点火参数对燃烧室高空点火性能的影响研究

彭中九 朱明军 李元星 张卓娅

（中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002）

发动机点火性能的好坏主要取决于燃烧室的点火性能。相对于地面常温、常压点火，高空点火因高空的压力与温度都相对较低，相对含氧量降低很多，因此高空环境下燃烧室点火面临低温、低压条件带来的一系列困难，会导致最小点火能量大幅度增大，点火性能恶化。

国内外学者对燃烧室的高空点火问题开展了大量研究工作，如CAINS研究了负压条件对空气雾化特性的影响，发现在高空再点火时的负压条件下的燃油雾化颗粒度不均匀度增加，燃油雾化张角与理想状态相比减小了30%，导致火焰筒传播速度降低了50%，给高空点火带来了困难[1]。法国的ONERA研究中心采用多头部燃烧室，对燃烧室高空条件下的点火性能进行了试验研究和数值模拟分析[2]。文献[3]开展了燃油增温对高空负压点火性能影响的实验研究。实验在高空模拟试验器上利用预燃室点火器进行，试验燃料为航空煤油，燃油预热最高温度为90 ℃。研究结果表明，通过加温燃油可间接增加火花核心油蒸汽的数量和初始热焓，大大加宽了低压下可点燃的贫油范围。文献[4]研究了主燃孔轴向位置对低压点火性能的影响，发现对齐主燃孔的火焰筒方案的低压点火性能优于交错主燃孔。文献[5]研究了文氏管通道尺寸对燃烧室高空点火性能的影响，结果表明减小文氏管通道尺寸可以有效提高燃烧室高空高原点火能力。文献[6]通过研究发现，通过减小预蒸发管的管内径，改善对应燃烧区的燃油雾化质量，可提高对应燃烧室区的可燃气浓度，显著提升预蒸发管燃烧室的高空高原点火性能。文献[7]的研究表明，主燃区流场结构对燃烧室高空点火性能有很大影响，通过扩大外环回流涡尺寸，可避免内环主燃孔射流冲击靠近外环的涡流器旋转射流，使得在相同换算参考速度下燃烧室点火成功最小油气比可以降低20%左右。

本文以某发动机燃烧室为研究对象，采用变频变能点火器试验研究不同点火能量、不同点火频率等对燃烧室高空点火性能的影响，可为该燃烧室的优化改进提供参考。

1 试验件及试验系统

1.1 试验件

高空点火试验在某发动机全环燃烧室试验件上进行。全环燃烧室试验件结构见图1。试验件主要由外机匣组件、火焰筒、燃油喷嘴以及内机匣组件等组成[8]。

1.2 试验系统

试验在燃烧室高空点火试验器上开展。该试验器主要由供气系统、排气系统、燃油系统、点火系统、测试系统、冷却系统以及自动控制系统等组成。高空点火试验器中带有高空舱，能真实模拟高空（高原）环境，可用于验证燃烧室、点火器在高空及地面（高原）条件下的点火起动性能及点火边界、燃烧室点火系统参数与燃烧室的匹配试验等。

图1 全环燃烧室试验件结构

试验时，试验燃油为3号喷气燃料（GB6537），燃油温度与燃烧室进口温度相当，燃油的固体污染度不大于GJB420B-7级。进口空气流量采用标准流量喷嘴测量，测量精度为±1.0%。燃油流量采用涡轮流量计计量，测量精度为±0.5%。压力采用PSI9016压力系统测量。温度根据各测量截面的温度测量范围分别采用不同分度的热电偶测量，进入VXI数采系统进行处理。

如图2和图3所示，燃烧室进口静压采用3点壁面静压孔测量，总压采用3支2点梳状总压管进行测量，总温采用3支2点梳状热电偶进行测量。燃烧室出口温度采用3支5点梳状热电偶探针进行测量，总压采用3支3点梳状总压管进行测量。出口3支总温探针和3支总压探针各自相隔120°，均匀安装在受感部安装盘上。压力测试精度为±0.5%，温度测试精度为±3 K。

图2 进口探针分布图

2 试验内容及方法

试验时，按表1中试验状态点调节进口空气至试验状态要求参数。在保证进口空气参数不变的条件下，起动点火电嘴，并开始采集燃烧室进出口参数，3 s后给燃烧室供油，供油的同时开始计时。点火电嘴工作15 s后，停止工作。

图3 出口探针分布图

表1 高空点火试验状态

如果点火成功，则保持燃烧室进口空气参数不变，逐步减少燃油流量，继续进行点火试验，直到点火不成功为止；如果点火不成功，则保持燃烧室进口空气参数不变，逐步增加燃油流量，继续进行点火试验，直到点火成功为止，并记录燃烧室进出口参数、燃油供油参数以及点火时间。

3 试验结果及分析

3.1 点火频率对点火性能的影响研究

采用变频变能点火器对全环燃烧室试验件开展不同点火频率对高空点火性能的影响研究，试验结果如图4和图5所示。

从图4与图5可以看出：在相同的点火空气压力、点火空气温度及点火燃油量下，点火频率为1 Hz时的点火边界为点火空气流量为0.4 kg·s-1，对应点火油气比为0.063；点火频率为2 Hz时的点火边界为点火空气流量为0.408 kg·s-1，对应点火油气比为0.061。可见，不同的点火频率对应的点火边界近似一致，表明点火频率对点火性能无影响。究其原因，两次点火试验虽然点火频率不同，但是点火器的储能一样，产生的火花能量也一样。此外，点火过程为毫秒级，而点火器的点火频率为秒级，因此相邻之间的电火花并不会影响同一个点火过程。所以，在本文的研究试验中，点火频率对点火性能无影响。

3.2 点火能量对点火性能的影响研究

采用变频变能点火器对全环燃烧室试验件开展不同点火能量对高空点火性能的影响研究，结果见图5和图6。

图4 状态1高空点火试验曲线图（6 J、1 Hz）

图5 状态1高空点火试验曲线图（6 J、2 Hz）

图6 状态1高空点火试验曲线图（12 J、2 Hz）

从图6可以看出：在相同的点火空气压力、点火空气流量下，采用储能为12 J的点火器试验获得的点火边界为点火空气温度为-30 ℃，对应点火油气比为0.059。对比图5，采用储能为6 J的点火器试验获得的点火边界为点火空气温度为-31 ℃，对应点火油气比为0.061。考虑试验误差，采用不同储能的点火器试验获得的点火边界近似一致，表明点火能量对点火性能影响不大。究其原因，研究试验件的点火电嘴布置在机械加工冷却槽位置。经计算分析，在进行高空点火时，该处气膜槽的冷气出口速度为5.0～9.5 m·s-1，远远大于层流火焰传播速度，导致冷气流会在一定程度上降低点火核心火团的能量。所以，只有提高燃油雾化质量，减少燃油蒸发的吸热量，使最小点火能量降低，点火才能成功。这是本文点火成功时的燃油流量高达24 g·s-1的原因，此时的供油压差约为0.5 MPa，对应的燃油雾化粒径约为40 μm。因为最小点火能量降低，所以再增大点火能量对燃烧室高空点火影响甚微，最多是减少点火时间。

4 结论

本文以某发动机燃烧室为研究对象，通过采用变频变能点火器进行高空点火试验研究，探究点火频率、点火能量等对高空点火性能的影响，得出如下结论：

（1）点火能量相同的情况下，加快点火频率对高空点火无影响；

（2）点火频率相同的情况下，增大点火能量虽然对高空点火影响不大，但可以缩短点火时间。