于錦祿，黃丹青，王思博，于慶灝，程行遠(yuǎn)，蔣陸昀，何立明

（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038）

0 引言

“等離子體”一詞是由Langmuir于19世紀(jì)30年代率先提出，是指部分或完全電離的離子化氣態(tài)物質(zhì)。是由帶電的正離子、負(fù)離子、自由基和各種活性基團(tuán)組成的集合體，屬物質(zhì)的第4態(tài)。等離子體中存在的帶電粒子與電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互耦合，因此，等離子體與固體、液體或氣體有本質(zhì)的區(qū)別[1-2]。

在航空領(lǐng)域中等離子體除了具有隱身、增強(qiáng)氣流流動(dòng)穩(wěn)定性的作用外，還可以在燃燒室中點(diǎn)火助燃。等離子體點(diǎn)火能夠拓寬點(diǎn)火包線(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)高空快速重新啟動(dòng)，具有點(diǎn)火區(qū)域大、能量高、延遲時(shí)間短、成功率高等優(yōu)點(diǎn)。等離子體助燃能提高燃燒效率和火焰吹滅速度，擴(kuò)大貧熄邊界，減少污染物排放。點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定燃燒邊界范圍對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有重要影響，等離子體點(diǎn)火助燃技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)引起了世界各國(guó)研究人員的重視，利用各種不同的放電形式和放電結(jié)構(gòu)進(jìn)行點(diǎn)火助燃研究。

本文總結(jié)了目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火所面臨的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有的等離子體點(diǎn)火研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，提出了預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火方案和滑動(dòng)弧等離子體助燃在燃燒室的工作方案，對(duì)等離子體點(diǎn)火與助燃技術(shù)研究以及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用提供參考。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火面臨的問(wèn)題

目前，大部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面都能正常點(diǎn)火且穩(wěn)定燃燒，但是在高空點(diǎn)火面臨較大問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]指出，航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火電嘴的能量已經(jīng)從0.2 J提高到2 J，再到12 J，點(diǎn)火成功與否，關(guān)鍵因素不再是點(diǎn)火能量的問(wèn)題，而是點(diǎn)火設(shè)計(jì)問(wèn)題。傳統(tǒng)電火花點(diǎn)火，形成的點(diǎn)火火團(tuán)離火焰筒壁面太近，無(wú)法進(jìn)入油氣比高、小液滴多的中心回流區(qū)附近（如圖1所示），影響點(diǎn)火效果。

圖1 典型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)

目前，戰(zhàn)斗機(jī)、無(wú)人機(jī)和民用客機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)均面臨高空點(diǎn)火包線(xiàn)需要拓寬的重大需求。

（1）戰(zhàn)斗機(jī)的需求。戰(zhàn)斗機(jī)高空二次點(diǎn)火包線(xiàn)的限制較低，采用補(bǔ)氧等措施可以使點(diǎn)火包線(xiàn)的高度限制得到提升，這也遠(yuǎn)小于戰(zhàn)斗機(jī)的升限20 km，若發(fā)動(dòng)機(jī)在高于點(diǎn)火限制的高度熄火，則必須降低戰(zhàn)斗機(jī)的飛行高度，重新點(diǎn)火后再次升空，此時(shí)必將貽誤戰(zhàn)機(jī)。

（2）無(wú)人機(jī)的需求。無(wú)人機(jī)高空二次點(diǎn)火包線(xiàn)的限制較低，而高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的巡航高度可達(dá)18～20 km（如美國(guó)的全球鷹無(wú)人機(jī)的巡航高度為18.2 km），若發(fā)動(dòng)機(jī)在此高度熄火，必須降低無(wú)人機(jī)的飛行高度重新點(diǎn)火，這就喪失了無(wú)人機(jī)的高空優(yōu)勢(shì)，使其極易被擊落，極大地危及飛行安全。

