滑动弧等离子体强化燃烧技术在航空发动机中的研究进展

于锦禄，赵兵兵，郭昊，徐哲霖，胡雅骥，范玮，徐华胜

（1.空军工程大学航空工程学院，西安 710003；2.西北工业大学，动力与能源学院，西安 710072；3.中国航发四川涡轮研究院，成都 610599）

0 引言

随着航空发动机性能不断提高，燃烧室的工作条件不断恶化，点火难度更大，熄火边界也很难满足要求。航空发动机燃烧室普遍采用火花塞点火。发动机在地面工作时，燃烧室的进口空气温度、压力适中，空气流速较小，燃烧室的点火起动较为容易。但是在空中再点火状态下，燃油流量小，供油压力低，导致燃油雾化差；同时燃烧室进口气流温度低，进气速度大，导致此时点火的可靠性和成功率较低。

近年来，利用等离子体放电强化航空发动机燃烧是该方向的研究热点。常见的产生等离子体的方式主要包括：介质阻挡、电晕、辉光、微波、电弧、微波、滑动弧放电等。其中滑动弧等离子体强化燃烧技术是一种新型的强化燃烧技术。滑动弧放电是指2个电极在高压电场激励下产生电弧通道，电弧在气流驱动下沿气流流向向下游滑动的一种动态的电弧放电形式。在滑动弧放电过程中，能促使电极间的介质发生等离子体放电化学反应，产生丰富的活性基团和高能电子等。这些活性粒子能够参与化学反应，加速其进程。正是因为具有这些独特的性质，滑动弧等离子体在降解污染物、处理污水、重整燃料、消毒杀菌、强化燃烧等方面应用广泛。

在滑动弧放电过程中会产生大量的活性基团和激发态粒子，强化燃烧的效果明显，但是如何将其与航空发动机结构结合是一个难题。2017年，于锦禄在第3届全国青年燃烧学术会议上首次提出将滑动弧与航空发动机燃烧室头部结合的概念，并创新性的给出了基于滑动弧助燃的发动机燃烧室头部方案；2018年，于锦禄等给出了详细的滑动弧与航空发动机燃烧室头部结合的方案。后续的研究表明，滑动弧在航空发动机燃烧室强化燃烧方面突显出的优势主要包括以下3个方面：

（1）点火。可燃混合气经过滑动弧放电区域，燃油被滑动弧加热、电离、裂解成更有利于燃烧的小分子或活性粒子，可以实现航空发动机燃烧室的贫油点火和低温点火，扩大燃烧室的点火边界，实现宽范围的点火，并缩短点火延迟时间；

（2）助燃。混合气中的燃油被强迫雾化、电离和裂解，提高燃油雾化质量，扩宽稳定燃烧范围，拓宽发动机燃烧室的熄火边界，实现宽范围的燃烧。同时还可以提高燃烧效率，降低燃烧污染物排放；

（3）滑动弧放电可采用交流电源，能量消耗低，对电源要求低，可替代原发动机的点火器。

本文归纳了目前航空发动机点火所面临的问题，并介绍了现有的滑动弧强化燃烧技术研究进展。

1 滑动弧强化燃烧的作用机制

滑动弧放电产生的电子温度较低而电子数密度较大，具有典型的低温等离子体特征，具有放电结构简单、电源功率小、激励参数易调节、电极寿命长和活性粒子激发效率高等优点。2维滑动弧放电结构和效果如图1所示。当滑动弧的上下2个扩张型电极接通高压电时，在时刻首先会在最小间距位置处击穿电弧，随着气流的流动，电弧沿着电极向右移动并被拉长，并在时刻被吹动到下游位置；如果加载在电极上的电压足够高，电弧会被持续拉长滑动到位置，直到电弧的长度大于其临界长度后，电弧熄灭，之后会在最小间距处重新击穿，并重复电弧的滑动过程。

