等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的应用

等离子体点火与助燃技术是能源与动力领域的研究前沿。介绍了等离子体点火与助燃技术的研究背景和意义,分析了其基本原理,给出了常见的等离子体点火与助燃的类型,阐述了等离子体通过热强化、动力学强化与输运强化3种强化燃烧机制,利于点火助燃。针对国内外等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的研究现状,提出了预燃式等离子体射流点火和旋转滑动弧助燃2种新型等离子体点火助燃方案,对等离子体点火与助燃技术在航空发动机上的实际应用进行了展望。     

燃烧室头部激励的等离子体强化燃烧特性实验研究

等离子体助燃是一种新型的强化燃烧技术,近年来受到国内外学者的广泛关注。本文开创性地研制了基于旋转滑动弧等离子体的强化燃烧头部,建立了某型航空发动机三头部燃烧室实验件的等离子体助燃实验平台,验证了该等离子体强化燃烧技术应用于型号发动机燃烧室的可行性。实验研究等离子体助燃在不同余气系数和不同输入电压条件下对平均出口温度、燃烧效率、温度分布系数以及熄火边界的影响。实验结果表明,与正常燃烧相比,施加等离子体助燃后的燃烧效率有明显的提高,在输入电压为U0=240V,余气系数为 α=0.8时,等离子体助燃的燃烧效率提高3.24%。实施等离子体助燃后,燃烧室出口温度分布场分布得到明显的改善,在富油工况α=0.8,出口温度分布系数减少39.8%。等离子体助燃输入电压越高熄火边界扩展程度越明显,相比于正常工况条件下,等离子体助燃U0=240V的熄火边界扩宽了7.34%。     

等离子体强化燃烧的目前研究进展

介绍了等离子体强化燃烧的基本原理,总结了等离子体强化燃烧的3种途径,分别是热强化、动力学强化与输运强化;对国际上,特别是国内在等离子体强化燃烧的应用验证、作用机制和数值仿真研究方面的最新代表性成果进行了综述.提出了等离子体强化燃烧的4个研究方向,分别是等离子体强化燃烧机理、多场耦合建模与仿真、测试诊断研究,以及等离子体强化燃烧在航空发动机中应用的其他科学与技术问题,同时提出了开展这4方面研究工作的一些建议,主要是定量研究等离子体点火与助燃的3种效应,分别建立各效应与点火特性、助燃特性之间的关系;建立等离子体强化燃烧的详细动力学模型;应用先进的测试诊断设备,发展等离子体强化燃烧的新型测试技术;考虑等离子体点火与助燃应用到不同类型发动机燃烧室时的匹配问题,特别是等离子体电源的小型化与轻型化问题等.      

旋转滑动弧涡流器点火探索试验

基于中小发燃烧室常用的斜切孔+径向叶片式涡流器,结合滑动弧的产生位置,开展了4种方案的旋转滑动弧涡流器设计及加工,并完成了冷态放电试验及点火试验验证。放电试验结果表明：4种方案的涡流器均能在预设位置产生稳定的旋转滑动弧。三头部点火试验结果表明：方案4的点火效果最好,其最小点火油气比低于常规点火方法。方案2次之,方案3仅能在较低的参考速度下实现燃烧室的点火,方案1的点火效果最差。滑动弧当地的气流速度及油气分布对点火效果影响显著,建议滑动弧处的气流速度不超过20 m/s。     

基于等离子体的新型燃烧室头部工作特性实验研究

本文设计了一种基于三维旋转滑动弧的航空发动机新型燃烧室头部,该头部可以在保持原有燃烧室结构不变的基础上,实现对燃烧室的点火和助燃。进行了新型燃烧室头部的放电特性实验,分析了稳定电弧滑动(A-G)模式和击穿伴随滑动(B-G)模式两种放电模式的特点。探究了两种放电模式对振动温度的影响,以及空气流量和电压对OH、O2、O3、NO四种粒子光谱发射强度的影响。结果表明,B-G模式电弧的放电功率更大,达到84W,放电模式对振动温度的影响取决于空气流量和电压的变化,而光谱发射强度则是A-G模式大于B-G模式。     

旋转爆震燃烧航空涡轮发动机研究综述

旋转爆震燃烧具有燃烧过程自增压、熵增小、循环热效率高等特性,将其应用于航空涡轮发动机,有望实现发动机性能阶跃式突破。主要介绍了旋转爆震燃烧的基本原理及特点,总结了国内外旋转爆震燃烧技术、旋转爆震涡轮发动机性能和试验技术的研究现状,论述了旋转爆震燃烧加快应用到航空涡轮发动机上需要深化研究宽范围进气下稳定爆震燃烧组织、旋转爆震燃烧与上下游匹配等关键技术,并对中国旋转爆震燃烧航空涡轮发动机工程化应用提出了制定长期发展规划、实施专项研究计划、组建联合团队等发展建议。     

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。     

基于滑动弧的航空发动机燃烧室头部喷雾特性

发明了航空发动机燃烧室滑动弧等离子体燃油裂解头部,并开展了燃油喷雾性能实验,实验研究了不同放电电压下滑动弧等离子体对燃油喷雾性能的影响规律。结果表明,实施滑动弧等离子体燃油裂解之后,初次雾化的燃油在高温电子的碰撞下高碳链的燃油分子被打断成低碳链的小分子,燃油的黏性力降低,雾化性能得到提升。随着放电电压的升高,燃油喷雾的雾化锥角增大,SMD平均值减小,不均匀系数下降,燃油喷雾的均匀性得到明显的改善。当入口空气流量为20 m³/h,余气系数为0.6时,未施加等离子体的燃油喷雾的雾化锥角为43°,SMD平均值为93.545 6 μm,不均匀系数为0.304,当放电电压达到200 V时,燃油喷雾的雾化锥角增大到75°,SMD平均值减小为89.690 6 μm,不均匀系数下降到0.233。     

基于滑动弧的燃烧室头部强化燃烧特性

为了研究基于滑动弧的燃烧室头部强化燃烧效果，探究了燃烧室头部的点火过程以及不同等离子体电源输入功率下的点/熄火边界，利用像增强系统获得了CH*基团的分布云图。实验结果表明：输入功率的增大使得燃烧室的点/熄火边界均得到拓展，与160 W工况相比，输入功率为320 W时，点火边界平均拓宽约17.6%，与未放电相比，输入功率为320 W时，熄火边界平均拓宽约45.3%，滑动弧放电对熄火边界拓宽效果明显；当滑动弧能够点燃来流新鲜混合气时，输入功率的增加使得CH*基团分布向上游移动，当输入功率为320 W时，燃烧火焰驻留在燃烧室头部，当滑动弧激励器仅具有助燃作用时，输入功率的增加使得局部CH*基团辐射强度增强，热释放速率增加。     

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。