直流滑动弧等离子体点火器特性的实验研究

为了探究直流滑动弧放电应用于航空发动机燃烧室内点火的性能特点,设计了直流滑动弧等离子体点火器,在模型燃烧室内进行了煤油/空气混合气的点火实验,利用高速相机记录了滑动弧等离子体点火器的电弧产生和滑动过程以及燃烧室内煤油/空气混合气的点火和火焰发展过程,研究了不同空气工作介质流量、驱动电源输出电流、点火器电极夹角和点火器安装位置等因素对滑动弧等离子体点火器点火特性的影响。结果表明:滑动弧在运动过程中会产生不规则的跳动,并且存在着电弧分流的现象,导致电弧长度发生变化;在湍流的作用下,初始火核会演变为分裂的、大面积的湍流火焰,着火面积不断增大,最终在t=21ms时形成稳定燃烧;随着空气工作介质流量增大、驱动电源输出电流减小以及点火器的安装位置远离燃油雾化喷嘴,滑动弧等离子体点火器的电弧长度减小,点火延迟时间逐渐增长,例如余气系数α=8时,I=30A下电弧长度为47.1mm,相比I=20A增长了75.1%,点火延迟时间为21ms,相比I=20A缩短了40%;而随着点火器电极夹角的增大,电弧长度先增大后减小,点火延迟时间则先减小后增长,在电极夹角θ=45°时,电弧长度最长,点火延迟时间最短,分别为30.5mm和12ms。     

预燃式等离子体射流点火器工作特性实验研究

为解决发动机点火包线小于飞行包线的实际问题,提供等离子体点火技术在航空发动机中的工程应用新思路,论文设计了一种预燃式等离子体射流点火器,实验研究了放电特性和射流特性。结果表明,预燃式等离子体射流点火器与空气等离子体射流点火器相比,在提升射流能量降低电源功率方面有着较大的优势,电流相同时通入甲烷在较大流量时可减小驱动电源功率,总流量为44L/min时,减幅可达14.99%;同时预燃式等离子体射流较空气等离子体射流稳定,且射流长度增加,扩大了点火面积,有利于点火。     

阳极通道长度对等离子体射流点火器特性影响的实验研究

为进一步优化等离子体射流点火器的结构,提高点火器的工作性能,在自主设计的等离子体点火实验系统的基础上,开展了阳极通道长度对等离子体射流点火器特性影响的实验研究,选取的阳极通道长度为3mm,5mm和7mm。获得了等离子体射流点火器的放电特性、光谱特性、射流特性和点火特性。结果表明:增大阳极通道长度能够抑制电弧分流的幅度,减小电极的烧蚀面积,但提高了击穿电压,使引弧更加困难;随着阳极通道长度的增大,氮分子离子的转动温度和振动温度分别呈现出先升高后降低和先降低后升高的变化趋势;煤油/空气混合气的点火延迟时间随阳极通道长度的增加,呈现出先减小后增大的变化趋势,余气系数为1.43时,阳极通道长度5mm时的点火延迟时间为14.4ms,相对于阳极通道长度3mm,7mm下的点火延迟时间分别减小了21.1%,12.1%。     

高背压等离子点火器及其液体燃料点火特性实验研究

航天应用的液体火箭发动机及燃烧型加热器燃烧室室压高、燃料流量大、温度低、有重复启动需求，实现安全可靠点火的难度较大。针对这些需求，研究了一种采用高背压设计的电弧等离子体点火器。实验研究了Ar，N₂气体工质在高进气压力下的伏安特性，发现N₂在宽压力范围内适用于点火。发射光谱分析表明，在高达数MPa的进气压力下，Ar，N₂等离子体射流电子密度符合局部热力学平衡判据（LTE判据），点火能量集中。N₂等离子体整体温度低于Ar，但阳极喷口附近温度高于Ar，N₂等离子体射流火焰长，卷吸沿程空气造成射流平均温度偏低，但有助于低温液体推进剂的蒸发混合和强化点火。等离子体射流引起了臭氧和氮氧化物的形成，具有促进点火和化学反应的作用。背压提高引起电源输出电压升高，提高供气压力和电流，有助于点火器在高背压环境中稳定电压。燃烧型空气加热器燃烧室的点火实验发现，采用N₂等离子体喷注面中心点火，可以在短时间内完成酒精-空气和酒精-液氧-空气的点火，最高燃烧室室压接近5MPa时，点火器仍能稳定工作，多次使用电极烧蚀不明显，在液体火箭发动机的重复可靠点火方面具有很好的应用前景。     

等离子体助燃对燃烧产物影响的实验

采用介质阻挡放电在燃烧实验段中产生等离子体,进行了等离子体助燃条件下丙烷/空气混合气燃烧过程影响因素及其规律的实验研究.测量了空气、丙烷/空气混合气介质阻挡放电的光谱特性,通过烟气分析仪测量燃烧产物成份,得到了燃烧产物中O₂,CO体积分数随时间的变化,研究了激励器放电电压、空气流量、丙烷流量对燃烧产物的影响.实验结果表明:等离子体助燃时,O₂和CO体积分数变化速率增大;稳定燃烧后O₂和CO体积分数小于常规燃烧的,燃烧效率提高;减小放电电压,增大空气、丙烷流量,等离子体助燃的效果减弱.      

