СПОСОБ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭНТАЛЬПИЙНОЙ ГАЗОВОЙ СТРУИ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА Российский патент 2009 года по МПК H05H1/24 F02P9/00 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для воспламенения и интенсификации химических процессов в рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания любого типа, включая в том числе (но не ограничиваясь) форсажные камеры, камеры сгорания детонационных двигателей, реактивных двигателей и газотурбинных двигателей, а также в энергетических горелках и реформерах.

Известны способы плазменного поджига топлива, направленные на повышение эффективности сгорания рабочей смеси в камерах двигателей внутреннего сгорания. При этом для создания плазмы используют различные физические процессы. В патенте DE 10037536 для инициации горения используют неравновесную плазму высокочастотного разряда. В патентах RU 2099584 и US 6883507 для тех же целей используют коронный разряд. Недостатком указанных способов является относительно низкая приведенная напряженность электрического поля в области основного энерговклада, что приводит к потере энергетической эффективности при их использовании.

Известны источники плазменной струи - плазмотроны на основе дугового разряда, которые используются как для розжига и стабилизации горения пылеугольных котлов (RU 227379), так и для других технологических целей: металлизации поверхности, сварки или резки металла и т.п. (RU 2111098, RU 2211257).

Недостатками известных конструкций плазмотронов являются низкий ресурс работы и высокое энергопотребление из-за использования дугового разряда, что приводит к перегреву системы электродов, ее эрозии и разрушению.

Этот недостаток уменьшен в плазмотроне со стабилизированным слаботочным дуговым разрядом (RU №2111098, №2112635, ЕР №0919317 А1, США №6087616, №6156994, AU №736916). В этом изобретении используется режим переходного электрического разряда постоянного тока со стабилизацией по току для достижения высокой напряженности электрического поля в канале разряда и снижения тепловой нагрузки и эрозии при сохранении высокой температуры выходной плазменной струи. Для решения этой задачи используют инверторный источник питания постоянного тока с жесткой выходной характеристикой. При этом электрический разряд стабилизируется при типичном напряжении около 1 кВ/см при токе единицы ампер, что обеспечивает высокую энергию плазменного канала при низком износе электродов. Изобретение обеспечивает устойчивую работу плазмотрона в выбранном диапазоне параметров.

Описанный выше плазмотрон имеет ограниченное применение, так как не предназначен для работы с горючими смесями, не допускает работы без дополнительного внешнего электрода и не допускает изменения диапазона внешнего давления (1-30 атм), характерного для камер сгорания.

Появление способных к быстрой коммутации мощных транзисторов и тиристоров позволило развить разнообразные емкостные разрядные системы зажигания. В отличие от более медленных по своей природе (обычно 60-200 микросекунд время нарастания) и с большей длительностью (обычно 1-2 миллисекунды) выходных импульсов системы зажигания с индукционной катушкой, емкостные разрядные системы обеспечивают более быстрое нарастание (1-50 микросекунд) и короткую длительность (5-500 микросекунд). Системы зажигания с быстрым нарастанием импульсов являются менее подверженными пропускам зажигания из-за неисправностей свечи зажигания. Современные индукционные и емкостные разрядные системы обеспечивают 5-100 миллиджоулей (мJ) электрической энергии на импульс в диапазоне пикового выходного напряжения 20000-30000 вольт. Современные подходы к улучшению воспламенения направлены на эмпирическую оптимизацию геометрии электродов, ориентацию и размещение внутри камеры сгорания, а также на увеличение длительности и/или пространственного распределения плазменного ядра. Известные системы с улучшенным зажиганием обычно работают с высокими уровнями энергии, в диапазоне от 60 мJ до нескольких джоулей на импульс. Такие системы могут обеспечивать один долгодлящийся тлеющий разряд или дуговой разряд низкого тока, или последовательность нескольких коротких разрядов с эффективной длительностью ядра зажигания от 2 до 10 миллисекунд. Лучшее пространственное распределение ядра наиболее часто достигается использованием более широкого разрядного промежутка. Это требует, чтобы система зажигания была способна постоянно получать более высокое напряжение, необходимое для пробоя промежутка. Для этого в патенте US 4677960 используют электронную схему удвоения импульса напряжения на разрядном промежутке.

В патенте US 4402036 для инициации горения используют эффект пинчевания сильноионизованной плазмы собственным магнитным полем. Процесс создает плазму очень высокой температуры с высокой плотностью энергии (неоптимальными для зажигания параметрами) и сопровождается большим износом электродов.

