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        預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器射流特性

        2022-10-29 11:59:12程偉達(dá)于錦祿蔣陸昀
        燃燒科學(xué)與技術(shù) 2022年5期

        程偉達(dá),于錦祿, ,蔣陸昀,田 裕,張 磊,費(fèi) 力

        (1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院,西安 710038;2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院,西安 710129;3.中國(guó)航發(fā)四川渦輪研究院,綿陽(yáng) 621703;4.航天工程大學(xué)宇航科學(xué)與技術(shù)系激光推進(jìn)及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 101416)

        等離子體是由大量帶電粒子、活性基團(tuán)和自由基組成的離子化氣體狀物質(zhì),與固體、液體和氣體一起廣泛存在于人類世界之中[1-3].相比于常規(guī)電火花點(diǎn)火,等離子體點(diǎn)火技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)源于3 大效應(yīng):化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)和氣動(dòng)效應(yīng)[4-7],三者的相互作用能夠明顯地提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火能力,有利于拓寬航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空二次點(diǎn)火邊界,近些年各國(guó)科研人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[8-10].

        宋文艷等[11]對(duì)超音速燃燒室中的點(diǎn)火問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在來(lái)流馬赫數(shù)為2 的情況下,大功率等離子體點(diǎn)火器可以直接點(diǎn)燃煤油,表明了等離子體點(diǎn)火器具有良好的點(diǎn)火效果;文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)的高空測(cè)試,帶有APT 點(diǎn)火器的VPL-8 等離子體系統(tǒng)可以在內(nèi)部空氣源和功率范圍為1.2~1.5 kW 情況下成功點(diǎn)火;文獻(xiàn)[13]研究了空氣等離子體射流點(diǎn)火器的點(diǎn)火特性,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在環(huán)形燃燒實(shí)驗(yàn)段中,與常規(guī)電火花點(diǎn)火器相比,空氣等離子體點(diǎn)火器依靠其強(qiáng)大的高溫火焰核心能夠?qū)⒊晒c(diǎn)火時(shí)間從200 ms 減少為11 ms,表明等離子體點(diǎn)火器在縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間方面的優(yōu)勢(shì);文獻(xiàn)[14-15]設(shè)計(jì)了一種適用于超燃沖壓燃燒室的等離子體火炬點(diǎn)火器,并對(duì)點(diǎn)火器噴嘴的燒蝕程度進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),火炬噴嘴因等離子體火炬溫度過(guò)高,發(fā)生嚴(yán)重腐蝕,從中可以得出,等離子體火炬不適合長(zhǎng)時(shí)間工作.Yarantsev 等[16]研究了等離子體表面放電條件下碳?xì)淙剂显诔羲倭鲃?dòng)中的點(diǎn)火及燃燒.實(shí)驗(yàn)中可以產(chǎn)生橫向和縱向兩種放電模式.縱向模式等離子體區(qū)域長(zhǎng)度更長(zhǎng),更有利于點(diǎn)火及燃燒.文獻(xiàn)[17]對(duì)于等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了展望,提出了預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火和三維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧助燃兩種新型等離子體強(qiáng)化燃燒方案.文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了一種甲烷預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器,對(duì)其射流特性、放電特性及光譜特性進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn)保持總質(zhì)量流量不變的情況下,提升甲烷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可以有效增加射流長(zhǎng)度,最大增幅可超過(guò)160%.文獻(xiàn)[19]對(duì)使用直流電源供電的預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器的工作特性進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與空氣等離子體點(diǎn)火器相比,預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器具有射流穩(wěn)定,點(diǎn)火范圍大的優(yōu)點(diǎn).

