滑動弧等離子體強化燃燒技術在航空發動機中的研究進展

于錦祿，趙兵兵，郭昊，徐哲霖，胡雅驥，范瑋，徐華勝

（1.空軍工程大學航空工程學院，西安 710003；2.西北工業大學，動力與能源學院，西安 710072；3.中國航發四川渦輪研究院，成都 610599）

0 引言

隨著航空發動機性能不斷提高，燃燒室的工作條件不斷惡化，點火難度更大，熄火邊界也很難滿足要求。航空發動機燃燒室普遍采用火花塞點火。發動機在地面工作時，燃燒室的進口空氣溫度、壓力適中，空氣流速較小，燃燒室的點火起動較為容易。但是在空中再點火狀態下，燃油流量小，供油壓力低，導致燃油霧化差；同時燃燒室進口氣流溫度低，進氣速度大，導致此時點火的可靠性和成功率較低。

近年來，利用等離子體放電強化航空發動機燃燒是該方向的研究熱點。常見的產生等離子體的方式主要包括：介質阻擋、電暈、輝光、微波、電弧、微波、滑動弧放電等。其中滑動弧等離子體強化燃燒技術是一種新型的強化燃燒技術。滑動弧放電是指2個電極在高壓電場激勵下產生電弧通道，電弧在氣流驅動下沿氣流流向向下游滑動的一種動態的電弧放電形式。在滑動弧放電過程中，能促使電極間的介質發生等離子體放電化學反應，產生豐富的活性基團和高能電子等。這些活性粒子能夠參與化學反應，加速其進程。正是因為具有這些獨特的性質，滑動弧等離子體在降解污染物、處理污水、重整燃料、消毒殺菌、強化燃燒等方面應用廣泛。

在滑動弧放電過程中會產生大量的活性基團和激發態粒子，強化燃燒的效果明顯，但是如何將其與航空發動機結構結合是一個難題。2017年，于錦祿在第3屆全國青年燃燒學術會議上首次提出將滑動弧與航空發動機燃燒室頭部結合的概念，并創新性的給出了基于滑動弧助燃的發動機燃燒室頭部方案；2018年，于錦祿等給出了詳細的滑動弧與航空發動機燃燒室頭部結合的方案。后續的研究表明，滑動弧在航空發動機燃燒室強化燃燒方面突顯出的優勢主要包括以下3個方面：

（1）點火。可燃混合氣經過滑動弧放電區域，燃油被滑動弧加熱、電離、裂解成更有利于燃燒的小分子或活性粒子，可以實現航空發動機燃燒室的貧油點火和低溫點火，擴大燃燒室的點火邊界，實現寬范圍的點火，并縮短點火延遲時間；

（2）助燃。混合氣中的燃油被強迫霧化、電離和裂解，提高燃油霧化質量，擴寬穩定燃燒范圍，拓寬發動機燃燒室的熄火邊界，實現寬范圍的燃燒。同時還可以提高燃燒效率，降低燃燒污染物排放；

（3）滑動弧放電可采用交流電源，能量消耗低，對電源要求低，可替代原發動機的點火器。

本文歸納了目前航空發動機點火所面臨的問題，并介紹了現有的滑動弧強化燃燒技術研究進展。

1 滑動弧強化燃燒的作用機制

滑動弧放電產生的電子溫度較低而電子數密度較大，具有典型的低溫等離子體特征，具有放電結構簡單、電源功率小、激勵參數易調節、電極壽命長和活性粒子激發效率高等優點。2維滑動弧放電結構和效果如圖1所示。當滑動弧的上下2個擴張型電極接通高壓電時，在時刻首先會在最小間距位置處擊穿電弧，隨著氣流的流動，電弧沿著電極向右移動并被拉長，并在時刻被吹動到下游位置；如果加載在電極上的電壓足夠高，電弧會被持續拉長滑動到位置，直到電弧的長度大于其臨界長度后，電弧熄滅，之后會在最小間距處重新擊穿，并重復電弧的滑動過程。