Эти проблемы решает система для запуска горения по патенту US 4589398, которая оптимизирует как процессы зажигания (воспламенения), так и горения смеси, и повышает эффективность передачи энергии электрического разряда в топливо. Система использует «жесткий искровой разряд» в газе. Термин «жесткий разряд» используется авторами, как относящийся к режиму работы, при котором индуктивность и сопротивление разрядной схемы достаточно низки, чтобы величина тока и скорость выделения энергии в самом канале разряда во время фазы пробоя в достаточной степени управлялись сопротивлением самого канала.

Такой экстремальный режим работы характеризуется высокой эффективностью передачи (80-95%) первоначально запасенной электрической схемой энергии в первой половине цикла разрядного тока, во время различных переходных процессов, связанных с формированием и расширением газового разряда. Авторы отмечают, что в режиме жесткого разряда внутри пробойной фазы разряда (обычно в первые несколько десятков наносекунд) выделяется наибольшая часть энергии импульса, обеспечивая при этом максимальную передачу мощности управляющей схемы до момента быстрого падения нагрузочного импеданса разрядного канала. Процесс жесткого разряда очень устойчив по природе и способен обеспечивать стабильную работу двигателя при подаче ультрабедных смесей.

Указанный способ выбираем за прототип. Способ осуществляется следующим образом. К разрядному промежутку, образованному электродами, от внешнего источника с индуктивностью L, емкостью С и активным сопротивлением R прикладывают высокое напряжение, превышающее примерно на 20% пробойное напряжение разрядного промежутка. При этом для реализации «жесткого» разряда должно выполняться следующее условие:

где tm - момент времени в наносекундах, в который скорость нарастания тока максимальна;

Rm - сопротивление разрядного канала в момент tm (в омах);

С - емкость в нанофарадах;

L - индуктивность (в наногенри);

lg - длина разрядного промежутка (см).

Из экспериментальных данных, приведенных в литературе, можно получить следующее экспериментальное приближение времени формирования канала:

где tm - в наносекундах;

E₀ - напряженность поля пробоя в кВ/см;

P/P₀ - отношение давления газа в зазоре к атмосферному давлению.

В патенте приведены параметры режима «жесткого» разряда на открытом воздухе. Разряд носит резковыраженный апериодический характер с длительностью импульса тока от 20 до 50 нс и длительностью фронта - от 10 до 20 нс. Экспериментальные результаты с очень жесткими разрядами на воздухе в линейном промежутке при условиях низкого перенапряжения, для которых Е₀ составляет около 25 кВ/см, показали, что при этих условиях оптимальными критериями для достижения критически затухающего апериодического разряда являются приблизительно

Указанный способ устанавливает требования к параметрам устройства емкостного накопителя энергии и к параметрам схемы, формирующей напряжение на разрядном промежутке в зависимости от величины разрядного промежутка и давления в нем для реализации режима апериодического разряда.

Недостатком способа является то, что он не учитывает времена развития разряда при изменении давления и температуры газа, ограничивается только условиями ДВС, жестко связывает длительность нарастания импульса с его общей длительностью. Кроме того, скорости нарастания импульса все еще низки для того, чтобы не допускать повреждения электродов.

Таким образом, существует задача дальнейшей оптимизации параметров разряда, повышающих эффективность передачи энергии от внешней электрической цепи газу, с учетом изменений таких условий процесса, как давление газа, температура, плотность газа. Эта задача в последнее время в связи с развитием высоких технологий стала особенно актуальной для создания различных плазмохимических устройств, основанных на передаче электрической энергии газу (плазмотроны, плазменно-топливные форсунки и другие).

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона применения способа за счет возможности учета различных условий, при которых происходит указанный процесс, оптимизация таких параметров, как однородность заполнения плазмой разрядного промежутка и увеличение степени диссоциации газа в разряде.

Для решения указанной задачи высокоэнтальпийная газовая струя, как и в прототипе, создается на основе импульсного газового разряда в наносекундном диапазоне длительностей путем приложения к разрядному промежутку высоковольтного импульсного напряжения.

