航空发动机电点火器的火花放电能量转换及优化设计研究.pdfVIP

南京航空航天大学硕士学位论文

摘要

火花放电是常见的航空发动机点火方式，通过火花放电在可燃油气混合物中注入能量引燃

可燃气体。为了能实现航空发动机高空点火，提升电点火器的点火性能是关键。本文重点研究

了电点火器的火花放电特性及能量转换，并优化点火器结构及开展地面点火实验验证。

研究电点火器的火花放电基础特性。发现放电回路工作于欠阻尼振荡状态，火花塞自身电

感导致电流总是滞后于电压。考虑半导体层损耗的影响，优化了火花能量计算方法，提高能量

计算的准确性。采用高速纹影法观测放电造成的流场扰动，发现放电产生明显的湍流和冲击波，

+

有利于增强燃料与空气的混合。采用辐射光谱法测量等离子体的成分，发现放电产生了N、

2

+15-3

O、O、H等活性粒子，火花放电的电子密度达到8.15×10cm、气体温度为2510K。

2a

研究电点火器中放电能量转换过程。发现电容值、击穿电压增加时，火花能量均增大，而

电能转换效率降低；当电极间距、半导体层深度增大时，火花能量和电能转换效率均增大。建

立火花放电全局模型，分析放电过程中能量和粒子种类变化，发现电子主要通过弹性碰撞和电

离过程进行能量转换，重粒子主要通过电离、激发、复合等过程进行能量转换。发现火花能量

仅占电容储能的49.23-54.99%，气体内能（即重粒子总和热能）占火花能量40.91-62.51%，而

气流动能占比可忽略不计。能量损失主要包括放电回路等效电阻发热、电容放电不完全、放电

过程中电离及辐射、热传导和对流等。

多通道电点火器优化设计及地面点火验证。基于直接通过放电扩大点火火核的思路，在传

统的单通道电点火器的基础上，在不改变整体尺寸和储能能量的前提下，在点火器头部设计了

多对电极，并配合多路并联电路，研制了多通道电点火器。发现多对电极的放电时间间隔仅为

2-20s，且多通道电点火器的火花能量、电能转换效率和气流动能均高于传统单通道电点火器。

基于航空发动机高空点火的地面模拟平台，点火实验验证了多通道电点火器的点火性能优于传

统单通道电点火器，拓宽了约20%的点火边界，为实现航空发动机高空点火提供重要参考。

关键词：火花放电，能量转换，空气放电，电点火，点火器

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航空发动机电点火器的火花放电能量转换及优化设计研究

ABSTRACT

Sparkdischargeisacommonignitionmethodforaero-engine.Itinjectsenergyintothe

explosiveoil-gasmixturetoignitethecombustiblegasthroughsparkdischarge.Toachieve

high-altitudeignitionofaero-engine,improvingtheignitionperformanceoftheelectricigniteristhe

key.Thispaperfocusesontheelectricigniterssparkdischargecharacteristicsandenergyconversion,

optimizestheigniterstructure,andcarriesoutgroundignitionexperimentverification.

First,thesparkdischargecharacteristicsoftheelectricigniterarestudied.Iti