yù)燃式等離子體射流，與空氣等離子體射流相比，其具有高溫高速、射流剛度較強、湍流程度較大的特點，其中火焰與等離子體混合，具有較強的穿透能力和較強的點火能量，同時因使用交流電源供電，電極幾乎沒有燒蝕.

1.2 實驗系統(tǒng)

等離子體點火器射流特性實驗系統(tǒng)如圖2 所示.該系統(tǒng)主要由點火器、氣源、電源、供油系統(tǒng)、普通相機和高速相機等組成.點火器的氣源由空氣壓縮機壓縮的空氣提供，空氣流量由D08-1F 流量顯示儀和配套的流量調(diào)節(jié)閥控制，其中流量顯示儀的測量范圍為0～300 L/min，精度為0.2 L/min.電源組件由等離子體電源和調(diào)壓器組成，其中等離子體電源采用空軍工程大學設(shè)計南京蘇曼等離子體科技公司生產(chǎn)的CTP-2000 KP 型高功率中頻單高壓正弦電源，其最大輸出功率為1 000 W，輸出頻率在5～25 kHz 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出電壓峰值為0～60 kV.調(diào)壓器為正泰TDGC2-1kVA 型接觸調(diào)壓器，標定電壓為0～250 V，標定容量為1 kVA.供油系統(tǒng)即給點火器供油的設(shè)備，為空軍工程大學自行設(shè)計的可移動燃油流量自動控制系統(tǒng)，其供油精度可達到0.001 L/min，通過改變供油壓力改變供油流量，通過電磁閥對油路的通斷進行控制.射流特性中的拍攝設(shè)備為索尼A6300數(shù)碼相機和彩色高速相機，其中彩色高速相機為Photron 公司生產(chǎn)的UX-50 32G 高速彩色CCD 相機，分辨率可達1 280×1 024，此分辨率下拍攝幀率可達2 000 幀/s，在最小分辨率下的拍攝幀率可達170 000 幀/s.

圖2 預(yù)燃式等離子體射流點火器射流特性實驗系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of jet characteristics of precombustion plasma jet igniter

2 結(jié)果與討論

2.1 無煤油參與時點火器射流特性

無煤油通入時，典型點火器供氣量和調(diào)壓器電壓下的點火器射流如圖3 所示.高速相機的拍攝參數(shù)為：拍攝幀率為50 幀/s，曝光時間為0.02 s.整體上來看，點火器出口區(qū)域呈亮白色，射流外圍呈淡黃色，且淡黃色區(qū)域較窄，由于射流外圍距離電弧區(qū)域較遠，電弧的電離作用減弱，能量衰減較快，從而呈現(xiàn)淡黃色，由于采用正弦交流電源驅(qū)動，功率較直流電源驅(qū)動低，因此電弧的能量較直流電源驅(qū)動下的電弧弱，從而造成了電弧外圍的能量衰減加快，故而淡黃色區(qū)域較窄.由于射流的能量主要集中在高亮區(qū)域，因此定義射流長度H 為高亮區(qū)域(不包含淡黃色外圍及尾焰)的頂端距點火器出口端面的距離.

在圖3 中，除了Wa=10 L/min 之外，其余點火器供氣量下均存在點火器射流無法噴出點火器出口的情況，且隨著點火器供氣量的增大，此類情況越明顯，即隨著點火器供氣量的增大，點火器射流噴出點火器出口端面(H＞0)對應(yīng)的調(diào)壓器電壓也越大.這是由于點火器供氣量增大，點火器出口氣流速度加快，對電弧的冷卻作用增強，在調(diào)壓器電壓較低也就是電源功率較小時，電弧前端未超出點火器出口端面電弧即被拉斷，在足夠的電源功率下電弧才能充分發(fā)展至超出點火器出口端面，且冷卻作用越強，需要的電源功率越大.

