СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИАЦИИ СВЧ-РАЗРЯДА И ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРУИ ПЛАЗМЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК H05H1/46 

Изобретение относится к автомобильному, авиационному, химическому и энергетическому машиностроению, а именно к устройствам зажигания двигателей, реакторов и энергетических установок, использующих смеси газообразных и паровых углеводородов и биотоплив с воздухом и использующих микроволновый СВЧ-разряд для воспламенения смесей и образования высокотемпературной плазмы.

Известны устройства (свечи) зажигания для камер сгорания поршневых и газотурбинных авиационных двигателей и энергетических установок [1], включающие электроды, расположенные, как правило, соосно или произвольным образом в корпусе свечи и изолированные керамическими экранами для организации импульсного искрового разряда с частотой повторения f=5-100 Гц и, соответственно, получения высокотемпературной плазмы, способной поджечь подготовленную смесь газообразного или парового горючего с воздухом. Энергия, высокое напряжение до нескольких киловольт со средней мощностью от 10 до 50 Вт и более, в зависимости от условий работы для инициации разряда подводится к одному из электродов с помощью высоковольтных проводов. Эти устройства (свечи) зажигания широко используются, достигли высокого технологического совершенства и обладают значительным ресурсом.

Однако существует проблема создания систем воспламенения для расширенного диапазона работы по параметрам среды, например температуры и давления воздуха, типа и концентрации горючего, а также учета условий эксплуатации и конструктивных особенностей существующих и перспективных объектов - камер сгорания авиационных двигателей и энергоустановок, систем дожигания и утилизации горючих смесей, использующих биотоплива, где требуются устройства (свечи) зажигания, не только инициирующие воспламенение, но и обеспечивающие уменьшение уровня выбросов СО и NO_X. В последнем случае свеча зажигания возможно должна работать в «пилотном», т.е. непрерывном режиме, а следовательно, при пониженной мощности. Особенно остро эта проблема стоит при организации повторного запуска камеры сгорания ВРД при его заглохании на больших высотах Н=8-10 км, где параметры смеси - давление и температура, а также резкое ухудшение качества смешения горючего с воздухом на режимах авторотации приводят к резкому сужению области воспламенения смеси [2]. Увеличение мощности искровых свечей зажигания и, следовательно, тепловых нагрузок интенсифицирует эрозию электродов и изолирующих экранов и ведет к резкому уменьшению их ресурса, нестабильности характеристик и, как следствие, к ненадежности работы.

По мере ухудшения рабочих условий в зоне разряда его потребная длительность и энергия для воспламенения углеводородо-воздушных смесей возрастает [3], но из-за причин, указанных выше, с искровыми свечами это трудно обеспечить и поэтому рассматриваются разряды, реализуемые другими типами плазменных генераторов, например, основанных на СВЧ-излучении.

Известны также устройства для генерации плазмы с использованием газового электрического разряда в виде охватывающего разрядную область кольцевого искрового источника ультрафиолетового излучения [4, 5].

Недостатком технического решения [5] является то, что еще недостаточно изучены особенности его работы и характеристики, чтобы реализовать их в практическом приложении. Кроме того, существующие СВЧ-генераторы электромагнитных волн с длиной волны в сантиметровом диапазоне обеспечивают напряженность поля Е при давлениях Р>100 Торр только при импульсном режиме работы СВЧ-генератора с длительностью импульса излучения, не превышающей нескольких десятков микросекунд. Поэтому момент начала разряда из-за некоторой неопределенности существования свободных электронов в момент пробоя имеет статистический разброс, а следовательно, и его длительность также не будет постоянной.

Наиболее близким к заявляемому устройству для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы по принципу работы является устройство, представленное в работе [6], где описана концепция искровой свечи, базирующейся на микроволновом коаксиальном резонаторе, образованном внешним и внутренним электродами с генерацией плазменного образования у концов электродов в газовой среде.

Недостатком данного технического решения является низкий диапазон работы по параметрам среды, например температуры и давления воздуха, типа и концентрации горючего, а также учета условий эксплуатации и конструктивных особенностей существующих и перспективных объектов - камер сгорания авиационных двигателей и энергоустановок, систем дожигания и утилизации горючих смесей, использующих биотоплива, где требуются устройства (свечи) зажигания, не только инициирующие воспламенение, но и обеспечивающие уменьшение уровня выбросов СО и NO_X.