В отличие от прототипа разряд производится при значительном перенапряжении (в 2-10 раз), при этом амплитуду U (В), время нарастания переднего фронта импульса τ_ф (с) и длительность импульса τ (с) выбирают из соотношений:

а частоту повторения импульсов f (с^-1) выбирают в диапазоне:

где L - размер межэлектродного промежутка, (см);

n - концентрация молекул в единице объема разрядной секции, (см^-3);

R - сопротивление подводящей линии (Ом);

С - емкость разрядного промежутка (Ф);

V - скорость движения газа в разрядном промежутке, (см/с).

Для сходных с прототипом внешних условий эти зависимости дают импульс со значительно меньшим временем нарастания, не связанным с общей длительностью импульса. Кроме того, приведенные зависимости позволяют рассчитать параметры процесса для различных условий, тогда как зависимости, определяющие проведение способа по прототипу, не учитывают давление газа и его температуру. Увеличение перенапряжения ведет к смене типа разряда. В предлагаемом способе осуществляется импульсно-периодический газовый разряд при высоком и сверхвысоком перенапряжении, а в прототипе используется разряд при перенапряжении 10-20%.

Уменьшение времени нарастания импульса повышает однородность разряда, а увеличение длительности импульса увеличивает степень диссоциации газа в разряде, что в совокупности приводит к повышению эффективности инициации горения при равных затратах электрической энергии.

Способ позволяет достаточно просто регулировать температуру плазменной струи путем изменения частоты следования импульсов в указанном выше диапазоне.

Таким образом достигается высокая эффективность передачи энергии при высоких Е/n, что с учетом экспоненциальной зависимости скорости диссоциации и ионизации газа электронным ударом от приведенной напряженности поля обеспечивает наилучшую суммарную эффективность работы соответствующих устройств.

Далее, для объяснения процессов, происходящих при реализации указанного способа, а также его преимуществ на основе теорий развития разряда в газе и на основе экспериментальных данных, приведены фиг.1-11, на которых представлено: на фиг.1 приведена схема, иллюстрирующая стадии развития импульсно-периодического разряда, на фиг.2 приведены области различных механизмов пробоя, на фиг.3 представлена возможная конструкция разрядного плазмотрона, на фиг.4 показана схема экспериментальной установки для анализа динамики развития разряда, на фиг.5 показана форма импульса напряжения, на фиг.6 - зависимость скорости стримера от длины разрядного промежутка для линейного участка движения, на фиг.7 приведены амплитудные значения тока в диапазоне, показанном на фиг.6, на фиг.8 (a-f) приведены временные зависимости напряжения, тока и мощности разряда для различных значений длины разрядного промежутка, на фиг.9 схематически показано одно из возможных положений разрядного промежутка в камере сгорания турбореактивного двигателя, а на фиг.10 показан общий вид плазменной струи, генерируемой в соответствии с изобретением при атмосферном давлении, и, наконец, на фиг.11 показаны кривые эффективности передачи энергии электрического импульса газу в зависимости от частоты следования импульсов при различной длительности импульсов.

Развитие импульсного наносекундного высоковольтного разряда при сильном перенапряжении и высоком давлении протекает по волновому механизму. Из теории импульсных разрядов известно следующее:

В случае развития пробоя по таунсендовскому механизму объемный заряд одиночной электронной лавины настолько мал, что он не искажает электрического поля в промежутке. Кроме того, выполняется условие самостоятельности разряда, т.е. в результате вторичных процессов на катоде, обусловленных развитием единичной электронной лавины и последующим током положительно заряженных ионов на катод, либо фотоэффектом, должен возникнуть хотя бы один электрон, дающий начало очередной электронной лавине.

Говоря о развитии разряда по таунсендовскому механизму, обычно выделяют несколько временных этапов: стадию лавинных генераций, на которой нарастание тока обусловлено развитием следующих друг за другом электронных лавин (концентрация заряженных частиц на этой стадии не превышает 10¹¹ см^-3); распространение ионизационных волн, сопровождающихся фронтом свечения и выравнивающих концентрацию заряженных частиц по длине зазора (на данном этапе концентрация заряженных частиц вырастает на два порядка и составляет до 10¹³ см^-3) и фазу объемного горения разряда.