        為了降低電極燒蝕和電源輸入能量,本文設(shè)計(jì)了一種使用交流電源供電的預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器,因等離子體射流點(diǎn)火通過(guò)富含活性粒子的高溫高速射流來(lái)點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的油氣混合氣,射流長(zhǎng)度反映了等離子體射流點(diǎn)火器的工作范圍,射流長(zhǎng)度越長(zhǎng),與油氣混合氣的接觸面積越大,反應(yīng)區(qū)域越廣,點(diǎn)火概率和可靠性增加,所以本文探究了有無(wú)煤油參與時(shí),點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓對(duì)于等離子體射流的影響規(guī)律,為下一步預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的點(diǎn)火效果提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

        1 方法

        1.1 點(diǎn)火器設(shè)計(jì)

        本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)火器主要由點(diǎn)火器外殼體、絕緣連接套、陽(yáng)極、電極套、旋流器組成,其中點(diǎn)火器外殼體分為上下兩部分,下部為點(diǎn)火器的陰極,在實(shí)驗(yàn)中作接地端.上部為供油接口,可以根據(jù)不同的供油系統(tǒng)進(jìn)行更換,而不用更改點(diǎn)火器的其他結(jié)構(gòu),一方面保證了結(jié)構(gòu)的固定性,另一方面提高了多數(shù)供油系統(tǒng)的適配性.點(diǎn)火器外殼體上下兩部分的內(nèi)側(cè)均有螺紋,以內(nèi)部帶有外螺紋的絕緣套將兩部分連接起來(lái).絕緣套采用陶瓷材料.陽(yáng)極通過(guò)底部螺紋與絕緣套連接,陽(yáng)極頂部開(kāi)有小孔,燃油等其他燃料從小孔噴出,由于尺寸限制,陽(yáng)極無(wú)法加裝現(xiàn)成的丹佛斯等成熟型號(hào)的噴嘴,故采用小孔噴油.電極套通過(guò)點(diǎn)火器外殼體側(cè)面的圓形開(kāi)孔與點(diǎn)火器進(jìn)行配合.旋流器位于外殼體下部大小半徑過(guò)渡的倒角處,用以對(duì)點(diǎn)火器內(nèi)的空氣進(jìn)行整流并產(chǎn)生旋流.預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器如圖1 所示.

        圖1 預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of structure of pre-combustion plasma jet igniter

        預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器有3 個(gè)系統(tǒng),分別為供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和供電系統(tǒng).在供氣系統(tǒng)中,空氣從外殼體一側(cè)的氣流通道進(jìn)入,在點(diǎn)火器內(nèi)部經(jīng)過(guò)旋流器作用,產(chǎn)生空氣旋流經(jīng)過(guò)點(diǎn)火器出口的收斂段以及直通道噴出,一方面對(duì)點(diǎn)火器的陽(yáng)極和外殼體進(jìn)行冷卻,另一方面吹動(dòng)兩電極間形成的電弧使其滑動(dòng)和拉長(zhǎng).在供油系統(tǒng)中,燃油從點(diǎn)火器外殼體上部的供油接口進(jìn)入,通過(guò)絕緣套進(jìn)入到陽(yáng)極內(nèi)的燃油通道中,在壓力的作用下再經(jīng)由小孔噴出,形成帶有一定霧化效果的燃油噴霧,同時(shí)點(diǎn)火器出口通道處的旋流加強(qiáng)其霧化效果.在供電系統(tǒng)中,電極通過(guò)電極套與陽(yáng)極接觸,電極接電源的高壓輸出,外殼體下部作陰極接地,通電后在兩電極間形成高場(chǎng)強(qiáng),達(dá)到一定程度后將電極間的空氣或者油氣混合氣擊穿形成電弧.預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器工作時(shí),在不通油時(shí),兩電極間的介質(zhì)被擊穿后在氣流的作用下形成空氣等離子體射流,在通油時(shí),燃油與空氣在點(diǎn)火器出口混合,電弧點(diǎn)燃油氣混合氣之后仍在旋流的作用下形成預(yù)燃式等離子體射流,與空氣等離子體射流相比,其具有高溫高速、射流剛度較強(qiáng)、湍流程度較大的特點(diǎn),其中火焰與等離子體混合,具有較強(qiáng)的穿透能力和較強(qiáng)的點(diǎn)火能量,同時(shí)因使用交流電源供電,電極幾乎沒(méi)有燒蝕.

