集成火焰稳定器的RP-3等离子体裂解实验研究

《Fuel》：Experimental investigation on plasma cracking of RP-3 integrated with a flameholder

　　

基于涡轮的组合循环（TBCC）发动机在模态转换阶段面临与点火困难及燃烧性能欠佳相关的显著挑战。为提升其性能，本研究在不改变冲压发动机燃烧室火焰稳定器结构的前提下，成功引入等离子体技术，实现了RP-3的高效活化。研究人员创新性设计了5种单一形式等离子体执行器（SPA），并基于其结构与放电特性，集成形成5种集成等离子体执行器（IPA）。实验结果表明，由SPA和IPA诱导的RP-3裂解产物中，氢气（H₂）占比最大。此外，IPA的活化性能显著优于SPA，其主要原因在于多个执行器之间的协同效应。该效应通过两种机制增强活化作用：一是扩大等离子体的有效作用区域，二是通过调控流场改善等离子体反应环境。与SPA相比，IPA可使有效裂解率（ECR）和H₂生成速率最高分别提高188.3%和68.8%。对氢气空间分布的测量揭示了不同执行器裂解产物的显著差异：在SPA中，嵌入式等离子体型火焰稳定器（EPTF）产生的氢气分布最均匀，分布式等离子体执行器（DPA）使氢气富集于上壁面附近，而滑动电弧等离子体射流点火器（GAPJI）和等离子体射流执行器（PJA）则使氢气集中于点火器出口附近。采用IPA时，基于EPTF的方案显著扩展了氢气分布区域并提高其浓度；而基于等离子体型火焰稳定器（PTF）的方案则通过流场调制实现间接分布优化。在所有方案中，由EPTF与PJA构成的集成等离子体执行器表现出最优异的综合性能。

该文发表于《Fuel》，围绕基于涡轮的组合循环（TBCC，turbine based combined cycle）发动机模态转换阶段的燃烧强化问题展开。模态转换过程中，冲压发动机起动边界与涡轮发动机熄火边界对应的飞行马赫数接近，导致两类发动机有效工作区间重叠范围狭窄，进而引发推力明显下降。这一问题严重制约并联式TBCC总体性能。与此同时，RP-3作为航空推进领域广泛使用的燃料，虽具有较高热值、较好燃烧特性与较低腐蚀性，但其主要由大分子烃组成，化学活性偏低、燃烧稳定性不足、火焰传播速度较慢。在模态转换阶段较低总温、总压来流条件下，RP-3的雾化、蒸发与热裂解进一步受限，导致点火延迟增长、稳定燃烧困难。因此，如何在不显著增加系统复杂度的前提下，提高RP-3活化与裂解水平、拓宽发动机模态转换过程中的稳定工作范围，构成该研究开展的直接背景与工程需求。

针对现有火工点火器难以重复点火、传统引入先导燃气方法又会增加额外燃料系统复杂度的问题，研究人员将等离子体活化与裂解技术引入冲压发动机燃烧室。既有研究已表明，等离子体可促进烃类燃料裂解，生成H₂、CH等活性组分，并有效缩短点火延迟、扩展点火与熄火极限。然而，面向冲压发动机燃烧室的紧凑结构、高热高流速环境以及火焰稳定器耦合布局，现有等离子体执行器仍缺乏针对性设计；多执行器集成后是否存在可用于强化燃料活化的协同机制，也尚缺乏系统研究。基于此，研究人员设计了适配冲压发动机火焰稳定器结构特征的多类等离子体执行器，并进一步构建集成等离子体执行器（IPA），以实验方式验证其RP-3活化裂解能力及其协同强化规律。研究表明，在不改变火焰稳定器结构设计的条件下，等离子体技术可实现RP-3有效裂解；其中，集成化设计不仅提升有效裂解率（ECR）与H₂生成速率，还可改善裂解产物空间分布，具有重要的工程应用价值。

从方法上看，研究人员首先基于冲压燃烧室火焰稳定器构型，设计了5种单一形式等离子体执行器（SPA）与5种集成等离子体执行器（IPA）；随后结合放电结构与作用方式，对不同执行器的电学特性、活化裂解性能及H₂空间分布进行实验表征；并在Ma = 0.1–0.2、T* = 300 K、Wf最高至5.5 g/s等条件下，对比分析单一与集成方案的性能差异。研究依托燃烧室火焰稳定器平台开展，重点关注执行器构型、放电特征、流场调制与裂解效果之间的耦合关系。

