點火參數(shù)對燃燒室高空點火性能的影響研究

彭中九 朱明軍 李元星 張卓婭

（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，株洲 412002）

發(fā)動機(jī)點火性能的好壞主要取決于燃燒室的點火性能。相對于地面常溫、常壓點火，高空點火因高空的壓力與溫度都相對較低，相對含氧量降低很多，因此高空環(huán)境下燃燒室點火面臨低溫、低壓條件帶來的一系列困難，會導(dǎo)致最小點火能量大幅度增大，點火性能惡化。

國內(nèi)外學(xué)者對燃燒室的高空點火問題開展了大量研究工作，如CAINS研究了負(fù)壓條件對空氣霧化特性的影響，發(fā)現(xiàn)在高空再點火時的負(fù)壓條件下的燃油霧化顆粒度不均勻度增加，燃油霧化張角與理想狀態(tài)相比減小了30%，導(dǎo)致火焰筒傳播速度降低了50%，給高空點火帶來了困難[1]。法國的ONERA研究中心采用多頭部燃燒室，對燃燒室高空條件下的點火性能進(jìn)行了試驗研究和數(shù)值模擬分析[2]。文獻(xiàn)[3]開展了燃油增溫對高空負(fù)壓點火性能影響的實驗研究。實驗在高空模擬試驗器上利用預(yù)燃室點火器進(jìn)行，試驗燃料為航空煤油，燃油預(yù)熱最高溫度為90 ℃。研究結(jié)果表明，通過加溫燃油可間接增加火花核心油蒸汽的數(shù)量和初始熱焓，大大加寬了低壓下可點燃的貧油范圍。文獻(xiàn)[4]研究了主燃孔軸向位置對低壓點火性能的影響，發(fā)現(xiàn)對齊主燃孔的火焰筒方案的低壓點火性能優(yōu)于交錯主燃孔。文獻(xiàn)[5]研究了文氏管通道尺寸對燃燒室高空點火性能的影響，結(jié)果表明減小文氏管通道尺寸可以有效提高燃燒室高空高原點火能力。文獻(xiàn)[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，通過減小預(yù)蒸發(fā)管的管內(nèi)徑，改善對應(yīng)燃燒區(qū)的燃油霧化質(zhì)量，可提高對應(yīng)燃燒室區(qū)的可燃?xì)鉂舛?，顯著提升預(yù)蒸發(fā)管燃燒室的高空高原點火性能。文獻(xiàn)[7]的研究表明，主燃區(qū)流場結(jié)構(gòu)對燃燒室高空點火性能有很大影響，通過擴(kuò)大外環(huán)回流渦尺寸，可避免內(nèi)環(huán)主燃孔射流沖擊靠近外環(huán)的渦流器旋轉(zhuǎn)射流，使得在相同換算參考速度下燃燒室點火成功最小油氣比可以降低20%左右。

本文以某發(fā)動機(jī)燃燒室為研究對象，采用變頻變能點火器試驗研究不同點火能量、不同點火頻率等對燃燒室高空點火性能的影響，可為該燃燒室的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。

1 試驗件及試驗系統(tǒng)

1.1 試驗件

高空點火試驗在某發(fā)動機(jī)全環(huán)燃燒室試驗件上進(jìn)行。全環(huán)燃燒室試驗件結(jié)構(gòu)見圖1。試驗件主要由外機(jī)匣組件、火焰筒、燃油噴嘴以及內(nèi)機(jī)匣組件等組成[8]。

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗在燃燒室高空點火試驗器上開展。該試驗器主要由供氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)等組成。高空點火試驗器中帶有高空艙，能真實模擬高空（高原）環(huán)境，可用于驗證燃燒室、點火器在高空及地面（高原）條件下的點火起動性能及點火邊界、燃燒室點火系統(tǒng)參數(shù)與燃燒室的匹配試驗等。

圖1 全環(huán)燃燒室試驗件結(jié)構(gòu)

試驗時，試驗燃油為3號噴氣燃料（GB6537），燃油溫度與燃燒室進(jìn)口溫度相當(dāng)，燃油的固體污染度不大于GJB420B-7級。進(jìn)口空氣流量采用標(biāo)準(zhǔn)流量噴嘴測量，測量精度為±1.0%。燃油流量采用渦輪流量計計量，測量精度為±0.5%。壓力采用PSI9016壓力系統(tǒng)測量。溫度根據(jù)各測量截面的溫度測量范圍分別采用不同分度的熱電偶測量，進(jìn)入VXI數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行處理。

