等離子體點火與助燃技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用

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和磁場相互耦合，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、增強氣流流動穩(wěn)定性的作用外，還可以在燃燒室中點火助燃。等離子體點火能夠拓寬點火包線，并實現(xiàn)高空快速重新啟動，具有點火區(qū)域大、能量高、延遲時間短、成功率高等優(yōu)點。等離子體助燃能提高燃燒效率和火焰吹滅速度，擴大貧熄邊界，減少污染物排放。點火系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定燃燒邊界范圍對航空發(fā)動機的性能有重要影響，等離子體點火助燃技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)引起了世界各國研究人員的重視，利用各種不同的放電形式和放電結(jié)構(gòu)進行點火助燃研究。

本文總結(jié)了目前航空發(fā)動機點火所面臨的問題，對現(xiàn)有的等離子體點火研究進展進行了總結(jié)，提出了預(yù)燃式等離子體射流點火方案和滑動弧等離子體助燃在燃燒室的工作方案，對等離子體點火與助燃技術(shù)研究以及在航空發(fā)動機上的應(yīng)用提供參考。

1 航空發(fā)動機點火面臨的問題

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

圖1 典型發(fā)動機的燃燒室結(jié)構(gòu)

目前，戰(zhàn)斗機、無人機和民用客機用發(fā)動機均面臨高空點火包線需要拓寬的重大需求。

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

（2）無人機的需求。無人機高空二次點火包線的限制較低，而高空長航時無人機的巡航高度可達(dá)18～20 km（如美國的全球鷹無人機的巡航高度為18.2 km），若發(fā)動機在此高度熄火，必須降低無人機的飛行高度重新點火，這就喪失了無人機的高空優(yōu)勢，使其極易被擊落，極大地危及飛行安全。

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

航空發(fā)動機高空點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)的火花塞點火，點火能量和面積小，使得燃燒室中的混合氣很難被點燃。當(dāng)飛行速度過大時，由于在燃燒室中點火形成的初始火核較小，容易被吹熄。此外，從化學(xué)動力學(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，湍流強度和雷諾應(yīng)力降低，燃燒室的壓力降低也會造成燃油的霧化質(zhì)量下降，燃油霧化的索太爾平均直徑增大，即發(fā)動機燃燒時的點火性能和火焰穩(wěn)定性變差，燃燒效率下降[4]。這使得飛機的空中起動包線遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飛機的飛行包線[5]。典型的飛機飛行包線和空中起動包線如圖2所示。從圖中明顯可見，空中起動包線遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飛行包線。

圖2 典型飛機的飛行包線和空中起動包線

2 等離子體點火助燃的基本原理

等離子體點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，實現(xiàn)快速的點燃可燃混合氣或強化燃燒的進程[6-7]。研究表明，等離子體點火助燃的機理主要表現(xiàn)為3種效應(yīng)[8-9]：熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和氣動效應(yīng)[10-11]。熱效應(yīng)是指在等離子體放電的過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，因此也稱其為溫升效應(yīng)；化學(xué)效應(yīng)是指在等離子體放電過程中，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，空氣中的氧氣和氮氣分子被電離成氧化性更強的活性粒子，從而加速化學(xué)鏈鎖反應(yīng)；氣動效應(yīng)是指在等離子體放電的過程會對流場產(chǎn)生擾動，一方面增強燃燒室內(nèi)氣流的湍流脈動度，另一方面有利于等離子體在混合氣中的定向遷移，而遷移擴散又有利于火焰面的擴展，擴大了火焰的焰鋒面積，增大火焰的傳播速度，增強燃燒的穩(wěn)定性。

等離子體點火技術(shù)根據(jù)激發(fā)形式的不同分為不同種類，包括射流電弧、直接擊穿空氣的電弧、滑動弧、電暈、微波等離子體點火和介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）技術(shù)等。而最常見的火花塞點火屬于直接擊穿空氣的電弧等離子體點火；納秒脈沖等離子體點火既能以電弧的形式放電點火也能以電暈形式放電點火；微波等離子體點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現(xiàn)點火與助燃。

（1）射流電弧等離子體點火。射流等離子體點火（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點燃可燃混合氣。射流的介質(zhì)可以是氬氣，也可以是空氣、氮氣、氧氣、氫氣和碳?xì)浠衔锏取Ｆ淙秉c是陽極出口的溫度較高，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火。直接擊穿空氣的電弧等離子體點火（如圖4所示）是利用高電壓直接擊穿在陰陽極之間的空氣的點火形式。

