Устройство для локального подвода энергии к потоку воздуха, обтекающего объект (варианты)

Изобретение относится к аэродинамике и к энергетическим установкам транспортных средств, в частности к устройствам для улучшения аэродинамического качества путем подвода энергии к их внешней поверхности. Устройство для локального подвода энергии к потоку воздуха, обтекающего объект, содержит канал для потока водородосодержащего газа, приспособления для создания потока водородосодержащего газа и потока воздуха, электроразрядное устройство, а также систему электропитания и контроля параметров разряда, электроразрядное устройство установлено так, что воздействию электрического разряда подвергается только водородосодержащий газ, при этом система электропитания и контроля параметров разряда выбраны такими, чтобы реализовался тлеющий разряд с отношением напряженности электрического поля Е к давлению газа Р, равным $$\frac{E}{P}=\left(130-170\right)\frac{B}{см\cdot Tорр},$$ а за зоной электроразряда установлено устройство для смешения обогащенного радикалами Н водородосодержащего газа с потоком воздуха. Изобретение позволяет повысить эффективность воздействия электрического разряда на поджиг топлива при смешении его с окислителем при низкой статической температуре смеси, а также ускорить реакцию сгорания. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области аэродинамики и к энергетическим установкам различных объектов, например, транспортных средств, и может быть использовано для улучшения аэродинамического качества объектов путем подвода энергии к их внешней поверхности.

Известно устройство подвода энергии к потоку воздуха за счет горения пропана, эжектируемого в поток из отверстий на модели, взятое за прототип [работа V.Skvortsov, Yu.Kuznetsov, V.Litvinov, et al. Investigation of aerodynamic Effects at the Electric Discharge Creation on the Models of Different Geometry. The second Workshop on Magneto - Plasma - Aerodynamics in Aerospace Applications. M., 5 April, 2000, p.102].

Устройство содержит эжектор для создания потока воздуха и инжектор для впуска водородосодержащей смеси в этот поток, а также электроды, закрепленные в стенках рабочего канала для реализации электрического разряда, с помощью которого осуществляется поджиг водородосодержащей смеси.

Недостатками такого устройства является появление неоднородностей в поле потока рабочего газа, в том числе неоднородного заполнения потока продуктами горения, большие затраты энергии на пробой разрядного промежутка в быстропротекающем потоке; неполное сгорание топлива в зоне наблюдения из-за соизмеримости времени химических реакций при горении и времени макроперемещений объема газа.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение эффективности воздействия электрического разряда на поджиг топлива при смешении его с окислителем (воздухом) при низкой статической температуре смеси, а также ускорение реакции сгорания.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве для локального подвода энергии к потоку воздуха, обтекающего объект, содержащем канал для потока водородосодержащего газа, приспособления для создания потока водородосодержащего газа и потока воздуха, электроразрядное устройство, систему электропитания и контроля параметров электроразряда электроразрядное устройство установлено так, что воздействию электроразряда подвергается только водородосодержащий газ, при этом система электропитания и контроля параметров электроразряда выбраны такими, чтобы был реализован тлеющий разряд с отношением напряженности электрического поля Е к давлению Р, равным:

$$\frac{E}{P}=\left(130-170\right)\frac{B}{см\cdot Tорр},$$

а за зоной электроразряда установлено устройство для смешения водородосодержащего газа, обогащенного в электроразряде радикалами Н, с потоком воздуха.

Решение задачи и технический результат также достигаются тем, что в устройстве содержащем канал для потока водородосодержащего газа, приспособления для создания потока водородосодержащего газа и потока воздуха, электроразрядное устройство, а также систему электропитания и контроля параметров электроразряда, при больших расходах водородосодержащего газа и воздуха, например, в ГПВРД, в канале подачи водородосодержащего газа установлена решетка сопл и/или пилоны, в которых установлены сопла, при этом каждое сопло является электроразрядным устройством с использованием в качестве электродов корпуса сопла и стержня, проходящего через критическое сечение, электропитание всех разрядов в соплах независимое, а система электропитания и контроля параметров каждого разряда обеспечивает соотношение:

$$\frac{E}{P}=\left(130-170\right)\frac{B}{см\cdot Tорр}.$$

а за зоной электроразряда установлено устройство для смешения водородосодержащего газа, обогащенного в электроразряде радикалами Н, с потоком воздуха.

Оптимальные значения Е/Р разряда для получения максимального значения концентрации радикалов Н известно из литературы, например, [Г.Месси и Е.Бархоп. Электронные и ионные столкновения. ИЛ., Москва, 1958 год, с.603].

Схемы и график, поясняющие изобретение приведены на фигурах 1, 2, 3, 4, 5.

На фигуре 1 приведена схема устройства с единичным тлеющим разрядом и с использованием в качестве топлива газообразного водорода.

На фигуре 2 приведены зависимости теплового потока Q, полученного при горении водорода, и прироста температуры газа ΔТ от давления.

