СВЕРХЗВУКОВОЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР ГОРЕНИЯ
SUPERSONIC PLASMA-CHEMICAL COMBUSTION-STABILISATION DEVICE

Изобретение относится к области авиационной техники и может быть использовано для обеспечения надежного воспламенения и стабилизации горения углеводородных топлив в прямоточных сверхзвуковых камерах сгорания в условиях, когда традиционные газодинамические методы не позволяют этого сделать (низкие статические температуры и давления, бедные смеси).
Известны модули для воспламенения и стабилизации горения, использующие дуговые разряды, выдуваемые внутрь камеры сгорания с ее стенки, например, предложенные в работе: Kimura I., Aoki Н., Kato М. - «The use of plasma jet for flame stabilization and promotion of combustion in supersonic air flows» (Combustion and Flame. 1981.V. 42, p.297-305). Недостатком этих модулей является то, что создаваемые ими потоки не обладают скоростным напором, достаточным для проникновения струи в область основного течения. Характерной особенностью дуг является термическая ионизация, близость температур электронов, ионов и нейтральных молекул. При низкой температуре электронов практически не используются механизмы интенсификации протекания плазмохимических реакций в зоне горения, связанные с возбуждением высокоэнергетических уровней молекул.
Известны модули для воспламенения и стабилизации горения, использующие наносекундные разряды, в которых температура электронов может быть наиболее высокой, значительно больше, чем температура нейтральных молекул и ионов (неравновесные разряды), благодаря чему они могут эффективно возбуждать высоко расположенные уровни молекул, участие которых приводит к интенсификации химических процессов, протекающих при горении, предложенные в работе: Aleksandrov N., Anikin N., Bazelyan E., Zatsepin D., Starikovskaia S., Starikovskii A.. - «Chemical reactions and ignitions in hydrocarbon-air mixtures by high-voltage nanosecond gas discharge)) (AIAA Paper. 2001-2949). Однако для реализации наносекундных разрядов требуются напряжения на уровне 40-50 кВ, которые технологически трудно применимы в камерах сгорания.
Известны модули для воспламенения и стабилизации горения углеводородных топлив, в которых используются неравновесные СВЧ и ВЧ разряды с высокой температурой электронов, например, предложенные в работах: Esakov I., Grachev L., Kholftaev К. - investigation of under-critical microwave streamer discharge for jet engine fuel ignition)) (AIAA Paper 2001-2939) и Klimov A., Bityurin V., Brovkin V., Kuznetsov A., Sukovatkin N., Vystavkin N. - «Plasma assisted combustion)) (Proceedings of the 3 th Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics in Aerospace Applications. - M.: IVTAN. 2001. p.33-37). Недостатком таких модулей является необходимость использования полупрозрачных диэлектрических окон и покрытий, которые разрушаются при температурах, значительно более низких, чем температура стенок камер сгорания на рабочих режимах и специфические особенности сочетания источников электромагнитного излучения с камерами, выполненными из металла.
Известен электроразрядный модуль пилотного пламени, в котором используются неравновесные электродные разряды, технологически наиболее просто реализуемые в камерах сгорания, предложенный в работе: Leonov S., Bityurin V., Savelkin K., Yarantsev D. - «Plasma-induced ignition and plasma assisted combustion of fuel in high speed flow» (Proceedings of 5 th Workshop "PA and MHD in Aerospace Applications". - M: IVTAN. 2003, p.56). Недостатком указанного модуля является то, что зона воспламенения образуется на периферии камеры сгорания, у ее стенки, а необходимость использования уступа, в рециркуляционной области за которым создается зона плазмохимических реакций, приводит к увеличению аэродинамического сопротивления течению в камере сгорания.