图1 2维滑动弧放电结构和效果

等离子体点火助燃的机理主要表现为热效应、化学效应和气动效应。滑动弧放电是等离子体放电中的一种，在强化燃烧方面主要体现在化学效应和热效应2方面。

（1）化学效应。

滑动弧强化燃烧的化学效应是基于非平衡等离子体放电产生的化学活性粒子来提高燃料的燃烧特性，实质是滑动弧等离子体放电中高能电子与中性粒子间的碰撞引发重粒子的离解、激发甚至电离，产生大量的活性粒子，从而影响燃烧系统的化学平衡。滑动弧等离子体助燃的化学效应如图2所示。

图2 滑动弧等离子体助燃的化学效应

以煤油空气混合气为例，试验证明，一方面，滑动弧在放电过程中，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学反应速率和火焰传播速度；CH、CH、CH、CH、CH等小分子气相燃料的化学反应速率更高，需要的最小点火能量更小，更容易着火和燃烧，可以缩短点火延迟时间。另一方面，滑动弧在放电过程中，电子与燃料分子发生碰撞，大分子碳氢燃料被电离成活化能很小的带电小碳链活性粒子，加速了化学链锁反应，强化燃烧效果。总之，滑动弧强化燃烧通过产生活性基、激发态粒子、离子和电子将放电能量耦合到燃烧过程中，放电产生的活性粒子会改变燃料的化学反应速率，加快燃烧反应，强化燃烧过程。

（2）热效应。

滑动弧强化燃烧的温升效应是指滑动弧放电过程引起的气流温度升高对燃烧过程中化学反应进程的影响，可以减少点火需要的最小点火能量，增强燃烧的稳定性。滑动弧等离子体助燃的温升效应如图3所示。研究表明，非平衡等离子体放电中的一部分能量用于加热放电介质。另外，在相同放电条件下，与氮气-燃料放电中燃料温升相比，空气-燃料放电时温度升高更加显著，这是由于等离子体放电时O原子等活性粒子的存在导致燃料氧化并释放热量，使燃料/空气混合气的温度接近自着火温度而导致点火发生。

图3 滑动弧等离子体助燃的温升效应

滑动弧强化燃烧的2种效应并不是相互独立的，而是同时存在、同时发生，相互耦合相互影响。施加滑动弧助燃激励后放电区域快速放热、工作介质气体温度升高，化学反应速率增大，放电生成的活性粒子浓度提高，粒子的输运强度增大，化学效应、温升效应增强；化学效应提高了自由基的初始浓度，改变链的激发和传播过程，加快燃烧反应的传热、传质过程，使化学反应的放热量增大，介质温度升高，同时诱导局部的流场扰动，温升效应、化学效应增强。

2 滑动弧强化燃烧的研究现状

20世纪80年代初期，等离子体点火助燃技术开始受到航空航天动力领域研究人员关注和重视，滑动弧强化燃烧技术作为其中一种得到了飞速发展。总体上看，国内外对滑动弧的研究主要包括放电特性、数值仿真、强迫雾化和强化燃烧研究4方面。

2.1 放电特性研究

放电特性是研究滑动弧强化燃烧的基础特性，是决定强化燃烧效果的重要因素，需要重点关注。近年来，国内外学者们针对滑动弧放电等离子体开展了大量研究，包括采用不同的电源（直流电源、交流电源）和不同放电结构的激励器，从2维滑动弧放电、3维旋转滑动弧放电，到磁驱动的滑动弧发电，研究范围覆盖放电的电压电流特性、电弧的动态特性、滑动弧放电的滑动模式、光谱特性以及红外特性等。

Zhang等研究了尖-尖电极滑动弧放电的放电特性，发现有2种放电模式，从电信号和电弧形态特征将2种模式总结为重复击穿的火花模式和小电流峰值的类似辉光放电模式。尖-尖滑动弧放电在不同介质流量下的放电图像如图4所示。

图4 尖-尖滑动弧放电在不同介质流量下的放电图像

图5 OH-PLIF拍摄的OH基分布的演变过程

Yukihiro等开展了大气压交流滑动弧等离子体放电的试验研究，表明可以通过提高交流频率、降低气体流速等方法来增加电弧的临界长度。证明了气体流速对电弧长度的变化有显著影响。不同放电间距下滑动弧放电的照片如图6所示。