Задачей изобретения является разработка устройства и способа для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, преимущественно в смесях газообразного, парового горючего и биотоплив с воздухом, обеспечивающие меньший уровень требуемого напряжения пробоя, широкий диапазон работоспособности по давлению и температуре среды и генерируемой энергии высокотемпературной смеси продуктов сгорания.

В предлагаемом устройстве электрический разряд возбуждается на диэлектрической радиопрозрачной термостойкой кольцевой вставке, закрывающей выход из волновода и изолирующей электроды, но проницаемой для СВЧ-излучения. Разряд при этом на начальной стадии носит характер скользящего поверхностного СВЧ-разряда, замыкающего межэлектродное пространство. Преимуществом такого рода разряда по сравнению с разрядом, локализованным в чисто газовой среде [6], является, прежде всего, существенно более низкий порог плазмообразования U_проб. Так, для пробоя воздуха при давлении 1 атм необходима напряженность электрического микроволнового поля U_проб ˜ 30 кВ/см, тогда как порог пробоя по поверхности в рассматриваемом случае при этом же давлении не превосходит U_проб ≈ 1 кВ/см.

Следует также отметить, что порог микроволнового поверхностного скользящего разряда в малой степени зависит от давления газовой среды и от рода газа. В то же время порог газового разряда почти пропорционален давлению газовой среды и существенным образом зависит от состава газа.

Кроме того, при скользящем микроволновом поверхностном разряде энерговыделение происходит преимущественно вне электродов в разрядном канале, прилегающем к поверхности диэлектрика и замыкающем межэлектродный промежуток. В прототипе [6] разрядная область располагается в непосредственной близости от конца внутреннего электрода. Это приводит к относительно быстрому разрушению центрального электрода и к снижению ресурса прототипа.

Технический результат достигается в заявляемых устройстве и способе для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, где первоначально реализуется поверхностный СВЧ-разряд на диэлектрической (радиопрозрачной, термостойкой) кольцевой вставке, закрывающей в выходном сечении пространство между коаксиальными металлическими электродами, образующими волновод, инициированный СВЧ-излучением, генерирующий плазму и интенсивное ультрафиолетовое излучение, которые возбуждают и воспламеняют смесь горючего с воздухом, подаваемую в зону горения разряда, образуя возбужденные высокотемпературные продукты горения, воздействующие на окружающее пространство. Коаксиальный волновод устанавливается на магнетрон и его длина выбирается в соответствии с рекомендациями работы [7] так, что в выходном сечении волновода реализуется интерференционная пучность электромагнитной волны. Энергия высокотемпературного газа, генерируемого заявляемым устройством, может изменяться варьированием подаваемой энергии на магнетрон и расходов воздуха и топлива, подаваемых и распределяемых через отверстия вблизи зоны разряда, выполненные в корпусе на торце, или подаваемых через вспомогательные форсунки вне устройства так, чтобы подготовленная горючая смесь попадала в область разряда и воспламенялась им.

Для этого в заявляемом способе для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, заключающемся в том, что в газовой среде в электромагнитном поле СВЧ-излучения между цилиндрическими коаксиальными металлическими электродами, образующими волновод и установленными на магнетроне, создают объемный СВЧ-разряд, генерирующий плазму, причем согласно изобретению в выходной части цилиндрических коаксиальных металлических электродов путем установки в ней кольцевой вставки из радиопрозрачного термостойкого диэлектрического материала формируют зону с напряженностью образованного электромагнитного поля меньшей, чем для организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, который развивается в устойчивый объемный СВЧ-разряд, а при дополнительной подаче в зону СВЧ-разряда воздуха и газообразного или парообразного горючего образуется горючая смесь, которая возбуждается и воспламеняется СВЧ-разрядом и увеличивает тепловую мощность образованной высокотемпературной струи плазмы, воздействующей на окружающее пространство, при этом дополнительную подачу в зону СВЧ-разряда воздуха и газообразного или парообразного горючего, образующих горючую смесь, осуществляют вблизи зоны разряда или под углом к потоку, обтекающему выходную часть образованного волновода, или с образованием закрученного течения горючей смеси.