Стадия развития ионизационных волн в тлеющем разряде изучалась как экспериментально по регистрации излучения разряда, так и с помощью численного моделирования. В процессе одномерного численного моделирования развития тлеющего разряда в водороде при давлении 500 Top, межэлектродном зазоре 2 см, напряженности поля 19.84 кВ/см и перенапряжении 0.2% уравнения непрерывности для электронной и ионной компоненты решались совместно с уравнением Пуассона и уравнением электрической цепи. Начальное число инициирующих электронов составляло 10², коэффициент вторичной эмиссии был равен γ=8.34·10^-4, коэффициент размножения электронов μ=γ(ехр(αd-1))=1.111. Было показано, что в течение первых 30 мкс после «включения» электрического поля поле практически не искажается пространственным зарядом. Затем вблизи анода оно начинает ослабляться, а в остальных областях усиливаться. Через 30 мкс наблюдается усиление поля возле анода, что ведет к распространению катодонаправленной волны ионизации. Скорость движения ионизационной волны составила 2.8·10⁷ см/с, что в пять раз выше дрейфовой скорости электронов во внешнем приложенном поле. После прохождения одной или нескольких волн ионизации зажигается объемный тлеющий разряд.

В условиях, когда пробой развивается по стримерному механизму, нет однозначного мнения по поводу того, какую стадию развития называть волной ионизации. На основании обработки результатов для пробоя в водороде при давлении 460 Toop, длине зазора 2 см и приведенном электрическом поле 23.5 В/(см. Торр) построена схема развертки свечения стримерного пробоя во времени, воспроизведенная на Фиг.1. Первичная лавина развивается с катода со скоростью дрейфа 8.5·10⁶ см/с. Через 180 нс число носителей заряда в ней достигает критического значения, и по направлению к электродам разрядной системы распространяются анодный (АС) и катодный (КС) стримеры. После перекрытия промежутка стримерным каналом возбуждается ряд волн ионизации (ВИ), выравнивающих проводимость по длине канала. Скорость последующих волн больше скорости предыдущих и может достигать величин 10⁹ см/с. На Фиг.1 фронт термической ионизации обозначен как ФТИ.

Иногда под волной ионизации понимается распространение стримера вообще, т.е. прорастание плазменного канала в область слабого внешнего поля. Авторы аргументируют подобный подход тем, что радиус прорастающего стримерного канала существенно меньше его длины, и структура головки стримера меняется со временем достаточно медленно для того, чтобы можно было говорить о ее квазистационарном изменении. Главными процессами, определяющими распространение подобной волны, являются ионизация и дрейф электронов в поле, обеспечивающий обнажение ионов, образование пространственного заряда и перераспределение электрического поля.

Распространение стримера как волны ионизации в достаточно грубом одномерном приближении может быть описано системой уравнений, включающей уравнения непрерывности для электронов и ионов и уравнение Пуассона для электрического поля.

Возьмем типичные для стримера величину электрического поля Е_m=90 кВ/см, радиус канала r_m˜0.1 см и начальную концентрацию электронов n₀=10⁶ см^-3. Подвижность электронов равна μ_e˜270 см²/(В·с); величину n_m˜2·10¹³ см^-3 можно оценить, проинтегрировав по пространству уравнение непрерывности. В конечном итоге оценка для скорости волны ионизации (т.е. для развивающегося стримера) дает v_c˜5·10⁸ см/с.

Далее рассмотрим высокоскоростную волну ионизации как разновидность импульсного разряда при высоком перенапряжении.

Здесь и далее будем понимать под словом «пробой» процессы образования заряженных частиц в промежутке и распространения ионизированной области от одного электрода к другому при подаче на электроды разрядной системы постоянного либо импульсного напряжения. В этом случае можно выделить три физически различных типа пробоя в диапазоне средних давлений (от долей Торр до сотен Торр).

Приложим напряжение к электродам заполненного газом промежутка. Если напряжение повышалось медленно, при определенной его величине в промежутке загорится тлеющий разряд. Данный разряд развивается по таунсендовскому механизму пробоя, который определяется, в первую очередь, эффективностью ионизации и вторичной эмиссией с поверхности катода. Таунсендовский пробой, как правило, диффузно охватывает весь объем разрядного промежутка.

При импульсном пробое промежуток может выдерживать перенапряжение, превышающее пробивное. По сути, в этих условиях перенапряжение K=U/U_вч (U_вч - напряжение пробоя) наряду с параметром pd (p - давление, d - длина межэлектродного промежутка) определяет механизм пробоя. В случае перенапряжений в десятки процентов пространственный заряд одиночной электронной лавины увеличивается настолько, что поле внутри лавины становится сравнимо с внешним полем, а поле на головке и хвосте лавины оказывается усиленным. В итоге пробой развивается по стримерному механизму: к одному из электродов (либо одновременно к двум) со скоростью 10⁷-10⁸ см/с распространяются слабопроводящие образования малого диаметра. Выделение энергии в узкий канал, перемкнувший промежуток, ведет к формированию искрового разряда. Кривая, разделяющая области развития пробоя в воздухе по таунсендовскому и стримерному механизмам, воспроизведена на фиг.2, где ТР - область Таунсендовского разряда.

