Способ воспламенения и стабилизации горения топливно-воздушной смеси импульсными оптическими квазистационарными разрядами и устройство его реализации
METHOD FOR IGNITION AND STABILIZATION OF COMBUSTION OF FUEL-AIR MIXTURE BY PULSE OPTICAL QUASI-STATIONARY DISCHARGES AND ITS IMPLEMENTATION DEVICE

Изобретение относится к способам и устройствам воспламенения топливно-воздушной смеси и стабилизации горения в энергетических установках. Изобретение может найти применение в камерах сгорания энергетических установок, в частности в системах воспламенения топливно-воздушной смеси и стабилизации горения воздушно-реактивных двигателей, использующихся в различных отраслях промышленности (авиационная, энергетическая, перерабатывающая)
Известноустройство для воспламенения и стабилизации сверхзвукового горения (патент на полезную модель №192758 от 30.09.2019). Устройство состоит из фрагмента прямоточной камеры сгорания и выступающих в поток внутри камеры сгорания двух пилонов. Оно может быть использовано для обеспечения надежного воспламенения и стабилизации горения углеводородных топлив в сверхзвуковых камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В процессе работы устройства в камеру сгорания впрыскиваются химические активные добавки, характеризующиеся высокими показателями скорости воспламенения и тепловыделения при горении. Эти добавки впрыскиваются в камеру сгорания от источника совместно с основным топливом из источника через инжекторы, установленные в пилоне, в соотношении, достаточном для формирования устойчивого факела, благодаря которому в канале создается также зона повышенного давления. Остальная часть топлива без химических добавок (благодаря чему их расход снижается по сравнению с прототипом) подается от источника через инжектор, установленный в пилоне, в свободную от пламени область камеры сгорания. При этом происходит смешение части топлива, не активированной химическими добавками, с воздухом и воспламенение полученной смеси при взаимодействии с факелами химически активированных топлив ниже по потоку. Формирование в канале зоны повышенного давления также способствует более легкому воспламенению основного топлива, то есть задействуется, помимо огневого, и газодинамический механизм влияния на внутрикамерные процессы. Стабилизация горения основного топлива обеспечивается воздействием более стабильного факела химически активированного топлива. Устройство плазмотронного типа задействуется кратковременно при старте прямоточного воздушно-реактивного двигателя для воспламенения факела с добавочным топливом путем выброса плазмы в топливно-воздушную смесь через выводной канал плазмы. Недостатком данной полезной модели является наличие внутри камеры сгорания пилонов, способных вносить постоянное сопротивление потоку, а также непостоянный режим работы – а именно только на старте двигателя
Известен сверхзвуковой плазмохимический стабилизатор горения (патент на изобретение №2499193 от 20.11.2013). Сверхзвуковой плазмохимический стабилизатор горения для прямоточной камеры сгорания состоит из установленных в проточной части камеры сгорания двух последовательно расположенных по потоку электродов, выполненных в виде обтекаемых пилонов с симметричными аэродинамическими профилями, один из которых - анод, электрически изолирован от металлической стенки камеры сгорания и оборудован трубкой для подвода топлива и инжекторами для впрыска топлива в поток. 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. Недостатком данного технического является наличие внутри камеры сгорания пилонов, способных вносить существенное сопротивление потоку, а также необходимость подачи вспомогательного топлива (например, пропана, этилена, синтез-газа) и химически активных добавок для интенсификации разряда и плазмохимических процессов.
Известноизобретение CN102798149 «Plasma concave-cavity flame stabilizer for engine» от 30.07.2014. Технический результат данного изобретения связан с решением проблем самовозбуждающихся колебаний, большого сопротивления нишевого стабилизатора и узкого диапазона применения нишевого стабилизатора пламени, а также предложением нового типа нишевого стабилизатора пламени для двигателей. В настоящем изобретении возбудитель плазмы устанавливается в нишевый стабилизатор пламени. Возбудитель плазмы генерирует неравновесную плазму, создавая разряд в воздухе. Сила электрического поля, образованная неравновесной плазмой, и выделяемое тепло влияют на потока в полости, уменьшая сопротивление полости, снижая самовозбуждающиеся колебания в нишевой области, улучшая смешивание топлива и воздуха и в то же время вызывают активацию, диссоциацию, ионизацию и другие активирующие эффекты на впрыскиваемое топливо, дополнительно повышая эффективность сгорания. Изобретение состоит из нишевого стабилизатора, несбалансированный плазменного возбудителя, системы питания и системы управления. Возбудитель неравновесной плазмы относится к оборудованию, создающее неравновесную плазму в воздухе, включая диэлектрический барьерный разряд и частично дугового разряда, которые плавно устанавливаются на переднюю, переднюю и нижнюю стенки полости, у задней стенки, по течению и у топливного сопла. Система питания возбуждения представляет собой систему питания, обеспечивающую энергию разряда для возбудителя неравновесной плазмы. Типы источников питания возбуждения включают высоковольтный источник переменного тока для возбудителя диэлектрического барьерного разряда, или высоковольтный комбинированный источник переменного и постоянного тока, или высоковольтный источник питания повторяющийся наносекундных импульсов, или высоковольтный источник питания повторяющийся наносекундных импульсов для плазменного возбудителя дугового разряда. Система управления способна контролировать и изменять и в реальном времени и точно переключать и параметры системы питания в реальном времени и условия сгорания в камере сгорания двигателя регулировка возбуждения под условия полета летательного аппарата так, что возможно создать несбалансированную плазму. Система включает датчики, микропроцессоры и приводы. Недостатком данного изобретения является узкая направленность применения, а именно наличие нишевых полостей стабилизатора и усложнение конструкции за счет внесения диэлектрических поверхностей в камере сгорания.