Заявляемое устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, реализующее заявляемый способ, содержит СВЧ-магнетрон и коаксиальные цилиндрические металлические электроды, образующие волновод, и установленные на магнетроне, причем согласно изобретению в выходной части цилиндрических коаксиальных металлических электродов устанавливают внутреннюю кольцевую вставку из радиопрозрачного термостойкого диэлектрического материала, на которой формируется зона с напряженностью образованного электромагнитного поля меньшей, чем для организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, который развивается в устойчивый объемный СВЧ-разряд.

Заявляемое устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы (вариант), реализующее заявляемый способ, содержит СВЧ-магнетрон, коаксиальные цилиндрические металлические электроды, образующие волновод, и установленные на магнетроне, причем согласно изобретению в выходной части цилиндрических коаксиальных металлических электродов устанавливают внутреннюю кольцевую вставку из радиопрозрачного термостойкого диэлектрического материала, на которой формируется зона с напряженностью образованного электромагнитного поля меньшей, чем для организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, который развивается в устойчивый объемный СВЧ-разряд, при этом образованный волновод, установленный на магнетроне, заключают в корпус таким образом, что цилиндрические коаксиальные металлические электроды с установленной вблизи выходной части внутренней кольцевой вставкой из радиопрозрачного термостойкого диэлектрического материала формируют зону с напряженностью электромагнитного поля меньшей, чем при организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, развивающегося в устойчивый объемный СВЧ-разряд, при этом в корпусе размещают систему подачи и распределения горючего или смеси горючего с воздухом, например, через отверстия на стенке, выполненные по периферии выходного конца волновода нормально или под углом к стенке так, что поверхность вставки, обтекаемая воздушным потоком, образует единую поверхность со стенкой корпуса.

Металлические коаксиальные электроды с внутренней кольцевой радиопрозрачной термостойкой вставкой, на которой формируется зона с напряженностью электромагнитного поля меньшей, чем при организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, развивающегося в устойчивый объемный СВЧ-разряд, установлены в корпусе без обтекания внешним воздушным потоком и обеспечивают подачу, воспламенение и горение смеси горючего с воздухом, подаваемой, например, через отверстия, выполненные по периферии вокруг выходного конца образованного волновода или с закруткой по отношению к боковой его поверхности.

На фиг.1 схематично показан прототип устройства [6] для инициации СВЧ-разряда с коаксиальными металлическими электродами, между которыми реализуется СВЧ-разряд.

На фиг.2 схематично показано заявляемое устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы с коаксиальным металлическим волноводом с выходным отверстием, закрытым диэлектрической вставкой из радиопрозрачного материала, соединенным с источником электромагнитного СВЧ-излучения и размещенным на стенке объекта для инициации СВЧ-разряда.

На фиг.3 схематично показано устройство, установленное на стенке корпуса и обдуваемое воздушным потоком, с системой подачи горючего или смеси горючего с воздухом для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы с коаксиальным металлическим волноводом с внутренней изолирующей межэлектродной вставкой из радиопрозрачного материала, соединенным с источником электромагнитного СВЧ-излучения.

На фиг.4 схематично показано устройство, установленное в корпусе объекта (например, в форкамере), с системой подачи горючего или смеси горючего с воздухом с закруткой потока для увеличения времени пребывания газовой среды и для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы с коаксиальным металлическим волноводом с внутренней изолирующей межэлектродной вставкой из радиопрозрачного материала, соединенным с источником электромагнитного СВЧ-излучения.

Прототип устройства для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, показанный на фиг.1, содержит магнетрон 1, волновод, по которому распространяется электромагнитное СВЧ-излучение, состоящий из коаксиальных внешнего 2 и внутреннего 3 металлических электродов, между которыми инициируется СВЧ-разряд 4.

Предлагаемое устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы на фиг.2 содержит магнетрон 1, волновод, по которому распространяется электромагнитное СВЧ-излучение, состоящий из коаксиальных внешнего 2 и внутреннего 3 металлических электродов, диэлектрическую радиопрозрачную кольцевую вставку 5, на которой инициируется поверхностный СВЧ-разряд 4 и которая является центрирующей и изолирующей проставкой для электродов волновода.