        1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

        等離子體點(diǎn)火器射流特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示.該系統(tǒng)主要由點(diǎn)火器、氣源、電源、供油系統(tǒng)、普通相機(jī)和高速相機(jī)等組成.點(diǎn)火器的氣源由空氣壓縮機(jī)壓縮的空氣提供,空氣流量由D08-1F 流量顯示儀和配套的流量調(diào)節(jié)閥控制,其中流量顯示儀的測(cè)量范圍為0~300 L/min,精度為0.2 L/min.電源組件由等離子體電源和調(diào)壓器組成,其中等離子體電源采用空軍工程大學(xué)設(shè)計(jì)南京蘇曼等離子體科技公司生產(chǎn)的CTP-2000 KP 型高功率中頻單高壓正弦電源,其最大輸出功率為1 000 W,輸出頻率在5~25 kHz 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),輸出電壓峰值為0~60 kV.調(diào)壓器為正泰TDGC2-1kVA 型接觸調(diào)壓器,標(biāo)定電壓為0~250 V,標(biāo)定容量為1 kVA.供油系統(tǒng)即給點(diǎn)火器供油的設(shè)備,為空軍工程大學(xué)自行設(shè)計(jì)的可移動(dòng)燃油流量自動(dòng)控制系統(tǒng),其供油精度可達(dá)到0.001 L/min,通過(guò)改變供油壓力改變供油流量,通過(guò)電磁閥對(duì)油路的通斷進(jìn)行控制.射流特性中的拍攝設(shè)備為索尼A6300數(shù)碼相機(jī)和彩色高速相機(jī),其中彩色高速相機(jī)為Photron 公司生產(chǎn)的UX-50 32G 高速彩色CCD 相機(jī),分辨率可達(dá)1 280×1 024,此分辨率下拍攝幀率可達(dá)2 000 幀/s,在最小分辨率下的拍攝幀率可達(dá)170 000 幀/s.

        圖2 預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器射流特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of jet characteristics of precombustion plasma jet igniter

        2 結(jié)果與討論

        2.1 無(wú)煤油參與時(shí)點(diǎn)火器射流特性

        無(wú)煤油通入時(shí),典型點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓下的點(diǎn)火器射流如圖3 所示.高速相機(jī)的拍攝參數(shù)為:拍攝幀率為50 幀/s,曝光時(shí)間為0.02 s.整體上來(lái)看,點(diǎn)火器出口區(qū)域呈亮白色,射流外圍呈淡黃色,且淡黃色區(qū)域較窄,由于射流外圍距離電弧區(qū)域較遠(yuǎn),電弧的電離作用減弱,能量衰減較快,從而呈現(xiàn)淡黃色,由于采用正弦交流電源驅(qū)動(dòng),功率較直流電源驅(qū)動(dòng)低,因此電弧的能量較直流電源驅(qū)動(dòng)下的電弧弱,從而造成了電弧外圍的能量衰減加快,故而淡黃色區(qū)域較窄.由于射流的能量主要集中在高亮區(qū)域,因此定義射流長(zhǎng)度H 為高亮區(qū)域(不包含淡黃色外圍及尾焰)的頂端距點(diǎn)火器出口端面的距離.

        在圖3 中,除了Wa=10 L/min 之外,其余點(diǎn)火器供氣量下均存在點(diǎn)火器射流無(wú)法噴出點(diǎn)火器出口的情況,且隨著點(diǎn)火器供氣量的增大,此類情況越明顯,即隨著點(diǎn)火器供氣量的增大,點(diǎn)火器射流噴出點(diǎn)火器出口端面(H>0)對(duì)應(yīng)的調(diào)壓器電壓也越大.這是由于點(diǎn)火器供氣量增大,點(diǎn)火器出口氣流速度加快,對(duì)電弧的冷卻作用增強(qiáng),在調(diào)壓器電壓較低也就是電源功率較小時(shí),電弧前端未超出點(diǎn)火器出口端面電弧即被拉斷,在足夠的電源功率下電弧才能充分發(fā)展至超出點(diǎn)火器出口端面,且冷卻作用越強(qiáng),需要的電源功率越大.