在主体研究中，论文首先介绍了火焰稳定器（Flameholder）结构。该火焰稳定器主要由油管、一级与二级混合孔、溅射板及蒸发孔等组成，点火器安装于侧板位置。其工作机理为：RP-3液滴由喷油孔排出后撞击溅射板发生初步破碎，随后在气流剪切作用下进一步雾化，并在结构内部与周围流动发生混合。该部分为后续等离子体执行器嵌入与集成提供了结构基础，也说明研究并未通过改变火焰稳定器总体构型来实现燃料活化，而是通过局部放电结构布置达成强化效果。

在“Design of plasma actuators”部分，研究人员指出，传统点火装置在点火区域和放电构型方面均存在局限，导致低入口总温条件下点火可靠性不足，也难以进一步提升燃烧效率。针对这一问题，论文利用等离子体对燃料活化与分解的能力，围绕火焰稳定器构建多种执行器方案。研究共开发5种SPA，其中4种属于直接作用模式，1种属于间接作用模式；并在此基础上，依据不同单元的结构布局和放电特性组合形成5种IPA。这一部分的核心结果是建立了从单一执行器到集成执行器的构型体系，为后文系统比较不同结构的裂解和分布效果奠定了基础。

关于单一形式等离子体执行器（SPA）的研究，论文得出若干关键结论。首先，不同SPA均能诱导RP-3裂解，且产物中H₂占比最高，说明等离子体作用能够有效促进大分子烃向小分子活性可燃组分转化。其次，各SPA在裂解产物空间分布上表现出明显差异，这是由其放电区域、作用方式及与流场耦合关系决定的。嵌入式等离子体型火焰稳定器（EPTF）产生的氢气分布最为均匀，表明其在火焰稳定器内部具有更协调的作用范围；分布式等离子体执行器（DPA）使氢气富集于上壁附近，反映出其对局部区域的定向活化特征；滑动电弧等离子体射流点火器（GAPJI）与等离子体射流执行器（PJA）则使氢气主要集中于点火器出口附近，显示射流型放电在出口局部形成较强裂解与产物富集。该部分结果说明，单一执行器虽可有效裂解燃料，但不同构型在产物均匀性、作用范围与局部强化能力上各具特点。

对于集成等离子体执行器（IPA）的研究，论文进一步表明，IPA整体活化性能显著优于SPA，体现出多执行器协同工作的优势。研究人员将这种协同增强归纳为两条机制：其一，多放电单元联合后扩大了等离子体有效作用区域，使更多RP-3参与活化与裂解；其二，集成方案能够通过调控流场改善等离子体反应环境，从而提高裂解效率和活性组分生成水平。实验结果显示，与SPA相比，IPA可使有效裂解率（ECR）最高增加188.3%，H₂生成速率最高增加68.8%，这一提升幅度表明结构集成并非简单叠加，而是形成了显著的耦合放大效应。

在不同IPA方案比较中，论文保留了与SPA相似的分布分析思路，并揭示了结构基础不同所对应的优化路径。基于EPTF的IPA方案能够显著扩大氢气分布区域并提高其浓度，说明其兼具广覆盖与高活化双重优势；而基于等离子体型火焰稳定器（PTF）的方案虽然并非直接在同样区域形成最强裂解，但可通过对流场的调制实现产物分布的间接优化。这说明集成设计除直接增强放电作用外，还可借助火焰稳定器附近流动组织能力改善活性组分输运与空间覆盖。综合所有方案，EPTF与PJA组成的集成等离子体执行器表现出最突出的综合性能，表明嵌入式均匀分布优势与射流局部强化优势之间可形成较优互补。

论文讨论部分的核心在于：等离子体在冲压燃烧室中的作用不只体现为局部点火源，而是能够作为燃料预活化与裂解的主动调控手段。单一执行器的结构差异决定了其活化区域和产物分布特征；集成执行器则通过作用范围扩展与流场环境改善，进一步提高裂解效率并优化H₂空间分布。这意味着，在面向TBCC模态转换这一低总温、低总压、稳定燃烧困难的工况时，将等离子体技术与火焰稳定器进行结构耦合，是拓宽发动机稳定工作边界、改善点火与燃烧性能的有效路径。论文的贡献还在于提出并验证了“在不改变火焰稳定器结构前提下实现高效等离子体活化”的方案，为后续冲压燃烧室紧凑化等离子体强化设计提供了实验依据。

研究结论部分可译为：本研究在不改变火焰稳定器结构设计的条件下，成功将等离子体技术应用于冲压发动机燃烧室，并实现了RP-3的有效裂解。研究开发了5种SPA，其中包括4种直接作用模式和1种间接作用模式；基于SPA的结构布局与放电特性，又进一步开发了5种IPA。在Ma = 0.1–0.2、T* = 300 K、Wf最高至5.5 g/s条件下，对SPA开展了研究。总体结果表明，集成式设计较单一式设计具有更优的燃料活化与裂解性能，其中EPTF与PJA构成的IPA综合表现最佳。