圖1 2維滑動弧放電結構和效果

等離子體點火助燃的機理主要表現為熱效應、化學效應和氣動效應。滑動弧放電是等離子體放電中的一種，在強化燃燒方面主要體現在化學效應和熱效應2方面。

（1）化學效應。

滑動弧強化燃燒的化學效應是基于非平衡等離子體放電產生的化學活性粒子來提高燃料的燃燒特性，實質是滑動弧等離子體放電中高能電子與中性粒子間的碰撞引發重粒子的離解、激發甚至電離，產生大量的活性粒子，從而影響燃燒系統的化學平衡。滑動弧等離子體助燃的化學效應如圖2所示。

圖2 滑動弧等離子體助燃的化學效應

以煤油空氣混合氣為例，試驗證明，一方面，滑動弧在放電過程中，大分子的煤油裂解成大量的O、H、OH、CH、CO、CH、CH、CH、CH、CH等活性更高的粒子和小分子。活性粒子可以提高化學反應速率和火焰傳播速度；CH、CH、CH、CH、CH等小分子氣相燃料的化學反應速率更高，需要的最小點火能量更小，更容易著火和燃燒，可以縮短點火延遲時間。另一方面，滑動弧在放電過程中，電子與燃料分子發生碰撞，大分子碳氫燃料被電離成活化能很小的帶電小碳鏈活性粒子，加速了化學鏈鎖反應，強化燃燒效果。總之，滑動弧強化燃燒通過產生活性基、激發態粒子、離子和電子將放電能量耦合到燃燒過程中，放電產生的活性粒子會改變燃料的化學反應速率，加快燃燒反應，強化燃燒過程。

（2）熱效應。

滑動弧強化燃燒的溫升效應是指滑動弧放電過程引起的氣流溫度升高對燃燒過程中化學反應進程的影響，可以減少點火需要的最小點火能量，增強燃燒的穩定性。滑動弧等離子體助燃的溫升效應如圖3所示。研究表明，非平衡等離子體放電中的一部分能量用于加熱放電介質。另外，在相同放電條件下，與氮氣-燃料放電中燃料溫升相比，空氣-燃料放電時溫度升高更加顯著，這是由于等離子體放電時O原子等活性粒子的存在導致燃料氧化并釋放熱量，使燃料/空氣混合氣的溫度接近自著火溫度而導致點火發生。

圖3 滑動弧等離子體助燃的溫升效應

滑動弧強化燃燒的2種效應并不是相互獨立的，而是同時存在、同時發生，相互耦合相互影響。施加滑動弧助燃激勵后放電區域快速放熱、工作介質氣體溫度升高，化學反應速率增大，放電生成的活性粒子濃度提高，粒子的輸運強度增大，化學效應、溫升效應增強；化學效應提高了自由基的初始濃度，改變鏈的激發和傳播過程，加快燃燒反應的傳熱、傳質過程，使化學反應的放熱量增大，介質溫度升高，同時誘導局部的流場擾動，溫升效應、化學效應增強。

2 滑動弧強化燃燒的研究現狀

20世紀80年代初期，等離子體點火助燃技術開始受到航空航天動力領域研究人員關注和重視，滑動弧強化燃燒技術作為其中一種得到了飛速發展。總體上看，國內外對滑動弧的研究主要包括放電特性、數值仿真、強迫霧化和強化燃燒研究4方面。

2.1 放電特性研究

放電特性是研究滑動弧強化燃燒的基礎特性，是決定強化燃燒效果的重要因素，需要重點關注。近年來，國內外學者們針對滑動弧放電等離子體開展了大量研究，包括采用不同的電源（直流電源、交流電源）和不同放電結構的激勵器，從2維滑動弧放電、3維旋轉滑動弧放電，到磁驅動的滑動弧發電，研究范圍覆蓋放電的電壓電流特性、電弧的動態特性、滑動弧放電的滑動模式、光譜特性以及紅外特性等。

Zhang等研究了尖-尖電極滑動弧放電的放電特性，發現有2種放電模式，從電信號和電弧形態特征將2種模式總結為重復擊穿的火花模式和小電流峰值的類似輝光放電模式。尖-尖滑動弧放電在不同介質流量下的放電圖像如圖4所示。

圖4 尖-尖滑動弧放電在不同介質流量下的放電圖像

圖5 OH-PLIF拍攝的OH基分布的演變過程

Yukihiro等開展了大氣壓交流滑動弧等離子體放電的試驗研究，表明可以通過提高交流頻率、降低氣體流速等方法來增加電弧的臨界長度。證明了氣體流速對電弧長度的變化有顯著影響。不同放電間距下滑動弧放電的照片如圖6所示。

