滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的研究進(jìn)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(xué)航空工程學(xué)院，西安 710003；2.西北工業(yè)大學(xué)，動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072；3.中國(guó)航發(fā)四川渦輪研究院，成都 610599）

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，燃燒室的工作條件不斷惡化，點(diǎn)火難度更大，熄火邊界也很難滿(mǎn)足要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室普遍采用火花塞點(diǎn)火。發(fā)動(dòng)機(jī)在地面工作時(shí)，燃燒室的進(jìn)口空氣溫度、壓力適中，空氣流速較小，燃燒室的點(diǎn)火起動(dòng)較為容易。但是在空中再點(diǎn)火狀態(tài)下，燃油流量小，供油壓力低，導(dǎo)致燃油霧化差；同時(shí)燃燒室進(jìn)口氣流溫度低，進(jìn)氣速度大，導(dǎo)致此時(shí)點(diǎn)火的可靠性和成功率較低。

近年來(lái)，利用等離子體放電強(qiáng)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒是該方向的研究熱點(diǎn)。常見(jiàn)的產(chǎn)生等離子體的方式主要包括：介質(zhì)阻擋、電暈、輝光、微波、電弧、微波、滑動(dòng)弧放電等。其中滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)是一種新型的強(qiáng)化燃燒技術(shù)?；瑒?dòng)弧放電是指2個(gè)電極在高壓電場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生電弧通道，電弧在氣流驅(qū)動(dòng)下沿氣流流向向下游滑動(dòng)的一種動(dòng)態(tài)的電弧放電形式。在滑動(dòng)弧放電過(guò)程中，能促使電極間的介質(zhì)發(fā)生等離子體放電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生豐富的活性基團(tuán)和高能電子等。這些活性粒子能夠參與化學(xué)反應(yīng)，加速其進(jìn)程。正是因?yàn)榫哂羞@些獨(dú)特的性質(zhì)，滑動(dòng)弧等離子體在降解污染物、處理污水、重整燃料、消毒殺菌、強(qiáng)化燃燒等方面應(yīng)用廣泛。

在滑動(dòng)弧放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的活性基團(tuán)和激發(fā)態(tài)粒子，強(qiáng)化燃燒的效果明顯，但是如何將其與航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)合是一個(gè)難題。2017年，于錦祿在第3屆全國(guó)青年燃燒學(xué)術(shù)會(huì)議上首次提出將滑動(dòng)弧與航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室頭部結(jié)合的概念，并創(chuàng)新性的給出了基于滑動(dòng)弧助燃的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室頭部方案；2018年，于錦祿等給出了詳細(xì)的滑動(dòng)弧與航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室頭部結(jié)合的方案。后續(xù)的研究表明，滑動(dòng)弧在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室強(qiáng)化燃燒方面突顯出的優(yōu)勢(shì)主要包括以下3個(gè)方面：

（1）點(diǎn)火?？扇蓟旌蠚饨?jīng)過(guò)滑動(dòng)弧放電區(qū)域，燃油被滑動(dòng)弧加熱、電離、裂解成更有利于燃燒的小分子或活性粒子，可以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的貧油點(diǎn)火和低溫點(diǎn)火，擴(kuò)大燃燒室的點(diǎn)火邊界，實(shí)現(xiàn)寬范圍的點(diǎn)火，并縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間；

（2）助燃。混合氣中的燃油被強(qiáng)迫霧化、電離和裂解，提高燃油霧化質(zhì)量，擴(kuò)寬穩(wěn)定燃燒范圍，拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熄火邊界，實(shí)現(xiàn)寬范圍的燃燒。同時(shí)還可以提高燃燒效率，降低燃燒污染物排放；

（3）滑動(dòng)弧放電可采用交流電源，能量消耗低，對(duì)電源要求低，可替代原發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火器。

本文歸納了目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火所面臨的問(wèn)題，并介紹了現(xiàn)有的滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒技術(shù)研究進(jìn)展。

