CC BY
93
УДК 621.438
К ВОПРОСУ О ПЛАЗМЕННОЙ ПОДДЕРЖКЕ ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
© 2012 М. Н. Булаева, И. В. Кравченко, В. А. Рябый, Д. П. Ткаченко
Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (национального исследовательского университета)
Исследованы две модели высокоресурсного электродугового плазматрона постоянного тока, применяемые для реформирования топливно-воздушной смеси при организации плазменной поддержки горения в двигателях внутреннего сгорания.
Горение, камера сгорания, плазма, плазмотрон, реформирование углеводородного топлива.
Плазменная поддержка горения углеводородных топлив позволяет возбудить в зоне горения цепные реакции, способствующие снижению температуры горения, повышению полноты сгорания и ограничению образования вредных веществ типа окислов азота Ж)х, угарного газа СО, несгоревших углеводородов СпНт и сажи. Кроме того, цепные реакции окисления обеспечивают самоподдержание процесса, при котором отпадает необходимость в обратных токах фронта горения, организуемых, например, в камерах сгорания, газотурбинных установках (ГТУ).
Один из путей плазменной поддержки горения углеводородов состоит в электро-разрядном реформировании части расхода топлива в синтез-газ (смесь водорода Нг и угарного газа СО) с последующей подачей его в горящем или охлаждённом виде в зону горения. Первый вариант может быть использован в ГТУ, второй - в поршневых, бензиновых или дизельных ДВС. Реформирование углеводородного топлива в синтез-газ означает его частичное окисление, т.е. окисление с недостатком окислителя - кислорода. Например, для керосина такая реакция выглядит следующим образом:
С11Н22 + 5,5-Ог + 20,46^2 —»■ 11-СО+ 11-Н2 + +20,46^2 +-1000 кДж.
Исторически исследования плазменной поддержки горения углеводородов в ДВС путём их реформирования в синтез-газ начались с использования практически равновесной, изотермичной плазмы стационарного плазматрона постоянного тока [1]. В этом эксперименте бензино-воздушная смесь по-
давалась в электродуговой плазматрон постоянного тока с коаксиальными электродами и магнитной круткой дуги. Полученный синтез-газ охлаждался и поступал во всасывающий патрубок бензинового двигателя. В итоге эмиссия окислов азота снизилась более чем в 200 раз.
Одним из последующих шагов в развитии электродугового реформирования углеводородов явилось применение высокоресурсного электродугового плазматрона постоянного тока [2] для реформирования дизельного топлива с целью очистки выхлопа дизельных двигателей (рис. 1).
1 - катод, 2 - анод, 3 - направление подачи защитного аргона, 4 - технологический канал плоской формы, 5 - патрубок, б - направление подачи топ-ливно-воздушной смеси, 7- поток синтез-газа
Этот источник плазмы получил название Т-плазматрона из-за формы его проточного тракта. Изучение рабочего процесса этого плазматрона показало, что в нём технологический газ (топливо-воздушная смесь) взаимодействует как с высокотемпературной
плазмой приосевой зоны газоразрядного промежутка катод-анод, так и с плазмой пониженной температуры, находящейся на периферии промежутка катод-анод и поперечного вихря, образующегося в плоском технологическом канале 4 вслед за выходом туда аргоновой плазмы. В результате общая степень активации технологического газа в Т-плазматроне могла оказаться недостаточно высокой.
Этот недостаток был в значительной мере устранён в последующей модификации высокоресурсного плазматрона, которая была названа А-плазматроном [3] в силу соосности его газоразрядного и технологического каналов.
1
Рис. 2. Схема А-плазматрона (суть позиций 1-7 та же, что и на рис. 1)
В силу конструктивного решения зоны смешения технологического газа с аргоновой плазмой этот газ более активно смешивается с высокотемпературными струями потока аргоновой плазмы, что должно способствовать повышению степени плазмохимической активации технологического газа.