Для увеличения мощности устройства и расхода высокотемпературной плазмы вблизи конца внешнего электрода 2 устройства, фиг.3 и фиг.4, размещен коллектор 6 системы подачи горючего или смеси горючего с воздухом в зону разряда, так что при обтекании газовым потоком 7 устройства, установленного на стенке 8, организуется эффективное смешение и горение подаваемой смеси. В случае устройства, показанного на фиг.3, дополнительное горючее или смесь горючего с воздухом подается нормально к поверхности 8, а в случае форкамеры, показанной на фиг.4, подача горючего или смеси осуществляется так, чтобы организовать закрученное течение вблизи стенок 9 канала форкамеры.

Заявляемое устройство, реализующее заявляемый способ для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, работает следующим образом.

Предлагаемое устройство для инициации разряда и генерации высокотемпературной плазмы устанавливается или изолированно в газовой среде, или на стенке канала, обтекаемого воздушным потоком, или в донной части форкамеры или стабилизирующего устройства.

СВЧ-излучатель создает электромагнитное поле с максимумом напряженности в выходном сечении волновода в рассматриваемой газовой среде, скорость воздуха (V) которой во внешнем потоке может изменяться от нуля до трансзвуковых значений и выше. Длина волновода выбирается (в соответствии с рекомендациями [7]) таким образом, чтобы обеспечить при заданной мощности магнетрона максимальное значение напряженности электромагнитного поля Е в выходном сечении, где установлена диэлектрическая шайба, разделяющая и центрирующая электроды волновода. При превышении напряжения Е величины напряжения пробоя Е_проб в местах контакта металлических электродов с диэлектрической шайбой возникает пробой и реализуется СВЧ-разряд, располагающийся вблизи поверхности.

Горючее, подаваемое из коллектора 6, распределяется через отверстия в зависимости от условий его подачи, смешивается с воздухом, обтекающим устройство, фиг.3, и попадает в область СВЧ-разряда. В случае установки устройства в форкамере (фиг.4), в зону разряда подается или автономно подготовленная смесь горючего с воздухом, или организуется смешение горючего с воздухом в самой форкамере в необходимой пропорции, чтобы обеспечить требуемое значение коэффициента избытка топлива φ и стабильное воспламенение образующейся смеси. При этом для улучшения смешения и увеличения времени пребывания смеси компоненты подаются с закруткой. При прохождении смеси через область разряда, где температура среды достигает значений T=(2-4)×10³ К, смесь дополнительно облучается ультрафиолетовым излучением разряда, возбуждается и воспламеняется. Скорость газа в канале корпуса устройства с учетом дросселирования течения при теплоподводе дозвуковая и поэтому реализуется эффективное сгорание топлива [4]. Изменяя расход подаваемого горючего (фиг.3) или смеси горючего с воздухом (фиг.4), а также изменяя схему распределения горючей смеси, можно регулировать расход высокотемпературного газа на выходе из устройства и его тепловую мощность.

Результатом является то, что устройство инициирует устойчивое воспламенение в форкамере или вблизи зоны разряда и образует высокотемпературную струю, состоящую из продуктов горения и плазмы СВЧ-разряда, которая используется для организации рабочего процесса в камере сгорания ДВС, ВРД или других целей, увеличивая надежность их работы и область эксплуатационных параметров.

Источники информации

1. Патент РФ №2285318, 2004 г.

2. Сосунов В.А., Литвинов Ю.А. «Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей». Москва, Машиностроение, 1975, стр.146-149.

3. С.Кунагаи. «Горение». Москва, Химия. Перевод с японского, 1979, стр.45-48.

4. Журнал теоретической физики (ЖТФ), 1987 г., том 57, вып.4, стр.861-886.

5. Патент РФ №2046559, 1992 г.

6. К.Linkenheil, H.-O.Ruob and W. Heinrich "Design and Evaluation of a Novel Spark-Plug Based on a Microwave Coaxial Resonator" (34^th European Microwave Conference - Amsterdam, 2004), 2004.

7. Г.Т.Марков, Д.М.Сазонов. «Антенны», Москва, Энергия, 1975 г.

