低溫等離子體助燃技術(shù)及其在燃燒室中的應(yīng)用

■ 吳云柯 楊謙 王慧汝 夏姣輝 / 中國(guó)航發(fā)研究院

低溫等離子體助燃技術(shù)作為一種新興燃燒組織技術(shù)，有望突破常規(guī)燃燒組織技術(shù)瓶頸，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)面向高速、高效發(fā)展需求的常規(guī)主燃燒室、加力燃燒室設(shè)計(jì)以及超聲速?zèng)_壓燃燒技術(shù)、脈沖爆震燃燒技術(shù)、定容燃燒技術(shù)的發(fā)展提供新的思路。

高速、高效是航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)兩大宏觀發(fā)展趨勢(shì)。其中“高速”是指航空發(fā)動(dòng)機(jī)需滿足未來飛行器巡航馬赫數(shù)（Ma）進(jìn)一步提升的需求，能夠在高馬赫數(shù)來流條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；“高效”是指航空發(fā)動(dòng)機(jī)需滿足未來各類飛行器能耗進(jìn)一步降低的需求，以增加飛行器留空時(shí)間、延長(zhǎng)飛行器飛行距離、減少污染物排放。兩者對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)提出了一個(gè)共性要求——在越來越短的流動(dòng)停留時(shí)間內(nèi)，確保燃燒化學(xué)反應(yīng)順利完成，這使得常規(guī)燃燒組織技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。近年來，隨著等離子體技術(shù)的迅速發(fā)展，業(yè)界也逐漸認(rèn)識(shí)到它在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方面有著廣闊的應(yīng)用前景，以應(yīng)對(duì)目前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖1 等離子體作用于燃燒的機(jī)理

低溫等離子體助燃技術(shù)原理

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿空氣或其他絕緣介質(zhì)的條件時(shí)即可形成低溫等離子體放電，這一過程被認(rèn)為有助于燃燒的強(qiáng)化。利用低溫等離子體助燃的物理與化學(xué)機(jī)制包括：利用“焦耳效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)對(duì)局部區(qū)域的快速加熱，為燃燒提供高電子能量從而活化化學(xué)反應(yīng)，基于電子與振蕩激勵(lì)形成局部強(qiáng)非平衡態(tài)區(qū)域，以及提供電場(chǎng)庫倫力和磁場(chǎng)洛倫茲力的作用（如圖1所示）。

圖1中的第一條強(qiáng)化燃燒的途徑是熱特性，即等離子體可通過帶電粒子到中性原子的能量傳輸快速提升摻混油氣溫度，從而基于阿倫尼烏斯定律加快化學(xué)反應(yīng)速率。第二條途徑是動(dòng)力學(xué)特性，即等離子體通過提供高能電子、離子，將氮、氧等中性組分激勵(lì)至電極性態(tài)或振動(dòng)態(tài)，或重新激勵(lì)中間產(chǎn)物離子團(tuán)、原子團(tuán)，使反應(yīng)加速或建立新的化學(xué)反應(yīng)路徑，從而強(qiáng)化燃燒。第三條途徑是輸運(yùn)特性，即通過電場(chǎng)或帶電粒子作用，直接加劇燃油碎裂，或利用離子風(fēng)不穩(wěn)定，增強(qiáng)燃料與空氣的摻混。

基于上述原理，低溫等離子體助燃技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在不改變?nèi)紵覛鈩?dòng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征的前提下，克服未來高速、高效航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流動(dòng)停留時(shí)間遠(yuǎn)小于燃燒化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)間的關(guān)鍵瓶頸。

等離子體助燃技術(shù)進(jìn)展

過去20年，在低溫等離子體助燃技術(shù)的誘人應(yīng)用前景鼓舞下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)等離子體助燃技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用開展了較多研究，采用的低溫等離子體激勵(lì)方案包括平衡態(tài)的等離子體火炬、等離子體火花塞和非平衡態(tài)的絲狀放電、電暈放電、微波放電、流光放電、表面放電和納秒脈沖重復(fù)放電等。