朱家健等通過光譜診斷的方法研究了空氣流量對滑動弧電弧動力學、OH分布和UV光譜特征的影響，特別關注了局部湍流和滑動弧放電電弧之間的相互作用。在較低流速下，電弧的弧根穩定在電極頂部的尖端；而在較高流速下，電弧在2極間最小間距處產生并沿電極向上旋轉滑動。電弧的熄滅時間隨著流量的增加而縮短，同時放電過程從類似輝光型轉換為火花型。不同流量下滑動弧放電OH基分布如圖7所示。并在2017年利用非接觸式的光學診斷技術，獲得了滑動弧放電的輸運溫度。采用同時測量等離子柱的瞬時長度、放電電壓和輸運溫度來計算瞬時的電場強度，并由此推算出滑動弧放電的電子溫度。

圖6 不同放電間距下滑動弧放電的照片

圖7 不同流量下滑動弧放電OH基分布

何立明等開展了多因素對2維滑動弧以及3維旋轉滑動弧放電特性的影響研究，針對電極結構、射流流量以及放電電壓進行了大氣壓交流滑動弧放電的電信號測量和高速CCD拍攝。通過分析電信號特征和電弧運動形態，定義了放電過程中存在的2種滑動模式，即穩定電弧滑動模式和擊穿伴隨滑動模式。旋轉滑動弧的CCD照片疊加如圖8所示。并在2019年開展了環境壓力對3維旋轉滑動弧等離子體助燃激勵器放電特性的影響研究。電弧的滑動模式隨氣壓升高由擊穿伴隨模式發展為穩定滑動模式，電弧擊穿電壓也隨之升高。

圖8 旋轉滑動弧的CCD照片疊加

Zhang等開展了磁驅動滑動弧放電的試驗研究，分析了氣體流速以及磁場強度等因素對旋轉滑動弧等離子體的放電特性的影響規律。驗證了前人的類似結論，隨著介質氣體流量的增大電弧旋轉模式發生快速轉變，放電電壓大幅降低。磁驅動滑動弧放電的2種模式如圖9所示。

圖9 磁驅動滑動弧放電的2種模式

張若兵等詳細研究了電極結構對滑動弧放電的影響規律，為優化滑動弧放電的電極結構提供了大量的實踐經驗。不同電極結構下滑動弧放電圖像如圖10所示。

圖10 不同電極結構下滑動弧放電

2.2 數值仿真研究

滑動弧放電強化燃燒的仿真涉及多學科交叉融合，包括等離子體物理、空氣動力學、燃燒學、傳熱學等，涉及的時間、空間尺度跨度大，因此給仿真計算帶來了很大難度。

3) 航線覆蓋范圍.航線對航運公司擇港決策有一定的影響[10]，故深圳港應該設計合理的航線以吸引更多貨主.華南公共駁船快線運輸網絡覆蓋范圍較廣，但仍有部分碼頭尚未被覆蓋，如清遠、貴港、欽州等.

Kolev等采用軸對稱模型和笛卡爾模型開展了氬氣環境條件下的2維滑動電弧放電的仿真研究，建立了2維滑動孤的放電模型。驗證了模型的適用性，并初步探索了滑動弧放電的機理。不同時刻下電弧中的電子密度分布如圖11所示。

圖11 不同時刻下電弧中的電子密度分布

Kolev等在大氣壓氬氣環境下研究2個扁平電極間產生的滑動弧放電中的能量傳輸，并對滑動弧進行了數值模擬研究，探討了滑動弧放電過程中的擊穿機理，分析了在不同電流條件下電弧傳熱差異的機理。

2.3 強迫霧化研究

張磊等基于滑動弧的航空發動機燃燒室燃油裂解頭部，試驗研究了不同放電電壓下滑動弧等離子體對燃油噴霧性能的影響規律。結果表明，滑動弧等離子體能夠有效提高燃油霧化質量。隨著放電電壓的升高，燃油噴霧的霧化錐角增大，SMD減小，不均勻系數減小。不同放電電壓燃油噴霧SMD對比如圖12所示。當入口空氣流量為20 m3/h，余氣系數為0.6時，未施加等離子體的燃油噴霧的霧化錐角為43°，SMD為93.545 6μm，不均勻系數為0.304；當放電電壓達到200 V時，燃油噴霧的霧化錐角增大到75°，SMD減小為89.690 6μm，不均勻系數減小到0.233。

