СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В ГИПЕРЗВУКОВОМ ПРЯМОТОЧНОМ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ (ГПВРД) Российский патент 2015 года по МПК F02K7/10 

Изобретение относится к космической технике, а именно к способу организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателях (ГПВРД).

В настоящее время потребности развития высокоскоростных реактивных летательных аппаратов выдвигают задачу интенсификации процессов воспламенения и горения в условиях низких температур и давлений или малого времени пребывания топливовоздушной смеси в камерах сгорания ГПВРД, где реализуется сверхзвуковая скорость потока. Воспламенение и горение большинства газовых смесей осуществляется вследствие протекания цепных реакций. Увеличение скоростей реакций, ответственных за образование высокоактивных радикалов или атомов, участвующих в цепном процессе, приводит к интенсификации воспламенения и горения. Одним из таких способов производства активных радикалов для инициирования и интенсификации горения является электрический разряд, в котором образование атомов и радикалов происходит вследствие диссоциации молекул электронным ударом. (1) М. Starikovskaya. Plasma assisted ignition and combustion // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - Vol.39. - P.R265-R299), (2) G. Lou, A. Bao, M. Nishihara, S. Keshav, Yu. G. Utkin, J.W. Rich, W.R. Lempert, I.V. Adamovich. Ignition of premixed hydrocarbon-air flows by repetitively pulsed, nanosecond pulse duration plasma // Proceedings of the Combustion Institute. - 2007. - Vol.201. - P.3327-3334).

Известно, что стимулирующее воздействие на процесс горения могут оказывать различные типы разряда: дуговой, коронный, диэлектрический барьерный, постоянного тока, тлеющий, электронно-лучевой или высоковольтный, высокочастотный разряд и др. Они характеризуются различными значениями приведенной напряженности электрического поля E/N, где E - напряженность электрического поля, а N - числовая плотность молекул газа. Параметры и состав разрядной плазмы определяются начальной температурой и давлением газа величиной E/N и удельной энергией E_s, подведенной к газу в разряде.

Известен способ инициирования воспламенения и интенсификации горения или реформинга топливо-воздушных и топливо-кислородных смесей (патент РФ №2333381, опубл. 2008 г.), в том числе в газотурбинных двигателях, который заключается в том, что рабочую смесь в камере сгорания подвергают воздействию импульсно- периодического наносекундного высоковольтного разряда с ограниченной амплитудой и длительностью импульса высокого напряжения. Способ позволяет понизить температуру воспламенения рабочей смеси, повысить интенсивность химических реакций в процессах горения и риформинга и, как следствие, увеличить эффективность работы камеры сгорания.

В этих известных технических решениях специально организуется импульсно-периодический высоковольтный разряд для возбуждения во всем объеме камеры сгорания рабочей смеси с достаточно большой приведенной напряженностью электрического поля E/N>5·10^-15 В·см², при которой в разряде происходит преимущественно диссоциация молекул кислорода O₂ и других компонентов, например СН₄, электронным ударом с затратами энергии 5.1 эВ/молекулу O₂ и реализуется диффузионный характер горения.

При диффузном режиме горения в высокоскоростном (сверхзвуковом) потоке реализуются большие длины зон воспламенения и энерговыделения (т.е. области интенсивного протекания химических реакций). Большая длина зоны энерговыделения приводит к увеличению длины камеры сгорания и, как следствие, к росту весогабаритных характеристик, что затрудняет создание на практике реальных конструкций прямоточных воздушно-реактивных двигателей для высокоскоростных летательных аппаратов.

В основу настоящего изобретения положена задача - создание способа организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, позволяющего сократить длину области интенсивного тепловыделения, увеличить полноту сгорания и увеличить тягу.

Технический результат - снижение длины зоны воспламенения и зоны энерговыделения и увеличение тяги.

Другим техническим результатом является снижение затрат энергии на процесс инициирования горения.

Поставленная задача решается тем, что в способе организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ГПВРД) высокоскоростного летательного аппарата, содержащего камеру сгорания, куда через систему пилонов, обтекаемых окислителем - кислородом, например, в составе воздуха, подают горючее, со сверхзвуковой скоростью, и воспламеняют смесь топлива и окислителя, инициируя цепные реакции в проточном тракте камеры сгорания, на границе раздела окислителя (воздуха) и топлива, истекающего, по меньшей мере, из одного, пилона, формируют струю холодной кислородной плазмы определенного поперечного размера d, воздействуя на кислород электрическим разрядом с определенной величиной удельного энерговклада E_s и приведенной напряженностью электрического поля E/N.

