Способ сжигания углеводородного топлива и устройство для его реализации Российский патент 2018 года по МПК F02M27/04 F02B51/04 F03H99/00 

Изобретение относится к энергетике, в частности сжиганию углеводородного топлива, может быть использовано при производстве электроэнергии, при организации рабочего процесса автомобильных двигателей, реактивных, турбореактивных, турбовентиляторных авиационных и ракетных двигателей, газотурбинных и других энергетических установок.

Известен способ поджига топливной смеси искрой или лучом лазера.

Известен также способ сжигания углеводородного топлива квазиоптическим СВЧ-излучением стримерным разрядом, при котором получено увеличение скорости горения примерно в 4 раза по сравнению с обычным искровым зажиганием и существенное увеличение полноты сгорания. Предполагается, что зажигание имеет нетепловой характер. СВЧ-разряд возбуждает атомы кислорода, в результате чего генерируется мощное ультрафиолетовое излучение, которое вызывает образование холодной неравновесной плазмы с лавинообразным нарастанием числа свободных электронов. Стримерный разряд распространяется со скоростью 5 км/сек, поэтому инициированные зажигания происходят сразу по всему объему. Температура топливной смеси вместе инициирования зажигания не превышает 400 К (см. П.В. Булат, М.П. Булат, И.И. Исаков и др. Экологический чистый способ сжигания газообразного топлива с применением квазиоптического СВЧ-пучка. // Научно-технический вестник информационных технологий механики и оптики, 2016, Т 16, N3 с. 513-523). Использовался СВЧ-генератор, генерирующий электромагнитные колебания с частотой f=3*10⁹ Гц, длинною волны λ=8,9 см, при длительности СВЧ-импульса 40 мкс. Электромагнитные колебания распространялись по элементам, формирующим линейно поляризующей квазиоптический СВЧ-пучок поперечным диаметром 60 см. Излучения поступало на фокусирующее зеркало. В области фокуса поперечный размер СВЧ-пучка примерно равен 10 см и имел характерную протяженность 15 см. В элементы, формирующие СВЧ-излучение, включен аттенюатор, который позволял менять мощность СВЧ-пучка в диапазоне 102-106 Вт.

В фокусе установки помещался инициатор разряда (инициатор пробоя воздуха),представляющий собой полуволновой электромагнитный вибратор, позволяющий реализовать стримерный разряд для поджига смеси воздух-пропан, при стехиометрическом соотношении воздуха и топлива 15,6:1.

Предлагаемые способы поджига топлива сложно применить для воспламенителя сверхзвукового детонационного сжигания топлива при высоком давлении и скорости потока горючей смеси, например, детонационного электрического ракетного двигателя (ДЭРД), т.к. частота следования детонационных волн и их мощность могут регулироваться в очень узком диапазоне из-за установленной мощности СВЧ-генератора, работающего с определенной длиной волн λ=8,7 см, который генерируется импульсами устройства поджига, установленного в критическом сечении сопла, что тоже снижает надежность энергетической системы. Известен также способ сжигания топлива в сверхзвуковых воздушно-реактивных двигателях (см. Булат П.В., Есаков И.И., Волобуев И.А., Грачев Л.П. О возможности ускоренного горения в камерах сгорания перспективных реактивных двигателях при помощи глубокого подкритического СВЧ-разряда // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики 2016, Т. 16 №2 с. 382-385). Воспламенитель выполнен в виде сетки из диэлектрического материала и установлен в критическом сечении камеры сгорания, что снижает надежность энергетической системы, а также не обеспечивает достаточно высокий энерговклад в процесс горения.

Известны различные методы сжигания углеводородного топлива, основанные на распространении фронта пламени, например, на основе периодического сжигания топливовоздушной смеси в бензиновых и дизельных двигателях внутреннего сгорания (см. Levis B.V. Elbe G. "Combustion, Flames and Explosions of Gases" N.Y., 1951, поджигания топлива с помощью специальных устройств, обеспечивающих комбинированный импульсный разряд через газовый промежуток по поверхности диэлектрика (см. U.S. Patent 4092558).

Известно также использование электрического поля для интенсификации процесса горения топлива воздушной смеси (см. А.С. 1183699 (СССР), Б.И. №37 (1985).

Недостатком этих способов является то, что они не способны обеспечить эффективное сжигание и устойчивое детонационное горение топлива.

Известен способ сжигания топливовоздушной смеси без распространения пламени, основанный на принудительном разрушении метастабильных молекул промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов в объеме горючей смеси путем энергетического воздействия слабой ударной волной в периодическом режиме горения (см. Европейский патент ЕР 1192341 В1). Способ не отличается устойчивостью газодинамического детонационного процесса горения топлива.

Предложен также другой вид энергетического воздействия путем облучения горючей смеси потоком электрического излучения с энергией квантов, достаточной для разрушения метастабильных молекул, что позволяет осуществлять непрерывный режим горения. Однако для реализации этого способа требуется много энергии -10¹⁵÷10¹⁹ фотонов/см² и создание мощного источника электромагнитного излучения, что вызывает затруднение на практике.

Предложен способ стимулированного разрушения молекул метастабильных промежуточных продуктов неполного окисления углеводородного топлива, накопленных в газовом объеме топливовоздушной смеси, путем энергетического воздействия за счет обогащения свободными электронами, которые в результате неупругого соударения со свободными молекулами смеси возбуждают их колебательные степени свободы. Это способно при определенных условиях приводить к мгновенному развитию объемного радикально-цепного взрыва в топливно-воздушной смеси за счет одновременного разрушения большинства накопленных метастабильных молекул промежуточных продуктов. Известно что, разрушение молекул промежуточных продуктов порождает большое число активных радикалов и частиц, разветвляющих и создающих новые цепи реакции окисления углеводородного топлива, что приводит к развитию радикально-цепного процесса сжигания топлива(см. патент РФ №2265158 Способ сжигания углеводородного топлива и устройство для его реализации, опубл. 27,11,2005, Монич А.Е., Монич Е.А.).