圖3 射流電弧等離子體點火

圖4 直接擊穿混合氣電弧等離子體點火

（3）滑動弧等離子體點火?；瑒踊〉入x子體點火（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，電弧被流動的氣體吹向更寬的截面，從而弧也被拉長。電弧可以產(chǎn)生在1對電極之間，也可以產(chǎn)生在多個電極之間[12]。當(dāng)電弧移動到臨界長度時，電弧會熄滅，此時又會從起始的最窄處形成新的電弧，并不斷重復(fù)上述滑動弧的放電過程。

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

圖5 滑動弧等離子體點火

圖6 電暈等離子體點火

（5）微波等離子體點火。微波等離子體點火是利用微波輻射的能量來點燃混合氣[14]。研究表明，在其點火過程中，著火點會均勻分布在燃燒室內(nèi)，與傳統(tǒng)的火花塞點火方式相比，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、電等物理過程及化學(xué)過程[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)果來看[16-17]，等離子體點火助燃帶來的優(yōu)勢有：拓寬點火邊界、縮短點火延遲時間、提高點火可靠性、穩(wěn)定火焰、加速燃燒、提高燃燒效率、降低燃油消耗等。因此等離子體點火助燃是擴大點火邊界，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 等離子體點火助燃技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

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

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

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

1992年，美國GE公司、西門子發(fā)動機精密系統(tǒng)公司、航空等離子技術(shù)公司以航空發(fā)動機主燃燒室和加力燃燒室為應(yīng)用對象申請了等離子流點火系統(tǒng)的專利。美國GE公司公開的可用于航空發(fā)動機上的連續(xù)式等離子流點火器，增加了保護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/擴形，關(guān)鍵部位采用耐高溫合金材料，而且與飛機上常規(guī)火花點火器配合使用的電壓基本能滿足這種點火器產(chǎn)生等離子體的要求。

在美國“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)計劃（IHPTET）”中，用于發(fā)動機燃燒室的等離子體點火系統(tǒng)是該計劃第2發(fā)展階段的重點研制項目之一。美國空軍推進系統(tǒng)研究實驗室將等離子體強化燃燒技術(shù)列為未來先進發(fā)動機技術(shù)之一。

美國國防部支持的跨學(xué)科研究計劃MURI(Multidisciplinary University Research Initiative)、美國國家科學(xué)基金等機構(gòu)資助了很多等離子體強化燃燒領(lǐng)域的研究項目。美國從事等離子體強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]、空軍實驗室[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)的研究重點是等離子體助燃技術(shù)的應(yīng)用及助燃機理，試驗證實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?，實現(xiàn)更寬氣壓、更低氣流溫度、極貧條件下燃料/空氣混合氣的點火與穩(wěn)定燃燒[19]；南加利福尼亞州立大學(xué)的研究重點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)重點研究非平衡等離子體強化沖壓發(fā)動機燃燒室的燃燒性能技術(shù)，試驗結(jié)果表明非平衡等離子體可以增強火焰穩(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火延遲時間、提高火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊哪芰22]；美國海軍研究生院重點研究脈沖爆震發(fā)動機等離子體點火技術(shù)，試驗表明瞬態(tài)等離子體點火可縮短燃料/氧化劑的起爆時間以及緩燃到爆震的轉(zhuǎn)換（DDT）距離[23]；美國空軍實驗室重點研究超聲速等離子體點火與助燃技術(shù)[24]；辛辛那提大學(xué)重點研究燃?xì)廨啓C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)公司是等離子體點火與助燃領(lǐng)域非常著名的公司，每隔2年會組織等離子體放點應(yīng)用的專題研討會。該公司研發(fā)了大量的等離子體點火與助燃試驗設(shè)備，重點研制等離子體點火器、等離子體燃料噴嘴、等離子體助燃燃燒器，向美國國家能源技術(shù)實驗室、布魯克海文國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、PW公司等提供技術(shù)支持。

美國的APT公司開發(fā)的等離子點火系統(tǒng)的高海拔測試，再次證明了即使與帶補氧的先進火花塞系統(tǒng)相比，航空航天應(yīng)用的等離子體點火技術(shù)也有明顯優(yōu)勢，如圖9所示[26]。