        圖3 點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓對(duì)點(diǎn)火器射流的影響Fig.3 Influence of igniter air supply and regulator voltage on igniter jet

        從圖3 可以看出,盡管電弧的其中一端在點(diǎn)火器內(nèi)部的陽(yáng)極,但射流仍充滿了整個(gè)點(diǎn)火器出口,這是由于點(diǎn)火器內(nèi)部氣流通過(guò)旋流器后產(chǎn)生旋流,在點(diǎn)火器出口區(qū)域仍存在切向速度,電弧一邊被拉長(zhǎng)一邊旋轉(zhuǎn),在較為宏觀的時(shí)間尺度下,電弧在點(diǎn)火器外殼體的一端滑過(guò)了整個(gè)出口邊緣,射流主要由電弧形成,故而射流充滿了整個(gè)點(diǎn)火器出口.

        點(diǎn)火器供氣量不變時(shí),隨著調(diào)壓器電壓的增大,射流長(zhǎng)度也增大;調(diào)壓器電壓不變時(shí),隨著點(diǎn)火器供氣量的增加,射流長(zhǎng)度存在一定程度上的減小.為更清晰地表明射流長(zhǎng)度H 與調(diào)壓器電壓Ua和點(diǎn)火器供氣量Wa之間的關(guān)系,將圖3 中的射流長(zhǎng)度以數(shù)據(jù)化的形式體現(xiàn),如圖4 所示.

        由圖4 可知,在36 個(gè)工況下,Wa=10 L/min、Ua=240 V 時(shí)的射流長(zhǎng)度最長(zhǎng),Hmax=9 mm,除去射流長(zhǎng)度為0 的工況,Wa=60 L/min、Ua=120 V 時(shí)的射流長(zhǎng)度最短,Hmin=1 mm.在各個(gè)點(diǎn)火器供氣量下,射流長(zhǎng)度H 隨調(diào)壓器電壓Ua的變化趨勢(shì)為先迅速增加后增速減緩但仍有一定程度的增加.以Wa=30 L/min 為例,射流長(zhǎng)度的快速增長(zhǎng)區(qū)(Ua≤120 V)增長(zhǎng)速度為0.04 mm/V,射流長(zhǎng)度的緩慢增長(zhǎng)區(qū)(Ua≥120 V)增長(zhǎng)速度為0.022 5 mm/V.射流長(zhǎng)度的緩慢增長(zhǎng)區(qū)和快速增長(zhǎng)區(qū)與點(diǎn)火器放電狀態(tài)有關(guān),在間斷擊穿放電狀態(tài)下,射流長(zhǎng)度較短甚至為0,在穩(wěn)定間斷擊穿放電狀態(tài)下,射流長(zhǎng)度快速增長(zhǎng),在穩(wěn)定擊穿模式下放電狀態(tài)下,射流長(zhǎng)度緩慢增長(zhǎng).這是由于不同的放電狀態(tài)下點(diǎn)火器的放電功率不同,間斷擊穿放電狀態(tài)下,放電功率較小,電弧長(zhǎng)度較短,因而射流長(zhǎng)度較短.在穩(wěn)定間斷擊穿放電狀態(tài)下,點(diǎn)火器放電功率得到增加,放電狀態(tài)轉(zhuǎn)變后,電弧不再局限于點(diǎn)火器內(nèi)部,電弧的一端跨過(guò)點(diǎn)火器出口孔邊緣,在平滑端面上滑動(dòng),不易被拉斷,故而造成了射流長(zhǎng)度的顯著增加.在穩(wěn)定間斷擊穿放電下,電弧已經(jīng)處于穩(wěn)定擊穿模式,由于電弧生成發(fā)展熄滅的客觀規(guī)律,電弧的長(zhǎng)度已經(jīng)接近此點(diǎn)火器供氣量下的極限,調(diào)壓器電壓繼續(xù)增加帶來(lái)的功率提升和能量輸入對(duì)射流長(zhǎng)度的提升有限,但仍有緩慢的提升,因此若想繼續(xù)增加射流長(zhǎng)度,需要從減小點(diǎn)火器供氣量方面考慮.同等調(diào)壓器電壓下,點(diǎn)火器供氣量越大,射流長(zhǎng)度越短,這與供氣量增大帶來(lái)的冷卻作用增強(qiáng)有關(guān).調(diào)壓器電壓保持不變,電源的最大輸出功率不變,點(diǎn)火器供氣量增加,點(diǎn)火器出口氣流速度加快,對(duì)電弧的冷卻作用增強(qiáng),電弧更容易也更早地在電弧發(fā)展前期轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài),相較于準(zhǔn)平衡態(tài)來(lái)說(shuō),非平衡態(tài)的電弧不是很穩(wěn)定,因此更容易被拉斷,故而造成了點(diǎn)火器供氣量增加射流長(zhǎng)度減小的情況.因此,為實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的射流長(zhǎng)度和較大的射流接觸面積,可通過(guò)增大調(diào)壓器電壓和減小點(diǎn)火器供氣量來(lái)實(shí)現(xiàn).

