康明斯柴油机-直流电源驱动的等离子体点火器的点火特性火箭发动机启动

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第36卷第10期，2010年10月31日 直流电源驱动等离子体点火器的点火特性 应，杜洪亮（空军工程大学工程学院，西安 ：为了获得等离子体点火器的点火特性，基于自行设计的等离子体点火装置，对不同入口氩气压力和工作电流条件下等离子点火器的高温射流特性和放电特性进行了实验研究船舶柴油机配件，测量了点火器出口处的发射光谱特性利用光谱仪，根据光谱特性计算了等离子体的激发温度，结果表明：随着入口氩气体积流量的增加，等离子体点火器的高温射流长度先增大后减小，等离子点火器的电弧电流随着入口氩气体积流量的增加而减小，随着电源输出电流的增加而增加； 等离子点火器出口射流的激发温度随工作电流的增大而增大，随氩气体积流量的增大而增大。 所得结果对于等离子点火系统在航空发动机的实际应用具有一定的指导意义和参考价值。 关键词：血浆； 点火器； 高温喷射； 电弧电流； 光谱特性； 激发温度 图分类号：O536 文献标识码： 文章编号：1003--2537-05 资助项目：国家自然科学基金（）； High and (863 ) ( Focus - r ｓｔｔｇｏｏｔｅｅｅｅｅｅａｒｅｅｅｅｅｅｅｅｅｒｅperth ｒself- or. ｉｔｔｅｔｅｅｒａｅｅｏｒａａａａａｅｅｅｅｅｅｅｅｏｒａａａａａｋａｋｅｅｅｅｅｅ lar ． re ａｓｓａａｅｅｅｅｅｅｅｒｅｅｅｅｅａｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｒｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｒｅ ｗｗｏｋｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅａｅｅｅａｅｅｅｅｅｅ ｏｏｏｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｅｒａｅ ｒsa ｔｅｅｗｏｋｋｅｎｇｅｒｒｅｒｅａａａｎｄｅｅｅａｅｅｅｒｅｒｅｅａａｎｅｅｅｅｅｅｅｒｅｒ rates. ig a gine. 等离子体是由大量带电的正粒子、负粒子、自由基和各种活性基团组成的准中性系统，它们相互作用但仍处于未结合状态。 它与固态、液态和气态处于同一水平。 物质的第四态是宇宙中物质的主要状态[1, 2]。 等离子点火是基于等离子射流中核心温度可达5000K以上，射流中非平衡正负离子聚集并释放大量热量而点燃的特点。 燃料/空气混合物。

由于高速等离子体对燃油/空气混合物的穿透深度较大，一方面增强了燃烧室内气流的湍流脉动，改善了燃油与空气的雾化、蒸发、气化和混合； 另一方面有利于燃料/空气混合物中等离子体的定向迁移，射流的扩散有利于火焰表面的扩展，扩大火焰的火焰前锋面积，增加接触火焰前锋和新鲜混合物之间的区域，增加火焰的传播速度，减少了燃烧过程的特征时间，使燃料燃烧更充分[3-5]。 因此，等离子点火具有点火能量大、火焰穿透力强的特点，有利于提高恶劣工作环境（临近空间）条件下高速流动燃油/空气混合物点火的可靠性[6-8]。 等离子体点火的研究早在20世纪70年代就引起了各国专家的广泛关注。 但由于当时技术条件的限制，其研究仅限于工业燃烧。 直到20世纪70年代末至80年代初，才正式出现了一些用于大型工业燃烧设备的等离子点火装置。 20世纪80年代中期，这项技术开始转移到地面燃气轮机和航空航天动力装置上。 特别是随着燃烧动力学等高新技术的发展，等离子体点火助燃技术以其固有的特点和显着的优势逐渐引起了航天动力学界的高度重视和重视。 1987年，美国实施了由政府、工业界和学术界共同实施的“综合高性能涡轮发动机技术计划（）”。 发动机燃烧室中使用的等离子点火器是该计划开发的第二阶段。 重点开发项目之一：2002年，沉阳发动机研究所金宝林提出等离子流点火是当今世界上行之有效的一种先进点火方法。 它是航空航天和劣质耐火燃料领域最有前途的点火技术之一。 文献[10]简要介绍了该技术的机理及其发展现状，并从情报信息的角度探讨了其在航空发动机领域的应用。

