航空发动机新型射流点火器试验研究

李相政

(中国飞行试验研究院发动机所，陕西 西安 710089)

1 引 言

航空发动机的真实工作条件非常复杂，从地面到万米高空，从陆地到海上，复杂的工作环境使得航空发动机的点火环境也极为复杂。航空发动机不仅有容易点火的环境，也存在高空再点火、高原点火、在高湿度的海面上点火等一系列恶劣的点火环境，这就要求点火器必须有足够的点火裕度，才能实现点火的稳定性以及准确性，保证发动机高空安全运行。

随着航空发动机运行空域的拓宽，传统的火花塞点火技术越来越不适应飞行器的点火需求。等离子体点火技术作为新型的点火技术，在航空点火领域具有广泛的应用。射流等离子体点火器是目前较为常见的应用于航空发动机的新型点火器，但其在实际应用过程中会遇到新的挑战：射流点火器的结构复杂，点火器的能量注入过大会造成点火电极的严重烧蚀，严重影响点火器的寿命，降低了点火器长期使用的可靠性。

本文设计了一种新型射流点火器，并在超燃冲压发动机上成功应用。

2 射流点火器设计结构

本文设计的新型射流点火器为旋转对称件，便于制造加工。图1为新型射流点火器结构剖面图，1为带有螺纹通气口的尾部，其主要作用是连接放电装置的阳极，为点火器导入气体；2主要用于固定点火器阳极，保证点火器阳极杆处于中心位置；3为点火器的中心杆；4为陶瓷绝缘件，其主要用于绝缘；5为旋流器，主要用于整理来流气体；6为点火器外壳；7为点火器阳极；8为点火器阴极。新型射流点火器实物图见图2。

图1 点火器结构剖面图

图2 射流点火器实物图

设计的新型点火器结构解决了射流点火器阴阳极不对齐导致的放电位置不合理、电路气路分开导致的结构不紧凑、点火器不宜安装等问题。要使点火器有合理的放电位置，就要在设计过程中保证点火器内部阴阳电极之间合理的轴向定位周向定心。从内部结构来看，阳极的定位定心是通过中心杆定心定位实现，而中心杆要与陶瓷配合。因此，中心杆对中心要求高且不能出现过盈配合的定心定位配合方式。中心杆属于杆件，其定心配合必须通过两处不同的端面约束，其中一个配合端面为固定，另一个配合端面为周向约束，防止周向转动。

在配合方式中，圆锥面配合适用于中心度要求高且不能出现过盈配合的零件定心定位。因此在结构设计中，中心杆与陶瓷底端采用圆锥面配合设计，连接杆与陶瓷件轴孔配合采用间隙配合，用于中心杆的周向约束；陶瓷件与下圆柱壳件之间的周向约束间接影响到连接杆的周向约束，结合陶瓷件特性，陶瓷件与下圆柱壳件之间也采用圆锥面配合来保证对心度；中心杆与上圆柱壳体之间选用螺纹约束，用于固定中心杆。

点火器的进气口设计位置从点火器的侧壁转移到点火器尾端，且在点火器内部设计中预留出足够体积的气流腔，保证气流能够顺利流入放电间隙位置。点火器尾端通过气电一体化装置来实现点火器结构完全同轴并保证点火器结构紧凑。

点火器设计为对称结构，在实际拆分为零部件的设计过程中，能够保证各零部件的中心对称性，这也就保证了各零部件的对称轴都在正中心。点火器零部件的对称轴均在正中心，在最终安装集成为点火器时，保证了点火器的对称性与同轴性。

3 点火器工作特性分析

图3所示为点火器地面测试试验台。试验台主要由测量系统、供气系统、双频激励电源及同轴点火器等组成。试验中双频激励电源分别为直流激励电源CUT·50T与自制脉冲激励电源。在单独分析脉冲参数对等离子体参数的影响时，考虑到自制脉冲电源的不稳定性，采用可靠的脉冲电源，在获取脉冲激励参数对等离子体的影响规律后，合理选取自制脉冲电源激励参数。

图3 点火器测试试验台

试验过程中，采用高压气瓶作为供气气源，在气源与放电装置连接的管道上安装质量流量控制器，其型号为D0719B型，可控制质量流量为50L/min，通过手动控制质量流量旋钮控制流量。供气系统采用提前供气与延迟关闭供气，对点火器起到降温保护作用。测量系统获取点火器工作时的电压、电流信号及等离子体图像与等离子体光谱数据。采用示波器获取放电过程中的电流信号与电压信号，其型号为三系示波器，电压探头型号为TektronixP6015A型高压探头，探头衰减为1000倍。电流的测量需要在电路负电极端接入4个并联电阻，电阻阻值为1Ω。通过电阻两端的电压除以电阻计算出电路中的电流，采用普通相机获得射流等离子体随时间变化的图像。