        圖4 點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓對(duì)點(diǎn)火器射流長(zhǎng)度的影響Fig.4 Influence of igniter air supply and regulator voltage on igniter jet length

        2.2 煤油參與時(shí)點(diǎn)火器射流特性

        有煤油通入時(shí),煤油經(jīng)由陽(yáng)極頂端的小孔噴出,通過(guò)放電通道及電弧區(qū)域,與等離子體相互作用,并與空氣混合,在點(diǎn)火器狀態(tài)合適的情況下,煤油會(huì)被點(diǎn)燃形成射流火焰,為與燃燒室的點(diǎn)火相區(qū)別,稱點(diǎn)火器的點(diǎn)火為自點(diǎn)火,如圖5 所示.

        圖5 點(diǎn)火器自點(diǎn)火Fig.5 Self-ignition image of igniter

        從圖5 可以看出,射流火焰的長(zhǎng)度與無(wú)煤油通入時(shí)的射流長(zhǎng)度不在同一數(shù)量級(jí),射流火焰后的背景中一層窗高1.2 m,因此射流火焰的總長(zhǎng)達(dá)到2.5 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖3 中的最大射流長(zhǎng)度9 mm.由于點(diǎn)火器處于一個(gè)開(kāi)放空間中,煤油從點(diǎn)火器的陽(yáng)極小孔噴出后在點(diǎn)火器的外部和開(kāi)放可流動(dòng)的空氣環(huán)境相接觸,當(dāng)形成預(yù)燃火焰后,火焰不斷卷吸外圍空氣,補(bǔ)充已經(jīng)消耗的空氣,在火焰的作用下,煤油的霧化也被增強(qiáng),同時(shí)發(fā)生裂解.在熱效應(yīng)及霧化燃油的作用下,火焰不斷向上發(fā)展,從而形成長(zhǎng)達(dá)2.5 m 的射流火焰.一旦煤油被點(diǎn)著,其所分布的范圍及射流火焰的長(zhǎng)度基本上與點(diǎn)火器的工作參數(shù)如點(diǎn)火器供氣量及調(diào)壓器電壓無(wú)關(guān),故不討論射流火焰的長(zhǎng)度與點(diǎn)火器工作參數(shù)的關(guān)系,而是討論點(diǎn)火器工作參數(shù)對(duì)于射流火焰形成的影響.

        點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓對(duì)射流火焰的形成影響較大.點(diǎn)火器供氣量一方面影響點(diǎn)火器的放電狀態(tài),另一方面影響煤油的霧化效果.點(diǎn)火器未放電時(shí),不同點(diǎn)火器供氣量(Wa=0 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min)下的煤油噴霧效果如圖6 所示,供油壓力均為1 MPa.