Недостатком предложенного способа является то, что он малоэффективен для создания и поддержания детонационного сгорания топлива при высоком давлении, температуре и скорости движения газовой смеси. Известно, что электроны как наиболее легкие заряженные частицы преимущественно отбирают энергию внешнего электрического поля например при СВЧ-облучения. В силу своей малой массы электроны неспособны эффективно распределять энергию при столкновении с «тяжелыми частицами» молекулами и атомами (см. Чем отличается равновесная плазма от неравновесной / Studopedia.ru. Патент РФ №2265158, опубл. 27.11.2005 г.).

Патент РФ №226158 Способ сжигания углеводородного топлива и устройство для его реализации (Монич А.Е, Монич Е.А.) выбран за прототип.

Задача, которая решается в предлагаемом способе сжигания углеводородного топлива заключается в повышении энергетической эффективности и устойчивости детонационного горения, обеспечивающего увеличение КПД и энергетических характеристик электрического ракетного двигателя.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе сжигания углеводородного топлива, при котором реализуется стимулирование разрушение молекул метастабильных промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов, накопленных в объеме реакции горения горючего и окислителя, за счет неупругих соударений со свободными электронами ускоренными электрическим полем, предлагается активизацию продуктов горения сначала производить электронным ударом в предварительной камере сгорания, СВЧ-облучением в электронно-циклотроном резонансном режиме (например, f=34-37 ГГц) в поперечном магнитном поле, позволяющим обеспечить горение топлива с высокой скоростью диссоциации молекул, с отрывом электронов от атомов, образованием ионов-радикалов и активных молекул, которые затем в виде концентрированного энергетического ускоренного лавинообразного потока, направляют в детонационную камеру сгорания, где на продукты горения топлива, поджигаемого под действием резонансного квазиоптического СВЧ-облучения, с образованием стримерного разряда, или резонансным лазерным излучением, воздействуют лавинообразным потоком активных атомов и ионов-радикалов высокой ударной температурой до 12000 K и с интенсификацией цепных разветвленных реакций за счет образования активных центров и созданием объемного детонационного процесса горения топлива, устойчивость которого при этом поддерживают наложением отраженных ударных волн от фокусирующего днища и элементов детонационной камеры сгорания и воздействием резонансного электрического поля с детонационной волной, (см. положительное решение о выдаче патента от 1.9.2017 по заявке РФ №2016117685 опубл. 4.05.2016. Способ создания электроактивной тяги (Трифанов И.В., Казьмин Б.Н., Трифанов В.И., Оборина Л.И.)).

Предусмотрены также следующие конкретные усовершенствования способа сжигания топлива.

При электронно-циклотронном резонансном (ЭЦР) воздействии СВЧ-излучения на продукты горения возможно в широком диапазоне давлений. Это позволяет осуществить быстрый высокий удельный энерговклад в плазму и, тем самым, создавать высокую скорость диссоциации молекул. Особенностью ЭЦР разряда в интересующей нас области давлений является локализация плазмы в области магнитного поля. Это дает возможность организовать локализацию высокоэнергетической плазмы в предварительной камере сгорания, создать устойчивое плазменное ядро. Магнитное поле отделяет потоки заряженных частиц от потока атомов, а электрические поля позволяет удалить электроны из предварительной камеры сгорания. Создается источник многозарядных ионов, например, при СВЧ-облучении продуктов горения (см. патент РФ №2567896 от 10.11.2015). Например, при f=37,5 ГГц, N=130 кВт, при этом мощность 14 кВ/см².

Обдирка ионов путем отрыва электронов в ЭЦР разряде происходит преимущественно электронным ударом, (см. Водопьянов А.В / Электронно-циклотронный резонансный разряд, поддерживаемый миллиметровым излучением: физические основы и приложения. Диссертация на основании ученой степени доктора физико-математических наук, Нижний Новгород, 2016 г. ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр институт прикладной физики РАН».

Свободные электроны могут удаляться из плазменного ядра предварительной камеры сгорания под действием электрического поля через усилитель-концентратор пучков электронов (см. патент РФ №2619767 опубл. 18.5.17 бюл. №14) и преобразовывается в электрическую мощность, используемую для питания энергетических систем и СВЧ-генераторов. (см. патент РФ №2567896опубл. 10.11.2015 бюл. №31. Способ создания электрореактивной тяги / Казьмин Б.Н., Трифанов И.В. и др.).

При удалении электронов из плазменного ядра предварительной камеры сгорания продолжительность химически активного состояния генерированных частиц может увеличиться в несколько раз. Сконцентрированные пучки электронов за пределами камеры сгорания могут быть использованы для генерации СВЧ-квантов (см. патент РФ №2553574 от 20.06.2015, бюл. №17. Способ СВЧ-генерации на основе электронных пучков. / Казьмин Б.Н., Трифанов И.В. и др.).

Известно, что на активацию продуктов детонационного сгорания топлива могут оказывать влияние многие факторы, например, химическая активность продуктов неполного сгорания богатой углеродной смеси, поэтому в предварительную камеру сгорания предложено подавать топливо с избытком горючего, в которой до полного сгорания не хватает приблизительно 50% кислорода. Это может позволить при горении в предварительной камере сгорания при меньших энергетических затратах получать активные ионы-радикалы, а также стабильные продукты неполного сгорания с большим количеством окиси углерода и молекулярного водорода, а также небольшим количеством углекислоты и воды (см. Явления высокой химической активности продуктов неполного сгорания богатой углеводородной смеси. Теория и практика детонационного горения / http://latestennergy.ru).