圖3 點火器供氣量和調(diào)壓器電壓對點火器射流的影響Fig.3 Influence of igniter air supply and regulator voltage on igniter jet

從圖3 可以看出，盡管電弧的其中一端在點火器內(nèi)部的陽極，但射流仍充滿了整個點火器出口，這是由于點火器內(nèi)部氣流通過旋流器后產(chǎn)生旋流，在點火器出口區(qū)域仍存在切向速度，電弧一邊被拉長一邊旋轉(zhuǎn)，在較為宏觀的時間尺度下，電弧在點火器外殼體的一端滑過了整個出口邊緣，射流主要由電弧形成，故而射流充滿了整個點火器出口.

點火器供氣量不變時，隨著調(diào)壓器電壓的增大，射流長度也增大；調(diào)壓器電壓不變時，隨著點火器供氣量的增加，射流長度存在一定程度上的減小.為更清晰地表明射流長度H 與調(diào)壓器電壓Ua和點火器供氣量Wa之間的關(guān)系，將圖3 中的射流長度以數(shù)據(jù)化的形式體現(xiàn)，如圖4 所示.

由圖4 可知，在36 個工況下，Wa=10 L/min、Ua=240 V 時的射流長度最長，Hmax=9 mm，除去射流長度為0 的工況，Wa=60 L/min、Ua=120 V 時的射流長度最短，Hmin=1 mm.在各個點火器供氣量下，射流長度H 隨調(diào)壓器電壓Ua的變化趨勢為先迅速增加后增速減緩但仍有一定程度的增加.以Wa=30 L/min 為例，射流長度的快速增長區(qū)(Ua≤120 V)增長速度為0.04 mm/V，射流長度的緩慢增長區(qū)(Ua≥120 V)增長速度為0.022 5 mm/V.射流長度的緩慢增長區(qū)和快速增長區(qū)與點火器放電狀態(tài)有關(guān)，在間斷擊穿放電狀態(tài)下，射流長度較短甚至為0，在穩(wěn)定間斷擊穿放電狀態(tài)下，射流長度快速增長，在穩(wěn)定擊穿模式下放電狀態(tài)下，射流長度緩慢增長.這是由于不同的放電狀態(tài)下點火器的放電功率不同，間斷擊穿放電狀態(tài)下，放電功率較小，電弧長度較短，因而射流長度較短.在穩(wěn)定間斷擊穿放電狀態(tài)下，點火器放電功率得到增加，放電狀態(tài)轉(zhuǎn)變后，電弧不再局限于點火器內(nèi)部，電弧的一端跨過點火器出口孔邊緣，在平滑端面上滑動，不易被拉斷，故而造成了射流長度的顯著增加.在穩(wěn)定間斷擊穿放電下，電弧已經(jīng)處于穩(wěn)定擊穿模式，由于電弧生成發(fā)展熄滅的客觀規(guī)律，電弧的長度已經(jīng)接近此點火器供氣量下的極限，調(diào)壓器電壓繼續(xù)增加帶來的功率提升和能量輸入對射流長度的提升有限，但仍有緩慢的提升，因此若想繼續(xù)增加射流長度，需要從減小點火器供氣量方面考慮.同等調(diào)壓器電壓下，點火器供氣量越大，射流長度越短，這與供氣量增大帶來的冷卻作用增強有關(guān).調(diào)壓器電壓保持不變，電源的最大輸出功率不變，點火器供氣量增加，點火器出口氣流速度加快，對電弧的冷卻作用增強，電弧更容易也更早地在電弧發(fā)展前期轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)，相較于準平衡態(tài)來說，非平衡態(tài)的電弧不是很穩(wěn)定，因此更容易被拉斷，故而造成了點火器供氣量增加射流長度減小的情況.因此，為實現(xiàn)較長的射流長度和較大的射流接觸面積，可通過增大調(diào)壓器電壓和減小點火器供氣量來實現(xiàn).