3.1 不同激励模式下点火器工作特性

3.1.1 单激励下工作特性

单独直流激励电源的放电信号如4所示，为直流激励电源输出15A时的电压电流信号。直流激励放电可分为两个过程：启弧阶段与稳弧阶段。启弧阶段由直流激励电源内部自带的脉冲引弧器启动，脉冲引弧器产生的脉冲高压迅速击穿工质气体形成电弧，随后脉冲引弧器停止工作，在放电信号图中对应着突增的电压变化。稳弧阶段，在初始电弧形成后，直流激励开始工作，由于直流激励功率较强，可电弧加强，随后稳定，形成一股等离子体从喷嘴处喷出，在放电信号图中对应着几乎稳定的电压与电流变化。

图4 直流激励放电信号图

图5所示为单独脉冲激励作用下的放电信号，可以看出，单个脉冲激励放电也可以分为两个过程，起始放电时脉冲产生一个很高的电压，用于击穿启弧，随后电压经过几次振荡最终衰减为0。脉冲激励放电是许多单个脉冲形成的脉冲簇间断放电。

图5 脉冲激励放电信号图

3.1.2 双频激励耦合下点火器的工作特性

对于直流激励与脉冲激励放电而言，直流激励属于低频段放电，脉冲激励放电频率相对较高。如果脉冲激励电源与直流激励电源直接耦合，两者会形成互相干扰，造成放电不稳定，严重时会互相损害激励电源。因此，必须有合理的隔离装置，使得直流激励与交流激励能够很好地耦合起来，形成双频耦合放电。耦合隔离电路如图6所示，图中左侧为自制脉冲电源，自制脉冲电源可以通过改变m与n的比值来改变脉冲幅值。右侧为直流激励电源，中间部分为保护电路。保护电路由电感电阻与电容组成，相当于一个简单的分离器。由于电感与电容的存在，保护电路所允许通过的激励必须为高频，即脉冲激励能通过，而直流激励不能通过。

图6 隔离电路示意图

双频激励电源工作时，保护电路的存在可以保证脉冲电源所产生的脉冲激励被保护电路过滤掉，避免了脉冲激励对直流激励的损害，但保护电路也会过滤掉直流激励本身的引弧脉冲。直流激励在双频耦合的条件下，必须由脉冲激励引弧后才能单独工作。所以在双频耦合工作时，必须保证脉冲激励先工作，或者两者同时工作。

图7所示为某次双频耦合放电过程的电信号图，可以看出，双频耦合放电时，脉冲激励与直流激励轮流放电，互不干扰。脉冲激励以脉冲簇的形式耦合在放电过程中，每个脉冲激励包含一定数量的单个脉冲，该类电信号可作为耦合放电的判定依据。

图7 双频耦合放电信号图

3.2 双频激励参数及气流对等离子体空间分布特性影响规律

对于双频激励同轴等离子体点火器而言，由于等离子体的作用方式为射流，因此其产生的等离子体空间分布特性不仅受电源激励参数的影响，还要受到工质气流速度的影响。本文通过试验研究了不同激励参数与不同工质气流速度共同作用下的等离子体分空间分布特性规律。

3.2.1 工质气流速度对射流等离子体的影响

图8所示为不同直流激励参数下，射流等离子体长度随工质气流速度变化结果。由图中数据可以计算出，工质气流速度所引起射流长度变化范围最大能到50%。试验中工质气流速度由低变高时，喷射出的射流等离子体长度先增加后减少，分析其原因，是当工质气流速度较低时，气流对射流等离子体的降温作用不明显，对射流等离子体的运输作用占主导。随着工质气流速度稍微增大，吹出了更多等离子体，因此射流等离子体长度增大。当工质气流速度进一步加大时，工质气流对射流等离子体的降温效应开始起作用，使得部分等离子体降温，因此喷出的射流等离子体长度减小。

图8 直流参数与气流速度对射流长度的影响

3.2.2 直流激励对射流等离子体的影响

直流激励参数变化对等离子体空间分布的影响如图8所示，由图可以计算出，直流激励所引起的射流长度变化范围最大能达到80%，这表明工质气流速度与直流激励电流大小对射流等离子体的长度影响权重相当。当气流速度较低时，随着直流激励电流的增大，射流等离体的长度也增大。当气流速度较大时，射流等离子体的长度随着直流激励电流的增大先增大后稳定。其原因可能是当工质气流速度较低时，直流激励电流的增大增强了等离子体的生成，所以等离子体的射流长度增大。但是当工质气流速度较大时，气流对等离子体的运输能力是有限的，射流等离子体的长度基本不变。