В случае более высоких перенапряжений (сотни процентов) пробой вновь приобретает диффузный характер свечения, но по иным физическим причинам: при достаточно высоких напряженностях приведенного электрического поля во фронте пробоя часть электронов будет переходить в режим непрерывного ускорения (так называемое убегание электронов), способствуя однородной по объему предионизации во фронте. При этом пробой будет развиваться от высоковольтного электрода к низковольтному с характерной скоростью несколько см/нс и более.

Следует отметить, что четкой границы между стримером и пространственно однородным наносекундным пробоем не существует: если Таунсендовский пробой отличается наличием вторичной эмиссии с катода, то основными элементарными процессами, отвечающими за развитие как стримерного, так и наносекундного пробоя, являются фотоионизация газа, в случае достаточно высоких полей - предионизация быстрыми электронами, и ионизация электронным ударом за фронтом пробоя. Горизонтальной прямой на фиг.2 отмечен порог убегания электронов. Он определяется из баланса энергии электронов. Для нерелятивистского электрона сила его торможения в газе определяется плотностью молекул газа N₀, числом электронов в молекуле Z, их кинетической энергией ε=mv²/2 и средней энергией неупругих потерь I. Если электрическое поле превышает критическую величину E_crit=F_m/e, электрон начинает непрерывно набирать энергию при движении вдоль оси х. На основе анализа зависимости потерь энергии на единице пути от энергии электронов показано существование верхней границы по параметру E/N для стримерного механизма пробоя в газах. В качестве оценки критической величины средней напряженности поля предлагается E_crit=(1/f)(dε/dx)^m _tot, где (dε/dx)^m _tot - максимум кривой потерь энергии электронами, f - коэффициент усиления поля вблизи пространственного заряда. В этом случае в азоте атмосферной плотности получим E_crit˜300 кВ/см.

Таким образом, высокие электрические поля на фазе формирования разряда способствуют повышению однородности плазмы и увеличивают объем газа, возбуждаемый разрядом.

В общем случае способ осуществляется следующим образом. Разрядный промежуток длиной L образован наружным электродом 1 и внутренним электродом 2, разделенными диэлектриком 3 (Фиг.3). Наружный цилиндрический электрод 1 имеет канал 4 для подачи плазмообразующего газа. Здесь следует отметить, что геометрия электродов может быть и планарная и любой другой формы, и фиг.3 иллюстрирует один из возможных примеров реализации способа. Наружный электрод 1 заземлен, а на внутренний электрод подается импульсное напряжение от источника.

В качестве генератора высоких импульсных напряжений может использоваться, например, генератор на основе высокоскоростных полупроводниковых ключей с параметрами: скорость нарастания напряжения на переднем фронте импульса - 5-150 кВ/нс в зависимости от требуемых характеристик импульса; длительность импульса может задаваться в диапазоне 1-100 нс; выходное напряжение может меняться в диапазоне 10-150 кВ на нагрузке 50 Ом.

В зависимости от состава газа в разрядном промежутке и его давления, определяющих концентрацию n газа в разрядном промежутке, и используя условие

определяют диапазон возможных значений амплитуды напряжения U.

Данное условие получено из ограничений по приведенной напряженности электрического поля, необходимого для эффективной ионизации газа электронным ударом: 100 Td<E/n<3000 Td. Тогда имеем: E/n=U/(L·n), и

Время нарастания переднего фронта импульса высокого напряжения τ_ф [с] ограничено условием:

Данное условие (со стороны малых времен) получено из ограничений по частоте, на которой емкость разрядной ячейки шунтирует разряд. Отсюда имеем:

RC<τ_ф

Со стороны больших времен ограничение получается из условия скорости нарастания напряжения в промежутке. Скорость нарастания должна быть достаточна, чтобы к моменту перекрытия промежутка напряженность поля на нем попала в «эффективный» диапазон. То есть время нарастания до «рабочего» напряжения, ограниченного условием (1), меньше времени пробега волны ионизации через промежуток L. τ=L/V, где V˜7·10²¹U/(n·L) (если оценивать ее по дрейфовой скорости в максимальном поле), и V˜5·10²³U/(n·L) (если оценивать ее по скорости движения фронта волны в максимальном поле). Учитывая, что скорость в начале процесса равна 0:

Длительность импульса высокого напряжения τ_имп [с] ограничена условием:

Данное условие (со стороны малых времен) получено из ограничений по частоте ионизирующих столкновений: f˜1·10⁹ s^-1Torr^-1 при Е/n=3 kTd. Минимальное время приложения такого поля, очевидно, не может быть меньше характерного времени ионизации

τ=1/f=10^-9 s·Torr=10^-9·4·10¹⁶/n [s]=4·10⁷/n [s]

Правый предел определяется степенью перегрева канала разряда:

νC_pΔT=U²/Rτ_имп

Примем, что канал разряда представляет собой цилиндр с характерным радиусом r, причем радиус канала определяется его ионизационным расширением в сильном поле:

E_к/n=120Td=U/(n·r)

отсюда

r=U/(n·E_к/n)

И окончательно:

τ_имп=10¹¹LR/n [s]

4) частота повторения импульсов f, [с^-1] ограничена условием:

(τ_имп)^-1>f>V/L,

где U - амплитуда высоковольтного импульса, [В];

L - размер межэлектродного промежутка, [см],

n - концентрация молекул в единице объема разрядной секции, [см^-3].

R - сопротивление подводящей линии [Ом],

С - емкость разрядного промежутка [Ф],

V - скорость движения газа в разрядной секции, [см/с].

В качестве примера рассмотрим осуществление заявленного способа в режиме разряда в воздухе с протяженного электрода.

Экспериментальная установка, обеспечивающая возможность комплексной диагностики электрических разрядов, развивающихся в форме стримерного разряда в перенапряженном промежутке, состоит из генератора высоковольтных наносекундных импульсов, системы контроля электрических параметров разряда и системы спектроскопической диагностики плазмы в канале стримера.

Общая схема экспериментальной установки приведена на фиг.4. Используемые в работе генераторы высоких напряжений через маслозаполненный разъем подключаются к волновой линии 5, смонтированной из кабеля РК-50-24-13 длиной 60 м. На расстоянии 30 м от разрядного устройства в разрыв оплетки кабеля вставлен шунт 6 обратного тока, позволяющий контролировать параметры импульсов тока с обоих генераторов. Таким образом, предусмотрено одновременное использование различных генераторов импульсных напряжений (ГИН) с контролем параметров электрических импульсов. Разрядная секция представляет собою традиционную реализацию геометрии игла (высоковольтный электрод 7) - плоскость (низковольтный электрод 8) с возможностью регулировки межэлектродного промежутка в пределах от 0 до 30 см. Низковольтный электрод 8 изготовлен из алюминия в виде диска толщиной 8 и диаметром 550 мм. Высоковольтный электрод 7 выполнен из латуни в виде конуса длиной 300 мм с радиусом закругления на конце 2 мм. Конструкция разрядного устройства позволяет изменять длину разрядного промежутка и его положение относительно базовых поверхностей таким образом, что не возникает необходимости в перенастройке трактов оптической регистрации. Это достигается за счет перемещения верхнего и нижнего электродных узлов по вертикальным направляющим 9, с фиксацией любого промежуточного положения с помощью резьбовых упоров 10. В токоведущих шинах разрядной секции предусмотрены разрывы для включения токовых шунтов 11 прямого и обратного тока, обеспечивающих регистрацию падающего и прошедшего импульсов напряжения. Для независимого контроля тока в разрядном промежутке на диэлектрической части электродной системы смонтирован широкополосный пояс Роговского 12. Монохроматоры 13 и ФЭУ 14 использовались для спектральной диагностики развития разряда.

В качестве генератора высоких импульсных напряжений используется четырехступенчатый генератор по схеме Маркса. Скорость нарастания напряжения на переднем фронте импульса составляет 0,1-1,5 кВ/нс в зависимости от напряжения на генераторе. Суммарная энергия, выделяющаяся в импульсе, зависит от его длительности, которая может регулироваться в диапазоне 100 нс - 1 мкс.