В Московском авиационном институте планируется исследование данного вида плазменной поддержки горения углеводородного топлива с применением упомянутых выше современных плазматронов для реформирования топливо-воздушной смеси в синтез-газ с последующей его подачей в виде горящего факела в камеру сгорания газотурбинной установки.
В этой связи возникла необходимость в количественной оценке способности Т-иА-плазматронов к активации технологического газа. В качестве меры этой способности при-
242
нята скорость плазмохимического процесса травления органического материала - фоторезиста TDMR-AR87, широко применяемого в микроэлектронике для промежуточных технологических операций. Этот материал наносится в виде тонкого (5 ~ 1 мкм) равномерного слоя на полированную поверхность монокристаллической пластины кремния. Использовался свежий, незасвеченный, прозрачный фоторезист, стравливание которого удобно наблюдать визуально. При такой организация эксперимента средняя скорость травления плёнки фоторезиста определяется достаточно точно по уходу колец Френеля с заданной площадки травления.
Основным технологическим газом в экспериментах являлся воздух, одна из компонент которого - кислород - относительно легко поддаётся активации при взаимодействии с потоком плазмы и вступает в химическую реакцию с органическим материалом. Основными процессами химической активация молекул кислорода являются их диссоциация на атомы и последующее возбуждение атомов. Заметную роль может сыграть также и однократная ионизация атомов кислорода в связи с достаточно высокой среднемассовой температурой аргоновой плазмы на выходе из анодного канала плазматронов рассматриваемого типа (Т ~ 10000.. .20000 К) [4]. В таких условиях химическая активность кислорода возрастает, и он реагирует с органическим веществом фоторезиста, образуя летучие вещества НгО, СО и СОг, которые уносятся потоком рабочего тела. При изучении А-плазматрона в качестве технологического газа использовался не только воздух, но и смесь кислорода с хладоном CF4, применяемая в некоторых процессах производства микроэлектронных структур [5].
Испытания Т-плазматрона
Процессы плазматронного травления фоторезиста активными газами проводились в вакуумной камере при давлении 3-5 Topp для увеличения пути рекомбинации активированного газа, что позволяло размещать испытуемые подложки на некоторых практически приемлемых расстояниях от сопла плазматрона в диапазоне 10... 70 мм.
Травление фоторезиста Т-плазматро-ном проводилось с использованием только
воздуха. Заметные скорости травления фоторезита этим плазматроном были получены на относительно небольших расстояниях «под-ложка-сопло» (порядка 10...20 мм). Все испытания проводились на дистанции 15 мм. Внешний вид Т-плазматрона, стравившего некоторое количество фоторезиста с тестового фрагмента кремниевой пластины, представлен на рис. 3.
600 800 1000 1200 1400 1600
Мощн. дуги, Вт
Рис. 4. Зависимость средней скорости травления фоторезиста Т-плазматроном от мощности дуги при Ол, =2 нл/мин и Ов=Ю нл/мин
Рис. 3. Т-плазматрон после травления фоторезиста на фрагменте кремниевой пластины
Катодный узел плаз матрона находится справа, слева расположен водоохлаждаемый антикатод, а выходное сопло плазматрона (его не видно при данном ракурсе) направлено вниз на подложку. На подложке видны кольца Френеля, образовавшиеся в результате стравливания прозрачной плёнки фоторезиста в центральной зоне, от которой в направлении периферии радиальное сечение плёнки имеет форму клина, образовавшего эти кольца при боковой подсветке подложки.
Расход аргона Од, был постоянным и равным 2 нл/мин, расход воздуха варьировался в диапазоне 10...20 нл/мин, мощность плазматрона изменялась в пределах 800... 1500 Вт. В силу радиальной неравномерности параметров струи активированного кислорода можно было измерить только некое среднее значение скорости травления диска фоторезиста заданного диаметра. Результаты этих измерений представлены на рис. 4 и 5.
