针对国家重大发展战略对燃气轮机自主研发技术的迫切需求,以及国家“碳达峰、碳中和”的任务目标,为探索天然气燃气轮机点火系统的关键核心技术,解决天然气燃气轮机稀薄条件下可靠点火及稀燃极限拓展的问题,本研究结合近年来迅猛发展的等离子体助燃和等离子体点火技术的优势,提出双模式放电（Dual-mode Discharge,DMD）等离子体强化燃烧的策略:以天然气主要成分甲烷（CH4）为燃料,采用介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge,DBD）将CH4及辅助气体激发,生成大量活性粒子,进而通过滑动弧放电（Gliding Arc Discharge,GAD）将具有高反应活性的粒子与混合气（CH4-Air）点燃,实现稀薄燃烧条件下的可靠点火和稀燃极限拓展。基于这一方案,本文开展DMD等离子体强化CH4燃烧的研究工作。结合DBD及GAD的原理及结构特点,对DMD等离子体点火器进行结构设计。根据设计方案,建立DBD等离子体流体模型,采用COMSOL对DBD放电特性进行数值模拟研究,得到放电参数、介质性质对放电特性的影响规律。结果表明微秒脉冲电源作为激励源的电离效果优于正弦交流电源,而正弦交流电源的放电功率大于微秒脉冲电源;两种激励源作用下,放电电压和相对介电常数的增大对放电有促进作用,介质厚度的增大对放电有抑制作用。以上研究结果为确定DMD等离子体点火器的电源配置、介质材料（聚四氟乙烯）及结构参数（介质厚度1mm,放电间隙2mm）提供依据。采用CHEMKIN软件分析了关键活性粒子的添加对稀燃极限的拓展,结果表明O3和H对于CH4稀燃极限的拓展效果最好（85%）,OH的效果稍差（75%）。上述成果为完成DMD等离子体点火器设计和分析稀燃极限的拓展提供了理论依据。搭建DMD等离子体试验系统,采用原子发射光谱法完成DMD等离子体点火器DBD和GAD放电试验,根据不同工况下特征参数,得到DMD等离子体点火器的放电特性和最优放电参数。结果表明DBD放电试验中,两种载气条件下的特征参数都随掺混体积流量比、放电电压和放电频率的增大而增大,随着当量比的增加而减小,DBD放电在稀燃条件下效果更好,氩气载气条件下的特征参数优于氦气载气。GAD放电试验中,特征参数在体积流量比为1:30时达到峰值,氦气载气条件下特征参数优于氩气载气。因此DMD等离子体点火器DBD段和GAD段在测试工况范围内能可靠放电,点火器放电参数和结构参数设计合理。这项研究为DMD等离子体强化CH4燃烧研究奠定试验基础,并为确定燃烧试验的试验工况提供了依据。在DMD等离子体试验系统上,完成DMD等离子体强化CH4燃烧试验,得到DMD等离子体点火器的可靠燃烧范围（放电电压为10-15kV,放电频率为6-10kHz）和最优工作参数（掺混体积流量比为1:30,放电电压为15kV,放电频率为10kHz）,以及对CH4稀燃极限拓展的定量结果。研究表明两种载气条件下,特征参数都随着放电电压、放电频率和当量比的增大而变优。相比于氩气载气,氦气载气条件下的火焰物理形态、火焰中部温度和活性粒子的相对光谱强度均优于氩气。对比GAD和DMD在当量比变化时的火焰长度、活性粒子和火焰温度,可以看出DMD的特征参数均优于GAD,且在稀燃条件下,DMD强化CH4燃烧的效果强于富燃条件。单独GAD放电时CH4稀燃极限为Φ=0.40,DMD点火将稀燃极限拓展至Φ=0.35,且载气种类的改变对稀燃极限拓展并不会产生明显影响。因此DMD等离子体点火器在测试范围内能实现可靠点火,DMD等离子体强化燃烧对拓展CH4稀燃极限有效。这项研究为单头部模型燃烧室点火试验奠定试验基础,提供试验依据。在天然气燃气轮机单头部模型燃烧室上,完成原机点火器和DMD等离子点火器对比试验,得到天然气稀燃极限和污染物排放特性对比结果。研究表明DMD等离子体点火器能够在天然气燃气轮机模型燃烧室试验台上实现可靠点火,与原机点火器稀然极限相比（ΦW1,原=0.45、ΦW2,原=0.44和ΦW3,原=0.44）,在三种工况下,采用DMD点火器可有效地拓展天然气稀燃极限（ΦW1,DMD=0.42、ΦW2,DMD=0.40和ΦW3,DMD=0.41）,并改善THC和CO排放。本文所提出的DMD等离子体强化燃烧策略,可以有效解决天然气燃气轮机稀薄条件下可靠点火及稀燃极限拓展这一问题。