ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА С ПРИМЕНЕНИЕМ КВАЗИОПТИЧЕСКОГО СВЧ-ПУЧКА

Предмет исследования.Рассмотрена проблема разработки малоэмиссионных камер сгорания с уменьшенным выбросом окислов азота NO_x, работающих на природном или сжиженном газе. Изучена возможность сжигания особо бедных топливных смесей. Для инициирования зажигания и стабилизации горения используется разряд, сгенерированный квазиоптическим СВЧ-излучением. Основные результаты. При инициировании зажигания стримерным разрядом получено увеличение скорости горения примерно в четыре раза по сравнению с обычным искровым зажиганием и существенное увеличение полноты сгорания. Продемонстрировано зажигание стримерным разрядом особо бедной топливно-воздушной смеси с коэффициентом избытка окислителя больше предела воспламенения при нормальных условиях. Судя по косвенным признакам, при инициировании горения СВЧ-разрядом, созданным квазиоптическим излучением, 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 порядка 5 км/с, поэтому инициирование зажигания происходит сразу по всему объему. Температура топливной смеси в месте инициирования зажигания не превышает 400 К. За счет отсутствия при горении областей с высокой температурой, которые ответственны за термический механизм Зельдовича образования NO_x, а также за счет высокой скорости горения, в результате чего не успевает развиться механизм Фенимора образования «быстрых NO_x», судя по всему, исключается образование NO_xв заметных количествах. Затраты энергии сравнимы с искровым зажиганием. Практическая значимость. Изучаемая технология предназначена для внедрения в области двигателей внутреннего сгорания, энергетических газовых турбин, газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, работающих на природном газе.

1. Carlson D. GE Aviation: Perspectives on Clean, Efficient Engines. 2013.
2. Bradley A. Engine design for the environment // RAeS. Hamburg, 2010.
3. Заев И.А., Потапкин Б.В., Федоров С.А., Куприк В.В.. Моделирование эмиссии токсичных веществ из камеры сгорания стационарной газотурбинной установки // Изв. вузов. Авиационная техника. 2014. №2. С. 49–54.
4. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: Изд. АН СССР, 1947. 148 с.
5. Strelkova M.I., Kirillov I.A., B Potapkin B.V., Safonov A.A., Sukhanov L.P., Umanskiy S.Ya., Deminsky M.A., Dean A.J., Varatharajan B., Tentner A.M. Detailed and reduced mechanisms of jet a combustion at high temperatures // Combustion Science and Technology. 2008. V. 180. N 10–11. P. 1788-1802. doi: 10.1080/00102200802258379
6. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. 566 с.
7. Булат П.В., Есаков И.И., Волобуев И.А., Грачев Л.П. О возможности ускорения горения в камерах сгорания перспективных реактивных двигателей при помощи глубоко подкритического СВЧ-разряда // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 2. С. 382–385. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-2-382-385
8. Александров К.В., Грачев Л.П., Есаков И.И., Федоров В.В., Ходатаев К.В. Области реализации раз-личных типов СВЧ-разряда в квазиоптических электромагнитных пучках // ЖТФ. 2006. T. 76. № 11. C. 52–60.
9. Khodataev K.V. The nature of surface MW discharges // Proc. 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition. Orlando, Florida, 2010. Art. 2010-1378.
10. Ким А.В., Фрайман Г.М. О нелинейной стадии ионизационно-перегревной неустойчивости в высоко-частотном разряде высокого давления // Физика плазмы. 1983. Т. 9. № 3. С. 613–617.
11. Богатов Н.А., Голубев С.В., Зорин В.Г. Механизм образования плазменного ореола вокруг СВЧ раз-ряда // Физика плазмы. 1986. Т. 12. №11. С. 1309–1375.
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License