朱家健等通过光谱诊断的方法研究了空气流量对滑动弧电弧动力学、OH分布和UV光谱特征的影响，特别关注了局部湍流和滑动弧放电电弧之间的相互作用。在较低流速下，电弧的弧根稳定在电极顶部的尖端；而在较高流速下，电弧在2极间最小间距处产生并沿电极向上旋转滑动。电弧的熄灭时间随着流量的增加而缩短，同时放电过程从类似辉光型转换为火花型。不同流量下滑动弧放电OH基分布如图7所示。并在2017年利用非接触式的光学诊断技术，获得了滑动弧放电的输运温度。采用同时测量等离子柱的瞬时长度、放电电压和输运温度来计算瞬时的电场强度，并由此推算出滑动弧放电的电子温度。

图6 不同放电间距下滑动弧放电的照片

图7 不同流量下滑动弧放电OH基分布

何立明等开展了多因素对2维滑动弧以及3维旋转滑动弧放电特性的影响研究，针对电极结构、射流流量以及放电电压进行了大气压交流滑动弧放电的电信号测量和高速CCD拍摄。通过分析电信号特征和电弧运动形态，定义了放电过程中存在的2种滑动模式，即稳定电弧滑动模式和击穿伴随滑动模式。旋转滑动弧的CCD照片叠加如图8所示。并在2019年开展了环境压力对3维旋转滑动弧等离子体助燃激励器放电特性的影响研究。电弧的滑动模式随气压升高由击穿伴随模式发展为稳定滑动模式，电弧击穿电压也随之升高。

图8 旋转滑动弧的CCD照片叠加

Zhang等开展了磁驱动滑动弧放电的试验研究，分析了气体流速以及磁场强度等因素对旋转滑动弧等离子体的放电特性的影响规律。验证了前人的类似结论，随着介质气体流量的增大电弧旋转模式发生快速转变，放电电压大幅降低。磁驱动滑动弧放电的2种模式如图9所示。

图9 磁驱动滑动弧放电的2种模式

张若兵等详细研究了电极结构对滑动弧放电的影响规律，为优化滑动弧放电的电极结构提供了大量的实践经验。不同电极结构下滑动弧放电图像如图10所示。

图10 不同电极结构下滑动弧放电

2.2 数值仿真研究

滑动弧放电强化燃烧的仿真涉及多学科交叉融合，包括等离子体物理、空气动力学、燃烧学、传热学等，涉及的时间、空间尺度跨度大，因此给仿真计算带来了很大难度。

3) 航线覆盖范围.航线对航运公司择港决策有一定的影响[10]，故深圳港应该设计合理的航线以吸引更多货主.华南公共驳船快线运输网络覆盖范围较广，但仍有部分码头尚未被覆盖，如清远、贵港、钦州等.

Kolev等采用轴对称模型和笛卡尔模型开展了氩气环境条件下的2维滑动电弧放电的仿真研究，建立了2维滑动孤的放电模型。验证了模型的适用性，并初步探索了滑动弧放电的机理。不同时刻下电弧中的电子密度分布如图11所示。

图11 不同时刻下电弧中的电子密度分布

Kolev等在大气压氩气环境下研究2个扁平电极间产生的滑动弧放电中的能量传输，并对滑动弧进行了数值模拟研究，探讨了滑动弧放电过程中的击穿机理，分析了在不同电流条件下电弧传热差异的机理。

2.3 强迫雾化研究

张磊等基于滑动弧的航空发动机燃烧室燃油裂解头部，试验研究了不同放电电压下滑动弧等离子体对燃油喷雾性能的影响规律。结果表明，滑动弧等离子体能够有效提高燃油雾化质量。随着放电电压的升高，燃油喷雾的雾化锥角增大，SMD减小，不均匀系数减小。不同放电电压燃油喷雾SMD对比如图12所示。当入口空气流量为20 m³/h，余气系数为0.6时，未施加等离子体的燃油喷雾的雾化锥角为43°，SMD为93.545 6μm，不均匀系数为0.304；当放电电压达到200 V时，燃油喷雾的雾化锥角增大到75°，SMD减小为89.690 6μm，不均匀系数减小到0.233。