（3）民用客機(jī)的需求。為了提高經(jīng)濟(jì)性，降低油耗，減少污染物排放，民用客機(jī)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)均采用貧油燃燒技術(shù)，目前民用客機(jī)的理想巡航高度一般為9～11 km，貧油燃燒技術(shù)的高空點(diǎn)火邊界低于此高度，若發(fā)動(dòng)機(jī)在此高度熄火，必須降低飛機(jī)的飛行高度重新點(diǎn)火，這必將危及飛行安全。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火困難的原因是由于高空空氣稀薄、氣壓低、溫度低，燃油霧化質(zhì)量差，使用常規(guī)的火花塞點(diǎn)火，點(diǎn)火能量和面積小，使得燃燒室中的混合氣很難被點(diǎn)燃。當(dāng)飛行速度過(guò)大時(shí)，由于在燃燒室中點(diǎn)火形成的初始火核較小，容易被吹熄。此外，從化學(xué)動(dòng)力學(xué)的角度分析，低壓不利于燃料與空氣的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)壓力降低至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓以下，兩相流混合氣湍流燃燒的物理和化學(xué)過(guò)程發(fā)生很大變化，壓力降低造成穩(wěn)定器回流區(qū)縮小、回流量減少，湍流強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力降低，燃燒室的壓力降低也會(huì)造成燃油的霧化質(zhì)量下降，燃油霧化的索太爾平均直徑增大，即發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)的點(diǎn)火性能和火焰穩(wěn)定性變差，燃燒效率下降[4]。這使得飛機(jī)的空中起動(dòng)包線(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飛機(jī)的飛行包線(xiàn)[5]。典型的飛機(jī)飛行包線(xiàn)和空中起動(dòng)包線(xiàn)如圖2所示。從圖中明顯可見(jiàn)，空中起動(dòng)包線(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飛行包線(xiàn)。

圖2 典型飛機(jī)的飛行包線(xiàn)和空中起動(dòng)包線(xiàn)

2 等離子體點(diǎn)火助燃的基本原理

等離子體點(diǎn)火助燃是利用氣體放電形成局部高溫區(qū)域，并激發(fā)大量的活性粒子，實(shí)現(xiàn)快速的點(diǎn)燃可燃混合氣或強(qiáng)化燃燒的進(jìn)程[6-7]。研究表明，等離子體點(diǎn)火助燃的機(jī)理主要表現(xiàn)為3種效應(yīng)[8-9]：熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和氣動(dòng)效應(yīng)[10-11]。熱效應(yīng)是指在等離子體放電的過(guò)程中能夠瞬間加熱放電區(qū)域的介質(zhì)，使其溫度迅速升高，因此也稱(chēng)其為溫升效應(yīng)；化學(xué)效應(yīng)是指在等離子體放電過(guò)程中，電子與空氣/燃料分子發(fā)生碰撞，大分子碳?xì)淙剂媳浑婋x成活化能很小的帶電活性粒子，空氣中的氧氣和氮?dú)夥肿颖浑婋x成氧化性更強(qiáng)的活性粒子，從而加速化學(xué)鏈鎖反應(yīng)；氣動(dòng)效應(yīng)是指在等離子體放電的過(guò)程會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，一方面增強(qiáng)燃燒室內(nèi)氣流的湍流脈動(dòng)度，另一方面有利于等離子體在混合氣中的定向遷移，而遷移擴(kuò)散又有利于火焰面的擴(kuò)展，擴(kuò)大了火焰的焰鋒面積，增大火焰的傳播速度，增強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定性。

等離子體點(diǎn)火技術(shù)根據(jù)激發(fā)形式的不同分為不同種類(lèi)，包括射流電弧、直接擊穿空氣的電弧、滑動(dòng)弧、電暈、微波等離子體點(diǎn)火和介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）技術(shù)等。而最常見(jiàn)的火花塞點(diǎn)火屬于直接擊穿空氣的電弧等離子體點(diǎn)火；納秒脈沖等離子體點(diǎn)火既能以電弧的形式放電點(diǎn)火也能以電暈形式放電點(diǎn)火；微波等離子體點(diǎn)火是高功率的微波將氣體擊穿后，產(chǎn)生的非平衡等離子體實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火與助燃。