3.2.3 脉冲激励下等离子体参数分布特性

由于脉冲激励的放电频率较高，只有在合适的工质气流条件下，点火器才能产生并喷射出脉冲射流等离子体，因此在这里不讨论工质气流速度对射流等离子体的影响，只研究脉冲频率变化及脉冲幅值变化对射流等离子体分布的影响。

图9所示为在工质气流速度不变的条件下，脉冲激励频率与幅值变化对射流等离子体空间分布的影响。图中实线部分为射流等离子体长度尺寸，虚线部分为射流离子体最宽宽度尺寸。由图可以看出，脉冲幅值与频率的增大都会增加射流等离子体的长度及直径，增强等离子体空间分布。但相比于增大频率，增大脉冲激励的幅值对增强等离子体的空间分布更为显著，这是由于虽然放电频率增大与脉冲幅值增大都提高了放电能量，但脉冲幅值增大能直接增强放电通道，提高放电频率不会增强每次放电的强度，只增加了放电的速度。因此，对增强等离子体的空间分布作用有限。与直流激励相比，单独脉冲激励参数变化对等离子体的影响数值变化太小，几乎可以忽略不计。

图9 脉冲激励射流等离子体长度变化

3.2.4 双频激励耦合下等离子体分布特性

在获取了直流激励与脉冲激励对等离子体射流空间分布的影响后，进一步研究双频激励参数变化对等离子体空间分布的影响试验。由于直流激励放电强度比脉冲激励放电强很多，因此双频耦合时，对等离子体射流长度分布起主导作用的是直流激励，脉冲激励对射流等离子体的长度影响是有限的。图10对比了双频耦合与只有直流激励的放电等离子体图像，每张图像中标注了射流等离子体的长度及最大宽度。由图分析可得，在工质气流速度相对较低时，有脉冲相对于无脉冲，射流等离子体的长度基本没有什么变化，但射流等离子体在喷嘴前方的宽度明显增强，且等离子体变得更加明亮，整体的最大横截面积也增大，这表明脉冲激励能量灌入后，射流等离子体作用效果增强。

(a)无脉冲 (b)有脉冲图10 气源压力0.5MPa，有无脉冲对比

图11对比了工质气流速度相对较高时的射流等离子体，可以看出，无脉冲相比于有脉冲而言，射流长度略微变短，但只有直流激励形成射流等离子体开始变得不稳定，而脉冲激励能量注入进去后，射流等离子体才变得稳定。产生这种现象的原因是，对于放电电弧而言，同一时刻不可能出现两条电弧，即脉冲激励与直流激励不可能同时放电。由于脉冲放电频率快，流速较低时其对放电电弧位置影响不大，无论是脉冲激励还是直流激励，放电电弧位置都是在喷嘴内部。但随着工质气流速度变快，单独直流激励放电电弧的位置可能由点火器喷嘴内部向外部转移，这时放电电弧的位置既可能出现在喷嘴内部，也可能出现在在喷嘴外部，这就使得直流激励放电电弧不稳定。当双频耦合时，无论气流速度多大，脉冲激励放电总是在点火器内部。当工质气流速度处于直流激励放电位置的过渡阶段时，由于脉冲激励的存在，保证了每次放电的位置都在点火器喷嘴内部。当工质气流速度进一步增大时，单直流激励下的放电会变得稳定，而双频激励变得不稳定，这是由于对于直流激励而言，放电位置总是在点火器外部，而脉冲激励放电总是在点火器外壳内部，所以会导致双频耦合放电变得不稳定，且流速增加，流体的湍动度也会增大，这也会引起放电不稳定。双频对于等离子体的调控作用与气流关系较大，因此在实际点火时，需要结合实际的点火工况分析双频对等离子体空间的调控作用。

(a)无脉冲 (b)有脉冲图11 气源压力2MPa，有无脉冲对比

3.2.5 不同激励参数下的空间分布对比分析

对于射流等离子体的空间分布而言，双频激励作用下产生的等离子体射流的长度与单独直流激励相比无变化，但射流等离子体的横截面积却增大了。为了量化对比分析双频激励的增强效果，图12给出了相同条件下的双频激励与单独直流激励作用下的等离子体横截面积。从数据分析可得，对于双频激励而言，平均横截面积增大了20%，这对点火而言有很强的增强效果。