Одновременно с этими продуктами сгорания образуются нестабильные, химически активные свободные радикалы и атомы с высокой концентрацией. Продолжительности химически активного состояния частиц с момента их возникновения составляет 10-15 мс. При облучении продуктов горения СВЧ - энергией в электронно-циклотронном резонансном режиме можно повысить продолжительность химически активного состояния частиц в несколько раз, а также снизить при этом энергию электронного удара. При использовании топлива с избытком горючего, для получения активных частиц в предварительной камере сгорания, а затем их воздействии на детонационный процесс, в детонационной камере сгорания целесообразно применять топливо с избытком окислителя и проводить поджиг квазиоптическим СВЧ-излучением стримерным разрядом. Он может быть более эффективным, чем использование резонансного лазерного облучения, за счет более высокого энергетического воздействия стримерного разряда на активацию атомов кислорода O₂, O₃, приводящего к высокому увеличению скорости объемного сгорания топлива (в 3-4 раза), к повышению на 10-15% ее полноты и улучшению стабильности горения (см. П.В. Булат, М.П. Булат, И.И. Исаков, И.А. Волобуев, Л.П. Грачев, П.В. Денисенко. Экологически чистый способ сжигания газообразного топлива с применением квазиоптического СВЧ- пучка. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, том 16, №3).

Цепной механизм реакции в детонационной камере сгорания объясняется перераспределением избыточной энергии, которая реализуется в реакции следующим образом: запас химической энергии, сосредоточенной в молекуле продуктов первичной реакции передается одной из реагирующих молекул, которая переходит в химически активное состояние. При таком механизме передача энергии реакция приводит к образованию одной или нескольких новых активных частиц- возбуждению молекул, свободных радикалов или атомов. Таковы, например, атомарный водород, кислород, хлор, радикалы и гидроксил. Все эти вещества являются химически ненасыщенными, отличаются высокой реакционной способностью и могут реагировать с компонентами горючей смеси, образую в свою очередь, свободные радикалы и атомы. Так образуется цепочка последовательных реакций (см. Лекции «Теоретические основы горения и взрыва». Цепное самовоспламенение (цепной взрыв) / http://gendocs.ru).

В связи с представленным механизмом детонационного горения, обогащение топлива активными ионами - радикалами, атомами с лавинообразным накоплением активных частиц, получаемыми в предварительной камере сгорания, или насыщение горючего специальными добавками, (например, HF, NH₄NO₃ и др.), будет способствовать развитию процесса детонационного горения топлива, за счет реакции разветвления цепей.

Для сжигания топлива в детонационном режиме могут использоваться такие однокомпонентные топлива, как например, перекись водорода, сжигаемая и активируемая СВЧ- облучением в ЭЦР режиме, в предварительной камере сгорания, с образованием активных радикалов ОН^-, а также углеродного топлива и жидкого кислорода в детонационной камере сгорания, которое может обогащаться ионами-радикалами ОН^-.

Перекись водорода (пероксид водорода) имеет несимметричную молекулу, Н₂О₂ и относится к неустойчивым соединениям, легко разлагается

Н₂O₂↔Н+НO₂; НO₂↔Н⁺+O₂^-2

O₂^-2→O₂+2е^-; Н⁺+O₂→ОН^-+Н⁺

Обладает сильными окислительными свойствами и может использоваться как однокомпонентное топливо (с разложением на катализаторе).

Перекись водорода с концентрацией 80-90% может давать при разложении газообразную смесь кислорода и перегретого пара, которая может разлагаться в предварительной камере сгорания Н₂O→Н⁺+ОН^- под действием СВЧ-облучения в ЭЦР режиме, (см. Перекись водорода как источник энергии, http://develop-gr.ru).

Известно, что энергия ионизации кислорода составляет 13,62 эВ, водорода - 13,5 эВ, гидроксила ОН - 2,16 эВ, энергия сродства электрона к водороду - 0,75 эВ, к кислороду - 1,47 эВ. В связи с представленным характером энергии ионизации, радикал гидроксида ОН^- является наиболее активным. Для получения ионов-радикалов ОН^-, Н⁺, а также активных атомов водорода в плазменном ядре в предварительной камере сгорания, также целесообразно использовать топливо водород-кислород с избытком горючего, а в детонационной камере с избытком окислителя для обеспечения детонационного режима за счет О, O₂, О₃.

Выявлена важная роль колебательного возбуждения молекул электронным ударом большинства электроотрицательных молекул, таких как Н₂O, СO₂, N₂, у которых скорость колебательного возбуждения достаточно велика. При этом основная доля энерговклада локализируется именно в колебательных степенях свободы, что обеспечивает селективность и высокую энергетическую эффективность такой энергии. В наиболее благоприятных условиях в колебательных степенях свободы сосредоточено до 80% всей вложенной в заряд энергии (см. А.Н. Диденко, Б.В. Зверев, А.Д. Коляскин. Перспективы использования СВЧ-излучение в энергетике. Московский государственный инженерно-физический институт. http://nauchebe.net/2015/01).

Для СВЧ-облучения продуктов горения может использоваться несколько последовательно установленных генераторов вне камеры сгорания, работающих в миллиметровом диапазоне волн на частотах в электронно-циклотронном резонансном режиме (34-37 ГГц), и также на более высоких частотах 60-75 ГГц, в том числе в субмиллиметровом диапазоне с частотой до 300 ГГц в зависимости от состава используемого топлива и требуемых энергетических характерных ионов-радикалов. Многоступенчатый отрыв электронов от атомов будет способствовать повышению селективной активности ионов-радикалов и атомов.

Существенную роль для повышения устойчивости процесса детонационного горения топлива может играть наложение отраженных ударных волн, а также воздействие внешнего электрического поля в резонансном режиме с детонационной волной. Отраженные сфокусированные ударные волны в детонационной камере сгорания образуются при взаимодействии прямых ударных волн с усеченной сферической фокусирующей торцевой стенкой. При этом, за счет фокусировки отраженных ударных волн в точке А, и их большего воздействия на процесс горения создается многоступенчатая детонация (см. Б.Ю. Гельфельд, А.М. Ботенев, С.П. Медведев, А.Н. Поленов, С.В. Хомик / Газодинамические явления при воспламенении и горении гомогенных смесей близко неплоских поверхностей. / Рос. Хим. Ж. (журнал Рос. Хим. Общества им. Д. И. Менделеева), 2001, том XLY, №3 с. 5 Плазма-химические реакции).