1 滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的作用機(jī)制

滑動(dòng)弧放電產(chǎn)生的電子溫度較低而電子數(shù)密度較大，具有典型的低溫等離子體特征，具有放電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電源功率小、激勵(lì)參數(shù)易調(diào)節(jié)、電極壽命長(zhǎng)和活性粒子激發(fā)效率高等優(yōu)點(diǎn)。2維滑動(dòng)弧放電結(jié)構(gòu)和效果如圖1所示。當(dāng)滑動(dòng)弧的上下2個(gè)擴(kuò)張型電極接通高壓電時(shí)，在時(shí)刻首先會(huì)在最小間距位置處擊穿電弧，隨著氣流的流動(dòng)，電弧沿著電極向右移動(dòng)并被拉長(zhǎng)，并在時(shí)刻被吹動(dòng)到下游位置；如果加載在電極上的電壓足夠高，電弧會(huì)被持續(xù)拉長(zhǎng)滑動(dòng)到位置，直到電弧的長(zhǎng)度大于其臨界長(zhǎng)度后，電弧熄滅，之后會(huì)在最小間距處重新?lián)舸⒅貜?fù)電弧的滑動(dòng)過(guò)程。

圖1 2維滑動(dòng)弧放電結(jié)構(gòu)和效果

等離子體點(diǎn)火助燃的機(jī)理主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和氣動(dòng)效應(yīng)?；瑒?dòng)弧放電是等離子體放電中的一種，在強(qiáng)化燃燒方面主要體現(xiàn)在化學(xué)效應(yīng)和熱效應(yīng)2方面。

（1）化學(xué)效應(yīng)。

滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的化學(xué)效應(yīng)是基于非平衡等離子體放電產(chǎn)生的化學(xué)活性粒子來(lái)提高燃料的燃燒特性，實(shí)質(zhì)是滑動(dòng)弧等離子體放電中高能電子與中性粒子間的碰撞引發(fā)重粒子的離解、激發(fā)甚至電離，產(chǎn)生大量的活性粒子，從而影響燃燒系統(tǒng)的化學(xué)平衡?；瑒?dòng)弧等離子體助燃的化學(xué)效應(yīng)如圖2所示。

圖2 滑動(dòng)弧等離子體助燃的化學(xué)效應(yīng)

以煤油空氣混合氣為例，試驗(yàn)證明，一方面，滑動(dòng)弧在放電過(guò)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?；钚粤Ｗ涌梢蕴岣呋瘜W(xué)反應(yīng)速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣?；CH、CH、CH、CH、CH等小分子氣相燃料的化學(xué)反應(yīng)速率更高，需要的最小點(diǎn)火能量更小，更容易著火和燃燒，可以縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間。另一方面，滑動(dòng)弧在放電過(guò)程中，電子與燃料分子發(fā)生碰撞，大分子碳?xì)淙剂媳浑婋x成活化能很小的帶電小碳鏈活性粒子，加速了化學(xué)鏈鎖反應(yīng)，強(qiáng)化燃燒效果?？傊?，滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒通過(guò)產(chǎn)生活性基、激發(fā)態(tài)粒子、離子和電子將放電能量耦合到燃燒過(guò)程中，放電產(chǎn)生的活性粒子會(huì)改變?nèi)剂系幕瘜W(xué)反應(yīng)速率，加快燃燒反應(yīng)，強(qiáng)化燃燒過(guò)程。

（2）熱效應(yīng)。

滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的溫升效應(yīng)是指滑動(dòng)弧放電過(guò)程引起的氣流溫度升高對(duì)燃燒過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的影響，可以減少點(diǎn)火需要的最小點(diǎn)火能量，增強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定性?；瑒?dòng)弧等離子體助燃的溫升效應(yīng)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(zhì)。另外，在相同放電條件下，與氮?dú)?燃料放電中燃料溫升相比，空氣-燃料放電時(shí)溫度升高更加顯著，這是由于等離子體放電時(shí)O原子等活性粒子的存在導(dǎo)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(dǎo)致點(diǎn)火發(fā)生。