（1）射流電弧等離子體點(diǎn)火。射流等離子體點(diǎn)火（如圖3所示）是利用等離子體射流的高速、高溫（高達(dá)5000 K）和增加活性粒子的特性來(lái)點(diǎn)燃可燃混合氣。射流的介質(zhì)可以是氬氣，也可以是空氣、氮?dú)?、氧氣、氫氣和碳?xì)浠衔锏取Ｆ淙秉c(diǎn)是陽(yáng)極出口的溫度較高，容易被燒蝕，因此可靠性有待提高。

（2）直接擊穿空氣的電弧等離子體點(diǎn)火。直接擊穿空氣的電弧等離子體點(diǎn)火（如圖4所示）是利用高電壓直接擊穿在陰陽(yáng)極之間的空氣的點(diǎn)火形式。

圖3 射流電弧等離子體點(diǎn)火

圖4 直接擊穿混合氣電弧等離子體點(diǎn)火

（3）滑動(dòng)弧等離子體點(diǎn)火。滑動(dòng)弧等離子體點(diǎn)火（如圖5所示）是利用在特殊的變截面結(jié)構(gòu)中的最窄處氣體被擊穿形成電弧，電弧被流動(dòng)的氣體吹向更寬的截面，從而弧也被拉長(zhǎng)。電弧可以產(chǎn)生在1對(duì)電極之間，也可以產(chǎn)生在多個(gè)電極之間[12]。當(dāng)電弧移動(dòng)到臨界長(zhǎng)度時(shí)，電弧會(huì)熄滅，此時(shí)又會(huì)從起始的最窄處形成新的電弧，并不斷重復(fù)上述滑動(dòng)弧的放電過(guò)程。

（4）電暈等離子體點(diǎn)火。電暈等離子體點(diǎn)火（如圖6所示）是利用高壓的納秒脈沖電源，直接擊穿在陰陽(yáng)極之間的混合氣的點(diǎn)火形式。電暈等離子體點(diǎn)火結(jié)構(gòu)與直接擊穿混合氣的等離子體點(diǎn)火形式相類(lèi)似，只是由于外部的電源形式不同，納秒脈沖電源的放電時(shí)間極短，擊穿的流注沒(méi)有來(lái)得及形成電弧而是電暈[13]。

圖5 滑動(dòng)弧等離子體點(diǎn)火

圖6 電暈等離子體點(diǎn)火

（5）微波等離子體點(diǎn)火。微波等離子體點(diǎn)火是利用微波輻射的能量來(lái)點(diǎn)燃混合氣[14]。研究表明，在其點(diǎn)火過(guò)程中，著火點(diǎn)會(huì)均勻分布在燃燒室內(nèi)，與傳統(tǒng)的火花塞點(diǎn)火方式相比，混合氣的燃燒更迅速更充分。

（6）介質(zhì)阻擋放電（DBD）。介質(zhì)阻擋放電是指在放電空間中插入絕緣介質(zhì)的1種氣體放電。相比于其他產(chǎn)生等離子體的方式，DBD可以在大氣壓或高于大氣壓的條件下產(chǎn)生等離子體，不需要真空設(shè)備就能在較低的溫度下獲得化學(xué)反應(yīng)所需的活性粒子，產(chǎn)生特殊的光、熱、聲、電等物理過(guò)程及化學(xué)過(guò)程[14]。

