СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИАЦИИ СВЧ-РАЗРЯДА И ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРУИ ПЛАЗМЫ Российский патент 2009 года по МПК H05H1/46 H05H7/18 

Изобретение относится к авиационному и энергетическому двигателестроению и силовым установкам, а именно к устройствам зажигания двигателей и энергетических силовых установок, работающих на смесях газообразных и паровых углеводородов и биотоплив с воздухом и использующих глубоко подкритический 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 высокочастотного 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 и достигли высокого технологического совершенства и обладают значительным ресурсом.

Однако существует проблема расширения диапазона работы свечей зажигания по параметрам среды, например температуры и давления воздуха, свойств 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 вредных выбросов СО и NO_Х. В последнем случае свеча зажигания возможно должна работать в «пилотном», т.е. непрерывном режиме. 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.

С ухудшением условий в зоне требуемая длительность и энергия для воспламенения углеводородовоздушных смесей возрастает [3], но из-за указанных выше причин это трудно обеспечить.

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, содержащее размещенный в газовой среде инициатор и СВЧ-излучатель, воздействующий на инициатор [6].

Недостатком данного технического решения является невозможность увеличения мощности плазменной струи, генерируемой устройством [6].

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 широкий диапазон работоспособности по давлению и температуре среды, коэффициенту избытка топлива φ, качеству смешения и генерируемой энергии высокотемпературной смеси продуктов сгорания.

Технический результат достигается в заявляемых устройстве и способе для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, где реализуется глубоко подкритический разряд на концах металлического электромагнитного вибратора, инициированный СВЧ-излучением, образующий плазму и интенсивное ультрафиолетовое излучение, которые возбуждают и воспламеняют смесь горючего с воздухом, подаваемую в зону горения разряда, и образуя возбужденные высокотемпературные продукты горения, воздействующие на окружающее пространство. Металлический электромагнитный вибратор устанавливают в поле бегущей или стоячей электромагнитной волны или параллельно проводящей поверхности в области интерференционной пучности волны. Энергия высокотемпературного газа, генерируемого устройством, может изменяться варьированием расходов воздуха и топлива, подаваемого и распределяемого через отверстия в металлическом электромагнитном вибраторе, выполненные или на переднем торце для увеличения длины смешения и полноты перемешивания при больших скоростях воздушного потока, или выполненные на его боковой поверхности для увеличения глубины проникновения топлива и времени пребывания в зоне горения, или выполненные спутно по потоку в торце вибратора для организации стабилизации горения непосредственно в СВЧ-разряде.

Для этого в заявляемом способе для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, заключающемся в том, что в газовой среде в поле электромагнитной волны СВЧ-излучения создают инициированный разряд, генерирующий плазму, причем в поле электромагнитной волны (ЭМ) с помощью установленного в ней параллельно электропроводящей или радиопрозрачной диэлектрической поверхности металлического электромагнитного вибратора формируют зону, в которой собственное электромагнитное поле металлического электромагнитного вибратора создает высокий уровень напряженности, инициируя глубоко подкритический СВЧ-разряд, подают в зону разряда воздух и газообразное или парообразное горючее, образующие горючую смесь, которая возбуждается и воспламеняется СВЧ-разрядом и образует высокотемпературную струю плазмы, воздействующую на окружающее пространство. При этом подача горючего или смеси горючего с воздухом из коллектора осуществляется через отверстия или навстречу потоку, или под углом к боковой поверхности ЭПВ и с закруткой, или спутно по потоку в хвостовую часть вибратора.

В заявляемом устройстве для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, реализующем заявляемый способ, содержащем металлический электромагнитный вибратор, СВЧ-излучатель, систему подвода воздуха и подачи газообразного горючего, согласно изобретению металлический электромагнитный вибратор имеет отверстия для распределения горючего или смеси горючего с воздухом, заключен в корпус с открытым выходным отверстием, либо с открытыми входным и выходным отверстиями, корпус выполнен из радиопрозрачного диэлектрического материала и установлен на пилоне, выполненном из радиопрозрачного диэлектрического материала, причем корпус с установленным в нем металлическим электромагнитным вибратором помещен в поле электромагнитной волны (ЭМ) параллельно проводящей или радиопрозрачной диэлектрической поверхности и направлению газовой среды, а СВЧ-излучатель размещен вне корпуса напротив металлического электромагнитного вибратора, при этом в пилоне выполнены каналы подвода горючего или смеси горючего с воздухом в корпус.

Корпус, в котором размещен металлический электромагнитный вибратор, установлен на электропроводящем пилоне, который контактирует с металлическим электромагнитным вибратором в узле его собственного электромагнитного поля.

Корпус, в котором размещен металлический электромагнитный вибратор, установлен на поверхности, выполненной из радиопрозрачного диэлектрического материала, при этом каналы подвода горючего или смеси горючего с воздухом проходят через поверхность и стенку корпуса, прилегающую к поверхности.