圖3 滑動(dòng)弧等離子體助燃的溫升效應(yīng)

滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的2種效應(yīng)并不是相互獨(dú)立的，而是同時(shí)存在、同時(shí)發(fā)生，相互耦合相互影響。施加滑動(dòng)弧助燃激勵(lì)后放電區(qū)域快速放熱、工作介質(zhì)氣體溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率增大，放電生成的活性粒子濃度提高，粒子的輸運(yùn)強(qiáng)度增大，化學(xué)效應(yīng)、溫升效應(yīng)增強(qiáng)；化學(xué)效應(yīng)提高了自由基的初始濃度，改變鏈的激發(fā)和傳播過(guò)程，加快燃燒反應(yīng)的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，使化學(xué)反應(yīng)的放熱量增大，介質(zhì)溫度升高，同時(shí)誘導(dǎo)局部的流場(chǎng)擾動(dòng)，溫升效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)。

2 滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代初期，等離子體點(diǎn)火助燃技術(shù)開(kāi)始受到航空航天動(dòng)力領(lǐng)域研究人員關(guān)注和重視，滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒技術(shù)作為其中一種得到了飛速發(fā)展?？傮w上看，國(guó)內(nèi)外對(duì)滑動(dòng)弧的研究主要包括放電特性、數(shù)值仿真、強(qiáng)迫霧化和強(qiáng)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(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的基礎(chǔ)特性，是決定強(qiáng)化燃燒效果的重要因素，需要重點(diǎn)關(guān)注。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)滑動(dòng)弧放電等離子體開(kāi)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(jié)構(gòu)的激勵(lì)器，從2維滑動(dòng)弧放電、3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電，到磁驅(qū)動(dòng)的滑動(dòng)弧發(fā)電，研究范圍覆蓋放電的電壓電流特性、電弧的動(dòng)態(tài)特性、滑動(dòng)弧放電的滑動(dòng)模式、光譜特性以及紅外特性等。

Zhang等研究了尖-尖電極滑動(dòng)弧放電的放電特性，發(fā)現(xiàn)有2種放電模式，從電信號(hào)和電弧形態(tài)特征將2種模式總結(jié)為重復(fù)擊穿的火花模式和小電流峰值的類(lèi)似輝光放電模式。尖-尖滑動(dòng)弧放電在不同介質(zhì)流量下的放電圖像如圖4所示。

圖4 尖-尖滑動(dòng)弧放電在不同介質(zhì)流量下的放電圖像

圖5 OH-PLIF拍攝的OH基分布的演變過(guò)程

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

朱家健等通過(guò)光譜診斷的方法研究了空氣流量對(duì)滑動(dòng)弧電弧動(dòng)力學(xué)、OH分布和UV光譜特征的影響，特別關(guān)注了局部湍流和滑動(dòng)弧放電電弧之間的相互作用。在較低流速下，電弧的弧根穩(wěn)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(chǎn)生并沿電極向上旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)。電弧的熄滅時(shí)間隨著流量的增加而縮短，同時(shí)放電過(guò)程從類(lèi)似輝光型轉(zhuǎn)換為火花型。不同流量下滑動(dòng)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(xué)診斷技術(shù)，獲得了滑動(dòng)弧放電的輸運(yùn)溫度。采用同時(shí)測(cè)量等離子柱的瞬時(shí)長(zhǎng)度、放電電壓和輸運(yùn)溫度來(lái)計(jì)算瞬時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，并由此推算出滑動(dòng)弧放電的電子溫度。