Для исследования характеристик одиночного стримерного разряда использовался генератор импульсных напряжений по схеме вращающегося прерывателя в импульсно-периодическом режиме. Исследование проводилось в стандартной геометрии игла - плоскость методами абсолютной эмиссионной спектроскопии в воздухе при атмосферном давлении.

Импульс напряжения (фиг.5), подающийся с генератора по 50-$/Omega$ кабельной линии 5, регистрировался при помощи шунта обратного тока 6. На фиг.5 виден падающий импульс (положительная полярность). Амплитуда падающего импульса составляла U_max=9 кВ, длительность по полувысоте τ_1/2=75 нс и время нарастания τ_inc=25 нс.

Относительная объемная наработка активных частиц в разряде в значительной степени зависит от величины межэлектродного промежутка и определяемого им среднего электрического поля в промежутке. При этом, как показали эксперименты в режиме с пространственным разрешением, основная наработка активных частиц в электронно-возбужденных состояниях происходит в головке стримера и в области, непосредственно к ней прилегающей.

Как видно из фиг.6, скорость стримера возрастает по мере уменьшения промежутка между электродами и изменяется для наших параметров импульса и геометрии установки в диапазоне (2-3.5) 10⁷ см/с. В интервале межэлектродного зазора 6-12 мм наблюдается реализация как стримерного, так и искрового разрядов, т.е. в данном диапазоне время формирования искрового канала сопоставимо с длительностью импульса высокого напряжения.

Динамика напряжения, тока, мощности и суммарной энергии разряда при положительной и отрицательной полярности импульсного напряжения приведена ниже. На фиг.7 приведены амплитудные значения тока в данном диапазоне. Как видно из фиг.7, минимальная величина зазора, при котором может существовать стримерная (слаботочная) форма разряда, составляет 7 мм при обеих полярностях высоковольтного импульса, что соответствует среднему по промежутку полю Е=U_max/L˜19 кВ/см. Максимальная длина промежутка, при которой может реализоваться искровой пробой, сильно зависит от частоты следования импульсов. Так, при частоте следования 50 Гц данная величина составила 9 мм, что соответствует среднему пробойному полю 15 кВ/см, однако уже при частоте 1.2 кГц предельная величина промежутка увеличилась до 12 мм, т.е. пробойное поле составило 11 кВ/см.

Сдвиг минимальной величины промежутка для реализации исключительно стримерного разряда связан с накоплением активных частиц и частично с локальным нагревом промежутка при увеличении частоты следования импульсов.

На фиг.8(а-f) приведены графики, иллюстрирующие динамику напряжения, тока, мощности и суммарной энергии разряда при положительной полярности напряжения, частоте следования импульсов 12 кГц, максимальном напряжении в кабельной линии 8 кВ, длительности высоковольтного импульса по полувысоте 75 нс и длине промежутка 2...50 мм. На Фиг.8а и 8b показаны кривые тока 15, напряжения 16, мощности 17, вложенной в промежуток, и суммарной энергии 18, вложенной в промежуток за время высоковольтного импульса, для промежутка длиной L=2 мм. Аналогично на фиг.8с и 8d показаны кривые тока 19, напряжения 20, мощности 21 и суммарной энергии 22 для промежутка длиной L=7 мм; а на фиг 8е и 8f - графики этих же параметров (тока 23, напряжения 24, мощности 25 и суммарной энергии 26) для длины разрядного промежутка L=20 мм.

По результатам проведенных исследований сделан вывод, что увеличение длины электрического импульса ограничено переходом в искровую форму разряда, обладающую малым сопротивлением разрядного промежутка. Данный эффект принципиально ограничивает максимальную эффективность вложения энергии в разрядный промежуток при использовании импульсов большой длительности и разрядов постоянного тока. Таким образом, показано, что для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии высоковольтного импульса газу необходимо ограничение времени импульса и скорости нарастания напряжения на промежутке.

В качестве примера конкретной реализации способа приведем выбор параметров для генератора плазменной струи, работающего по вышеуказанному принципу. Геометрия плазмотрона: L=0.2 см, скорость прокачки газа V=10 м/с, концентрация газа n=5·10¹⁹ см^-3, электрическая емкость промежутка 1 пФ. Для этих значений амплитуда U [В] разряда ограничена условием:

3·10^-14>U/(L×n)>10^-15

U>10 кВ, U<300 кВ

Можно выбрать любое значение из диапазона, принимаем, например, что генератор обеспечит U=30 кВ при внутреннем сопротивлении 50 Ом.