        圖6 不同點(diǎn)火器供氣量下的煤油噴霧Fig.6 Kerosene spray with different igniter air supply

        從圖中可以得知,點(diǎn)火器未通入空氣時(shí),從點(diǎn)火器陽(yáng)極噴出的煤油全靠壓力進(jìn)行霧化,霧化效果較差,能夠觀察到明顯的液柱;點(diǎn)火器中通入空氣后,在旋流空氣的作用下,煤油的霧化效果變好,隨著點(diǎn)火器供氣量的增大,空氣的霧化效果逐漸增強(qiáng),煤油噴出后形成的液柱逐漸消失,在點(diǎn)火器供氣量Wa=60 L/min 時(shí),煤油液柱基本消失不見(jiàn),取而代之的是分布均勻的煤油噴霧.在點(diǎn)火器供氣的情況下,不同點(diǎn)火器供氣量下的煤油霧化錐角無(wú)較大差異,這主要與點(diǎn)火器出口空氣旋流角度及陽(yáng)極噴油孔和點(diǎn)火器出口的相對(duì)位置有關(guān).對(duì)于同一點(diǎn)火器供氣量下的煤油噴霧來(lái)說(shuō),由于通道限制,出口處的煤油聚集較多,因此此處的煤油霧化質(zhì)量較差,從點(diǎn)火器的出口往上,隨著煤油和旋流空氣的摻混程度的加強(qiáng),煤油噴霧中的大液滴被打碎成小液滴,且隨著霧化錐形的擴(kuò)大,分布范圍變廣,煤油的霧化程度和分布均勻程度也相應(yīng)變好.

        在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,點(diǎn)火器供氣量增大雖然會(huì)增強(qiáng)煤油霧化利于點(diǎn)火器的自點(diǎn)火,但是同時(shí)點(diǎn)火器供氣量的增大也會(huì)改變點(diǎn)火器的放電狀態(tài),降低電弧能量,減弱點(diǎn)火效能,同時(shí),調(diào)壓器電壓也會(huì)影響點(diǎn)火器的放電狀態(tài),因此需要綜合以上因素對(duì)點(diǎn)火器實(shí)際的自點(diǎn)火性能進(jìn)行分析.不同點(diǎn)火器供氣量(Wa分別為10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min)和不同調(diào)壓器電壓(Ua分別為40 V、80 V、120 V、160 V、200 V、240 V)下的點(diǎn)火器自點(diǎn)火情況如表1 所示.

        表1 不同點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓下的點(diǎn)火器自點(diǎn)火情況Tab.1 Self-ignition state of igniter under different igniter air supplies and voltage regulators

        從表中可以得知,點(diǎn)燃和未點(diǎn)燃的工況基本上相等,且各自分布集中,分別位于表1 的左下角和右上角.在調(diào)壓器電壓Ua=40 V 時(shí),各個(gè)點(diǎn)火器供氣量下均無(wú)法點(diǎn)燃,此狀態(tài)下點(diǎn)火器放電功率較低、電弧能量較小,不易點(diǎn)燃煤油.在相同點(diǎn)火器供氣量下,隨著調(diào)壓器電壓的增加,點(diǎn)火器的自點(diǎn)火情況從未點(diǎn)燃到點(diǎn)燃,這是由于調(diào)壓器電壓增加導(dǎo)致點(diǎn)火器放電功率提升,電弧能量增加,電弧溫度升高,有利于煤油的點(diǎn)燃.在相同調(diào)壓器電壓下,隨著點(diǎn)火器供氣量的增加,點(diǎn)火器的自點(diǎn)火情況由點(diǎn)燃到未點(diǎn)燃,這是由于點(diǎn)火器供氣量增大,氣流對(duì)電弧的冷卻作用增強(qiáng),電弧溫度降低,同時(shí)點(diǎn)火器的放電狀態(tài)改變?yōu)榉瞧胶夥烹姞顟B(tài)或者向非平衡放電狀態(tài)過(guò)渡,導(dǎo)致電弧能量降低,點(diǎn)火能力減弱,不利于煤油的點(diǎn)燃,盡管點(diǎn)火器供氣量增大帶來(lái)了煤油霧化的增強(qiáng),但是霧化效果增強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火器自點(diǎn)火的正面作用不及其他因素帶來(lái)的負(fù)面作用明顯,因此綜合以上因素可知,在小流量大電壓下易著火,在大流量小電壓下難著火.