圖6 不同放電間距下滑動(dòng)弧放電的照片

圖7 不同流量下滑動(dòng)弧放電OH基分布

何立明等開(kāi)展了多因素對(duì)2維滑動(dòng)弧以及3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電特性的影響研究，針對(duì)電極結(jié)構(gòu)、射流流量以及放電電壓進(jìn)行了大氣壓交流滑動(dòng)弧放電的電信號(hào)測(cè)量和高速CCD拍攝。通過(guò)分析電信號(hào)特征和電弧運(yùn)動(dòng)形態(tài)，定義了放電過(guò)程中存在的2種滑動(dòng)模式，即穩(wěn)定電弧滑動(dòng)模式和擊穿伴隨滑動(dòng)模式。旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧的CCD照片疊加如圖8所示。并在2019年開(kāi)展了環(huán)境壓力對(duì)3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧等離子體助燃激勵(lì)器放電特性的影響研究。電弧的滑動(dòng)模式隨氣壓升高由擊穿伴隨模式發(fā)展為穩(wěn)定滑動(dòng)模式，電弧擊穿電壓也隨之升高。

圖8 旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧的CCD照片疊加

Zhang等開(kāi)展了磁驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)弧放電的試驗(yàn)研究，分析了氣體流速以及磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素對(duì)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧等離子體的放電特性的影響規(guī)律。驗(yàn)證了前人的類(lèi)似結(jié)論，隨著介質(zhì)氣體流量的增大電弧旋轉(zhuǎn)模式發(fā)生快速轉(zhuǎn)變，放電電壓大幅降低。磁驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)弧放電的2種模式如圖9所示。

圖9 磁驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)弧放電的2種模式

張若兵等詳細(xì)研究了電極結(jié)構(gòu)對(duì)滑動(dòng)弧放電的影響規(guī)律，為優(yōu)化滑動(dòng)弧放電的電極結(jié)構(gòu)提供了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。不同電極結(jié)構(gòu)下滑動(dòng)弧放電圖像如圖10所示。

圖10 不同電極結(jié)構(gòu)下滑動(dòng)弧放電

2.2 數(shù)值仿真研究

滑動(dòng)弧放電強(qiáng)化燃燒的仿真涉及多學(xué)科交叉融合，包括等離子體物理、空氣動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱學(xué)等，涉及的時(shí)間、空間尺度跨度大，因此給仿真計(jì)算帶來(lái)了很大難度。

3) 航線(xiàn)覆蓋范圍.航線(xiàn)對(duì)航運(yùn)公司擇港決策有一定的影響[10]，故深圳港應(yīng)該設(shè)計(jì)合理的航線(xiàn)以吸引更多貨主.華南公共駁船快線(xiàn)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較廣，但仍有部分碼頭尚未被覆蓋，如清遠(yuǎn)、貴港、欽州等.

Kolev等采用軸對(duì)稱(chēng)模型和笛卡爾模型開(kāi)展了氬氣環(huán)境條件下的2維滑動(dòng)電弧放電的仿真研究，建立了2維滑動(dòng)孤的放電模型。驗(yàn)證了模型的適用性，并初步探索了滑動(dòng)弧放電的機(jī)理。不同時(shí)刻下電弧中的電子密度分布如圖11所示。

圖11 不同時(shí)刻下電弧中的電子密度分布

Kolev等在大氣壓氬氣環(huán)境下研究2個(gè)扁平電極間產(chǎn)生的滑動(dòng)弧放電中的能量傳輸，并對(duì)滑動(dòng)弧進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，探討了滑動(dòng)弧放電過(guò)程中的擊穿機(jī)理，分析了在不同電流條件下電弧傳熱差異的機(jī)理。

2.3 強(qiáng)迫霧化研究

張磊等基于滑動(dòng)弧的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃油裂解頭部，試驗(yàn)研究了不同放電電壓下滑動(dòng)弧等離子體對(duì)燃油噴霧性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，滑動(dòng)弧等離子體能夠有效提高燃油霧化質(zhì)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(shù)減小。不同放電電壓燃油噴霧SMD對(duì)比如圖12所示。當(dāng)入口空氣流量為20 m3/h，余氣系數(shù)為0.6時(shí)，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(shù)為0.304；當(dāng)放電電壓達(dá)到200 V時(shí)，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(shù)減小到0.233。