圖4 點火器供氣量和調(diào)壓器電壓對點火器射流長度的影響Fig.4 Influence of igniter air supply and regulator voltage on igniter jet length

2.2 煤油參與時點火器射流特性

有煤油通入時，煤油經(jīng)由陽極頂端的小孔噴出，通過放電通道及電弧區(qū)域，與等離子體相互作用，并與空氣混合，在點火器狀態(tài)合適的情況下，煤油會被點燃形成射流火焰，為與燃燒室的點火相區(qū)別，稱點火器的點火為自點火，如圖5 所示.

圖5 點火器自點火Fig.5 Self-ignition image of igniter

從圖5 可以看出，射流火焰的長度與無煤油通入時的射流長度不在同一數(shù)量級，射流火焰后的背景中一層窗高1.2 m，因此射流火焰的總長達到2.5 m，遠遠大于圖3 中的最大射流長度9 mm.由于點火器處于一個開放空間中，煤油從點火器的陽極小孔噴出后在點火器的外部和開放可流動的空氣環(huán)境相接觸，當形成預(yù)燃火焰后，火焰不斷卷吸外圍空氣，補充已經(jīng)消耗的空氣，在火焰的作用下，煤油的霧化也被增強，同時發(fā)生裂解.在熱效應(yīng)及霧化燃油的作用下，火焰不斷向上發(fā)展，從而形成長達2.5 m 的射流火焰.一旦煤油被點著，其所分布的范圍及射流火焰的長度基本上與點火器的工作參數(shù)如點火器供氣量及調(diào)壓器電壓無關(guān)，故不討論射流火焰的長度與點火器工作參數(shù)的關(guān)系，而是討論點火器工作參數(shù)對于射流火焰形成的影響.

點火器供氣量和調(diào)壓器電壓對射流火焰的形成影響較大.點火器供氣量一方面影響點火器的放電狀態(tài)，另一方面影響煤油的霧化效果.點火器未放電時，不同點火器供氣量(Wa=0 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min)下的煤油噴霧效果如圖6 所示，供油壓力均為1 MPa.

圖6 不同點火器供氣量下的煤油噴霧Fig.6 Kerosene spray with different igniter air supply

從圖中可以得知，點火器未通入空氣時，從點火器陽極噴出的煤油全靠壓力進行霧化，霧化效果較差，能夠觀察到明顯的液柱；點火器中通入空氣后，在旋流空氣的作用下，煤油的霧化效果變好，隨著點火器供氣量的增大，空氣的霧化效果逐漸增強，煤油噴出后形成的液柱逐漸消失，在點火器供氣量Wa=60 L/min 時，煤油液柱基本消失不見，取而代之的是分布均勻的煤油噴霧.在點火器供氣的情況下，不同點火器供氣量下的煤油霧化錐角無較大差異，這主要與點火器出口空氣旋流角度及陽極噴油孔和點火器出口的相對位置有關(guān).對于同一點火器供氣量下的煤油噴霧來說，由于通道限制，出口處的煤油聚集較多，因此此處的煤油霧化質(zhì)量較差，從點火器的出口往上，隨著煤油和旋流空氣的摻混程度的加強，煤油噴霧中的大液滴被打碎成小液滴，且隨著霧化錐形的擴大，分布范圍變廣，煤油的霧化程度和分布均勻程度也相應(yīng)變好.

在實際實驗中，點火器供氣量增大雖然會增強煤油霧化利于點火器的自點火，但是同時點火器供氣量的增大也會改變點火器的放電狀態(tài)，降低電弧能量，減弱點火效能，同時，調(diào)壓器電壓也會影響點火器的放電狀態(tài)，因此需要綜合以上因素對點火器實際的自點火性能進行分析.不同點火器供氣量(Wa分別為10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min)和不同調(diào)壓器電壓(Ua分別為40 V、80 V、120 V、160 V、200 V、240 V)下的點火器自點火情況如表1 所示.