介質(zhì)在電極空間的放置位置和方式也有多種，典型的介質(zhì)阻擋放電原理結(jié)構(gòu)如圖7所示，放電效果如圖8所示。

從目前的研究結(jié)果來(lái)看[16-17]，等離子體點(diǎn)火助燃帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)有：拓寬點(diǎn)火邊界、縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間、提高點(diǎn)火可靠性、穩(wěn)定火焰、加速燃燒、提高燃燒效率、降低燃油消耗等。因此等離子體點(diǎn)火助燃是擴(kuò)大點(diǎn)火邊界，提高穩(wěn)定燃燒范圍的有效技術(shù)途徑之一。

圖7 DBD的典型電極結(jié)構(gòu)

圖8 DBD放電效果

3 等離子體點(diǎn)火助燃技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代初期，等離子體點(diǎn)火助燃技術(shù)的應(yīng)用方向逐漸由地面大型燃燒裝置轉(zhuǎn)向航空航天動(dòng)力裝置，特別是隨著等離子體動(dòng)力學(xué)、燃燒動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，等離子體點(diǎn)火助燃技術(shù)受到航空航天動(dòng)力界的高度關(guān)注和重視。

1988年，英國(guó)RR燃料加注公司燃燒研究室和利茲大學(xué)機(jī)械工程系合作[18]，利用高空試驗(yàn)臺(tái)在發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)管形燃燒室上使用等離子體點(diǎn)火器點(diǎn)火成功，驗(yàn)證了該技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的可行性和優(yōu)越的高空二次點(diǎn)火能力。

1989年，前蘇聯(lián)中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造研究院在前蘇聯(lián)航空技術(shù)展覽會(huì)上推出了1種能夠應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)[18]，并在米格戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行了高海拔點(diǎn)火試驗(yàn)。

1992年，美國(guó)GE公司、西門(mén)子發(fā)動(dòng)機(jī)精密系統(tǒng)公司、航空等離子技術(shù)公司以航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室和加力燃燒室為應(yīng)用對(duì)象申請(qǐng)了等離子流點(diǎn)火系統(tǒng)的專(zhuān)利。美國(guó)GE公司公開(kāi)的可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的連續(xù)式等離子流點(diǎn)火器，增加了保護(hù)電極和噴射孔的冷卻流路，其工作溫度更高，并將噴射孔道制成收/擴(kuò)形，關(guān)鍵部位采用耐高溫合金材料，而且與飛機(jī)上常規(guī)火花點(diǎn)火器配合使用的電壓基本能滿(mǎn)足這種點(diǎn)火器產(chǎn)生等離子體的要求。

在美國(guó)“綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃（IHPTET）”中，用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)是該計(jì)劃第2發(fā)展階段的重點(diǎn)研制項(xiàng)目之一。美國(guó)空軍推進(jìn)系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室將等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)列為未來(lái)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)之一。

美國(guó)國(guó)防部支持的跨學(xué)科研究計(jì)劃M(mǎn)URI(Multidisciplinary University Research Initiative)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金等機(jī)構(gòu)資助了很多等離子體強(qiáng)化燃燒領(lǐng)域的研究項(xiàng)目。美國(guó)從事等離子體強(qiáng)化燃燒研究的單位主要有：普林斯頓大學(xué)[19]、南加州大學(xué)[20]、俄亥俄州立大學(xué)[21]、斯坦福大學(xué)[22]、海軍研究生院[23]、空軍實(shí)驗(yàn)室[24]、辛辛那提大學(xué)[25]、密歇根州立大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院、伊利諾伊大學(xué)香檳分校、美國(guó)應(yīng)用等離子體技術(shù)(Applied Plasma Technologies,APT)公司等。普林斯頓大學(xué)的研究重點(diǎn)是等離子體助燃技術(shù)的應(yīng)用及助燃機(jī)理，試驗(yàn)證實(shí)等離子體可以有效拓寬燃燒室的熄火極限，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?shí)現(xiàn)更寬氣壓、更低氣流溫度、極貧條件下燃料/空氣混合氣的點(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒[19]；南加利福尼亞州立大學(xué)的研究重點(diǎn)是高性能納秒脈沖等離子體電源的研制和瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火技術(shù)[20]；俄亥俄州立大學(xué)主要研究高頻高壓納秒脈沖等離子體助燃技術(shù)[21]；斯坦福大學(xué)重點(diǎn)研究非平衡等離子體強(qiáng)化沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒性能技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明非平衡等離子體可以增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性，大幅提高預(yù)混火焰的吹熄速度，等離子體中的活性粒子具有縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間、提高火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊哪芰22]；美國(guó)海軍研究生院重點(diǎn)研究脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)等離子體點(diǎn)火技術(shù)，試驗(yàn)表明瞬態(tài)等離子體點(diǎn)火可縮短燃料/氧化劑的起爆時(shí)間以及緩燃到爆震的轉(zhuǎn)換（DDT）距離[23]；美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研究超聲速等離子體點(diǎn)火與助燃技術(shù)[24]；辛辛那提大學(xué)重點(diǎn)研究燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室瞬態(tài)非平衡等離子體提高火焰穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)[25]。