圖9 航空發(fā)動機燃燒室點火邊界

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

2006年，俄羅斯的Korolev與美國APT公司的Igor Matveev等[27]合作，在傳統(tǒng)的等離子體射流點火的基礎(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火可靠性、具有更寬廣的點火范圍、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APT公司提出將等離子體燃料噴嘴應(yīng)用到第5代發(fā)動機上[28]，但并沒指明具體的發(fā)動機型號以及如何應(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]改進傳統(tǒng)等離子體點火技術(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燃，研制的點火器出口結(jié)構(gòu)如圖12所示。研究表明，該結(jié)構(gòu)的點火器具有良好的點火和火焰穩(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火器

3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對燃燒室等離子體點火與助燃的研究起步較晚，當(dāng)前仍然處于原理驗證與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，從事此項研究的單位較少，與國外相比有一定差距。

圖12 航空煤油被點火器的射流霧化（冷態(tài)）

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

空軍工程大學(xué)從2007年開始，在國內(nèi)率先開展了等離子體點火技術(shù)在航空發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機上的應(yīng)用研究，在等離子體點火與助燃的機理、數(shù)值模擬及其原理與基礎(chǔ)性試驗方面進行了大量研究工作。設(shè)計制造出了多種等離子體點火驅(qū)動電源，并設(shè)計了多種等離子體點火器，如圖13所示，搭建了環(huán)形燃燒室等離子體助燃的地面驗證試驗平臺，如圖14所示。

圖13 系列等離子體點火器

圖14 航空發(fā)動機扇形燃燒室試驗段等離子體點火助燃試驗平臺

近年來，該團隊先后與航空發(fā)動機研究所合作，在國內(nèi)首次開展了在航空發(fā)動機上的地面和模擬高空等離子體點火與助燃試驗，實現(xiàn)了拓寬發(fā)動機燃燒室的點火邊界的效果，顯示出基于電弧放電的等離子體射流點火和基于介質(zhì)阻擋放電助燃的優(yōu)良性能，驗證了等離子體射流點火和基于介質(zhì)阻擋放電助燃在航空發(fā)動機中應(yīng)用的可行性。團隊研制的等離子體點火器噴出的火舌（炬）如圖15所示。

圖15 等離子體點火器噴出的火舌（炬）

自2012年開始，中科院國家高溫氣體動力學(xué)重點實驗室的Li Fei和Yu Xi-long等[31]進行了等離子體火炬點火技術(shù)在超燃沖壓發(fā)動機中的應(yīng)用研究，對以航空煤油為燃料的Ma=1.8的超聲速氣流點火成功。

從整體上看，國內(nèi)在等離子體點火助燃研究方面與國外存在較大差異。主要表現(xiàn)在以下幾方面：等離子體點火助燃測試診斷；等離子體點火助燃的基礎(chǔ)研究；等離子體點火與助燃技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用。

4 新型點火助燃結(jié)構(gòu)

4.1 預(yù)燃式等離子體點火器

基于傳統(tǒng)等離子體射流點火在航空領(lǐng)域中的研究成果，為了提高射流點火的射流剛度，增大點火能量，降低能耗，提出1種新型預(yù)燃式等離子體射流點火技術(shù)。其工作原理是：在常規(guī)等離子體射流點火器的出口處噴入燃料，與高溫空氣等離子體射流進行摻混，經(jīng)過電離、加熱、部分預(yù)燃后噴出噴嘴，在噴嘴外部形成強大的高溫等離子體點火射流火炬，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，從而大幅拓寬點火包線。電火花點火和等離子體點火的點火邊界對比如圖16所示，預(yù)燃式等離子體射流點火結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖16 電火花點火和等離子體點火邊界

圖17 預(yù)燃式等離子體射流點火器結(jié)構(gòu)

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

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

圖19 射流長度隨甲烷含量和驅(qū)動電流的變化規(guī)律

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

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

（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，提高點火可靠性；

（3）降低基于電弧放電的等離子體射流點火能耗。結(jié)合預(yù)先燃燒釋放的熱量提高射流點火能量、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)等離子體射流點火技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了提高等離子體射流點火的可靠性，對傳統(tǒng)等離子體射流點火技術(shù)加以改進，發(fā)展出一些新型等離子體射流點火結(jié)構(gòu)。