其中的大部分研究都成功驗(yàn)證了等離子體在助燃方面的積極作用，同時(shí)也引入了更多待解決的問題，例如：研究中觀測(cè)到的燃燒強(qiáng)化現(xiàn)象是否確定得益于等離子體對(duì)燃燒過程熱特性或動(dòng)力學(xué)特性的改善；非平衡態(tài)等離子體是否確定可從動(dòng)力學(xué)層面提升火焰速度并拓寬可燃極限；等離子體對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的激勵(lì)與輔助作用是否在較低溫度條件下更為有效；在工程應(yīng)用層面何種形式的等離子體更為有效；目前觀測(cè)到的助燃現(xiàn)象是由等離子體放電單一因素導(dǎo)致，還是由不均衡、不統(tǒng)一的多維放電效應(yīng)導(dǎo)致的。

這些更為細(xì)節(jié)、機(jī)理層面待解決的問題，限制了等離子體在燃燒領(lǐng)域的工程應(yīng)用，因此相關(guān)研究人員又將注意力轉(zhuǎn)移到了等離子助燃機(jī)理的基礎(chǔ)研究。通過構(gòu)造可控制變量的或具有一致性放電條件的點(diǎn)火與火焰結(jié)構(gòu)，如流動(dòng)反應(yīng)器、激波管、平面對(duì)沖火焰和先進(jìn)的燃燒光學(xué)診斷技術(shù)，目前人們對(duì)等離子體助燃技術(shù)的研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展并上升到了新的認(rèn)知層面，其中重大進(jìn)展主要可歸納為以下四個(gè)方面。

一是發(fā)現(xiàn)等離子體助燃條件下，爆轟極限、發(fā)動(dòng)機(jī)貧油點(diǎn)火極限與貧油吹熄極限將發(fā)生改變。其中，爆震激波管內(nèi)控制變量的納秒激光脈沖等離子體放電試驗(yàn)驗(yàn)證了等離子體可在遠(yuǎn)離爆轟極限的區(qū)域引爆混合氣體（如圖2所示）；此后的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試表明微波放電等離子體可在50MJ點(diǎn)火器功率條件下，將貧油點(diǎn)火極限進(jìn)一步降低20%～30%。此外，針對(duì)低溫等離子體助燃技術(shù)在駐渦穩(wěn)燃的超燃沖壓燃燒室及多模態(tài)燃燒室燃燒組織中的應(yīng)用問題，研究表明低溫等離子體助燃、凹腔穩(wěn)燃條件下，Ma2～3來流條件、激波管內(nèi)的高速點(diǎn)火與燃燒組織難度顯著降低，有望突破通過常規(guī)燃燒組織方法較難實(shí)現(xiàn)的高M(jìn)a點(diǎn)火與燃燒技術(shù)瓶頸。

圖2 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的納秒脈沖重復(fù)放電等離子體激勵(lì)與連續(xù)爆震點(diǎn)火

圖3 普林斯頓大學(xué)的等離子體助燃化學(xué)反應(yīng)主路徑

二是等離子體助燃動(dòng)力學(xué)過程的基礎(chǔ)研究工作取得了新的認(rèn)識(shí)。普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在等離子體助燃化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究中取得了重要進(jìn)展。他們完整地揭示了在等離子體助燃條件下，各類碳?xì)淙剂先紵磻?yīng)的主路徑（如圖3所示）。即在等離子體作用下，反應(yīng)物分子團(tuán)在高能電子撞擊下離子化，并經(jīng)由電荷輸運(yùn)、負(fù)離子及復(fù)合離子團(tuán)的重新組織，構(gòu)成3條反應(yīng)鏈路：通過電子-離子重組得到高能電子激勵(lì)后的高活性、高能量正離子團(tuán)，這些離子團(tuán)在電能作用下，發(fā)生焦耳熱，使反應(yīng)物氣體快速被加熱；離子與離子之間的重組，如氮氧離子、氧離子、碳?xì)潆x子團(tuán)的重新組合；原子與離子的直接反應(yīng)，如氫原子與氧離子團(tuán)、氫分子與氧離子體團(tuán)。離子與離子的重組和原子與離子的反應(yīng)，使得燃燒反應(yīng)可在低于著火點(diǎn)的溫度條件進(jìn)行。烏迪（Uddi）等人通過將直接氧原子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于等離子放電輔助點(diǎn)火，測(cè)得氧分子與熱電子、激勵(lì)態(tài)氮分子碰撞生成的中間產(chǎn)物氧離子，并發(fā)現(xiàn)氧分子轉(zhuǎn)變?yōu)檠蹼x子團(tuán)的基元反應(yīng)，即是低溫下等離子助燃實(shí)現(xiàn)火焰點(diǎn)著的主要反應(yīng)路徑。