Рис. 5. Зависимость средней скорости травления фоторезиста Т-плазматроном от расхода воздуха при мощности дуги 1500 Вт и Ол, =2 нл/мин
Средняя скорость травления фоторезиста составила от 1,5 до 2,5 мкм/мин. Примерно с такой скоростью выполняется групповое удаление фоторезиста в микроэлектронном производстве на промышленных установках типа 08ПХО-ЮОТ.
Испытания А-плазматрона
Первые пробы использования А-плазматрона для травления того же фоторезиста на монокристаллических кремниевых пластинах показали существенно более высокую степень активации кислорода воздуха. Внешний вид работающего в вакуумной камере А-плазматрона показан на рис. 6.
Рис. 6. А-плазматрон в процессе травления фоторезиста в вакуумной камере (расстояние сопло-подложка 50 мм, Ол,=2 нл/мин, Ов=М нл/мин)
Все испытания А-плазматрона проводились на дистанции 50 мм. Результаты по средней скорости травления фоторезиста в зависимости от расхода воздуха представлены на рис. 7.
10 12 14 16 18 20
QB, нл/мин
Рис. 7. Зависимость средней скорости травления фоторезиста А -плазмотроном от расхода воздуха при мощности дуги 1500 Вт и Ол, =2 нл/мин на дистанции 50 мм
Видно, что измеренный уровень скорости травления фоторезиста примерно вдвое превышает данные по Т-плазматрону. С учётом увеличения дистанции обработки около трёх раз можно заключить, что способность А-плазматрона к активации технологического газа превосходит Т-плазматрон примерно в шесть раз.
В заключение, следуя работе [5], было проведено травление фоторезиста А-плазматроном с помощью смеси кислорода и хладона СБ4 при различных соотношениях
компонентов смеси и постоянном суммарном расходе смеси QCM = 4 нл/мин = const. Внешний вид этого процесса можно видеть на рис. 8. На цветном снимке видно, что наличие в плазменном потоке возбуждённого фтора, излучающего на более высоких частотах по сравнению с возбуждённым кислородом, привело к усилению синего цвета в излучении плазменной струи.
Рис. 8. А-плазматрон в процессе травления фоторезиста в вакуумной камере (расстояние сопло-подложка 70 мм, Оа, =2 нл/мин, Оср4=-1 нл/мин)
Результаты этого эксперимента, проводившегося на ещё большей дистанции (70 мм), представлены на рис. 9. Приведённая зависимость носит экстремальный характер с максимумом около 7 мкм/мин при 25 % хладона в смеси. Полученный результат подтверждает информацию предыдущих опытов. Эти данные практически совпадают с результатами [4] за исключением того, что в [5] в чистом СБ4 (правая точка на графике рис. 9) скорость травления фоторезиста оказалась вполне заметной величиной. Это объясняется особенностью эксперимента [5], в котором использовался фоторезист после плазмохимического травления алюминия, содержавший алюминий-фтористую метал-лоорганику, которая вступала в реакцию с активированными атомами фтора. В данной работе приметался свежий фоторезист, ранее не участвовавший в технологических процессах, и поэтому чистый СБ4 с ним не реагировал.
О 20 40 60 80 100
CF4/(CF4+02),%
Рис. 9. Зависимость средней скорости травления фоторезиста А-плазматроном от состава смеси 02+CF4 при мощности плазмотрона 1000 Вт,
Ол, =2 нл/мин и суммарном расходе смеси Qcm= 4 нл/мин = const
Заключение
В результате проведённых экспериментов установлено, что из двух рассмотренных типов высокоресурсного электродугового плазматрона наибольшей способностью к химической активации технологических газов обладает А-плазматрон. Поэтому при решении задачи плазменной поддержки горения в камере сгорания газотурбинной установки путём подачи горячего синтез-газа в её зону горения следует использовать этот вид электродугового плазматрона постоянного тока. Данный источник плазмы обеспечит максимальную эффективность планируемой системы плазменной поддержки горения в камере сгорания ГТУ. Кроме того, осесимметричная геометрия А-плазматрона
представляется наиболее удобной с точки зрения компоновки экспериментального стенда.