Металлический электромагнитный вибратор установлен на поверхности, выполненной из радиопрозрачного диэлектрического материала, при этом каналы подвода и распределения горючего или смеси горючего с воздухом проходят через радиопрозрачную диэлектрическую поверхность в металлический электромагнитный вибратор.

Отверстия в металлическом электромагнитном вибраторе для подачи горючего или смеси горючего с воздухом из коллектора выполнены или навстречу потоку в его носовой части, или под углом к боковой поверхности вибратора и с закруткой, или спутно по потоку в его хвостовой части.

На Фиг.1 схематично показано заявляемое устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы с металлическим электромагнитным вибратором, размещенным в корпусе с открытым выходным отверстием и установленным на пилоне, выполненном из радиопрозрачного диэлектрического материала, крепящемся к электропроводящей поверхности.

На Фиг.2 схематично показано устройство с металлическим электромагнитным вибратором, размещенным в корпусе, выполненном из радиопрозрачного диэлектрического материала с открытыми входным и выходным отверстиями, и установленным на пилоне из радиопрозрачного диэлектрического материала, крепящемся к электропроводящей поверхности.

На Фиг.3 схематично показано устройство с металлическим электромагнитным вибратором, размещенным в корпусе, выполненном из радиопрозрачного диэлектрического материала с открытыми входным и выходным отверстиями, и установленным на пилоне из электропроводящего материала, крепящемся к электропроводящей поверхности.

На Фиг.4 схематично показано устройство с металлическим электромагнитным вибратором, размещенным в корпусе, выполненном из радиопрозрачного диэлектрического материала с открытым выходным отверстием и установленном на диэлектрической, например, радиопрозрачной поверхности.

На Фиг.5 схематично показано устройство с металлическим электромагнитным вибратором, установленным непосредственно на диэлектрической, например, радиопрозрачной поверхности.

На Фиг.6 схематично показан металлический электромагнитный вибратор с различными схемами распределения горючего или смеси горючего с воздухом из коллектора через отверстия: "а" - навстречу потоку, "б" - под углом к боковой поверхности ЭПВ и с закруткой, "в" - спутно потоку в хвостовую часть вибратора.

Устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, на фиг.1 - 6, содержит металлический электромагнитный вибратор 1, который находится в зоне источника 2 СВЧ-излучения и установлен на пилоне 6 с каналом 3 для подачи горючего или смеси воздуха с горючим. При организации разряда и горения топлива в канале корпуса 4 металлический электромагнитный вибратор 1 с коллектором (не показан) и отверстиями 7, выполненными или под углом к боковой поверхности металлического электромагнитного вибратора 1, или отверстиями 8, выполнеными навстречу потоку, или отверстиями 9, выполнеными спутно потоку в хвостовую часть металлического электромагнитного вибратора 1 (фиг.6) для распределения топлива в корпусе 4, помещают в диэлектрический корпус 4, выполненный из радиопрозрачного диэлектрического материала, и устанавливают параллельно проводящей поверхности 5 (фиг 1 - 3) или радиопрозрачной диэлектрической поверхности 5 (фиг.4), или непосредственно на радиопрозрачной диэлектрической поверхности 5 (фиг.5). Металлический электромагнитный вибратор 1 в случае установки устройства на электропроводящем пилоне 6 с каналам 3 для подвода топлива контактирует с ним в узле его собственного электрического поля.

Для распределения топлива в пространстве, ограниченном корпусом 4, на вибраторе выполняют отверстия 7, 8 и 9, которые подают топливо либо против потока - через отверстие 8, либо под углом к боковой поверхности вибратора - через отверстие 7, или с приданием закрутки и спутно основному потоку - через отверстие 9.

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

СВЧ-излучатель создает электромагнитное поле в рассматриваемой газовой среде, скорость воздуха (V) которой во внешнем потоке может изменяться от нуля до трансзвуковых значений и выше. В данную среду помещается предлагаемое устройство для инициации разряда и генерации высокотемпературной плазмы. Источник 2 СВЧ-излучения, воздействуя на металлический электромагнитный вибратор 1, вызывает протекание в нем тока. Собственное поле вибратора 1, вызванное этим током, имеет максимальное значение на его полюсах. Значение напряженности Е этого поля в локальной области вблизи полюса может значительно превышать значение исходного поля. Подбирая геометрические параметры вибратора 1 (в соответствии с рекомендациями [7]), можно добиться, чтобы значение Е превышало величину напряжения пробоя Е_проб [8]. Топливо по каналу 3, подаваемое через пилон 6 и вибратор 1, распределяется внутри корпуса 4 через коллектор и отверстия, в зависимости от условий подачи топлива, 7, 8, 9, и смешивается с воздухом, захватываемым входным отверстием (воздухозаборником) корпуса. В случае, если входное отверстие корпуса 4 отсутствует, то в устройство через пилон 6 подается автономно подготовленная смесь воздуха с горючим в требуемой пропорции. При прохождении смеси через область разряда, где температура среды достигает значений Т=(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]. В случае размещения вибратора 1 на радиопрозрачном диэлектрике 5, фиг.5, или установки устройства на радиопрозрачной диэлектрической стенке 5, фиг.4, количество подаваемого горючего подбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемое значение коэффициента избытка топлива φ и стабильное воспламенение образующейся смеси. Изменяя размеры воздухозаборника и, соответственно, расход захватываемого воздуха, и расход подаваемого горючего (фиг.2), 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 на выходе из канала, 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 их ресурс и надежность работы.