如圖2和圖3所示，燃燒室進(jìn)口靜壓采用3點壁面靜壓孔測量，總壓采用3支2點梳狀總壓管進(jìn)行測量，總溫采用3支2點梳狀熱電偶進(jìn)行測量。燃燒室出口溫度采用3支5點梳狀熱電偶探針進(jìn)行測量，總壓采用3支3點梳狀總壓管進(jìn)行測量。出口3支總溫探針和3支總壓探針各自相隔120°，均勻安裝在受感部安裝盤上。壓力測試精度為±0.5%，溫度測試精度為±3 K。

圖2 進(jìn)口探針分布圖

2 試驗內(nèi)容及方法

試驗時，按表1中試驗狀態(tài)點調(diào)節(jié)進(jìn)口空氣至試驗狀態(tài)要求參數(shù)。在保證進(jìn)口空氣參數(shù)不變的條件下，起動點火電嘴，并開始采集燃燒室進(jìn)出口參數(shù)，3 s后給燃燒室供油，供油的同時開始計時。點火電嘴工作15 s后，停止工作。

圖3 出口探針分布圖

表1 高空點火試驗狀態(tài)

如果點火成功，則保持燃燒室進(jìn)口空氣參數(shù)不變，逐步減少燃油流量，繼續(xù)進(jìn)行點火試驗，直到點火不成功為止；如果點火不成功，則保持燃燒室進(jìn)口空氣參數(shù)不變，逐步增加燃油流量，繼續(xù)進(jìn)行點火試驗，直到點火成功為止，并記錄燃燒室進(jìn)出口參數(shù)、燃油供油參數(shù)以及點火時間。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 點火頻率對點火性能的影響研究

采用變頻變能點火器對全環(huán)燃燒室試驗件開展不同點火頻率對高空點火性能的影響研究，試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

從圖4與圖5可以看出：在相同的點火空氣壓力、點火空氣溫度及點火燃油量下，點火頻率為1 Hz時的點火邊界為點火空氣流量為0.4 kg·s-1，對應(yīng)點火油氣比為0.063；點火頻率為2 Hz時的點火邊界為點火空氣流量為0.408 kg·s-1，對應(yīng)點火油氣比為0.061?？梢?，不同的點火頻率對應(yīng)的點火邊界近似一致，表明點火頻率對點火性能無影響。究其原因，兩次點火試驗雖然點火頻率不同，但是點火器的儲能一樣，產(chǎn)生的火花能量也一樣。此外，點火過程為毫秒級，而點火器的點火頻率為秒級，因此相鄰之間的電火花并不會影響同一個點火過程。所以，在本文的研究試驗中，點火頻率對點火性能無影響。

3.2 點火能量對點火性能的影響研究

采用變頻變能點火器對全環(huán)燃燒室試驗件開展不同點火能量對高空點火性能的影響研究，結(jié)果見圖5和圖6。

圖4 狀態(tài)1高空點火試驗曲線圖（6 J、1 Hz）

圖5 狀態(tài)1高空點火試驗曲線圖（6 J、2 Hz）

圖6 狀態(tài)1高空點火試驗曲線圖（12 J、2 Hz）

從圖6可以看出：在相同的點火空氣壓力、點火空氣流量下，采用儲能為12 J的點火器試驗獲得的點火邊界為點火空氣溫度為-30 ℃，對應(yīng)點火油氣比為0.059。對比圖5，采用儲能為6 J的點火器試驗獲得的點火邊界為點火空氣溫度為-31 ℃，對應(yīng)點火油氣比為0.061?？紤]試驗誤差，采用不同儲能的點火器試驗獲得的點火邊界近似一致，表明點火能量對點火性能影響不大。究其原因，研究試驗件的點火電嘴布置在機(jī)械加工冷卻槽位置。經(jīng)計算分析，在進(jìn)行高空點火時，該處氣膜槽的冷氣出口速度為5.0～9.5 m·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑢?dǎo)致冷氣流會在一定程度上降低點火核心火團(tuán)的能量。所以，只有提高燃油霧化質(zhì)量，減少燃油蒸發(fā)的吸熱量，使最小點火能量降低，點火才能成功。這是本文點火成功時的燃油流量高達(dá)24 g·s-1的原因，此時的供油壓差約為0.5 MPa，對應(yīng)的燃油霧化粒徑約為40 μm。因為最小點火能量降低，所以再增大點火能量對燃燒室高空點火影響甚微，最多是減少點火時間。

4 結(jié)論

本文以某發(fā)動機(jī)燃燒室為研究對象，通過采用變頻變能點火器進(jìn)行高空點火試驗研究，探究點火頻率、點火能量等對高空點火性能的影響，得出如下結(jié)論：

（1）點火能量相同的情況下，加快點火頻率對高空點火無影響；

（2）點火頻率相同的情況下，增大點火能量雖然對高空點火影響不大，但可以縮短點火時間。