Ближайшим техническим решением является сверхзвуковой плазмохимический стабилизатор горения для прямоточной камеры сгорания, предложенный в работе: Ефимов Б.Г., Иванов В.В., Скворцов В.В., Стародубцев М.А. - «Стабилизация горения пропана в сверхзвуковом потоке воздуха с помощью неравновесного продольного разряда и соосной с ним локальной зоны пониженного давления» (Изв. РАН. МЖГ. 2010. №4, с.143-152), принятый за прототип и содержащий два последовательно расположенных по потоку электрода анод и катод, выполненных в виде обтекаемых пилонов с симметричными аэродинамическими профилями и установленных в проточной части камеры сгорания при этом анод электрически изолирован от металлической стенки камеры сгорания, а катод расположен в следе за анодом и установлен непосредственно на стенке камеры. Анод имеет излом и состоит из двух секций: корневой, имеющей отрицательную стреловидность относительно направления потока, и концевой - с нулевой стреловидностью, обеспечивающих газодинамическую стабилизацию положения канала разряда и интенсификацию плазмохимических реакций, возникающих в зоне пониженного давления за профилем нулевой стреловидности. Для впрыска топлива в поток на обтекаемой поверхности анода (пилона) размещены инжекторы, к которым подводится топливо через встроенную в пилон подводящую трубку. Недостатком данного модуля является трудность перемещения анодного конца канала разряда от места пробоя к зоне пониженного давления на задней кромке анода даже при наличии сверхзвукового потока в условиях, когда анод имеет длину, близкую к высоте камеры сгорания, поскольку пробой происходит на ближайшую к нему металлическую стенку камеры.
Задачей и техническим результатом изобретения является разработка сверхзвукового плазмохимического стабилизатора горения для прямоточной камеры сгорания, обеспечивающего надежное воспламенение и стабилизацию горения углеводородных топлив в прямоточной сверхзвуковой камере сгорания в условиях, когда традиционные газодинамические методы не позволяют этого сделать (низкие статические температуры и давления, бедные смеси), технологически совместимого с камерой сгорания и обеспечивающего низкий уровень аэродинамических потерь.
Решение задачи и технический результат изобретения достигаются тем, что сверхзвуковой плазмохимический стабилизатор горения для прямоточной камеры сгорания, состоящий из установленных в проточной части камеры сгорания двух последовательно расположенных по потоку электродов, выполненных в виде обтекаемых пилонов с симметричными аэродинамическими профилями, из них первый - анод, электрически изолирован от металлической стенки камеры сгорания и оборудован трубкой для подвода топлива и инжекторами для впрыска топлива в поток, а второй электрод - катод расположен в следе за первым и непосредственно закреплен на стенке камеры сгорания. Для формирования за анодом газодинамической структуры течения, обеспечивающей стабилизацию положения канала разряда и интенсификацию плазмохимических реакций, конструкция анода имеет излом передней и задней кромок так, что корневая часть анода имеет отрицательную стреловидность относительно направления потока, а концевая -нулевую стреловидность, при этом в обтекаемую поверхность анода дополнительно встроены трубка и инжекторы для впрыска в поток одновременно с топливом химически активных добавок. Торец концевой части анода со стороны набегающего потока имеет выступ в виде тонкой прямоугольной пластины, расположенной в плоскости симметрии пилона, задняя кромка пластины скошена для свободного скольжения анодного конца канала разряда от точки пробоя к месту привязки на задней кромке концевой части анода под воздействием сверхзвукового потока и увеличения00 разрядного тока до задаваемого значения, и имеет скругления в угловых точках для улучшения скольжения, при этом угол между торцевой поверхностью и задней кромкой анода также скруглен.
Кроме того, сверхзвуковой плазмохимический стабилизатор горения для прямоточной камеры сгорания может содержать на задней кромке концевой части анода в зоне формирования пониженного давления зубец треугольной или иной формы для обеспечения фиксированной привязки к нему канала разряда.
На фигуре 1 приведена схема рабочего канала отсека камеры сгорания с элементами конструкции сверхзвукового плазмохимического стабилизатора горения.