Время нарастания переднего фронта импульса высокого напряжения τ_ф [с] ограничено условием:

RC<τ_ф<10^-24×L²×n/U

5·10^-11<τ_ф<6·10^-9

То есть генератор должен обеспечивать время нарастания напряжения не более 6 нс. Длительность импульса высокого напряжения τ_имп [с] ограничена условием:

4·10⁷/n<τ_имп<10¹¹LR/n

8·10^-13<τ_имп<2·10^-8

Максимальная длина импульса составляет 20 нс.

4) частота повторения импульсов f, [с^-1] ограничена условием:

(τ_имп)^-1>f>V/L

50 МГц>f>5 кГц

Таким образом, есть возможность управлять мощностью плазмотрона (температурой газовой струи на выходе) почти на 4 порядка величины - от градусов до нескольких тысяч градусов, поскольку она пропорциональна частоте импульсов.

Практическое применение заявленный способ может найти, например, в газотурбинных двигателях и горелках для инициирования воспламенения и интенсификации горения рабочей смеси (фиг.9 и 10). Здесь 27, 28 и 29 - жаровые трубы камеры сгорания, 30, 31, 32 - плазменно-топливные форсунки. На фиг.10 показан общий вид плазменной струи, генерируемой плазмотроном при атмосферном давлении. В этом случае поток окислителя (воздух) входит в камеру сгорания после предварительного сжатия компрессором. В камере сгорания поток воздуха перемешивается с топливом и попадает в жаровые трубы 27, 28, 29 (как правило, стехиометрическое отношение топливо/окислитель лежит в диапазоне 0.25-4, хотя и не ограничивается им). Для эффективного воспламенения газа и поддержания горения в режиме малой мощности используется вдув высокоэнтальпийной газовой струи через форсунки 30, 31 и 32 из плазмотрона, в котором высокая эффективность передачи энергии электрического импульса газу достигается за счет оптимизации параметров высоковольтного импульса по предложенным соотношениям. Фиг.11 показывает зависимость эффективности передачи энергии электрического импульса газу при различной длительности (13 нс и 7 нс) и частоте следования импульсов.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для воспламенения и интенсификации химических процессов в рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания любого типа. Способ создания высокоэнтальпийной газовой струи заключается в подаче рабочего газа в разрядный промежуток и возбуждении импульсного газового разряда в наносекундном диапазоне длительностей путем подачи на электроды разрядного промежутка высоковольтных импульсов напряжения. Разряд производится при значительном перенапряжении (в 2-10 раз). Амплитуду U [В], время нарастания переднего фронта импульса τ_ф [с] и длительность импульса τ_имп [с] выбирают из соотношений: 3·10^-14>U/(L×n)>10^-15, RC>τ_ф<10^-23×L²×n/U, 4·10⁷/n<τ_имп<10¹¹LR/n, а частоту повторения импульсов f, [с^-1] выбирают в диапазоне: (τ_имп)^-1>ƒ>V/L, где: L - размер межэлектродного промежутка [см], n - концентрация молекул в единице объема разрядной секции [см^-3], R - сопротивление подводящей линии [Ом], С - емкость разрядного промежутка [Ф], V - скорость движения газа в разрядном промежутке [см/с]. Регулировку температуры плазменной струи производят изменением частоты следования импульсов в указанном диапазоне. Изобретение позволяет повысить эффективность передачи энергии от внешней электрической цепи газу, оптимизировать однородность заполняемого плазмой промежутка и увеличить степень диссоциации газа в разряде. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ создания высокоэнтальпийной газовой струи, заключающийся в подаче рабочего газа в разрядный промежуток и возбуждении импульсного газового разряда в наносекундном диапазоне длительностей путем подачи на электроды разрядного промежутка высоковольтных импульсов напряжения, отличающийся тем, что разряд производится при значительном перенапряжении (в 2-10 раз), при этом амплитуду U [В], время нарастания переднего фронта импульса τ_ф [с] и длительность импульса τ_имп [с] выбирают из соотношений

а частоту повторения импульсов f, [c^-1] выбирают в диапазоне

где L - размер межэлектродного промежутка, [см];

n - концентрация молекул в единице объема разрядной секции, [см^-3];

R - сопротивление подводящей линии [Ом];

С - емкость разрядного промежутка [Ф];

V - скорость движения газа в разрядном промежутке, [см/с].