全环回流燃烧室等离子体点火试验研究

以全环回流燃烧室为研究对象,采用等离子体点火器进行地面点火试验研究,并与采用常规电火花点火器进行地面点火试验的结果进行了对比。研究结果表明,采用等离子体点火器进行燃烧室点火可使燃烧室具有更宽的贫油点火边界,且能有效减小点火延迟时间;燃烧室着火后的联焰与点火器的特性无关,采用纯气动雾化喷嘴的燃烧室,在进口空气马赫数0.09到0.13范围内,增加进气流速有助于燃烧室点火。     

正庚烷/空气混合气最小点火能量及其影响因素

利用定容弹燃烧系统对正庚烷/空气混合气的最小点火能量进行了实验测量,获得了不同初始条件下正庚烷/空气混合气的最小电火花点火能量。实验结果表明:正庚烷/空气混合气的最小点火能量随当量比的增大先减小后增大。对于初始压力为0.1MPa和初始温度为450K的混合气,最小点火能量在当量比1.1附近达到最小值,为0.3904mJ。实验发现:正庚烷/空气预混气的初始压力和初始温度对最小点火能量有重要的影响,与对火焰传播速度的影响是一致的。分析表明,初始温度和初始压力无论是对最小点火能量还是对火焰传播速度的影响,都与混合气的化学反应速率密切相关,化学反应速率越快,火焰传播速度越大,最小点火能量越小。      

空间站等离子体接触器钳位模式实验研究

为了研究等离子体接触器对空间站表面电位主动控制作用及钳位模式工作特性,对等离子体接触器进行了钳位模式实验研究,分析了空间站在运行轨道等离子体鞘层厚度,给出了等离子体接触器钳位电压和发射电流之间的变化规律,对真空度、等离子体密度、氙气流量等对钳位模式影响及等离子体接触器功率随发射电流变化规律进行了实验研究。实验结果表明:等离子体接触器在额定工作点下钳位电压低于20V;钳位电压增加使等离子体接触器发射电流突增;较低的真空度、较高的空间等离子体密度、较大的氙气流量会使等离子体接触器钳位模式较早出现,等离子体接触器电子发射特性曲线左移了近20%;等离子体接触器功率随发射电流增加而减小了近30%。     

等离子体助燃对航空煤油贫油燃烧的影响研究

为验证等离子体助燃改善航空煤油贫油燃烧性能的可行性,研制了圆管型介质阻挡放电等离子体助燃激励器,开展等离子体辅助航空煤油贫油燃烧的验证试验,分析等离子体激励参数(电源占空比、工作介质流量、放电电压)对燃烧性能(燃烧效率、贫熄边界)的影响,并与未施加等离子体助燃激励时的性能参数进行比较,同时对等离子体强化航空煤油贫油燃烧的原因进行了初步分析。实验结果表明,电源占空比或助燃激励器工作介质流量减小、放电电压增大时,燃烧效率增大、贫熄边界扩大,且施加等离子体助燃激励后燃烧性能均有一定程度的提高;圆管型空气介质阻挡等离子体放电产生的O3是等离子体强化航空煤油贫油燃烧的主要因素。     

超声速气流点火助燃用等离子体火炬的试验研究

对一种用于超声速气流点火助燃的高频率电弧等离子体发生器的工作特性进行了试验研究。首先采用CCD高速相机、光谱分析仪对静止空气条件下的等离子体喷射过程进行了试验,获得了不同种类、不同工作气喷注压力下等离子体射流的活性粒子种类和能量分布特性;其次,采用纹影技术对超声速横向射流条件下的等离子体喷射流场结构进行了分析。研究结果表明,等离子体射流能量集中于等离子体射流的中心轴附近,并且在中心轴下游2cm左右达到了最大衰减。等离子体的喷注压力对等离子体射流的能量分布和光谱特性影响较大。当等离子体的工作介质为N2时,喷注压力由0.3 MPa增大至0.5MPa,等离子体射流具有比较好的能量交换过程。通过光谱分析发现,氮气等离子体的组成是氮原子和氧原子,其强度随着与喷嘴距离的增大而减小,随着工作压力的增大而增大。等离子射流横向喷入超声速流场对主流的阻碍作用导致弓形激波的形成,它能有效促进活性粒子和来流的掺混过程。