圖4 常規(guī)燃燒點(diǎn)/熄火特性與等離子體助燃點(diǎn)/熄火特性比較

圖5 常規(guī)點(diǎn)火器點(diǎn)火與等離子體點(diǎn)火火核尺寸的比較

三是等離子助燃條件下的冷焰燃燒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。即等離子體可在熄火極限外直接點(diǎn)燃并維持火焰，而移除等離子體后火焰迅速熄滅，等離子體助燃的火焰點(diǎn)/熄火曲線與常規(guī)燃燒完全不同。圖4（a）給出了任意燃料在常規(guī)燃燒條件下的點(diǎn)/熄火特性曲線，從圖中可見，燃料濃度（橫坐標(biāo)）需超過點(diǎn)火油氣比臨界值，火焰才可被點(diǎn)燃；而當(dāng)油氣比低于熄火臨界值，火焰將熄滅。一般情況下，熄火油氣比臨界值要高于點(diǎn)火臨界值，也即對(duì)于相同條件下的燃燒過程，火焰總是相對(duì)易于熄滅而較難點(diǎn)燃。與常規(guī)燃燒不同，如圖4（b）所示，等離子體助燃條件下，低溫燃燒與高溫燃燒不存在明顯分界，也即燃料可在任意油氣比條件下被點(diǎn)燃，且點(diǎn)/熄火臨界油氣比是一致的。這一研究結(jié)果表明等離子體助燃技術(shù)對(duì)低溫點(diǎn)火性能的提升效果要遠(yuǎn)大于火焰穩(wěn)定性能，且意味著如采用等離子體助燃技術(shù)，理論上將不再存在燃燒室貧油點(diǎn)/熄火點(diǎn)，這一性質(zhì)對(duì)于提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)/熄火性能有著重要價(jià)值。此外，研究還表明等離子體在低溫下的點(diǎn)火性能優(yōu)于高溫條件，這就使得可以依賴等離子體人工維持一種低溫燃燒狀態(tài)，對(duì)此國(guó)外完成了非平衡態(tài)等離子體維持下的甲烷和n-庚烷低溫燃燒試驗(yàn)驗(yàn)證，研究表明在遠(yuǎn)低于可燃邊界的極低溫度下，利用等離子體助燃，燃料仍可正常燃燒。

四是等離子體助燃條件下，最小點(diǎn)火能量降低、火焰最小初始化時(shí)間縮短的機(jī)理得到了解釋。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)并嚴(yán)格建立了最小點(diǎn)火能量與火焰初始半徑的關(guān)聯(lián)函數(shù)，研究表明最小點(diǎn)火能量與火焰初始半徑是一個(gè)關(guān)于混合劉易斯數(shù)、燃油活性（活化能）、火焰厚度的函數(shù)。也即在可燃極限外，火核半徑如無法達(dá)到大于火焰初始半徑條件，火焰將無法點(diǎn)燃。而在非平衡態(tài)等離子體作用下，大分子燃油被擊碎為小分子，導(dǎo)致劉易斯數(shù)降低；燃油化學(xué)特性改變，顆粒的著火體積變大，因而相應(yīng)的火核尺寸將變大。這些因素綜合作用，使得在等離子體助燃條件下，火核尺寸將大于火焰初始半徑，從而點(diǎn)燃火焰，如圖5所示。

