點火參數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

（中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002）

發動機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，會導致最小點火能量大幅度增大，點火性能惡化。

國內外學者對燃燒室的高空點火問題開展了大量研究工作，如CAINS研究了負壓條件對空氣霧化特性的影響，發現在高空再點火時的負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相比減小了30%，導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行了試驗研究和數值模擬分析[2]。文獻[3]開展了燃油增溫對高空負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燃室點火器進行，試驗燃料為航空煤油，燃油預熱最高溫度為90 ℃。研究結果表明，通過加溫燃油可間接增加火花核心油蒸汽的數量和初始熱焓，大大加寬了低壓下可點燃的貧油范圍。文獻[4]研究了主燃孔軸向位置對低壓點火性能的影響，發現對齊主燃孔的火焰筒方案的低壓點火性能優于交錯主燃孔。文獻[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[6]通過研究發現，通過減小預蒸發管的管內徑，改善對應燃燒區的燃油霧化質量，可提高對應燃燒室區的可燃氣濃度，顯著提升預蒸發管燃燒室的高空高原點火性能。文獻[7]的研究表明，主燃區流場結構對燃燒室高空點火性能有很大影響，通過擴大外環回流渦尺寸，可避免內環主燃孔射流沖擊靠近外環的渦流器旋轉射流，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。

本文以某發動機燃燒室為研究對象，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，可為該燃燒室的優化改進提供參考。

1 試驗件及試驗系統

1.1 試驗件

高空點火試驗在某發動機全環燃燒室試驗件上進行。全環燃燒室試驗件結構見圖1。試驗件主要由外機匣組件、火焰筒、燃油噴嘴以及內機匣組件等組成[8]。

1.2 試驗系統

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、排氣系統、燃油系統、點火系統、測試系統、冷卻系統以及自動控制系統等組成。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、燃燒室點火系統參數與燃燒室的匹配試驗等。

圖1 全環燃燒室試驗件結構

試驗時，試驗燃油為3號噴氣燃料（GB6537），燃油溫度與燃燒室進口溫度相當，燃油的固體污染度不大于GJB420B-7級。進口空氣流量采用標準流量噴嘴測量，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壓力系統測量。溫度根據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，進入VXI數采系統進行處理。

如圖2和圖3所示，燃燒室進口靜壓采用3點壁面靜壓孔測量，總壓采用3支2點梳狀總壓管進行測量，總溫采用3支2點梳狀熱電偶進行測量。燃燒室出口溫度采用3支5點梳狀熱電偶探針進行測量，總壓采用3支3點梳狀總壓管進行測量。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 進口探針分布圖

2 試驗內容及方法

試驗時，按表1中試驗狀態點調節進口空氣至試驗狀態要求參數。在保證進口空氣參數不變的條件下，起動點火電嘴，并開始采集燃燒室進出口參數，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

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

3 試驗結果及分析

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，對應點火油氣比為0.061。可見，不同的點火頻率對應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，結果見圖5和圖6。

圖4 狀態1高空點火試驗曲線圖（6 J、1 Hz）

圖5 狀態1高空點火試驗曲線圖（6 J、2 Hz）

圖6 狀態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 ℃，對應點火油氣比為0.061。考慮試驗誤差，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械加工冷卻槽位置。經計算分析，在進行高空點火時，該處氣膜槽的冷氣出口速度為5.0～9.5 m·s-1，遠遠大于層流火焰傳播速度，導致冷氣流會在一定程度上降低點火核心火團的能量。所以，只有提高燃油霧化質量，減少燃油蒸發的吸熱量，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24 g·s-1的原因，此時的供油壓差約為0.5 MPa，對應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 結論

本文以某發動機燃燒室為研究對象，通過采用變頻變能點火器進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。