Механизм химиионизации ответственен за аномально высокую концентрацию ионов в пламени при воздействии резонансного электрического поля на процесс горения (см. Механизм воздействия электрического поля на процесс горения - раздел физика, http://allrefs.net).

Установлено, что электроны, обладающие высокой энергией, намного превышающей потенциал ионизации, могут легко ионизировать атомы и молекулы. Также установлено, что на скорость ионообразования также влияет приложенное напряжение, порядка кВ/см, т.е. механизмы ионообразования могут быть различные в детонационной камере сгорания. На процессе горения электрическое поле влияет как по средствам ионного ветра, так и преобразованием энергии электрического поля в тепловую энергию, а так же прямым воздействием на кинетику химических реакций: считается, что основным механизмом воздействия электрического поля на процесс горения является тепловой удар и ионный ветер: т.е. воздействие напряжения электрического поля на химически активные частицы-радикалы.

Таким образом, основной причиной самоускорения реакций при детонационном горении в детонационной камере горения может быть как накопление в системе тепла реакции, так и лавиноэнергетическое воздействие химически активных продуктов реакции (ионов-радикалов), полученных в предварительной камере сгорания (см. Цепное самовоспламенение (цепной взрыв). Лекции "Теоретические основы горения и взрыва", http://gendoc.ru), а так же процессы многоступенчатой детонации и воздействие импульсного электрического поля согласованного с параметрами детонационной волны.

Для получения электроэнергии высокого напряжения с целью создания внешнего электрического поля, питания лазеров или СВЧ-генераторов может быть использована частично энергия детонационной волны, например, на основе принципа работы магнитокумулятивного генератора импульсов тока многоразового действия с баллистическим устройством (см. Патент РФ №2087067, опубл. 10.08.1997) или принципов работы виткового магнитокумулятивного генератора импульсов тока (см. А.И. Павловский, Р.З. Людаев, В.А. Васюков и др. Магнитокумулятивные витковые генераторы быстро нарастающих импульсов тока // Сверхсильные магнитные поля: физика. Техника. Применение / М: Наука, 1984, с. 292-297), а также (см. заявка на патент №201117776 от 22.05.2017. Импульсный детонационный ракетный двигатель (Трифанов И.В., Казьмин Б.Н. и др).

Для получения ионов-радикалов и активных атомов может быть использован газовый поток, который ионизируют СВЧ-облучением в электронно-циклотронном резонансном режиме в предварительной камере сгорания в магнитном поле, а затем направляют в детонационную камеру сгорания, где активизируют детонационный процесс сгорания топлива. Для этих целей могут быть применены тяжелые газы, например, такие как аргон, криптон, ксенон и др. При СВЧ-облучении аргона электронным ударом образуются многозарядные различной кратности ионизации ионы (заряд ионов может быть +8) (см. А.В. Водопьянов, С.В. Голубев, В.Г. Зорин и др. / Электронно-циклотронный резонансный разряд в тяжелых газах, поддерживаемый мощным микроволновым пучком в магнитной ловушке, как источник легкого рентгеновского излучения. Письма в ЖТФ, 2000 Том 26, вып. 24). Электронная плотность плазмы была получена при этом 10¹² см^-3, температура электронов от 1 до 10 эВ. Могут применяться и другие более легкие газы, для ионизации ЭЦР разрядом, такие как азот, гелий и др.

Применение ионизированных газовых потоков для обеспечения детонационного сгорания топлива может быть энергоэффективным. Для создания детонационного процесса горения топлива может быть использована одна камера сгорания, в которой создается высокоэнергетическое плазменное ядро при помощи СВЧ воздействия на продукты горения ЭРЦ разрядом в магнитном поле с образованием ионов-радикалов и активных атомов в плазменном ядре. Затем осуществляют энергетическое воздействие на продукты горения огненного ядра у форсуночной головки камеры сгорания за счет рециркуляции активных атомов и ионов-радикалов из высокоэнергетического плазматического ядра под действием напряжения прямого и обратного электрических полей. При этом создается импульсно-пульсирующий детонационный режим горения топлива. (см. Положительное решение о выдаче патента от 1.09.2017 по заявке №2016116135 / Способ создания электрореактивной тяги / И.В. Трифанов, Казьмин Б.Н. и др.).

Для инициирования воспламенения распыленного топлива в детонационной камере сгорания, наряду с импульсным лазерным и СВЧ поджогом стримерным разрядом, может так же применяться поджиг ускоренным энергетическим потоком заряженных частиц ионов-радикалов и активных атомов с высокой ударной температурой до 12000 K, образованных в предварительной камере сгорания за счет «обдирания» молекул и атомов продуктов горения с отрывом электронов СВЧ-облучением в электронно-циклотронном резонансном режиме. Для реализации способа сжигания углеводородного топлива может быть использовано устройство фиг. 1.

Первым объектом изобретения является способ сжигания углеводородного топлива, при котором реализуется стимулированное разрушение молекул метастабильных промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов, накопленных в объеме реакции сгорания окислителя и горючего путем энергетического воздействия свободными электронами, ускоренными электрическим полем, отличающийся тем, что стимулированное разрушение молекул метастабильных промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов сначала осуществляют электронным ударом в предварительной камере сгорания СВЧ-облучением в электронно-циклотронном резонансном режиме в поперечном магнитном поле при горении топлива с высокой скоростью диссоциации молекул, с отрывом электронов от атомов, образованием ионов-радикалов и активных молекул, которые затем с ускорением потока под действием давления и ускоряющего электрического поля направляют в детонационную камеру сгорания, где на продукты горения топлива, осуществляемого под действием резонансного квазиоптического СВЧ-излучения, воздействуют лавинообразным энергетическим потоком активных частиц с интенсификацией цепных разветвленных реакций объемного детонационного процесса горения, устойчивость которого при этом поддерживается наложением отраженных ударных волн от фокусирующего днища и элементов детонационной камеры сгорания и воздействия резонансного электрического поля с детонационной волной.