        由以上分析可知,在相同點(diǎn)火器供氣量下,隨著點(diǎn)火器從未點(diǎn)燃向點(diǎn)燃狀態(tài)過(guò)渡,中間必然有一個(gè)臨界調(diào)壓器電壓,小于此臨界調(diào)壓器電壓,點(diǎn)火器無(wú)法點(diǎn)燃,大于此臨界調(diào)壓器電壓,點(diǎn)火器可以點(diǎn)燃.不同點(diǎn)火器供氣量下的點(diǎn)火器自點(diǎn)火臨界調(diào)壓器電壓如圖7 所示.從圖中可以清晰地得知,隨著點(diǎn)火器供氣量的增加,臨界調(diào)壓器電壓增加,與表1 相吻合.在點(diǎn)火器供氣量Wa≥50 L/min 時(shí),臨界調(diào)壓器電壓達(dá)到了200 V 及以上,與Wa=10 L/min 時(shí)的53 V相比,在電源可提供的輸出功率范圍內(nèi),提升的空間有限,因此不利于在實(shí)際燃燒室點(diǎn)火中對(duì)點(diǎn)火器工作參數(shù)的調(diào)控.

        圖7 不同點(diǎn)火器供氣量下的點(diǎn)火器自點(diǎn)火臨界調(diào)壓器電壓Fig.7 Critical regulator voltage of igniter self-ignition under different igniter air supplies

        3 結(jié)論

        本文對(duì)是否通入煤油時(shí)的預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器的射流特性進(jìn)行了研究,得到了以下結(jié)論:

        (1) 未通入煤油時(shí),點(diǎn)火器的射流特性與側(cè)面電弧特性類似,調(diào)壓器電壓越高,點(diǎn)火器供氣量越小,射流長(zhǎng)度越長(zhǎng).在相同的點(diǎn)火器供氣量下,射流長(zhǎng)度的增加遵循著先快后慢的規(guī)律,在Wa=10 L/min、Ua=240 V 時(shí)的射流長(zhǎng)度最長(zhǎng),Hmax=9 mm,除去射流長(zhǎng)度為0 的工況,Wa=60 L/min、Ua=120 V 時(shí)的射流長(zhǎng)度最短,Hmin=1 mm.

        (2) 通入煤油后,點(diǎn)火器有點(diǎn)燃和未點(diǎn)燃兩種狀態(tài),在同一供氣量下,存在一個(gè)臨界電壓,并且隨著供氣量的增大,臨界電壓逐漸增加.調(diào)壓器電壓越高,點(diǎn)火器供氣量越小,點(diǎn)火器越易點(diǎn)燃,反之則越難點(diǎn)燃.

        (3) 為了達(dá)到預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器良好的點(diǎn)火效果,在進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)時(shí),點(diǎn)火器的供氣量應(yīng)當(dāng)定在Wa=10 L/min 左右,因?yàn)榇藭r(shí)點(diǎn)火器自點(diǎn)火相對(duì)容易,在電源輸出的能量較少的情況下就能實(shí)現(xiàn)自點(diǎn)火,符合預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器設(shè)計(jì)的初衷,即利用煤油燃燒產(chǎn)生的高溫射流代替大功率空氣射流點(diǎn)火器產(chǎn)生的高溫射流進(jìn)行點(diǎn)火.

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