圖12 不同放電電壓燃油噴霧SMD對比

2.4 強化燃燒研究

Yiguang等研究了非平衡滑動弧等離子體放電對N稀釋、甲烷/空氣逆流擴散火焰的穩定和熄滅的影響。結果表明，隨著滑動弧的激勵功率增大，熄火邊界顯著提高，且與數值模擬結果一致。滑動弧激勵器結構原理如圖13所示。

圖13 滑動弧激勵器結構原理

Suo等研究了滑動電弧放電對外部擾動甲烷/空氣旋流火焰穩定性極限的影響。在滑動電弧放電的情況下，擾動火焰中的貧油熄火極限拓寬了60%。

胡長淮等基于滑動弧等離子體的強化燃燒頭部，驗證了該等離子體強化燃燒技術應用于型號發動機燃燒室的可行性，并研究了滑動弧對燃燒效率、出口溫度分布系數和熄火邊界的影響。結果表明，施加等離子體助燃后的燃燒效率明顯提高，燃燒室出口溫度分布場分布得到明顯改善，施加等離子體助燃后，輸入電壓為240 V時的熄火邊界擴寬了7.34%。滑動弧等離子體強化航空發動機燃燒的三頭部試驗系統如圖14所示。

圖14 滑動弧等離子體強化航空發動機燃燒的三頭部試驗系統

3 滑動弧強化航空發動機燃燒方案

3.1 自由軌道式3維旋轉滑動弧強化燃燒方案

將滑動弧等離子體應用于航空發動機燃燒室，其難點是如何將現有燃燒室結構與放電電極結合，并實現絕緣。3種自由軌道式的滑動弧航空發動機燃燒室設計方案（如圖15所示）分別為燃油噴嘴和文氏管放電方案、文氏管和外套筒放電方案和雙路滑動弧放電方案。圖中的旋流結構均以軸向旋流為例給出，也可以為徑向旋流。因滑動弧在滑動過程中的滑動軌跡是自由發展的，是隨著電參數、氣動參數的變化而變化的，故稱之為自由軌道式。

圖15 3種自由軌道式的滑動弧航空發動機燃燒室設計方案

以燃油噴嘴和文氏管放電方案為例，該結構主要包括旋流器基體、燃油噴嘴、文氏管等。旋流器采用2級同向的軸向旋流設計，可對燃油噴嘴中噴出的燃油起到二次空氣霧化的作用，可用絕緣陶瓷材料3D打印而成。燃油噴嘴為主-副油路空氣壓力霧化噴嘴，作為放電的負極；文氏管采用圓滑過渡的收縮-擴張結構，由金屬材料制成，作為放電的正極。外層的喇叭口結構采用擴張型設計，起到擴壓器的作用。滑動弧等離子體旋流激勵器實物如圖16所示。在滑動弧放電工作過程中，利用預燃級燃料噴嘴作為旋轉滑動弧的內電極，利用第1、2級內外旋流器之間的文氏管內壁面作為旋轉滑動弧的外電極，內外電極組成滑動弧強化燃燒激勵器。當滑動弧強化燃燒激勵器通電工作時，通過第1級旋流器對氣流的旋流作用產生3維旋轉滑動弧，其與燃油混合氣充分耦合，可燃混合氣被滑動弧加熱、電離、裂解成更有利于燃燒的小分子或活性粒子，在燃燒區提前燃燒、高效燃燒，擴大燃燒區域，提高燃燒效率，可以實現貧油點火和燃燒，最終實現寬范圍點火和燃燒，達到強化燃燒的目的。

圖16 滑動弧等離子體旋流激勵器實物

文氏管和外套筒放電方案的特點是，文氏管與外套筒之間放電，通過第2級旋流器的旋流作用促使滑動弧3維旋轉滑動。

雙路滑動弧放電方案是指和文氏管同時與外套筒和燃油噴嘴放電方案，此時可以將外套筒和燃油噴嘴連接雙路高壓電源，而文氏管接地。這種雙路滑動弧放電方案產生的滑動弧數量更多，面積更大，更有利于點火和助燃。