На фигуре 3 приведена схема устройства для больших расходов водородосодержащих смесей, когда используется решетка сопл.

На фигуре 4 показан единичный элемент решетки сопл.

На фиг.5 показано размещение сопл на топливных пилонах с сечением А, показывающем элемент сопла.

Устройство с единичным тлеющим разрядом, представленное на фигуре 1, содержит рабочую камеру 1 аэродинамической трубы, в которой размещены элементы устройства, используемого для ускорения горения водорода: электроразрядная трубка 6 с электродами 7, 9 и источник питания 10, сетка 8 для перемешивания топлива с воздухом, далее установлена камера смешения 11, которая состыкована с измерителем (калориметром) тепла 4, выделяющегося при горении. На выходе из измерителя тепла 4 установлен газовый эжектор, которым заканчивается канал выхлопа газа 5. Устройство оборудовано измерителями расхода газа 3, измерителями давления 2, через ВА показан вход атмосферного воздуха в рабочую часть,

Н₂ - поступление газообразного водорода, ВД - поступление воздуха высокого давления в эжектор.

Т - измеритель температуры газа.

Работа устройства осуществляют следующим образом.

Воздух ВА из атмосферы подают в камеру 11 смешения за счет перепада давления, создаваемого эжекторной системой. Расход воздуха измеряют по расходомеру 3. Водород Н₂ из баллонов подают в электроразрядную трубку 6, давление в которой измеряют манометром 2. Зажигают электрический разряд в электроразрядной трубке 6, подавая напряжение на электроды 7, 9. Измеряют напряжение V на разрядном промежутке и определяют напряженность электрического поля Е. Регулируют V и Р таким образом, чтобы отношение Е/Р было равно

$$\frac{E}{P}=\left(130-170\right)\frac{B}{см\cdot Tорр}.$$

В экспериментах по воспламенению водорода в смеси с кислородом воздуха продукты горения направлялись в канал калориметра 4. Измерялось изменение давления в рабочей камере калориметра 2, и изменение температуры ΔT потока на выходе из калориметра.

Приведем пример параметров потока, электроразряда, энерговыделения в одном из экспериментов.

Реализован тлеющий разряд с параметрами: напряжение U=5 кB, ток I=10^-2 А. Давление водорода в камере 2·10⁴ Па, расход водорода 0,02 г/с. Отношение $$\frac{E}{P}\approx 160\frac{B}{см\cdot Tорр}.$$

Тепловой поток, выделяющийся при сгорании водорода, измерялся калориметром, работающим по принципу газового термометра. Мощность, передаваемая стенкам калориметра от потока, равна

$$W=C\cdot m\cdot \frac{dTw}{dt}$$ ,

где С, m - теплоемкость и масса калориметра,

Tw - температура внешней поверхности тепловоспринимающего цилиндра калориметра.

Полная мощность, выделяющаяся при горении, равна:

Q=W+G·C_p·ΔT,

где С_р, G - теплоемкость и расход газовой смеси,

ΔT - изменение температуры газа на выходе из калориметра.

Вклад энергии в нагрев от электрического разряда оценен. Он пренебрежимо мал по сравнению с выделением тепла от горения водорода.

Опыты показали, что при реализации горения топлива по предлагаемому способу возгорание водорода происходило при температуре потока Т≈300 К и давлении Р≈0,7·10⁵ Па.

Сгорание топлива при этих условиях происходило полностью на длине калориметра, которая составляет ~0,5 м. При этом скорость потока на входе в калориметр ~200 м/с.

Из экспериментов видно, что предлагаемое устройство эффективно, во-первых, с точки зрения снижения температуры воздуха, при которой происходит возгорание топлива. Так в эксперименте топливо загорается при комнатной температуре, в то время как в описанных в литературе опытах при сходных прочих условиях топливо (водород) возгоралось при температуре Т≈900 К, смотрите, например, [А.Ешида, Г.Суи. Сверхзвуковое горение водорода в воздушном потоке. РТК, №4, 1997 год, с.18]. Во-вторых, скорость сгорания топлива возрастает настолько, что размеры, например, двигателя типа ГПВРД ~ 2,5 м становятся вполне достаточными для полного сгорания топлива. Так при пересчете размера камеры сгорания, использованной в вышеописанном эксперименте, на размер камеры сгорания в ГПВРД, где скорость потока воздуха составляет ~10³ м/с, получаем размер камеры сгорания двигателя ~2,5 м, что без труда реализуемо.

При больших размерах рабочего канала (большие расходы водородосодержащей смеси) зажигание разряда заданного типа (термически неравновесный тлеющий разряд) с заданными параметрами $$\left(\frac{E}{P}\approx 160\frac{B}{см\cdot Tорр}\right)$$ весьма проблематично, поэтому поток делят на несколько потоков (струй) с помощью решетки сопл, при этом каждое сопло является электроразрядным устройством с электродами, например, один электрод - корпус сопла, другой электрод - стержень, проходящий через критическое сечение сопла; параметры потока газа через каждое сопло выбирают из условия реализации указанного отношения Е/Р, независимость электропитания разряда в каждом сопле обеспечивается или путем применения независимых источников питания или устройством балластных сопротивлений.