4.2 滑動弧等離子體助燃

滑動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，電弧被流動的氣體吹向更寬的截面，從而弧也被拉長。當(dāng)電弧移動到臨界長度時會熄滅，此時從起始的最窄處形成新的電弧，并不斷重復(fù)上述滑動弧的放電過程。電弧可以產(chǎn)生在1對電極之間，也可以產(chǎn)生在多個電極之間。傳統(tǒng)滑動弧放電結(jié)構(gòu)尺寸較大，制約了其在動力裝置中使用。在傳統(tǒng)2維滑動弧等離子體強化燃燒激勵器的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的發(fā)明了新型3維旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體強化燃燒激勵器，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)滑動弧的特點是電極可以很小，旋轉(zhuǎn)滑動弧可以在整個腔體范圍內(nèi)工作。

圖20 3維旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體強化燃燒激勵器的放電效果

圖21 3維旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體強化燃燒激勵器結(jié)構(gòu)

基于3維旋轉(zhuǎn)滑動弧的寬范圍旋流燃燒的工作原理是：在航空發(fā)動機常用的多旋流器燃燒室頭部的基礎(chǔ)上，利用預(yù)燃級燃料噴嘴作為旋轉(zhuǎn)滑動弧的內(nèi)電極，利用第1、2級內(nèi)外旋流器之間的文氏管內(nèi)壁面作為旋轉(zhuǎn)滑動弧的外電極，內(nèi)、外電極組成滑動弧強化燃燒激勵器。當(dāng)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(chǎn)生3維旋轉(zhuǎn)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(qū)提前燃燒、高效燃燒，擴大燃燒區(qū)域，提高燃燒效率，可以實現(xiàn)貧油點火、貧油燃燒，最終實現(xiàn)寬范圍點火和燃燒，達(dá)到強化燃燒的目的?；?維旋轉(zhuǎn)滑動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級旋流器也可為徑向旋流器。

圖22 3維旋轉(zhuǎn)滑動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)滑動弧的寬范圍燃燒室頭部的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：

（1）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，提高燃燒效率；

（2）實現(xiàn)航空發(fā)動機燃燒室的貧油點火、低溫點火和貧油燃燒，擴大燃燒室的穩(wěn)定燃燒范圍，實現(xiàn)寬范圍的點火和燃燒。

預(yù)燃式等離子體射流點火通過燃料燃燒，增加射流能量，能夠降低所需電源的驅(qū)動功率，并顯著增加射流長度，3維旋轉(zhuǎn)滑動弧助燃方式與燃燒室更加匹配，簡化助燃結(jié)構(gòu)。若未來能將二者結(jié)合使用，與發(fā)動機狀態(tài)進行匹配控制，能夠提高燃燒室燃燒效率，擴展點火邊界，提高發(fā)動機性能。

5 總結(jié)

等離子體點火能克服傳統(tǒng)電火花放電的不足，拓寬點火包線，縮短點火延遲時間，提高點火可靠性，實現(xiàn)高空快速重新起動。通過對預(yù)燃式等離子體點火器進行點火試驗特性研究，發(fā)現(xiàn)該點火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。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?，擴大穩(wěn)定燃燒范圍。3維旋轉(zhuǎn)滑動弧強化燃燒激勵器結(jié)構(gòu)簡單，與燃燒室結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，能夠組織高效的穩(wěn)定燃燒，實現(xiàn)燃燒室在貧油或低溫工況下成功點火與穩(wěn)定燃燒，保證出口溫度均勻。

6 展望

燃燒室作為發(fā)動機的3大核心部件之一，點火可靠性與穩(wěn)定燃燒范圍是影響發(fā)動機性能的重要因素，等離子體點火助燃技術(shù)將在發(fā)動機領(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)域開展更加深入的研究工作：

（1）等離子體點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)致電源體積過大，影響其在飛機上使用，需要探索更合理的點火結(jié)構(gòu)來更高效地利用能量；

（2）國內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果已經(jīng)證明了等離子體點火與助燃技術(shù)的諸多優(yōu)勢，國外的部分設(shè)備已經(jīng)接近實用，但是對于等離子體點火和助燃的詳細(xì)機理還不夠清楚，需要加大對點火助燃基礎(chǔ)理論方面的研究；

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

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