Применяют существующие оптимальные значения поперечного размера d струи холодной кислородной плазмы, параметра E/N и длины зоны горения в проточном тракте камеры сгорания, обеспечивающих наименьшие длины зон воспламенения и энерговыделения, а также максимальную полноту сгорания и максимальную эффективность использования энергии, подведенной к газу в разряде при заданной E_s.

Оптимальные значения при подаче горючего в виде водорода толщины d составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, а значение приведенной напряженности электрического поля находятся в диапазоне E/N=5-10·10¹⁶ В·см², при подаче горючего в виде метана толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, а величина E/N=1-5 10^-16 В·см².

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунком 1, где показан, в качестве примера для осуществления способа согласно изобретению, фрагмент принципиальной схемы ГПВРД, содержащего камеру сгорания 1, в которую поступает окислитель - кислород в составе воздуха 6, систему топливных пилонов 2, один из которых, пилон 3, расположен по центру и содержит каналы 7 для подачи в поток холодной кислородной плазмы, сопло 4.

В камеру сгорания 1 через систему пилонов 2, обтекаемых окислителем, например, воздухом 6, подают горючее 8 со сверхзвуковой скоростью, и воспламеняют топливовоздушную смесь, инициируя цепной механизм горения и энерговыделение в проточном тракте 5.

В качестве горючего 8 можно использовать, например, водород, или метан, или другие углеводороды, а кислород может поступать как в составе воздуха 6, так и в виде чистого кислорода, обработанного электрическим разрядом.

На границе раздела окислителя (воздуха 6) и горючего 8, истекающего из центрального пилона 3, формируют струю холодной кислородной плазмы 7 определенного поперечного размера d, которую генерируют воздействием на кислород электрическим разрядом с определенной величиной удельного энерговклада E_s и приведенной напряженностью электрического поля E/N, где E - напряженность электрического поля, а N - числовая плотность молекул газа.

Численный анализ показал, что существуют оптимальные значения поперечного размера d струи холодной кислородной плазмы, параметра E/N и длины зоны горения в проточном тракте камеры сгорания, обеспечивающих наименьшие длины зон воспламенения и энерговыделения, а также максимальную полноту сгорания и максимальную эффективность использования энергии, подведенной к газу в разряде при заданной E_s.

Так, при подаче горючего в виде водорода толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, значение же приведенной напряженности электрического поля находятся в диапазоне E/N=5-10·10^-16 В·см², а при подаче горючего в виде метана толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.6% от поперечного размера камеры сгорания, величина же E/N=1-5·10^-16 В·см².

В зависимости от величины E/N и E_s меняется состав и параметры (давление, температура и скорость) кислородной плазмы из зоны разряда. Поэтому влияние приведенной напряженности электрического поля E/N, величины удельного энерговклада E_s, подведенной к газу в разряде, значения толщины слоя d, в котором проводится активация молекул O₂ электрическим разрядом, на процессы горения происходит через изменение состава кислородной плазмы в разряде, а изменение толщины слоя d, подводимой к потоку холодной кислородной плазмы, сказывается на условиях смешения этой плазмы с потоком горячего воздуха и холодной струей топлива.

Для примера исследуем воспламенение в сверхзвуковом слое смешения струи водорода (число Маха 2.5 и температура 450 К) и потока воздуха (число Маха 3.5 и температура 900 К) при статическом давлении Р₀=0.1 и 0.3 бар. Данные параметры потока воздуха близки к параметрам на входе в камеру сгорания высокоскоростного прямоточного воздушно-реактивного двигателя при числе Маха полета М=6. При таких условиях реализовать воспламенение без разряда на практически приемлемых длинах L даже при давлении P₀=0.1-0.5 бар, которое реализуется в камере сгорания ГПВРД при М=6, не удается. Для интенсификации процесса воспламенения и горения подаем кислородную плазму в виде струи на границе раздела водородного и воздушного потоков, при этом варьировались величины удельного энерговклада E_s и приведенной напряженности электрического поля E/N, а также толщина струи кислорода, активированного электрическим разрядом, d.

Применение оптимальных значений E/N и d обеспечивают максимальное сокращение длины задержки воспламенения. При удельном энерговкладе E_s=0.5 Дж/нсм³ и E/N=1.1·10^-16 В·см² удается сократить длину задержки воспламенения L до 58 см (более чем в тридцать раз) при давлении 0.1 бар и до 19 см (в 68 раз) при давлении 0.3 бар. При этом поперечный размер струи кислорода d, активированного в электрическом разряде, менее 4% от поперечного размера камеры сгорания, а температура 600 К. Отметим, что в этом случае энерговыделение в камере сгорания в ~880 раз превышает затраты.