Applied Plasma Technologies(APT)公司是等離子體點(diǎn)火與助燃領(lǐng)域非常著名的公司，每隔2年會(huì)組織等離子體放點(diǎn)應(yīng)用的專(zhuān)題研討會(huì)。該公司研發(fā)了大量的等離子體點(diǎn)火與助燃試驗(yàn)設(shè)備，重點(diǎn)研制等離子體點(diǎn)火器、等離子體燃料噴嘴、等離子體助燃燃燒器，向美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、PW公司等提供技術(shù)支持。

美國(guó)的APT公司開(kāi)發(fā)的等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的高海拔測(cè)試，再次證明了即使與帶補(bǔ)氧的先進(jìn)火花塞系統(tǒng)相比，航空航天應(yīng)用的等離子體點(diǎn)火技術(shù)也有明顯優(yōu)勢(shì)，如圖9所示[26]。

圖9 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)火邊界

2003年，APT公司使用基于電弧放電的等離子體射流點(diǎn)火技術(shù)來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的高空二次點(diǎn)火可靠性，并在Su30/33/37飛機(jī)上成功進(jìn)行了12 km高空的等離子體點(diǎn)火試驗(yàn)[27]，展示了良好、可靠的高空點(diǎn)火性能。

2006年，俄羅斯的Korolev與美國(guó)APT公司的Igor Matveev等[27]合作，在傳統(tǒng)的等離子體射流點(diǎn)火的基礎(chǔ)上研制出等離子體燃料噴嘴，可以用于燃料霧化、點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定。其研究表明，等離子體燃料噴嘴能夠提高點(diǎn)火可靠性、具有更寬廣的點(diǎn)火范圍、降低燃燒室壁溫、減小燃燒室的核心區(qū)域、增加燃燒。2015年美國(guó)APT公司提出將等離子體燃料噴嘴應(yīng)用到第5代發(fā)動(dòng)機(jī)上[28]，但并沒(méi)指明具體的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)以及如何應(yīng)用。APT公司研制的等離子體燃料噴嘴如圖10所示，研制的等離子體點(diǎn)火器如圖11所示。

2005年，維吉尼亞工業(yè)州立大學(xué)的Billingsley等[29]改進(jìn)傳統(tǒng)等離子體點(diǎn)火技術(shù)，將航空煤油以一定的角度噴向等離子體流，使航空煤油被霧化并且點(diǎn)燃，研制的點(diǎn)火器出口結(jié)構(gòu)如圖12所示。研究表明，該結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火器具有良好的點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定性能。

圖10 APT公司研制的等離子體燃料噴嘴

圖11 APT公司研制的系列等離子體點(diǎn)火器

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)燃燒室等離子體點(diǎn)火與助燃的研究起步較晚，當(dāng)前仍然處于原理驗(yàn)證與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，從事此項(xiàng)研究的單位較少，與國(guó)外相比有一定差距。

