面向航空发动机的多路放电射流形火花点火方式探索研究

It is of great importance for the development of High-Altitude-Long-Endurance UAV to improve the secondary ignition ability of the aero-engine at high altitude. Under the extreme conditions of low temperature and high pressure at high altitude, the ignition capability of aero-engine igniter rapidly declines. So, an innovative ignition mode is urgently needed. This project puts forward a new ignition method based on multi-channel discharge jet spark (MDJS). By changing the spark shape, this method can enhance the ignition energy and the penetration depth of spark. Aiming at the key scientific problem, the generation and optimization mechanism of the multi-channel discharge jet spark, comparative experiments under different discharge parameters, geometric parameters, and environmental conditions will be conducted. By comprehensive measuring and simulation of the electrical parameters, flow field parameters, plasma parameters, discharge evolution process and ignition process, the mechanism of spark generation and evolution of the MDJS will be revealed, the working characteristics of the MDJS will be acquired, the ability of the MDJS to broaden the ignition boundary will be verified. The research findings are expected to present a MDJS ignition method without gas source, to provide methods and technical support for improving the ignition reliability of aero-engine under low temperature and low pressure.

提高发动机的高空二次点火能力，对于高空长航时无人机的发展具有重要意义。高空低温低压极端条件下，航空发动机点火器的点火能力迅速下降，亟需创新点火方式。本项目提出一种多路放电射流形火花点火的新思路，通过改变电火花的放电形态，提高点火能量，增强火核穿透深度。针对多路放电射流形火花产生与优化机制这一关键科学问题，开展不同放电参数、几何参数、环境条件下的对比实验，通过电参数、流场参数、等离子体参数、放电演化过程、点火过程等综合测试与仿真模拟，揭示多路放电射流形火花产生与演化机制，获得多路放电射流形火花工作特性，验证其拓宽点火边界的能力。项目研究成果有望获得一种无需气源的射流形火花点火方式，为提高低温低压下航空发动机的点火可靠性提供方法与技术支撑。

本项目面向提升航空发动机的高空二次点火能力的重大需求，针对多路放电射流形火花产生机制及强化点火机理的关键科学问题，运用实验测试和理论分析方法，开展了点火器工作特性及典型燃烧室工作条件下的点火特性与强化点火机理研究。..基于电流电压测试系统，获得了常规点火器与射流形火花点火器的放电波形，积分结果表明射流形火花点火器将放电效率从33.5%提升至42.7%；利用高速摄像系统获得了不同条件下的火花演化特性，在某一相同输入条件下，常规点火器和射流形火花点火器的穿透深度分别为11.81 mm和18.08 mm，提升幅度超过50%；通过限流法获得了腔外放电通道呈现的弓形图像，揭示了射流形火花的产生机理，验证了放电产生合成射流代替高压射流驱动射流形火花的设计思想；基于不同能量下不同点火器的火花图像，提出了加热比是影响火花穿透深度的关键参数，当加热比小于13.6时，射流火花点火器的火花穿透深度不如传统电火花点火器。..在单头部旋流燃烧室中开展了多路放电射流形火花点火器拓宽点火边界的实验研究。结果表明：相比电火花点火器，多通道射流形火花点火器在不同来流流量下贫油点火极限拓宽了26%-32%。基于点火过程的CH基自发光图像提出了气动效应和热效应是射流形火花点火器提升点火能力的作用机理。..基于高空环境模拟实验系统开展了航空发动机双头部燃烧室点火特性研究。结果表明射流形火花点火器将6 km、12 km高空二次点火贫油边界分别拓宽了32%、21%，以化学恰当比计的最大点火高度提高了2.3 km。但是点火器性能同样随点火环境的恶化而衰减，当温度降至-30 ℃时相比传统点火器拓宽效果仅有6.0%，压力降低至40 kPa时拓宽效果仅有6.9%。..项目研究表明射流形火花点火方式，能够在不更换电源的情况下，有效提高点火系统的点火能力，为提高低温低压下航空发动机的点火可靠性提供了方法与技术支撑。