圖12 不同放電電壓燃油噴霧SMD對(duì)比

2.4 強(qiáng)化燃燒研究

Yiguang等研究了非平衡滑動(dòng)弧等離子體放電對(duì)N稀釋、甲烷/空氣逆流擴(kuò)散火焰的穩(wěn)定和熄滅的影響。結(jié)果表明，隨著滑動(dòng)弧的激勵(lì)功率增大，熄火邊界顯著提高，且與數(shù)值模擬結(jié)果一致?；瑒?dòng)弧激勵(lì)器結(jié)構(gòu)原理如圖13所示。

圖13 滑動(dòng)弧激勵(lì)器結(jié)構(gòu)原理

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

胡長(zhǎng)淮等基于滑動(dòng)弧等離子體的強(qiáng)化燃燒頭部，驗(yàn)證了該等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)應(yīng)用于型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的可行性，并研究了滑動(dòng)弧對(duì)燃燒效率、出口溫度分布系數(shù)和熄火邊界的影響。結(jié)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(chǎng)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(shí)的熄火邊界擴(kuò)寬了7.34%?；瑒?dòng)弧等離子體強(qiáng)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的三頭部試驗(yàn)系統(tǒng)如圖14所示。

圖14 滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的三頭部試驗(yàn)系統(tǒng)

3 滑動(dòng)弧強(qiáng)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方案

3.1 自由軌道式3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒方案

將滑動(dòng)弧等離子體應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，其難點(diǎn)是如何將現(xiàn)有燃燒室結(jié)構(gòu)與放電電極結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)絕緣。3種自由軌道式的滑動(dòng)弧航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)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(dòng)弧放電方案。圖中的旋流結(jié)構(gòu)均以軸向旋流為例給出，也可以為徑向旋流。因滑動(dòng)弧在滑動(dòng)過(guò)程中的滑動(dòng)軌跡是自由發(fā)展的，是隨著電參數(shù)、氣動(dòng)參數(shù)的變化而變化的，故稱(chēng)之為自由軌道式。

圖15 3種自由軌道式的滑動(dòng)弧航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)方案

以燃油噴嘴和文氏管放電方案為例，該結(jié)構(gòu)主要包括旋流器基體、燃油噴嘴、文氏管等。旋流器采用2級(jí)同向的軸向旋流設(shè)計(jì)，可對(duì)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(fù)極；文氏管采用圓滑過(guò)渡的收縮-擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，由金屬材料制成，作為放電的正極。外層的喇叭口結(jié)構(gòu)采用擴(kuò)張型設(shè)計(jì)，起到擴(kuò)壓器的作用?；瑒?dòng)弧等離子體旋流激勵(lì)器實(shí)物如圖16所示。在滑動(dòng)弧放電工作過(guò)程中，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)火和燃燒，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。

圖16 滑動(dòng)弧等離子體旋流激勵(lì)器實(shí)物

文氏管和外套筒放電方案的特點(diǎn)是，文氏管與外套筒之間放電，通過(guò)第2級(jí)旋流器的旋流作用促使滑動(dòng)弧3維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)。

雙路滑動(dòng)弧放電方案是指和文氏管同時(shí)與外套筒和燃油噴嘴放電方案，此時(shí)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(dòng)弧放電方案產(chǎn)生的滑動(dòng)弧數(shù)量更多，面積更大，更有利于點(diǎn)火和助燃。

3.2 固定軌道式滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒方案

固定軌道式滑動(dòng)弧激勵(lì)器如圖17所示。激勵(lì)器包括2級(jí)旋流器、帶螺旋凹槽的擴(kuò)散內(nèi)通道以及2個(gè)3維螺旋電極。其中，第1級(jí)旋流器位于激勵(lì)器的頭部，由數(shù)個(gè)軸線(xiàn)與激勵(lì)器軸線(xiàn)相交成一定角度的小孔構(gòu)成；第2級(jí)旋流器為葉片式徑向旋流器。2個(gè)3維螺旋電極鑲嵌于內(nèi)通道的螺旋凹槽內(nèi)，且與旋流器以及擴(kuò)散內(nèi)通道同軸。因滑動(dòng)弧的滑動(dòng)軌道是按照燃燒室的氣流旋流流動(dòng)特點(diǎn)提前設(shè)計(jì)好的，在工作過(guò)程中，滑動(dòng)弧只能沿著固定的軌道滑動(dòng)，因此稱(chēng)之為固定軌道式滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒方案。