Также исследовано влияние поперечного размера струи кислорода, активированного в электрическом разряде, d, отнесенного к поперечному размеру камеры сгорания, на процесс горения в плоской камере сгорания высокоскоростного ВРД с длиной 85 см для следующих условий в воздушном потоке на входе в камеру: М₀=3.75, Р₀=03 бар и T₀=1100 К. Установлено, что в базовом варианте, без вдува кислородной струи, длина задержки воспламенения L превышает 50 см. Определены параметры разряда и поперечный размер струи кислорода (см. п.1), позволяющие уменьшить длину задержки воспламенения L до 4-6 см. Для рассмотренной камеры сгорания с коротким расширяющимся участком на выходе (с длиной 50 см), тяга увеличивается при вдуве струи кислорода, активированного в электрическом разряде, примерно на 62% по сравнению с базовым вариантом, хотя вдув эквивалентной струи чистого кислорода (без разряда) приводит к возрастанию интеграла сил давления всего на 32%, т.е. активация кислорода в специально организованном электрическом разряде в оптимальном диапазоне E/N=5-10·10^-16 В·см² позволяет практически вдвое увеличить прирост тяги (топливо - водород). При этом энерговыделение в камере сгорания в ~300 раз превышает затраты энергии на организацию электрического разряда. Для метана (вместо водорода) оптимальна активация кислорода разрядом при меньших значениях E/N:1-5·10^-16 В·см² (причем алгоритм поиска "метанового" оптимума аналогичен алгоритму "водородного" оптимума). В точке оптимума как для водорода, так и для метана полнота сгорания на срезе сопла повышается на ~10%.

Выявленные возможности по управлению процессом воспламенения и горения в камере сгорания ГПВРД с помощью электрического разряда обладают важным практическим значением для создания высокоскоростных летательных аппаратов с расширенным диапазоном скорости, высоты полета и лучшими характеристиками (дальность, полезная нагрузка).

Способ организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе высокоскоростного летательного аппарата, содержащего камеру сгорания, заключается в подаче горючего со сверхзвуковой скоростью через систему пилонов, обтекаемых кислородом, например, в составе воздуха. Затем воспламеняют топливовоздушную смесь, инициируя цепной механизм горения и энерговыделение в проточном тракте камеры. На границе раздела воздуха и горючего, по меньшей мере на выходе одного из пилонов, формируют струю холодной кислородной плазмы определенного поперечного размера, воздействуя на кислород электрическим разрядом с определенной величиной удельного энерговклада и приведенной напряженностью электрического поля. Изобретение направлено на снижение длины зоны воспламенения и зоны энерговыделения, увеличение тяги гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, снижение затрат энергии на процесс инициирования горения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ГПВРД) высокоскоростного летательного аппарата, содержащего камеру сгорания, куда через систему пилонов, обтекаемых кислородом, например, в составе воздуха, подают горючее со сверхзвуковой скоростью, и воспламеняют топливовоздушную смесь, инициируя цепной механизм горения и энерговыделение в проточном тракте камеры, отличающийся тем, что на границе раздела воздуха и горючего, по меньшей мере, на выходе одного из пилонов, формируют струю холодной кислородной плазмы определенного поперечного размера d, воздействуя на кислород электрическим разрядом с определенной величиной удельного энерговклада E_s и приведенной напряженностью электрического поля E/N, где E - напряженность электрического поля, a N - числовая плотность молекул газа.

2. Способ организации воспламенения и горения топлива в ГПВРД по п.1, отличающийся тем, что применяют оптимальные значения поперечного размера d струи холодной кислородной плазмы, параметра E/N и длины зоны горения в проточном тракте камеры сгорания, обеспечивающих наименьшие длины зон воспламенения и энерговыделения, а также максимальную полноту сгорания и максимальную эффективность использования энергии, подведенной к газу в разряде при заданной E_s.

3. Способ организации воспламенения и горения топлива в ГПВРД по п.1 или 2, отличающийся тем, что при подаче горючего в виде водорода толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, а значение приведенной напряженности электрического поля находятся в диапазоне E/N=5-10·10^-16 В·см².

4. Способ организации воспламенения и горения топлива в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе по п.1 или п.2 отличающийся тем, что при подаче горючего в виде метана толщина d струи холодной кислородной плазмы составляет не менее 0.5% от поперечного размера камеры сгорания, а величина E/N=1-5·10^-16 В·см².