В одном из вариантов, магнитным полем отделяются потоки заряженных частиц, а оторванные электроны от атомов и ионов при СВЧ-воздействии в электронно-циклотронном резонансном режиме удаляют из предварительной камеры сгорания и преобразуют в электрическую мощность, повышая концентрацию и время жизненного цикла ионов-радикалов и активных атомов в продуктах неполного окисления, а также энергетическую эффективность процесса.

В одном из вариантов, горение производят с избытком горючего в предварительной камере сгорания при воздействии на него электронно-циклотронным резонансным СВЧ-разрядом, при этом полученными ионами-радикалами и активными атомами воздействуют ускоренным лавинообразным потоком на продукты горения топлива с избытком окислителя в детонационной камере сгорания.

В одном из вариантов, производят горение топлива, состоящего из более чем двух компонентов, включая окислитель, горючее, однокомпонентное топливо и специальные добавки, с целью активации процесса горения, например, с применением в качестве топлива, подаваемого в предварительную камеру сгорания (водородного однокомпонентного топлива) - перекиси водорода, а в детонационную камеру сгорания горючего с активированными добавками и окислителя.

В одном из вариантов, детонационный процесс осуществляют с применением топлива с избытком окислителя в предварительной камере сгорания, а в детонационной камере сгорания с избытком горючего при воздействии на процесс горения резонансным лазерным излучением.

В одном из вариантов, для создания детонационного процесса горения топлива используют одну камеру, в которой создают высокоэнергетическое плазменное ядро при помощи СВЧ-облучения в электронно-циклотронном резонансном режиме в магнитном поле и осуществляют энергетическое воздействие на продукты горения огненного ядра у форсуночной головки днища камеры сгорания, за счет рециркуляции активных атомов и ионов-радикалов из плазменного ядра путем действия прямого и обратного ускоряющего электрического напряжения.

В одном из вариантов, для получения ионов-радикалов и активных атомов используются газовый поток, который ионизируются СВЧ-облучением в электронно-циклотронном резонансном режиме, а затем направляют в детонационную камеру сгорания, в которой создают детонационный процесс.

В одном из вариантов, поджиг распыленного топлива в детонационной камере сгорания осуществляют за счет тепловой энергии лавинообразного потока активных ионизированных частиц, получаемых в предварительной камере сгорания.

Вторым объектом изобретения является устройство для сжигания углеводородного топлива, содержащее камеру сгорания с источником энергетического воздействия на молекулы смеси, позволяющее осуществлять стимулированное разрушения продуктов неполного окисления, отличающееся тем, что выполнено из двух камер сгорания, предварительной и детонационной, соединенными между собой соплами и обратными клапанами, при этом источник энергетического воздействия, установлен снаружи предварительной камеры сгорания, состоит из СВЧ-генератора, работающего в КВЧ-диапазоне, соединенного с волноводными каналами с облучателями, направленными на радиопрозрачные мембраны, установленные в стенке предварительной камеры сгорания, снаружи которой размещен индуктор поперечного магнитного поля, позволяющими обеспечить электронным ударом в электронно-циклотронном резонансном режиме активацию продуктов сгорания.

В одном из вариантов, детонационная камера сгорания соединенная с каналом продуктов сгорания и соплом Лаваля, выполнена в виде усеченной полусферы, внутри которой нанесено радиоотражающее покрытие, с размерными параметрами объемного резонатора, создающего резонансный режим квазиоптического СВЧ-облучения продуктов сгорания с образованием стримерного разряда, обеспечивающего ускоренное объемное сгорание топлива.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ сжигания топлива, представлена на Фиг. 1.

Устройство содержит вспомогательные баки горючего 1 и окислителя 2, предварительную камеру сгорания топлива 3, с фокусирующим днищем 48, канал продуктов сгорания 4, индуктор поперечного магнитного поля 5, канал заряженных ионов-радикалов 6, ускоритель ионов-радикалов 7, сопла с обратными клапанами 8, основной бак горючего 9, обратный клапан 10, форсунка горючего 11, основной бак окислителя 12, обратный клапан 13, форсунка окислителя 14, детонационная камера 15, выполненная в виде объемного резонатора, отраженная сфокусированная ударная волна 16, агрегат формирования детонационного режима горения 17, канал продуктов сгорания 18, ускоритель потока продуктов сгорания 19, магнитное сопло 20, ускоритель катионов 21, электрод ускоряющий 22, электростатические ловушки 23, потоки положительно заряженных ионов (катионов) 24, мембрана электронов 25, аксиальный анод 26, канал пучка электронов 27, усилитель-концентратор электронов 28, аксиальный ускоряющий анод 29, электростатическая ловушка электронов 30, преобразователь энергии электронов в электрический ток 31, бортовая система электропитания 32, преобразователь энергии ионов в электрический ток 33, блок аккумуляторов 34, генератор СВЧ-излучения 35 работающий в электронно-циклотронном резонансном режиме на частоте 34-37 ГГц (см. патент РФ 2541162, Генератор СВЧ-квантов на основе электронных пучков), волноводные каналы с облучателями и радиопрозрачными мембранами 36, высокопроводящие электромагниты продольного магнитного поля 37, согласующий датчик 38, блок импульсного включения лазера 39, лазер импульсный 40, фокусирующая линза 41, согласующий датчик запуска генератора СВЧ импульсного стримерного разряда 42, блок импульсного включения генератора СВЧ 43, генератор СВЧ-облучения, работающий в резонансном режиме, с образованием импульсного стримерного разряда 44, радиопрозрачная фокусирующая линза 45, огненное ядро 46, отражающее покрытие 47, создающее стримерный разряд, 49 - отраженные СВЧ-лучи.

