[发明专利]一种航空发动机空气旋流等离子体点火器

说明书

技术领域

本发明涉及航空动力领域的等离子体点火与燃烧强化技术，等离子体点火器以空气为工作介质，工作介质经高压击穿形成电弧放电，以高温射流的形式从点火器喷口射出，形成高温火舌，利用富含活性粒子的高温、高速等离子体射流来点燃航空发动机燃烧室内的油气混合气。

背景技术

随着战斗机性能的不断提高，对航空发动机燃烧室在高机动和高空工作条件下的起动特性和提出了更高的要求。目前，国内外航空发动机使用的高能点火装置通常采用半导体电嘴，长期在恶劣的高温环境中工作，其半导体特性逐渐老化，电嘴击穿电压越来越高，逐渐超过点火器的工作电压而失效，使点火装置输出的低频高压脉冲无法击穿半导体电嘴，导致整套电火装置失效。另外，常规点火装置的点火能量较低，而我国的航空燃气涡轮发动机存在高原、高/低温和高空小表速情况下的点火边界不足的问题，常规的点火系统很难满足高空（特别是20km以上乃至临近空间）发动机空中再次起动的需要。

等离子体点火技术具有点火能量大、火舌穿透力强等特点，有利于提高在恶劣工作环境（近空间）条件下点燃高速流动燃料/空气混合气的可靠性，扩大点火范围，改善发动机的空中起动性能。因此，进行航空发动机燃烧室等离子体点火技术研究，是航空发动机发展和使用中提高其安全性、工作可靠性的迫切需要，为等离子体点火技术在高推重比涡扇发动机、大功重比涡轴发动机燃烧室中的应用提供技术储备。

等离子体点火技术的研究早在20世纪70年代就引起了各国专家的广泛关注。但由于受当时技术条件的限制，其研究仅限于工业燃烧方面。80年代中期，该技术开始转向地面燃机和航空航天动力装置上。特别是随着燃烧动力学和其他高科技的发展，等离子体点火技术以其固有的特点和显著的优势逐渐受到航空航天动力界的高度关注和重视。近年来，世界航空大国都开始进行适用于航空、航天发动机燃烧室和加力燃烧室中的等离子体点火技术的研究。美国和俄罗斯等航空发达国家已经研制出等离子体点火器，并在航空发动机上进行了高空点火验证试验，等离子体点火的很多关键技术得到了较大的发展。

1988年，英国RR燃料加注公司燃烧研究室和利兹大学机械工程系利用AIT高空试验台在发动机环管形燃烧室上使用火花塞集束放电等离子体点火器成功地进行了试验，验证了该技术在航空发动机上应用的可行性和优越的高空二次点火能力。1992年，美国GE公司、西门子发动机精密系统公司、航空等离子技术公司以航空发动机主燃烧室或加力燃烧室为应用对象申请了等离子体点火系统的专利（图1）。2004年，美国Applied Plasma Technologies（APT）公司的Igor Matveev等对所研制的等离子体点火器进行了12Km高空等离子体点火试验，展示了其良好可靠的高空点火性能。

我国的等离子体点火研究起步较晚，技术基础比较薄弱，等离子体点火技术在民用锅炉、地面和舰用燃气轮机上有一定的应用，在航空发动机燃烧室中应用的关键技术还有待进一步研究。1998年烟台龙源电力技术有限公司制造出第一台DLZ-200工业型等离子点火装置（图2），在常温送粉的情况下，成功点燃了挥发份为11％的淄博贫煤。2001年哈尔滨工程大学承担了GT25000舰用燃气轮机的脉冲式等离子点火系统国产化任务。上述两种等离子体点火器主要用于民用锅炉和舰用燃气轮机中，等离子体点火器的体积和重量较大，引弧方式为电极直线滑动拉弧，不适于在航空发动机燃烧室的高温高压环境中使用。2006年，西北工业大学动力与能源学院的宋文艳等和中国空气动力研究与发展中心合作（图3）在超燃冲压发动机燃烧室中进行了等离子体点火，等离子体点火器在预燃室中点燃氢气后形成火舌，从而在超音速条件下点火，实现了煤油在超音速条件下的可靠点火和稳定燃烧。该等离子体点火器体积和重量较大，电极温度高、无冷却、寿命短，而且工作环境压力低，不适于在航空发动机燃烧室的高温高压环境中使用。

发明内容

为克服现有技术中存在的体积和重量较大，电极温度高、无冷却、寿命短，而且工作环境压力低，不适于在航空发动机燃烧室的高温高压环境中使用的不足，本发明提出了一种航空发动机空气旋流等离子体点火器。