图12 不同放电电压燃油喷雾SMD对比

2.4 强化燃烧研究

Yiguang等研究了非平衡滑动弧等离子体放电对N稀释、甲烷/空气逆流扩散火焰的稳定和熄灭的影响。结果表明，随着滑动弧的激励功率增大，熄火边界显著提高，且与数值模拟结果一致。滑动弧激励器结构原理如图13所示。

图13 滑动弧激励器结构原理

Suo等研究了滑动电弧放电对外部扰动甲烷/空气旋流火焰稳定性极限的影响。在滑动电弧放电的情况下，扰动火焰中的贫油熄火极限拓宽了60%。

胡长淮等基于滑动弧等离子体的强化燃烧头部，验证了该等离子体强化燃烧技术应用于型号发动机燃烧室的可行性，并研究了滑动弧对燃烧效率、出口温度分布系数和熄火边界的影响。结果表明，施加等离子体助燃后的燃烧效率明显提高，燃烧室出口温度分布场分布得到明显改善，施加等离子体助燃后，输入电压为240 V时的熄火边界扩宽了7.34%。滑动弧等离子体强化航空发动机燃烧的三头部试验系统如图14所示。

图14 滑动弧等离子体强化航空发动机燃烧的三头部试验系统

3 滑动弧强化航空发动机燃烧方案

3.1 自由轨道式3维旋转滑动弧强化燃烧方案

将滑动弧等离子体应用于航空发动机燃烧室，其难点是如何将现有燃烧室结构与放电电极结合，并实现绝缘。3种自由轨道式的滑动弧航空发动机燃烧室设计方案（如图15所示）分别为燃油喷嘴和文氏管放电方案、文氏管和外套筒放电方案和双路滑动弧放电方案。图中的旋流结构均以轴向旋流为例给出，也可以为径向旋流。因滑动弧在滑动过程中的滑动轨迹是自由发展的，是随着电参数、气动参数的变化而变化的，故称之为自由轨道式。

图15 3种自由轨道式的滑动弧航空发动机燃烧室设计方案

以燃油喷嘴和文氏管放电方案为例，该结构主要包括旋流器基体、燃油喷嘴、文氏管等。旋流器采用2级同向的轴向旋流设计，可对燃油喷嘴中喷出的燃油起到二次空气雾化的作用，可用绝缘陶瓷材料3D打印而成。燃油喷嘴为主-副油路空气压力雾化喷嘴，作为放电的负极；文氏管采用圆滑过渡的收缩-扩张结构，由金属材料制成，作为放电的正极。外层的喇叭口结构采用扩张型设计，起到扩压器的作用。滑动弧等离子体旋流激励器实物如图16所示。在滑动弧放电工作过程中，利用预燃级燃料喷嘴作为旋转滑动弧的内电极，利用第1、2级内外旋流器之间的文氏管内壁面作为旋转滑动弧的外电极，内外电极组成滑动弧强化燃烧激励器。当滑动弧强化燃烧激励器通电工作时，通过第1级旋流器对气流的旋流作用产生3维旋转滑动弧，其与燃油混合气充分耦合，可燃混合气被滑动弧加热、电离、裂解成更有利于燃烧的小分子或活性粒子，在燃烧区提前燃烧、高效燃烧，扩大燃烧区域，提高燃烧效率，可以实现贫油点火和燃烧，最终实现宽范围点火和燃烧，达到强化燃烧的目的。

图16 滑动弧等离子体旋流激励器实物

文氏管和外套筒放电方案的特点是，文氏管与外套筒之间放电，通过第2级旋流器的旋流作用促使滑动弧3维旋转滑动。

双路滑动弧放电方案是指和文氏管同时与外套筒和燃油喷嘴放电方案，此时可以将外套筒和燃油喷嘴连接双路高压电源，而文氏管接地。这种双路滑动弧放电方案产生的滑动弧数量更多，面积更大，更有利于点火和助燃。