Способ осуществляется следующим образом, из баков 1 и 2 горючее подается в предварительную камеру сгорания 3, где под действием искры импульсного лазера 40, энергия которой проходит через фокусирующую линзу 41, происходит воспламенение распыленного и перемешанного топлива с образованием огненного ядра 46 путем подачи сигнала от согласующего датчика 38, связанного с ускорителем 7, на блок импульсного включения лазера 39. Продукты сгорания фокусируются за счет вогнутого днища 48, а затем под давлением 2⋅10⁶ Па и температуре 2000-3000°С движутся (см. Cass R.В., Fibor Rein - forced ceramic radome material with improved resistance to thermal shock, high temperature and erosin / R.B. Cass // Advanced Cerametrics, Inc., 2006. - p. 1-7) по каналу 4, где на них воздействует поперечное магнитное поле, создаваемое индуктором 5, а также электронно-циклотронное резонансное СВЧ-поле частотой 34-37 ГГц, создаваемое генератором СВЧ-квантов 35. СВЧ-волны проходят по волноводам через радиопрозрачные мембраны 36, разогревают продукты сгорания до температуры 4000°С и выше (см. патент РФ 2567896. Способ создания электрореактивной тяги), а также положительное решение от 1.09.2017 о выдаче патента по заявке №2016117685. Способ создания электрореактивной тяги / Трифанов. И.В., Казьмин Б.Н. и др. В поперечном магнитном поле, создаваемом индуктором 5, под действием силы Лоренца и ускоряющего напряжения на аноде 26 (U=2-3 кВ) происходит разделение потока продуктов сгорания на ионы и электроны, движущиеся в противоположных направлениях, при этом электроны проходят через мембрану 25, усиливаются в усилителе-концентраторе 28 под действием ускоряющего поля анода 29 (U=2-3 кВ), а затем по каналу 27, разгоняясь, поступают в электростатическую ловушку 30, где преобразуются в электростатическое напряжение за счет торможения и взаимодействия с электродами-коллекторами, которые связаны с конденсаторами ионисторного типа (см. Патент РФ №2625325 Рекуператор энергии пучка заряженных частиц, опубл. 13.07.2017 Бюл. №20 / Трифанов И.В., Казьмин Б.Н., Оборина Л.И. и др.). Часть пучков электронов поступают в преобразователь 31, где происходит преобразование энергии электронов в переменный ток по двухполупериодной схеме (см. Экспериментальная проверка перехода энергии взаимодействия электронной плазмы в электромагнитный процесс для создания электроэнергетической технологии. «Альтернативная энергетика и экология» Международный научный журнал, №11, 2012 с. 87-91).

Накопленный электростатический заряд преобразуется в постоянный электрический ток и ускоряющее напряжение, которое подается в импульсном режиме на ускоряющие электроды 7 (U=2-3 кВ) и 19 (U=3-5 кВ), а также используется для зарядки аккумуляторов 34 и питания СВЧ-генераторов. Переменный и постоянный ток, полученные при рекуперации энергии заряженных частиц, также подаются в систему питания 32 для электроснабжения всех систем электрического ракетного двигателя, в том числе для питания импульсного лазера 40 и импульсного СВЧ-генератора создающего резонансный стримерный разряд (В - область разряда) 44, высокопроводящих электромагнитов 37 продольного магнитного поля.

Разделенные пучки ионов под действием продольного магнитного поля сжимаются и не взаимодействуют практически со стенками канала катионов 6, ускоряются под действием импульсного ускоряющего напряжения U=2-3 кВ электрода 7, разгоняются до сверхзвуковой скорости в сверхзвуковых соплах 8, в которых установлены обратные клапаны, а затем в виде газовых ионизированного потока ионов-радикалов и активных атомов взаимодействуют с огненным ядром продуктов сгорания детонационной камеры 15. Путем создания теплового удара и обогащения активными заряженными частицами. В камеру 15, где осуществляется тонкий распыл, горючее подается из бака 9 через обратный клапан 10, форсунку 11, а окислитель подается из бака 12, через обратный клапан 13, форсунку 14. Причем если в предварительной камере сгорания подается топливо с избытком горючего, то в детонационную камеру 15 с избытком окислителя.

Распыленное топливо в камере 15 воспламеняется с образованием огненного ядра под действием импульсного СВЧ генератора, работающего в резонансном режиме, создающего квазиоптические импульсы длительностью 1 мкс и длиной волны λ=2÷6 см в зависимости от химического состава топлива, 44, энергия которого проходит через фокусирующую линзу 45 и отражается от радиоотражающего покрытия 47 навстречу квазиоптическим пучкам СВЧ-разряда, в результате резонанса генерируется стримерный разряд. Скорость распространения стримерного разряда может достигать 10-15 км/с, т.е. обеспечивать практически мгновенное инициирование горения по всей площади поперечного сечения детонационной камеры сгорания. Сигнал на СВЧ-генератор 44 подается от согласующего датчика 42, связанного с ускорителем 19, на блок импульсного включения СВЧ-генератора 43, который управляет импульсным процессом зажигания распыленного топлива в детонационной камере 15 (см., Булат П.В., Есаков И.И., Волобуев И.А., Грачев Л.П. О возможности ускорения горения в камерах сгорания перспективных реактивных двигателей при помощи глубокого подкритического СВЧ-разряда // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16 №2 с. 382-385).