2003年，美国 公司申请了反向涡旋等离子体发生器的世界专利，并进行了高空点火实验[11]。 实验发现等离子点火可以改善发动机的启动。 点火可靠性。 同年，美国南加州大学的建邦、刘飞王等人研究了甲烷、丙烷、异丁烷与空气混合物的着火延迟时间、峰值压力和上升时间。 测试结果表明，等离子点火的延迟时间比火花点火的延迟时间长。 峰值压力和上升时间要小得多[12]2006年，美国火箭推进实验室在不同速度、不同当量比、不同长度下测试了乙烯空气混合物的脉冲爆震发动机（PDE）等离子体点火（TPI）。 测试结果表明，等离子点火较火花点火（DDT）提高距离约20%，DDT时间缩短2.5ms以上，初始起爆成功率高于94%，循环次数频率大于40Hz [13] 2008年俄罗斯莫斯科物理技术学院I. N． 科萨列夫等人。 实验和数值研究了利用高压纳秒放电的CnH2n+2Ar混合物点火动力学，并测量了存在和不存在放电时反射冲击波后的点火延迟时间。 结果表明，非平衡等离子体影响着火延迟时间。 其影响与链式反应的快速发展有关[14]2009年，德国马格德堡大学的A.。 对含有激发分子的 H2-O2 混合气体亚音速流的点火和燃烧进行了数值计算。 结果表明，当初始混合气体中含有激发态O2分子时，可以缩短点火延迟时间，提高层流火焰传播速度。 等[15]。

近年来，等离子体点火的相关研究受到国内外专家学者的广泛关注[16, 17]。 等离子点火在航空发动机中的应用，需要深入研究等离子点火器的点火特性，设计安全可靠的等离子点火系统。 其实际应用具有重要意义。 本文对自行设计的等离子点火器在不同工况下的点火特性进行了实验研究，分析了等离子点火器的射流特性和放电特性，并利用光谱仪对点火器出口处的光谱特性进行了分析。 测量并计算等离子体激发温度。 实验装置等离子体点火实验系统主要包括等离子体点火电源、等离子体点火器、测量装置、数据采集系统等，实验系统原理图如图1所示，电源采用自主研发的等离子体点火电源电源，采用电压为3kV的高频高压脉冲起弧和电压为24V的直流电压维持电弧。 等离子点火器的基本工作原理是：当使用点火气体时，等离子点火实验系统示意图图1 等离子点火实验系统示意图当结构（氩气）通过阴极和阳极之间的通道时，等离子体在电源的作用下，产生高温等离子弧，并以高温射流的形式喷出。 可燃混合气体到达点火地点后迅速被点燃。

图2是自行设计的等离子体点火器的结构示意图。 等离子点火器的阴极和阳极采用钨铜合金制成火箭发动机点火器船用柴油机，耐高温、耐腐蚀、导电性好。 电木用于外部绝缘。 由于点火器内部温度较高，采用氧化铝陶瓷进行绝缘。 2 实验结果与分析 2.1 实验条件 选择氩气作为点火实验的介质气体，因为氩气是惰性气体，在点火器两极放电时可以保护电极，最大限度地防止电极被烧蚀。程度。 存在放电不稳定、电极寿命短等问题。 使用泰克公司的高压探头和+电流探头测量等离子点火器两个电极之间的电压和电流，并连接到数字示波器进行记录。 采用高压技术 2010 不同入口氩气体积流量下等离子点火器高温喷射长度随工作电流的变化 图3等离子点火器的高温喷射长度。 工作电流在不同入口Alow下火箭发动机点火器，采用ate 生产的四通道CCD光谱仪测量等离子体点火器出口处的光谱特性，并使用数码相机拍照并记录射流特性。 2.2 等离子点火器的高温射流特性改变等离子点火器的工作电流。 测量了等离子点火器的高温射流长度，得到了不同入口氩气流量条件下等离子点火器的高温射流长度L。 其随工作电流I的变化规律如图3所示。

从图3可以看出，在不同入口氩气体积流量条件下，等离子点火器的高温射流长度随着工作电流的增加而增加。 这是因为工作电流的增大会导致点火加热功率增大。 这增加了氩气流的能量，并且增加的氩气流能量的一部分转化为动能[18,19]，从而增加了出口处的流速并增加了高温射流的长度。 当进口氩气体积流量为150L·h，工作电流从4.8A增加到10.3A时，等离子点火器的高温射流长度从2.4cm增加到6.1cm。 照片如图4所示。 另外，从图中可以看出，随着入口氩气体积流量的增大，高温射流的长度先增大后减小。 这是因为随着入口氩气体积流量的增加，出口处的等离子体速度增加。 如果氩气体积流量太大，等离子点火器中的电弧加热效率会降低。

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