На фигуре 2 приведен фрагмент анода с зубцом на задней кромке.
Конструкция плазмохимического стабилизатора состоит из установленных в проточной части камеры сгорания двух последовательно расположенных по потоку электродов, выполненных в виде обтекаемых пилонов с симметричными аэродинамическими профилями, из них анод 1, электрически изолирован с помощью изолятора 2 от металлической стенки камеры сгорания 3, оборудован трубкой 4 для подвода топлива и инжекторами 5 для впрыска топлива в поток, а второй - катод 6 расположен в следе за первым и непосредственно закреплен на стенке камеры сгорания 3. Для формирования за анодом газодинамической структуры течения 7, обеспечивающей стабилизацию положения канала разряда 8 и интенсификацию плазмохимических реакций, конструкция анода имеет излом передней и задней кромок 9 так, что корневая часть анода имеет отрицательную стреловидность относительно направления потока, а концевая часть анода - нулевую стреловидность, при этом в обтекаемую поверхность анода встроены дополнительные инжекторы 10 для подвода химически активных добавок в зону канала разряда через дополнительно введенную в пилон трубку 11.
Кроме того, сверхзвуковой плазмохимический стабилизатор горения для прямоточной камеры сгорания для обеспечения надежного электрического пробоя на стенку камеры сгорания и свободного скольжения анодного конца канала разряда от точки пробоя к месту привязки на задней кромке концевой секции анода под воздействием сверхзвукового потока и увеличении разрядного тока до задаваемого значения имеет на торце концевой части анода со стороны набегающего потока выступ 12 в виде тонкой прямоугольной пластины, расположенной в плоскости симметрии пилона, задняя кромка пластины скошена и имеет скругления в угловых точках, при этом угол 13 между торцевой поверхностью и задней кромкой анода также скруглен.
На фигуре 2 приведена схема анода плазмохимического стабилизатора для варианта с использованием зубца 14, обеспечивающего более жесткую фиксацию точки привязки анодного конца канала разряда. Зубец треугольной или иной формы расположен в зоне формирования пониженного давления.
Плазмохимический стабилизатор работает следующим образом. При его включении производится раздельная подача по подводящим трубкам 4 и 11 анода вспомогательного топлива (например, пропана, этилена, синтез-газа) и химически активных добавок для интенсификации разряда и плазмохимических процессов в области основного топливовоздушного потока камеры сгорания. Одновременно между анодом 1, стенкой камеры сгорания 3 и катодом 6 прикладывается напряжение от высоковольтного источника, достаточное для пробоя промежутков между выступами 12 анода, стенкой камеры 3. При регулируемом увеличении тока разряда происходит в темпе регулировки быстрое перемещение канала разряда в зону пониженного давления за задней кромкой концевой части анода, на который осуществляется окончательная привязка анодного конца канала разряда при увеличении разрядного тока до задаваемого значения. При этом возникает контрагированный шнур разряда, который сносится сверхзвуковым потоком вниз по течению и замыкается на катод 6 камеры сгорания. В области разряда развиваются интенсивные плазмохимические реакции, так как в процессах участвуют электроны с температурой ~ 0.7-1 эВ, обеспечивающие при взаимодействии с химически активными добавками генерацию активных радикалов и происходит интенсивное турбулентное перемешивание в завихренном потоке. Наличие химически активных добавок обуславливает интенсификацию горения разряда в присутствии электроотрицательного газа. Таким образом, возникает область постоянного воспламенения, выполняющая роль стабилизатора процесса горения для внешнего сверхзвукового потока основной топливовоздушной смеси, в котором оказываются задействованными плазмохимические с участием активных радикалов и газодинамические с интенсивным турбулентным перемешиванием механизмы.
Разработан сверхзвуковой плазмохимический стабилизатор горения для прямоточной камеры сгорания, обеспечивающий надежное воспламенение и стабилизацию горения углеводородных топлив в прямоточной сверхзвуковой камере сгорания.