此外，加州大學(xué)歐文分校、加州大學(xué)伯克利分校、德雷賽爾大學(xué)以及美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）格倫研究中心等還分別就等離子體助燃與電場(chǎng)耦合、等離子體助燃與磁場(chǎng)耦合和等離子體助燃與電磁場(chǎng)多場(chǎng)耦合相關(guān)概念做了初步探索，并取得了一定進(jìn)展，驗(yàn)證了采用電場(chǎng)、磁場(chǎng)的外部調(diào)節(jié)，可進(jìn)一步優(yōu)化等離子體助燃過程的可控性。

這些進(jìn)展都進(jìn)一步推動(dòng)了等離子體助燃技術(shù)從前沿基礎(chǔ)研究向工程應(yīng)用方面的轉(zhuǎn)化。但截至目前，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的復(fù)雜性，以及燃燒室對(duì)體積、質(zhì)量、可靠性等結(jié)構(gòu)、總體性能參數(shù)的特殊要求，單獨(dú)應(yīng)用等離子體助燃技術(shù)仍存在一定困難。

圖6 等離子體助燃技術(shù)在加力燃燒室中的應(yīng)用

圖7 主燃燒室單頭部試驗(yàn)

等離子體助燃技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

目前等離子體助燃技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)領(lǐng)域最接近，或已經(jīng)得到應(yīng)用的主要是加力燃燒室點(diǎn)火器和主燃燒室頭部。

俄羅斯配裝蘇-57飛機(jī)的“產(chǎn)品30”發(fā)動(dòng)機(jī)在其加力燃燒室內(nèi)安裝了等離子體點(diǎn)火裝置，大幅改善了加力燃燒室的接通可靠性及高空、低溫條件下的點(diǎn)火性能（如圖6所示）。

GE航空集團(tuán)發(fā)展了一種帶等離子體激勵(lì)器的低排放燃燒室頭部結(jié)構(gòu)。一方面，基于等離子體助燃作用，該燃燒室頭部結(jié)構(gòu)具有燃燒主動(dòng)控制能力，可對(duì)不同工況下發(fā)生的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行主動(dòng)抑制；另一方面，在等離子體作用下，燃料將部分脫氫，形成游離態(tài)的H2，這部分游離態(tài)氫可顯著改善燃燒室的貧油熄火性能。此外，數(shù)值模擬研究表明，在未接通等離子體激勵(lì)的狀態(tài)下，燃燒室頭部區(qū)域燃燒溫度較高，而較高的燃燒溫度意味著較高的NOx排放。在相同當(dāng)量比、接通等離子體激勵(lì)的狀態(tài)下，主燃燒室頭部區(qū)域燃燒最高溫度降低190K，從2340K降 低 至2150K，NOx生 成量從未接通等離子體激勵(lì)的16 ppm（10-6），降低至接通后的1 ppm。與此同時(shí)，燃燒效率未受到影響。

而在常壓條件、甲烷燃料、52kW級(jí)主燃燒室旋流單頭部模型燃燒室內(nèi)開展的試驗(yàn)研究表明，在等離子體助燃作用下，貧油吹熄極限油氣比從原型燃燒室的0.4，降低至0.11，而等離子體發(fā)生器的功耗則僅為300W量級(jí)，如圖7所示。

這些研究，從不同角度驗(yàn)證了等離子體助燃技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的應(yīng)用潛力。

結(jié)束語

低溫等離子體助燃技術(shù)作為一種新興燃燒組織與強(qiáng)化技術(shù)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)領(lǐng)域有較高應(yīng)用價(jià)值與潛力。一些國(guó)家已在低溫等離子體助燃技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用層面開展了較豐富的研究，并在型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)或研制中的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)層面開展了應(yīng)用，在提速、增效方面的效果較為顯著。我國(guó)在低溫等離子體基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的研究工作起步較早、起點(diǎn)較高，但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)主燃燒室、加力燃燒室及超燃、多模態(tài)、爆震燃燒室應(yīng)用層面開展的研究則相對(duì)較少。鑒于低溫等離子體助燃技術(shù)的發(fā)展價(jià)值，有必要在該領(lǐng)域增加研究方面的投入，盡早取得應(yīng)用方面的突破。