3.2 固定轨道式滑动弧强化燃烧方案

固定轨道式滑动弧激励器如图17所示。激励器包括2级旋流器、带螺旋凹槽的扩散内通道以及2个3维螺旋电极。其中，第1级旋流器位于激励器的头部，由数个轴线与激励器轴线相交成一定角度的小孔构成；第2级旋流器为叶片式径向旋流器。2个3维螺旋电极镶嵌于内通道的螺旋凹槽内，且与旋流器以及扩散内通道同轴。因滑动弧的滑动轨道是按照燃烧室的气流旋流流动特点提前设计好的，在工作过程中，滑动弧只能沿着固定的轨道滑动，因此称之为固定轨道式滑动弧强化燃烧方案。

图17 轨道式滑动弧激励器

3.3 滑动弧强化燃烧验证

以燃油喷嘴和文氏管放电方案为例，通过试验发现，在航空发动机燃烧室中滑动弧等离子体旋流激励器具有喷油即点火的优势，能够实现点火助燃一体化。滑动弧激励器的点火过程如图18所示。从图中可见，在点火的初始阶段，首先观察到了滑动的放电电弧；随后滑动弧将其附近的可燃混合气点燃，并在电弧附近形成了微小的点火火核；点火火核随着滑动弧同步滑动，越来越大，最终引燃了整个燃烧室中的可燃混合气。

图18 滑动弧激励器的点火过程

采用滑动弧激励器的某燃烧室出口温度随时间变化趋势如图19所示。当燃烧室稳定燃烧后，在第45 s打开滑动弧等离子体点火助燃系统，开始实施助燃，燃烧室出口温度迅速升高，由950℃升高到1080℃，升高了130℃，体现出了滑动弧等离子体的化学效应和温升效应；关闭等离子体助燃系统之后，燃烧室出口温度呈现明显降低趋势。

图19 采用滑动弧激励器的某燃烧室出口温度随时间变化趋势

某燃烧室在无滑动弧等离子体助燃条件下的燃烧效率为79.99%，而施加滑动弧等离子体助燃之后，其燃烧效率提升至89.27%，提高了9.28%。

4 总结与展望

滑动弧等离子体能克服传统电火花放电的不足，拓宽点火包线和稳定燃烧范围，提高点火可靠性，实现高空快速二次起动。通过滑动弧等离子体激励器进行强化燃烧特性试验研究，发现该激励器能够迅速可靠地点燃燃烧室中的可燃混合气，特别适合燃烧室在高空/高速等极端条件下点火。滑动弧等离子体助燃改变燃料的燃烧状态，能提高燃烧效率，增大火焰传播速度，扩大稳定燃烧范围。3维旋转滑动弧强化燃烧激励器结构简单，与燃烧室结构相适应，能够组织高效的稳定燃烧，实现燃烧室在贫油或低温工况下成功点火与稳定燃烧，保证出口温度均匀。

滑动弧等离子体强化燃烧技术在发动机领域有较好的应用前景，但其工程化应用还需要以下技术有所突破：

（1）滑动弧放电过程中的能量传递机制和强化燃烧机理。国内外现有的研究成果已经证明了滑动弧等离子体强化燃烧技术的诸多优势，但是由于电子激发态、振动激发态分子浓度及分布的测试诊断技术尚不成熟，无法分析等离子体放电中的能量传递机制，对于滑动弧强化燃烧的详细机理还不够清楚，需要加大对点火助燃基础理论方面的研究。

（2）高气压条件下滑动弧稳定激励方法。在航空发动机的实际工作环境中，燃烧室的进口空气总压较高。在高气压条件下滑动弧等离子体放电非常不均匀，甚至无法放电。进行高气压条件下滑动弧等离子体激励方法研究，对于滑动弧强化燃烧的工程应用具有重大的现实意义。

（3）滑动弧等离子体强化燃烧技术的工程应用技术。从目前的研究成果来看，滑动弧强化燃烧技术在航空发动机上的试验验证了该技术的可行性，但将滑动弧激励器应用到航空发动机工作环境时，还需要解决激励器的安装位置、激励方式、材料、驱动电源的小型化和轻质化、可靠性、寿命等工程实际难题。