Наиболее близким по технической сущности является изобретение «LASER CONTROLLED FLAME STABILIZATION», (патент US 6,302,682 B1 от 16.10.2001), которое по максимальному количеству сходных существенных признаков принимается за прототип. Способ стабилизации пламени, включающий: фокусировку импульсного луча высокой пиковой мощности от лазера через фокусирующую линзу и лазерное окно в точку фокусировки в топливно-воздушной смеси с интервалами, необходимыми для предотвращения прекращения сгорания топлива, тем самым возобновляя или поддерживая горение топлива. Устройство для стабилизации пламени, содержащее лазер, форсунку, по меньшей мере один источник подачи топлива и по меньшей мере один источник подачи воздуха, устройства для регулирования давления и количества воздуха и топлива, система управления с обратной связью для определения уровня излучения света пламени и повторной активации указанного лазера. Система управления состоит из светособирающей линзы, фотодиода, устройства для передачи сигналов от упомянутого дискриминатора уровня сигнала фотодиода в упомянутый лазер. В данном решении искра разряда обеспечивает инициирование и стабилизацию пламени при сгорании обедненных топливно-воздушных смесей в газовых турбинах. Способ и устройство могут применяться для стабилизации и поддержания горения топлива в источниках энергии для сжигания природного газа, таких как газотурбинные электростанции. Недостатком данного изобретения является локальное воспламенение и недостаточная стабилизация горения топливно-воздушной смеси в камере сгорания только за счет создания точечного оптического разряда и плазменного образования. Данный способ неэффективен для воспламенения и стабилизации горения топливно-воздушной смеси в крупногабаритных энергетических установках.
Решаемой технической проблемой является трудность воспламенения топливно-воздушной смеси и недостаточная стабилизация горения в камерах сгорания энергетической установки, в частности при работе при низких статических температурах и давлении, на бедных и обеденных смесях, при высоких скоростях потоков в воздушно-реактивных двигателях.
Техническим результатом является повышение надежности воспламенения и улучшение стабилизации горения углеводородных топлив в камере сгорания энергетической установки, в частности, при работе в низких статических температурах и при низком давлении, на бедных и обеденных смесях, при высоких скоростях потоков в воздушно-реактивных двигателях.
Технический результат способа воспламенения и стабилизации горения топливно-воздушной смеси импульсными оптическими квазистационарными разрядами и устройства его реализации достигается тем, что в объеме камеры сгорания создаются множественные квазистационарные образования низкотемпературной плазмы (плазмоиды), которые эффективно и надежно воспламеняют топливно-воздушную смесь и одновременно создают гидравлическое сопротивление топливно-воздушной смеси, и образуют зоны обратных токов в потоке горячих газов, что создает условия для стабилизации процесса горения, препятствуя «срыву» пламени. Дополнительный эффект стабилизации горения связан с тем, что при взаимодействии встречного направленного потока топлива с потоком сжатого воздуха в зоне воспламенения создаются завихрения, это приводит к повышению эффективности смешения и стабилизации горения топливно-воздушной смеси.
На фиг.1 показан чертеж устройства для воспламенения и стабилизации горения топливно-воздушной смеси импульсными оптическими квазистационарными разрядами. Устройство для воспламенения и стабилизации горения топливно-воздушной смеси импульсным оптическим квазистационарным разрядом размещается на камере сгорания, содержит устройство подачи воздуха (1), расположенные под острым углом α к продольной оси камеры сгорания топливные форсунки (3), расположенные на корпусе камеры сгорания (5) импульсные лазеры (2), фокусирующие линзы (4).
Рассмотрим осуществление способа воспламенения и стабилизации горения топливно-воздушной смеси импульсным оптическим квазистационарным разрядом. Происходит впрыск топлива от форсунок (3) в камеру сгорания навстречу потоку сжатого воздуха, исходящего от устройства подачи воздуха (1), расположенные под острым углом α к продольной оси камеры сгорания, что приводит к формированию закрученного потока топливно-воздушной смеси, в зоне смешения воздушного и топливного потока осуществляют множественные импульсные оптические квазистационарные разряды при помощи лазерных лучей, выходящих из лазера (2) и проходящих через фокусирующие линзы (4). Лазеры расположены на корпусе камеры сгорания (5) в 2 и более рядов, разряды создают множественные плазменные образования (плазмоиды), которые поджигают и тормозят поток смеси, таким образом стабилизируя горение топливно-воздушной смеси
Изобретение осуществляют следующим образом.
Пример 1.Из топливных форсунок подается керосин при температуре 550 К. Из устройства подачи воздуха подается воздух с температурой 373 К и давлением от 50000 до 140000 Па, через форсунки, расположенные под углом к продольной оси 45° впрыскивается керосин, в результате смешения потоков воздуха и топлива образуется топливно-воздушная смесь скоростью от 30 до 70 м/с и коэффициентом избытка воздуха равным от 0,2 до 0,6. На корпусе камеры сгорания размещены 2 лазера, которые через фокусирующую линзу формируют множественные импульсные оптические разряды, в результате чего сформировались квазистационарные плазменные образования в зоне смешения, которые воспламеняют топливно-воздушную смесь.  Параметры лазера: длительность импульса лазерного излучения 10 нс, энергия импульса 0,35 Дж, пиковая мощность импульса составляет 50 МВт, длина волны 1064 нм, частота 20 Гц. При реализации воспламеняется топливно-воздушная смесь при помощи плазменных образований (плазмоидов), изменяется гидравлическое сопротивление потока вследствие появления плазменных образований (плазмоидов) образуются зоны обратных токов, изменяется картина взаимодействия потоков в камере сгорания, создаются завихрения, т.е. наблюдается стабилизация горения как при встречном смешении потоков воздуха и топлива, так и при формировании квазистационарных плазменных образований.