圖12 航空煤油被點(diǎn)火器的射流霧化（冷態(tài)）

2006年，哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院的冀光等[30]在不同的進(jìn)口壓力工況條件下，試驗(yàn)研究了某型燃?xì)廨啓C(jī)的等離子點(diǎn)火系統(tǒng)。分析了火焰的剛性，得到了等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠點(diǎn)火范圍。

空軍工程大學(xué)從2007年開(kāi)始，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了等離子體點(diǎn)火技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究，在等離子體點(diǎn)火與助燃的機(jī)理、數(shù)值模擬及其原理與基礎(chǔ)性試驗(yàn)方面進(jìn)行了大量研究工作。設(shè)計(jì)制造出了多種等離子體點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電源，并設(shè)計(jì)了多種等離子體點(diǎn)火器，如圖13所示，搭建了環(huán)形燃燒室等離子體助燃的地面驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)，如圖14所示。

圖13 系列等離子體點(diǎn)火器

圖14 航空發(fā)動(dòng)機(jī)扇形燃燒室試驗(yàn)段等離子體點(diǎn)火助燃試驗(yàn)平臺(tái)

近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)先后與航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所合作，在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的地面和模擬高空等離子體點(diǎn)火與助燃試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火邊界的效果，顯示出基于電弧放電的等離子體射流點(diǎn)火和基于介質(zhì)阻擋放電助燃的優(yōu)良性能，驗(yàn)證了等離子體射流點(diǎn)火和基于介質(zhì)阻擋放電助燃在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的可行性。團(tuán)隊(duì)研制的等離子體點(diǎn)火器噴出的火舌（炬）如圖15所示。

圖15 等離子體點(diǎn)火器噴出的火舌（炬）

自2012年開(kāi)始，中科院國(guó)家高溫氣體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Li Fei和Yu Xi-long等[31]進(jìn)行了等離子體火炬點(diǎn)火技術(shù)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究，對(duì)以航空煤油為燃料的Ma=1.8的超聲速氣流點(diǎn)火成功。

從整體上看，國(guó)內(nèi)在等離子體點(diǎn)火助燃研究方面與國(guó)外存在較大差異。主要表現(xiàn)在以下幾方面：等離子體點(diǎn)火助燃測(cè)試診斷；等離子體點(diǎn)火助燃的基礎(chǔ)研究；等離子體點(diǎn)火與助燃技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。

4 新型點(diǎn)火助燃結(jié)構(gòu)

4.1 預(yù)燃式等離子體點(diǎn)火器

基于傳統(tǒng)等離子體射流點(diǎn)火在航空領(lǐng)域中的研究成果，為了提高射流點(diǎn)火的射流剛度，增大點(diǎn)火能量，降低能耗，提出1種新型預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火技術(shù)。其工作原理是：在常規(guī)等離子體射流點(diǎn)火器的出口處噴入燃料，與高溫空氣等離子體射流進(jìn)行摻混，經(jīng)過(guò)電離、加熱、部分預(yù)燃后噴出噴嘴，在噴嘴外部形成強(qiáng)大的高溫等離子體點(diǎn)火射流火炬，等離子體射流火炬加熱并卷吸混合氣，迅速可靠地點(diǎn)燃燃燒室中的可燃混合氣，尤其是在高空/高速等極端條件下燃燒室內(nèi)的混合氣，從而大幅拓寬點(diǎn)火包線(xiàn)。電火花點(diǎn)火和等離子體點(diǎn)火的點(diǎn)火邊界對(duì)比如圖16所示，預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖16 電火花點(diǎn)火和等離子體點(diǎn)火邊界

圖17 預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)

預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器以空氣為介質(zhì)甲烷為預(yù)燃燃料，在不同的預(yù)燃燃料條件下點(diǎn)火火焰如圖18所示。從圖中可見(jiàn)，在驅(qū)動(dòng)電流為20 A、空氣流量為25.80 g/min時(shí)，隨著甲烷空氣混合氣中甲烷含量的提升，射流長(zhǎng)度大大增加，更有利于極端條件下的點(diǎn)火。