Изобретение относится к авиационному и энергетическому двигателестроению и химическому машиностроению. Способ для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы заключается в том, что в газовой среде в электромагнитном поле СВЧ-излучения между цилиндрическими коаксиальными металлическими электродами, образующими волновод и установленными на магнетроне, создают объемный СВЧ-разряд, генерирующий плазму. В выходной части цилиндрических коаксиальных металлических электродов путем установки в ней кольцевой вставки из радиопрозрачного термостойкого диэлектрического материала формируют зону с напряженностью образованного электромагнитного поля меньшей, чем для организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, который развивается в устойчивый объемный СВЧ-разряд, а при дополнительной подаче в зону СВЧ-разряда воздуха и газообразного или парообразного горючего образуется горючая смесь, которая возбуждается и воспламеняется СВЧ-разрядом и увеличивает тепловую мощность образованной высокотемпературной струи плазмы, воздействующей на окружающее пространство, при этом дополнительную подачу в зону СВЧ-разряда воздуха и газообразного или парообразного горючего, образующих горючую смесь, осуществляют вблизи зоны разряда или под углом к потоку, обтекающему выходную часть образованного волновода, или с образованием закрученного течения горючей смеси. Техническим результатом является эффективная инициация СВЧ-разряда и генерация высокотемпературной струи плазмы, генерирующая возбужденный высокотемпературный газ на выходе из устройства. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, заключающийся в том, что в газовой среде в электромагнитном поле СВЧ-излучения между цилиндрическими коаксиальными металлическими электродами, образующими волновод и установленными на магнетроне, создают объемный СВЧ-разряд, генерирующий плазму, отличающийся тем, что в выходной части цилиндрических коаксиальных металлических электродов, путем установки в ней кольцевой вставки из радиопрозрачного термостойкого диэлектрического материала, формируют зону с напряженностью образованного электромагнитного поля меньшей, чем для организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, который развивается в устойчивый объемный СВЧ-разряд, а при дополнительной подаче в зону СВЧ-разряда воздуха и газообразного или парообразного горючего образуется горючая смесь, которая возбуждается и воспламеняется СВЧ-разрядом и увеличивает тепловую мощность образованной высокотемпературной струи плазмы, воздействующей на окружающее пространство, при этом дополнительную подачу в зону СВЧ-разряда воздуха и газообразного или парообразного горючего, образующих горючую смесь, осуществляют вблизи зоны разряда или под углом к потоку, обтекающему выходную часть образованного волновода, или с образованием закрученного течения горючей смеси.2. Устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, содержащее СВЧ-магнетрон и коаксиальные цилиндрические металлические электроды, образующие волновод, и установленные на магнетроне, отличающееся тем, что в выходной части цилиндрических коаксиальных металлических электродов устанавливают внутреннюю кольцевую вставку из радиопрозрачного термостойкого диэлектрического материала, на которой формируется зона с напряженностью образованного электромагнитного поля меньшей, чем для организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, который развивается в устойчивый объемный СВЧ-разряд.3. Устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, содержащее СВЧ-магнетрон, коаксиальные цилиндрические металлические электроды, образующие волновод, и установленные на магнетроне, отличающееся тем, что в выходной части цилиндрических коаксиальных металлических электродов устанавливают внутреннюю кольцевую вставку из радиопрозрачного термостойкого диэлектрического материала, на которой формируется зона с напряженностью образованного электромагнитного поля меньшей, чем для организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, который развивается в устойчивый объемный СВЧ-разряд, при этом образованный волновод, установленный на магнетроне, заключают в корпус таким образом, что цилиндрические коаксиальные металлические электроды с установленной вблизи выходной части внутренней кольцевой вставкой из радиопрозрачного термостойкого диэлектрического материала, формируют зону с напряженностью электромагнитного поля меньшей, чем при организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, развивающегося в устойчивый объемный СВЧ-разряд, при этом в корпусе размещают систему подачи и распределения горючего или смеси горючего с воздухом, например, через отверстия на стенке, выполненные по периферии выходного конца волновода нормально или под углом к стенке так, что поверхность вставки, обтекаемая воздушным потоком, образует единую поверхность со стенкой корпуса.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что металлические коаксиальные электроды с внутренней кольцевой радиопрозрачной термостойкой вставкой, на которой формируется зона с напряженностью электромагнитного поля меньшей, чем при организации объемного СВЧ-разряда, но достаточной для инициации поверхностного СВЧ-разряда, развивающегося в устойчивый объемный СВЧ-разряд, установлены в корпусе без обтекания внешним воздушным потоком и обеспечивают подачу, воспламенение и горение смеси горючего с воздухом, подаваемой, например, через отверстия, выполненные по периферии вокруг выходного конца образованного волновода или с закруткой по отношению к боковой его поверхности.