圖17 軌道式滑動(dòng)弧激勵(lì)器

3.3 滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒驗(yàn)證

以燃油噴嘴和文氏管放電方案為例，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中滑動(dòng)弧等離子體旋流激勵(lì)器具有噴油即點(diǎn)火的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)火助燃一體化?；瑒?dòng)弧激勵(lì)器的點(diǎn)火過(guò)程如圖18所示。從圖中可見(jiàn)，在點(diǎn)火的初始階段，首先觀(guān)察到了滑動(dòng)的放電電弧；隨后滑動(dòng)弧將其附近的可燃混合氣點(diǎn)燃，并在電弧附近形成了微小的點(diǎn)火火核；點(diǎn)火火核隨著滑動(dòng)弧同步滑動(dòng)，越來(lái)越大，最終引燃了整個(gè)燃燒室中的可燃混合氣。

圖18 滑動(dòng)弧激勵(lì)器的點(diǎn)火過(guò)程

采用滑動(dòng)弧激勵(lì)器的某燃燒室出口溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖19所示。當(dāng)燃燒室穩(wěn)定燃燒后，在第45 s打開(kāi)滑動(dòng)弧等離子體點(diǎn)火助燃系統(tǒng)，開(kāi)始實(shí)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(xiàn)出了滑動(dòng)弧等離子體的化學(xué)效應(yīng)和溫升效應(yīng)；關(guān)閉等離子體助燃系統(tǒng)之后，燃燒室出口溫度呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。

圖19 采用滑動(dòng)弧激勵(lì)器的某燃燒室出口溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

某燃燒室在無(wú)滑動(dòng)弧等離子體助燃條件下的燃燒效率為79.99%，而施加滑動(dòng)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(jié)與展望

滑動(dòng)弧等離子體能克服傳統(tǒng)電火花放電的不足，拓寬點(diǎn)火包線(xiàn)和穩(wěn)定燃燒范圍，提高點(diǎn)火可靠性，實(shí)現(xiàn)高空快速二次起動(dòng)。通過(guò)滑動(dòng)弧等離子體激勵(lì)器進(jìn)行強(qiáng)化燃燒特性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該激勵(lì)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?；瑒?dòng)弧等離子體助燃改變?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。

滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，但其工程化應(yīng)用還需要以下技術(shù)有所突破：

（1）滑動(dòng)弧放電過(guò)程中的能量傳遞機(jī)制和強(qiáng)化燃燒機(jī)理。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果已經(jīng)證明了滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，但是由于電子激發(fā)態(tài)、振動(dòng)激發(fā)態(tài)分子濃度及分布的測(cè)試診斷技術(shù)尚不成熟，無(wú)法分析等離子體放電中的能量傳遞機(jī)制，對(duì)于滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的詳細(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。

（2）高氣壓條件下滑動(dòng)弧穩(wěn)定激勵(lì)方法。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境中，燃燒室的進(jìn)口空氣總壓較高。在高氣壓條件下滑動(dòng)弧等離子體放電非常不均勻，甚至無(wú)法放電。進(jìn)行高氣壓條件下滑動(dòng)弧等離子體激勵(lì)方法研究，對(duì)于滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒的工程應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

（3）滑動(dòng)弧等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)的工程應(yīng)用技術(shù)。從目前的研究成果來(lái)看，滑動(dòng)弧強(qiáng)化燃燒技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性，但將滑動(dòng)弧激勵(lì)器應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境時(shí)，還需要解決激勵(lì)器的安裝位置、激勵(lì)方式、材料、驅(qū)動(dòng)電源的小型化和輕質(zhì)化、可靠性、壽命等工程實(shí)際難題。