3.2 固定軌道式滑動弧強化燃燒方案

固定軌道式滑動弧激勵器如圖17所示。激勵器包括2級旋流器、帶螺旋凹槽的擴散內通道以及2個3維螺旋電極。其中，第1級旋流器位于激勵器的頭部，由數個軸線與激勵器軸線相交成一定角度的小孔構成；第2級旋流器為葉片式徑向旋流器。2個3維螺旋電極鑲嵌于內通道的螺旋凹槽內，且與旋流器以及擴散內通道同軸。因滑動弧的滑動軌道是按照燃燒室的氣流旋流流動特點提前設計好的，在工作過程中，滑動弧只能沿著固定的軌道滑動，因此稱之為固定軌道式滑動弧強化燃燒方案。

圖17 軌道式滑動弧激勵器

3.3 滑動弧強化燃燒驗證

以燃油噴嘴和文氏管放電方案為例，通過試驗發現，在航空發動機燃燒室中滑動弧等離子體旋流激勵器具有噴油即點火的優勢，能夠實現點火助燃一體化。滑動弧激勵器的點火過程如圖18所示。從圖中可見，在點火的初始階段，首先觀察到了滑動的放電電弧；隨后滑動弧將其附近的可燃混合氣點燃，并在電弧附近形成了微小的點火火核；點火火核隨著滑動弧同步滑動，越來越大，最終引燃了整個燃燒室中的可燃混合氣。

圖18 滑動弧激勵器的點火過程

采用滑動弧激勵器的某燃燒室出口溫度隨時間變化趨勢如圖19所示。當燃燒室穩定燃燒后，在第45 s打開滑動弧等離子體點火助燃系統，開始實施助燃，燃燒室出口溫度迅速升高，由950℃升高到1080℃，升高了130℃，體現出了滑動弧等離子體的化學效應和溫升效應；關閉等離子體助燃系統之后，燃燒室出口溫度呈現明顯降低趨勢。

圖19 采用滑動弧激勵器的某燃燒室出口溫度隨時間變化趨勢

某燃燒室在無滑動弧等離子體助燃條件下的燃燒效率為79.99%，而施加滑動弧等離子體助燃之后，其燃燒效率提升至89.27%，提高了9.28%。

4 總結與展望

滑動弧等離子體能克服傳統電火花放電的不足，拓寬點火包線和穩定燃燒范圍，提高點火可靠性，實現高空快速二次起動。通過滑動弧等離子體激勵器進行強化燃燒特性試驗研究，發現該激勵器能夠迅速可靠地點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火。滑動弧等離子體助燃改變燃料的燃燒狀態，能提高燃燒效率，增大火焰傳播速度，擴大穩定燃燒范圍。3維旋轉滑動弧強化燃燒激勵器結構簡單，與燃燒室結構相適應，能夠組織高效的穩定燃燒，實現燃燒室在貧油或低溫工況下成功點火與穩定燃燒，保證出口溫度均勻。

滑動弧等離子體強化燃燒技術在發動機領域有較好的應用前景，但其工程化應用還需要以下技術有所突破：

（1）滑動弧放電過程中的能量傳遞機制和強化燃燒機理。國內外現有的研究成果已經證明了滑動弧等離子體強化燃燒技術的諸多優勢，但是由于電子激發態、振動激發態分子濃度及分布的測試診斷技術尚不成熟，無法分析等離子體放電中的能量傳遞機制，對于滑動弧強化燃燒的詳細機理還不夠清楚，需要加大對點火助燃基礎理論方面的研究。

（2）高氣壓條件下滑動弧穩定激勵方法。在航空發動機的實際工作環境中，燃燒室的進口空氣總壓較高。在高氣壓條件下滑動弧等離子體放電非常不均勻，甚至無法放電。進行高氣壓條件下滑動弧等離子體激勵方法研究，對于滑動弧強化燃燒的工程應用具有重大的現實意義。

（3）滑動弧等離子體強化燃燒技術的工程應用技術。從目前的研究成果來看，滑動弧強化燃燒技術在航空發動機上的試驗驗證了該技術的可行性，但將滑動弧激勵器應用到航空發動機工作環境時，還需要解決激勵器的安裝位置、激勵方式、材料、驅動電源的小型化和輕質化、可靠性、壽命等工程實際難題。