В резонаторе детонационной камеры сгорания возбуждается электромагнитное поле СВЧ высокой напряженности, за счет которого образуется плазма при сгорании топлива, обогащенного ионами-радикалами и активными частицами. Высокая напряженность электрического поля создается за счет резонанса волн в замкнутом объеме металлического резонатора. Радиус г полусферы резонатора выбирается из условия λ_кр>λ₀, где λ₀ - длина волны в свободном пространстве, λ_кр=2πк/U₀₁ - критическая длина волны, на которую настроен резонатор, параметр U_0l=2,405 - корень функции Бесселя J₀(U)=0. (см. Ширман Я.Д. Волноводы и объемные резонаторы. - М.: Гос. изд. лит-ра по вопр. связи и радио, 1959. - 380 с.).

Уровень напряженности СВЧ-поля поддерживается за счет фокусировки СВЧ-энергии отражающими поверхностями. Плазма под напором плазмообразующего газа, содержащего активные ионы-радикалы и атомы, расширяется под действием тепла, способствует объемному сгоранию топлива, где тоже содержится активные ионы-радикалы и атомы, полученные в предварительной камере сгорания, и движется по камере сгорания в виде струи, с образованием множества центров детонационного горения топлива. При этом для поддержания детонационного процесса накладывается электрическое поле в резонансном режиме с детонационной волной.

Разряд в фокусе проходящего и отраженного излучения представляет собой запутанную сеть очень тонких плазменных нитей, заполняющих полость фокуса и распространяющуюся в сторону источника (см. Инициации микроволнового стримерного разряда в газе / О.И. Воскобойников, С.Л. Гинзбург, В.Ф. Дьяченко, К.В. Ходатаев // ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, Москва, 2001).

На продукты сгорания топлива в детонационной камере 15 одновременно с резонансным СВЧ-облучением воздействуют высокоэнергетическим сверхзвуковым потоком ионов - радикалов и активных атомов, вылетающих из сопел 8. При этом процесс горения переходит в режим объемного детонационного горения и взрыва с повышением давления до 8-12 МПа и выше с развитием разветвленных цепных реакций, а также объемного радикально-цепного взрыва. В момент взрыва обратные клапаны 8 перекрывают вход в канал ионов - радикалов и активных атомов 6, а также трубопроводы в баки 9 и 12 за счет работы обратных клапанов 10 и 13, при выбросе продуктов сгорания клапаны снова открываются и сверхзвуковой поток устремляется в камеру 15, а топливо из баков 9 и 12 через форсунки 11 и 14 снова поступает в детонационную камеру, где происходит детонационное горение. При этом ударные волны отражаются от полусферической фокусирующей стенки детонационной камеры сгорания 15, фокусируются и концентрируются в точке А, усиливая энергию периодически инициируемых детонационных волн 17, взрывное горение продолжается при движении продуктов сгорания по каналу 18, так как в продукты сгорания топлива постоянно поступают высокоэнергетические заряженные частицы - ионы-радикалы и активные атомы, поддерживающие детонационный режим горения, а также процесс усиливается за счет энергии ускоряющего электрического поля. В качестве ионов-радикалов могут быть катионы-радикалы Н⁺,СН⁺,СО⁺², , , а также анионы-радикалы ОН^-,, O^-2, активные атомы и молекулы СН₂O, О₃. При воздействии энергии периодически инициируемой детонационной волны поток продуктов сгорания с заряженными частицами дополнительно ускоряется за счет импульсного ускоряющего напряжения, создаваемого электродом 19, на который подается напряжение 3-5 кВ от блока питания 32. Под действием химической энергии топлива, энергии бегущей периодически инициируемой детонационной волны и ускоряющего электрического поля поток разгоняется в магнитном сопле 20 до сверхзвуковых скоростей V-70-300 км/с, создавая высокую реактивную тягу и высокий удельный импульс, за счет использования химической и электрической энергии топлива, а также энергии периодически инициируемой детонационной волны и ускоряющего электрического поля. Ионы заряженных продуктов сгорания за срезом магнитного сопла 24 поступают через ускоритель 21 под действием ускоряющего электрического поля U=2-3 кВ, подаваемого с преобразователя 33 на электрод 22 электростатической ловушки 23, где происходит рекуперация энергии ионов в электростатическое напряжение, которое затем накапливается в конденсаторах ионисторного типа и сбрасывается в преобразователь 33. Ионы, прошедшие через ловушки 23, нейтрализуются и выходят в окружающее пространство в виде нейтральных молекул. Полученное электростатическое электричество используется также для питания электрических систем ЭРД (см. Димитров С.К., Обухов В.А., Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков, (Ионные инжекторные и плазменные ускорители). Под ред. А.И. Морозова и Н.Н. Семашко, - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 193-219), (Пат. 2117398 РФ, МПК Н04В 13/00. Способ передачи энергии в вакууме / Аликаев В.В., Егоров А.H., Семашко Н.Н., Латышев Л.А. №97103964/09; заявл. 13.03.1997; опубл. 10.08.1998). Следует отметить, что электростатических ловушек 23 может быть установлено несколько и работать они могут с соответствующей полярностью на входе, вследствие чего они позволяют преобразовывать энергию как положительно заряженных ионов, так и отрицательно заряженных ионов.

Работа системы подачи, например, углеводородного топлива из баков 1, 2, 9, 12 и всех энергетических систем, работающих в импульсном режиме на частотах 200 Гц и выше, должна быть согласована с импульсно-детонационными процессами горения топлива. В качестве рабочей смеси может быть использовано углеводородное топливо, желательно образующее простые ионы-радикалы, в качестве окислителя - кислород. Может также применяться водородное топливо, а в качестве окислителя - кислород.

Скорость продуктов сгорания за срезом магнитного сопла 20 может составлять 30-300 км/с в зависимости от импульсно-детонационного режима работы и применяемого топлива.

Технический результат способа, повышение энергетического КПД и полноты сгорания топлива, при использовании процессов горения, например, в электрическом ракетном двигателе (ЭРД), повышение удельной тяги в 1,3-1,5 раза, а так же удельного импульса.