在驅(qū)動(dòng)電流分別為20、25、30 A的條件下，甲烷/空氣流量比R對(duì)射流長(zhǎng)度的影響如圖19所示。從圖中可見(jiàn)，加入甲烷后能夠顯著增加射流長(zhǎng)度，而驅(qū)動(dòng)電流I對(duì)射流長(zhǎng)度的影響一般較小，現(xiàn)有試驗(yàn)表明在一定的驅(qū)動(dòng)電流下，射流長(zhǎng)度的增加主要是因?yàn)镽的增大而非混合氣總流量的增大。

圖19 射流長(zhǎng)度隨甲烷含量和驅(qū)動(dòng)電流的變化規(guī)律

與常規(guī)等離子體射流點(diǎn)火技術(shù)相比，預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

（1）燃料的預(yù)先燃燒可以釋放更多熱量，使射流的點(diǎn)火能量和點(diǎn)火面積更大，大幅拓寬點(diǎn)火邊界；

（2）是提高射流剛度的有效途徑。預(yù)先燃燒釋放的熱量可以使射流流量更大，從而獲得更高剛度的射流，提高點(diǎn)火可靠性；

（3）降低基于電弧放電的等離子體射流點(diǎn)火能耗。結(jié)合預(yù)先燃燒釋放的熱量提高射流點(diǎn)火能量、降低輸入的電壓電流，使高能耗的放電轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芎牡姆烹?，減小等離子體電源的體積。

在傳統(tǒng)等離子體射流點(diǎn)火技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了提高等離子體射流點(diǎn)火的可靠性，對(duì)傳統(tǒng)等離子體射流點(diǎn)火技術(shù)加以改進(jìn)，發(fā)展出一些新型等離子體射流點(diǎn)火結(jié)構(gòu)。

4.2 滑動(dòng)弧等離子體助燃

滑動(dòng)弧放電等離子體屬于非平衡低溫等離子體。利用在特殊的變截面結(jié)構(gòu)中的最窄處氣體被擊穿形成電弧，電弧被流動(dòng)的氣體吹向更寬的截面，從而弧也被拉長(zhǎng)。當(dāng)電弧移動(dòng)到臨界長(zhǎng)度時(shí)會(huì)熄滅，此時(shí)從起始的最窄處形成新的電弧，并不斷重復(fù)上述滑動(dòng)弧的放電過(guò)程。電弧可以產(chǎn)生在1對(duì)電極之間，也可以產(chǎn)生在多個(gè)電極之間。傳統(tǒng)滑動(dòng)弧放電結(jié)構(gòu)尺寸較大，制約了其在動(dòng)力裝置中使用。在傳統(tǒng)2維滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒激勵(lì)器的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的發(fā)明了新型3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒激勵(lì)器，其放電效果如圖20所示，其結(jié)構(gòu)如圖21所示[33]。3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧的特點(diǎn)是電極可以很小，旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧可以在整個(gè)腔體范圍內(nèi)工作。

圖20 3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒激勵(lì)器的放電效果

圖21 3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒激勵(lì)器結(jié)構(gòu)

基于3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧的寬范圍旋流燃燒的工作原理是：在航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的多旋流器燃燒室頭部的基礎(chǔ)上，利用預(yù)燃級(jí)燃料噴嘴作為旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧的內(nèi)電極，利用第1、2級(jí)內(nèi)外旋流器之間的文氏管內(nèi)壁面作為旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧的外電極，內(nèi)、外電極組成滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒激勵(lì)器。當(dāng)滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒激勵(lì)器通電工作時(shí)，通過(guò)第1級(jí)旋流器對(duì)氣流的旋流作用，產(chǎn)生3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧，其與燃油混合氣充分耦合，可燃混合氣被滑動(dòng)弧加熱、電離、裂解成更有利于燃燒的小分子或活性粒子，在燃燒區(qū)提前燃燒、高效燃燒，擴(kuò)大燃燒區(qū)域，提高燃燒效率，可以實(shí)現(xiàn)貧油點(diǎn)火、貧油燃燒，最終實(shí)現(xiàn)寬范圍點(diǎn)火和燃燒，達(dá)到強(qiáng)化燃燒的目的?；?維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧的寬范圍旋流燃燒的工作原理如圖22所示。圖中所示的第2級(jí)旋流器也可為徑向旋流器。