Работа выполнена в рамках гранта Правительства РФ по государственной поддержке научных исследований, проводимых под руководством ведущих зарубежных учёных, от 25 ноября 2010 г. № 11.G34.31.0022.
Библиографический список
1. Rabinovich A., Cohn D.R. and Bromberg L. Plasmatron internal combustion engine system. US Patent No. US 5425332. Massachusetts Institute of Technology. Int. Cl. F02B 42/08, 1993.
2. Riaby V.A., Lee H.J., Savinov V.P., Kremen’ A.I., Mok Y.S. DC arc plasmatron device. Korean Patent No. KR10-0721790. Int. Class6 H05H 1/00, filed 01.02.2005, registered 18.05.2007.
3. Lee H.-J., Mok Y.-S., Plaksin V.Yu, Riaby V.A. DC arc plasmatron and method of using the same. PCT application No. W02007/114556 Al. Int. Class6 H05H 1/30, filed 26.12.2006, publ. 11.10.2007.
4. Рябый, В.А. Уточнённая оценка средней температуры аргоновой плазмы на срезе сопла высокоресурсного плазматрона. [Текст]/ В.А. Рябый, И.В. Никитиных // Авиационно-космическая техника и технология, - 2010, -№ 10(77). - С. 98-102.
5. Kataoka Y., Saito S. and Omiya К. Effect of CF4 addition on downflow ashing under atmospheric pressure. Jap. J. Appl. Phys., 1999, v. 38, p. 3731-3735.
ON PLASMA SUPPORT OF FUEL BURNING IN A COMBUSTION CHAMBER
OF A GAS-TURBINE FACILITY
© 2012 M. N. Bulaeva, I. V. Kravchenko, V. A. Riaby, D. P. Tkachenko
Moscow Aviation Institute (National Research University)
Two models of high-durability DC arc plasmatron that has been used for fuel-air mixture refonnation aiming at plasma support of fuel burning in an internal combustion engines were investigated.
Burning, combustion chamber, plasmatron, hydrocarbon fuel reformation.
Информация об авторах
Булаева Мария Николаевна, инженер, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). Область научных интересов: исследование рабочего процесса камер сгорания газотурбинных установок.
Кравченко Ирина Васильевна, кандидат технических наук, доцент, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). E-mail: irina_kravch@mail.ru. Область научных интересов: исследование рабочего процесса газотурбинных двигателей и их элементов.
Рябый Валентин Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). E-mail: riaby2001 @yahoo.com. Область научных интересов: разработка плазмотехнических средств технологического назначения, высокочастотный ионный двигатель.
Ткаченко Дмитрий Павлович, кандидат технических наук, преподаватель, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). E-mail: tdp@list.ru. Область научных интересов: исследование рабочего процесса камер сгорания газотурбинных двигателей.
Bulaeva Maria Nikolaevna, engineer, Moscow Aviation Institute. Area of research: investigation of working process in gas-turbine combustion chambers.
Kravchenko Irene Vasilievna, candidate of technical science, assistant professor, Moscow Aviation Institute. E-mail: irina_kravch@inail.ru. Area of research: investigation of working process in gas-turbine combustion chambers and their elements.
Riaby Valentin Anatolievich, candidate of technical science, Senior Researcher, Moscow Aviation Institute. E-mail: riaby2001 @yahoo.com. Area of research: R&D of plasma chemical devices and RF ion thrusters.
Tkachenko Dmitry Pavlovich, candidate of technical science, lecturer, Moscow Aviation Institute. E-mail: tdp@,list.ru. Area of research: investigation of working process in gas-turbine combustion chambers.