表1 不同點火器供氣量和調(diào)壓器電壓下的點火器自點火情況Tab.1 Self-ignition state of igniter under different igniter air supplies and voltage regulators

從表中可以得知，點燃和未點燃的工況基本上相等，且各自分布集中，分別位于表1 的左下角和右上角.在調(diào)壓器電壓Ua=40 V 時，各個點火器供氣量下均無法點燃，此狀態(tài)下點火器放電功率較低、電弧能量較小，不易點燃煤油.在相同點火器供氣量下，隨著調(diào)壓器電壓的增加，點火器的自點火情況從未點燃到點燃，這是由于調(diào)壓器電壓增加導致點火器放電功率提升，電弧能量增加，電弧溫度升高，有利于煤油的點燃.在相同調(diào)壓器電壓下，隨著點火器供氣量的增加，點火器的自點火情況由點燃到未點燃，這是由于點火器供氣量增大，氣流對電弧的冷卻作用增強，電弧溫度降低，同時點火器的放電狀態(tài)改變?yōu)榉瞧胶夥烹姞顟B(tài)或者向非平衡放電狀態(tài)過渡，導致電弧能量降低，點火能力減弱，不利于煤油的點燃，盡管點火器供氣量增大帶來了煤油霧化的增強，但是霧化效果增強對點火器自點火的正面作用不及其他因素帶來的負面作用明顯，因此綜合以上因素可知，在小流量大電壓下易著火，在大流量小電壓下難著火.

由以上分析可知，在相同點火器供氣量下，隨著點火器從未點燃向點燃狀態(tài)過渡，中間必然有一個臨界調(diào)壓器電壓，小于此臨界調(diào)壓器電壓，點火器無法點燃，大于此臨界調(diào)壓器電壓，點火器可以點燃.不同點火器供氣量下的點火器自點火臨界調(diào)壓器電壓如圖7 所示.從圖中可以清晰地得知，隨著點火器供氣量的增加，臨界調(diào)壓器電壓增加，與表1 相吻合.在點火器供氣量Wa≥50 L/min 時，臨界調(diào)壓器電壓達到了200 V 及以上，與Wa=10 L/min 時的53 V相比，在電源可提供的輸出功率范圍內(nèi)，提升的空間有限，因此不利于在實際燃燒室點火中對點火器工作參數(shù)的調(diào)控.

圖7 不同點火器供氣量下的點火器自點火臨界調(diào)壓器電壓Fig.7 Critical regulator voltage of igniter self-ignition under different igniter air supplies

3 結(jié)論

本文對是否通入煤油時的預(yù)燃式等離子體射流點火器的射流特性進行了研究，得到了以下結(jié)論：

(1) 未通入煤油時，點火器的射流特性與側(cè)面電弧特性類似，調(diào)壓器電壓越高，點火器供氣量越小，射流長度越長.在相同的點火器供氣量下，射流長度的增加遵循著先快后慢的規(guī)律，在Wa=10 L/min、Ua=240 V 時的射流長度最長，Hmax=9 mm，除去射流長度為0 的工況，Wa=60 L/min、Ua=120 V 時的射流長度最短，Hmin=1 mm.

(2) 通入煤油后，點火器有點燃和未點燃兩種狀態(tài)，在同一供氣量下，存在一個臨界電壓，并且隨著供氣量的增大，臨界電壓逐漸增加.調(diào)壓器電壓越高，點火器供氣量越小，點火器越易點燃，反之則越難點燃.

(3) 為了達到預(yù)燃式等離子體射流點火器良好的點火效果，在進行點火實驗時，點火器的供氣量應(yīng)當定在Wa=10 L/min 左右，因為此時點火器自點火相對容易，在電源輸出的能量較少的情況下就能實現(xiàn)自點火，符合預(yù)燃式等離子體射流點火器設(shè)計的初衷，即利用煤油燃燒產(chǎn)生的高溫射流代替大功率空氣射流點火器產(chǎn)生的高溫射流進行點火.