На фигуре 3 представлена схема устройства при больших расходах подаваемого углеводородного газа, на которой

1 - форкамера;

2 - устройство с балластными сопротивлениями;

3 - решетка сопл с предионизаторами 4;

5 - камера смешения водородосодержащего газа с воздухом;

6 - зона (камера) сгорания водорода;

7 - электроды.

8 форкамеру 1, подается водородосодержащий газ, затем он поступает в решетку сопл 3 с укрепленными на них предионизаторами 4. Электрический тлеющий разряд зажигается между электродами 7 и стенкой сопла, являющейся вторым электродом (на фиг. не показано). Далее водородосодержащий газ поступает в камеру смешения 5, а затем смесь водородосодержащего газа с воздухом поступает в камеру сгорания 6. Балластные сопротивления 2, состоят из отдельных элементов соответственно для каждого из разрядов. Корпус сопла служит одним из электродов.

Схема элемента решетки сопл показана на фигуре 4, на которой:

1 - сопло - анод;

2 - стенка;

3 - крепление;

4 - катод;

5 - балластное сопротивление;

6 - блок питания тлеющего разряда.

Водородосодержащий газ поступает в сопло 1, стенки которого являются анодом. Электрический тлеющий разряд зажигается между анодом 5 и катодом 4. Сопло крепится к стенке камеры 2. Для устойчивого горения разряда применяется балластное сопротивление 5. Электропитание цепи разряда осуществляется от блока питания тлеющего разряда 6.

Решетка сопл будет использоваться при дозвуковых скоростях потока на входе в устройство. При сверхзвуковых скоростях в камере сгорания, например в случае ГПВРД, электроразрядные устройства и сопла размещают в топливных пилонах, установленных на ее стенках. Смешение топлива и воздуха происходит в струях за топливным пилоном.

Схема размещения сопл на топливном пилоне с сечением А, показывающем элемент сопла, приведена на фиг.5

Сопла установлены на задней по потоку кромке топливного пилона, к каждому подводится электропитание от независимого источника и водородосодержащий газ. Истечение из сопл происходит в донный след за топливным пилоном, где и происходит смешение струй. Число сопл, устанавливаемых на одном топливном пилоне определяется из конструктивных соображений.

Предложенное устройство для локального подвода энергии к потоку воздуха, обтекающего летательный аппарат, или к потоку воздуха в двигателе позволяет:

- осуществить подготовку топлива к сгоранию путем наработки в нем активных радикалов Н, пропуская топливо через зону тлеющего электрического разряда с значением $$\frac{E}{P}\approx 160\frac{B}{см\cdot Tорр};$$

- осуществить возгорание водорода или углеводородного топлива при температурах близких к комнатной и давлении ниже атмосферного;

- увеличить скорость сгорания топлива в смеси с воздухом, что принципиально важно для разработки двигателей типа ГПВРД.

1. Устройство для локального подвода энергии к потоку воздуха, обтекающего объект, содержащее канал для потока водородосодержащего газа, приспособления для создания потока водородосодержащего газа и потока воздуха, электроразрядное устройство, а также систему электропитания и контроля параметров электроразряда, отличающееся тем, что электроразрядное устройство установлено так, что воздействию электроразряда подвергается только водородосодержащий газ, при этом система электропитания и контроля параметров электроразряда выбраны такими, чтобы был реализован тлеющий разряд с отношением напряженности электрического поля Е к давлению Р, равным
$$\frac{E}{P}=\left(130-170\right)\frac{B}{см\cdot Tорр},$$
а за зоной электроразряда установлено устройство для смешения водородосодержащего газа, обогащенного в электроразряде радикалами Н, с потоком воздуха.

2. Устройство для локального подвода энергии к потоку воздуха, обтекающего объект, содержащее канал для потока водородосодержащего газа, приспособления для создания потока водородосодержащего газа и потока воздуха, электроразрядное устройство, а также систему электропитания и контроля параметров электроразряда, отличающееся тем, что при больших расходах водородосодержащего газа и воздуха, например, в ГПВРД, в канале подачи водородосодержащего газа установлена решетка сопл, в сверхзвуковых камерах сгорания сопла установлены в топливных пилонах, при этом каждое сопло является электроразрядным устройством с использованием в качестве электродов корпуса сопла и стержня, проходящего через критическое сечение, электропитание всех разрядов в соплах независимое, система электропитания и контроля параметров каждого электроразряда обеспечивает отношение
$$\frac{E}{P}=\left(130-170\right)\frac{B}{см\cdot Tорр},$$
а за зоной электроразряда установлено устройство для смешения водородосодержащего газа, обогащенного в электроразряде радикалами Н, с потоком воздуха.