圖22 3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧的寬范圍旋流燃燒工作原理

與常規(guī)多旋流器燃燒室頭部相比，基于3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧的寬范圍燃燒室頭部的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

（1）可燃混合氣被滑動(dòng)弧加熱、電離、裂解成更有利于燃燒的小分子或活性粒子，提高燃燒效率；

（2）實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的貧油點(diǎn)火、低溫點(diǎn)火和貧油燃燒，擴(kuò)大燃燒室的穩(wěn)定燃燒范圍，實(shí)現(xiàn)寬范圍的點(diǎn)火和燃燒。

預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火通過(guò)燃料燃燒，增加射流能量，能夠降低所需電源的驅(qū)動(dòng)功率，并顯著增加射流長(zhǎng)度，3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧助燃方式與燃燒室更加匹配，簡(jiǎn)化助燃結(jié)構(gòu)。若未來(lái)能將二者結(jié)合使用，與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行匹配控制，能夠提高燃燒室燃燒效率，擴(kuò)展點(diǎn)火邊界，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

5 總結(jié)

等離子體點(diǎn)火能克服傳統(tǒng)電火花放電的不足，拓寬點(diǎn)火包線(xiàn)，縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，提高點(diǎn)火可靠性，實(shí)現(xiàn)高空快速重新起動(dòng)。通過(guò)對(duì)預(yù)燃式等離子體點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)特性研究，發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)火器能夠迅速可靠地點(diǎn)燃燃燒室中的可燃混合氣，特別適合燃燒室在高空/高速等極端條件下點(diǎn)火。等離子體助燃改變?nèi)剂系娜紵隣顟B(tài)，能提高燃燒效率，增大火焰?zhèn)鞑ニ俣?，擴(kuò)大穩(wěn)定燃燒范圍。3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒激勵(lì)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與燃燒室結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，能夠組織高效的穩(wěn)定燃燒，實(shí)現(xiàn)燃燒室在貧油或低溫工況下成功點(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒，保證出口溫度均勻。

6 展望

燃燒室作為發(fā)動(dòng)機(jī)的3大核心部件之一，點(diǎn)火可靠性與穩(wěn)定燃燒范圍是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要因素，等離子體點(diǎn)火助燃技術(shù)將在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，但該技術(shù)還不夠成熟，仍需在以下領(lǐng)域開(kāi)展更加深入的研究工作：

（1）等離子體點(diǎn)火助燃的能量要求較高，需要的能量大、能耗高、電源功率大，導(dǎo)致電源體積過(guò)大，影響其在飛機(jī)上使用，需要探索更合理的點(diǎn)火結(jié)構(gòu)來(lái)更高效地利用能量；

（2）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果已經(jīng)證明了等離子體點(diǎn)火與助燃技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，國(guó)外的部分設(shè)備已經(jīng)接近實(shí)用，但是對(duì)于等離子體點(diǎn)火和助燃的詳細(xì)機(jī)理還不夠清楚，需要加大對(duì)點(diǎn)火助燃基礎(chǔ)理論方面的研究；

（3）目前的等離子體點(diǎn)火器電極加工較為困難，陽(yáng)極燒蝕較為嚴(yán)重，需要在點(diǎn)火器整體設(shè)計(jì)以及電極材料的選取加工上多加探索。

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