图12 有无脉冲下的等离子体横截面积对比

经综合分析，可得双频激励与直流激励对等离子体的作用效果。在相同条件下，两者的射流等离子体长度相差不大，这表明双频激励与单独直流激励两者在点火时的穿透作用相当。双频激励作用下的等离子体横截面积比单独直流激励要大得多，这表明双频激励产生的等离子体在点火时有更大的作用区域与更强的点火作用效果。

3.3 射流点火器工作边界

虽然耦合器使得双频激励等离子体点火器耦合放电，但点火器实际工作时，其点火边界要受工质气流速度的制约。为保证点火器放电稳定，保证点火器应用的可靠性，必须对点火器工作的点火边界进行研究。为保证工质边界的适用性，点火器的工作边界测量是在实际点火系统进行，并非在地面试验台进行。试验时的工质气体采用氧气，每次以0.5MPa为增量不断增加点火氧气源压力，直到点火器工作失效，这时的氧气源压力为该激励条件下点火器工作的边界压力。表1所示为不同激励条件下的点火边界，可以看出，随着直流激励的增加，点火器的极限工作压力增大，同条件下的双频激励工作边界与单独直流激励相比略微下降。

表1 点火器点火边界

随着工质气源压力的增加，直流激励单独工作时，其放电包括4个阶段：喷嘴内部放电、过渡放电、喷嘴外部放电、点火器完全不工作。当处于过渡阶段时，点火器虽然工作不稳定，但这并不代表点火器不能点着火，只是点火器产生的等离子体出现抖动，其点火效果也不稳定。对于内部放电与外部放电而言，点火器工作可认为是动态稳定状态，因此选取点火器不工作时的气源压力为边界压力。当双频耦合时，随着气源压力的增大，由于脉冲激励的存在，点火器的过渡

状态是极其不稳定的，从点火试验来看，几乎没有点火效果。因此，双频激励的工作边界是以出现不稳定工作时的气源压力为点火边界，这解释了相同直流激励条件下双频激励的点火器边界压力比直流低的原因。

在实际工程应用时，脉冲的存在刚好补足了直流过渡阶段的不稳定状态，依据不同直流激励下不同工质气源压力，选择注入脉冲激励可拓宽整个点火器的工作边界。

4 点火器在航空发动机上点火试验

为验证新型射流点火器的工程性，将其应用于超燃冲压发动机进行点火试验。超燃冲压发动机试验台可模拟发动机在飞行速度为Ma6、高度25km时发动机入口的气体流入条件。发动机加热器来流总压约为2.1MPa，总温约为1510K，加热器的总流量约为1.67kg/s，含氧量约23%。

对于超燃冲压发动机而言，在发动机内部形成的火焰稳定后，发动机火焰处于动态稳定中，此时应关注的是超燃发动机内部所产生的推力，主要展示点火器在不同激励工作模式下发动机的壁面压力变化。

图13展示了相同条件下，双频激励工作模式与直流激励工作模式下点火稳定后的超燃冲压发动机压力对比。相比于直流激励工作模式，双频激励在壁面压力升高位置提前了，且其最大压升比单直流激励的最大压升提高了大约0.4，两者最大压升比位置没变，且越往后压升比越接近。

图13 发动机壁面压力

双频激励点火比单直流激励点火拥有更高的燃烧效率，这是因为双频激励中脉冲激励的存在短时间内急速增加了燃油的燃烧过程，火焰燃烧增强，热拥塞的位置提前。前端火焰燃烧增强效果会随着流场进一步传递至后端火焰，这就使得在发动机的每一段燃烧效率都得到了增强。但是，由于点火器作用区域的限制，这种作用效果离点火器越远越弱，最终会消失。因此，直流激励与双频激励在发动机尾端的压升变化几乎重合，这与点火器地面测试试验中脉冲激励对等离子体点火的影响结果相似。

5 结 论

本文设计了一种面向航空发动机应用的射流等离子体点火器，该点火器具有寿命长、结构简单、拆装方便等特点。分析不同条件下点火器产生的等离子体工作特性，结果如下：随着工质气流速度的增大，点火器产生的等离子体射流先增大后减小；双频激励模式下产生的等离子体射流体积比单激励模式更大，但双频激励模式下点火器工作边界变窄。将点火器应用于超燃冲压发动机进行点火试验，结果表明，该点火器能有效可靠地点燃超燃冲压发动机，且双频点火模式下的发动机具有更高的燃烧效率。