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». «Химия», Москва, 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. Патент РФ №2266629, 2005 г.

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

8. Ван Ви Д., Виноградов В.А., Есаков И.И., Грачев Л.П., Ходатаев К.В. «Эффективность горения пропано-воздушной смеси, в зоне горения глубоко подкритического микроволнового разряда», Труды 43-ей международной конференции по аэрокосмическим наукам, Рено, США, январь 2006 г., AIAA Paper 1212-2006.

Изобретение относится к авиационному и энергетическому двигателестроению и предназначено для систем зажигания двигателей и энергетических установок. Кроме того, может применяться в широком спектре плазменных технологий. Способ заключается в том, что в поле электромагнитной (ЭМ) волны с помощью установленного в ней параллельно электропроводящей или радиопрозрачной диэлектрической поверхности металлического ЭМ вибратора формируют зону, в которой собственное ЭМ поле металлического ЭМ вибратора создает высокий уровень напряженности, инициируя глубоко подкритический СВЧ-разряд. Подают в зону разряда воздух и газообразное или парообразное горючее, образующие горючую смесь, которая возбуждается и воспламеняется СВЧ-разрядом и образует высокотемпературную струю плазмы, воздействующую на окружающее пространство. Подачу горючего или смеси горючего с воздухом из коллектора осуществляют через отверстия, выполненные или навстречу потоку, или под углом к боковой поверхности вибратора и с закруткой, или спутно по потоку в его хвостовую часть. Имеется устройство для осуществления способа. Изобретение обеспечивает широкий диапазон работоспособности по давлению и температуре среды, коэффициенту избытка топлива, качеству смешения и генерируемой энергии высокотемпературной смеси продуктов сгорания. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, заключающийся в том, что в газовой среде в поле электромагнитной волны СВЧ-излучения создают инициированный разряд, генерирующий плазму, отличающийся тем, что в поле электромагнитной (ЭМ) волны, с помощью установленного в ней параллельно электропроводящей или радиопрозрачной диэлектрической поверхности металлического электромагнитного вибратора, формируют зону, в которой собственное электромагнитное поле металлического электромагнитного вибратора создает высокий уровень напряженности, инициируя глубоко подкритический СВЧ-разряд, подают в зону разряда воздух и газообразное или парообразное горючее, образующие горючую смесь, которая возбуждается и воспламеняется СВЧ-разрядом и образует высокотемпературную струю плазмы, воздействующую на окружающее пространство, при этом подачу горючего или смеси горючего с воздухом из коллектора осуществляют через отверстия, выполненные или навстречу потоку, или под углом к боковой поверхности вибратора и с закруткой, или спутно по потоку в его хвостовую часть.2. Устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы, содержащее металлический электромагнитный вибратор, СВЧ-излучатель, систему подвода воздуха и подачи газообразного горючего, отличающееся тем, что металлический электромагнитный вибратор имеет отверстия для распределения горючего или смеси горючего с воздухом и заключен в корпус с открытым выходным отверстием, выполненный из радиопрозрачного диэлектрического материала, и установлен на пилоне с каналом, выполненном из радиопрозрачного диэлектрического материала, при этом корпус, с установленным в нем металлическим электромагнитным вибратором, помещен в поле электромагнитной (ЭМ) волны, параллельно проводящей или радиопрозрачной диэлектрической поверхности и направлению газовой среды, а СВЧ-излучатель размещен вне корпуса напротив металлического электромагнитного вибратора, причем в пилоне выполнены каналы подвода горючего или смеси горючего с воздухом в корпус.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что металлический электромагнитный вибратор заключен в корпус с открытыми входным и выходным отверстиями.4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что корпус, в котором размещен металлический электромагнитный вибратор, установлен на электропроводящем пилоне, который контактирует с металлическим электромагнитным проводящим вибратором в узле его собственного электромагнитного поля.5. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что корпус, в котором размещен металлический электромагнитный вибратор, установлен на поверхности, выполненной из радиопрозрачного диэлектрического материала, при этом каналы подвода горючего или смеси горючего с воздухом проходят через поверхность и стенку корпуса, прилегающую к поверхности.6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что металлический электромагнитный вибратор установлен на поверхности, выполненной из радиопрозрачного диэлектрического материала, при этом каналы подвода и распределения горючей смеси проходят через радиопрозрачную диэлектрическую поверхность в металлический электромагнитный вибратор.7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отверстия в металлическом электромагнитном вибраторе для подачи горючего или смеси горючего с воздухом из коллектора выполнены или навстречу потоку в его носовой части, или под углом к боковой поверхности вибратора и с закруткой, или спутно по потоку в его хвостовой части.