Предложен способ сжигания углеводородного топлива, который может быть применен при производстве электроэнергии, организации рабочего процесса двигателей автомобилей и аэрокосмических транспортных средств и в других энергетических установках. Способ состоит в том, что стимулированное разрушение молекул метастабильных продуктов неполного окисления углеводородов (водородного топлива или газа) сначала осуществляют электронным ударом в предварительной камере сгорания за счет СВЧ-облучения в электронно-циклотронном резонансном режиме (ЭЦР), в поперечном магнитном поле при горении топлива с высокой скоростью диссоциации молекул, с отрывом электронов от атомов, образованием ионов-радикалов и активных молекул, которые затем с ускорением потока направляют в детонационную камеру сгорания. В детонационной камере сгорания на продукты горения топлива осуществляют воздействие лавинообразным потоком активных частиц с интенсификацией цепных разветвленных реакций объемного детонационного процесса горения топлива, устойчивость которого может поддерживаться резонансным СВЧ-облучением или резонансным лазерным излучением, а также наложением отраженных ударных волн от фокусирующих элементов камеры сгорания и воздействием резонансного электрического поля с детонационной волной. Также предложено устройство для реализации способа сжигания углеводородного топлива. Технический результат - повышение энергетического КПД и полноты сгорания топлива, при использовании процесса горения в ЭРД, повышение удельной тяги в 1,3-1,5 раза и удельного импульса. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжигания углеводородного топлива, при котором реализуется стимулированное разрушение молекул метастабильных промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов, накопленных в объеме реакции сгорания окислителя и горючего путем энергетического воздействия свободными электронами, ускоренными электрическим полем, отличающийся тем, что стимулированное разрушение молекул метастабильных промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов сначала осуществляют электронным ударом в предварительной камере сгорания СВЧ-облучением в электронно-циклотронном резонансном режиме в поперечном магнитном поле при горении топлива с высокой скоростью диссоциации молекул, с отрывом электронов от атомов, образованием ионов-радикалов и активных молекул, которые затем с ускорением потока под действием давления и ускоряющего электрического поля направляют в детонационную камеру сгорания, где на продукты горения топлива, осуществляемого под действием резонансного квазиоптического СВЧ-излучения, воздействуют лавинообразным энергетическим потоком активных частиц с интенсификацией цепных разветвленных реакций объемного детонационного процесса горения, устойчивость которого при этом поддерживается наложением отраженных ударных волн от фокусирующего днища и элементов детонационной камеры сгорания и воздействия резонансного электрического поля с детонационной волной.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнитным полем отделяются потоки заряженных частиц, а оторванные электроны от атомов и ионов при СВЧ-воздействии в электронно-циклотронном резонансном режиме удаляют из предварительной камеры сгорания и преобразуют в электрическую мощность, повышая концентрацию и время жизненного цикла ионов-радикалов и активных атомов в продуктах неполного окисления, а также энергетическую эффективность процесса.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горение производят с избытком горючего в предварительной камере сгорания при воздействии на него электронно-циклотронным резонансным СВЧ-разрядом, при этом полученными ионами-радикалами и активными атомами воздействуют ускоренным лавинообразным потоком на продукты горения топлива с избытком окислителя в детонационной камере сгорания.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят горение топлива, состоящего из более чем двух компонентов, включая окислитель, горючее, однокомпонентное топливо и специальные добавки, с целью активации процесса горения, например, с применением в качестве топлива, подаваемого в предварительную камеру сгорания (водородного однокомпонентного топлива) - перекиси водорода, а в детонационную камеру сгорания горючего с активированными добавками и окислителя.

5. Способ п. 1, отличающийся тем, что детонационный процесс осуществляют с применением топлива с избытком окислителя в предварительной камере сгорания, а в детонационной камере сгорания с избытком горючего при воздействии на процесс горения резонансным лазерным излучением.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для создания детонационного процесса горения топлива используют одну камеру, в которой создают высокоэнергетическое плазменное ядро при помощи СВЧ-облучения в электронно-циклотронном резонансном режиме в магнитном поле и осуществляют энергетическое воздействие на продукты горения огненного ядра у форсуночной головки днища камеры сгорания, за счет рециркуляции активных атомов и ионов-радикалов из плазменного ядра путем действия прямого и обратного ускоряющего электрического напряжения.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения ионов-радикалов и активных атомов используется газовый поток, который ионизируются СВЧ-облучением в электронно-циклотронном резонансном режиме, а затем направляют в детонационную камеру сгорания, в которой создают детонационный процесс.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поджиг распыленного топлива в детонационной камере сгорания осуществляют за счет тепловой энергии лавинообразного потока активных ионизированных частиц, получаемых в предварительной камере сгорания.

9. Устройство для сжигания углеводородного топлива, содержащее камеру сгорания с источником энергетического воздействия на молекулы смеси, позволяющее осуществлять стимулированное разрушение продуктов неполного окисления, отличающееся тем, что выполнено из двух камер сгорания, предварительной и детонационной, соединенными между собой соплами и обратными клапанами, при этом источник энергетического воздействия, установлен снаружи предварительной камеры сгорания, состоит из СВЧ-генератора, работающего в КВЧ-диапазоне, соединенного с волноводными каналами с облучателями, направленными на радиопрозрачные мембраны, установленные в стенке предварительной камеры сгорания, снаружи которой размещен индуктор поперечного магнитного поля, позволяющими обеспечить электронным ударом в электронно-циклотронном резонансном режиме активацию продуктов сгорания.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что детонационная камера сгорания, соединенная с каналом продуктов сгорания и соплом Лаваля, выполнена в виде усеченной полусферы, внутри которой нанесено радиоотражающее покрытие с размерными параметрами объемного резонатора, создающего резонансный режим квазиоптического СВЧ-облучения продуктов сгорания с образованием стримерного разряда, обеспечивающего ускоренное объемное сгорание топлива.