Тепловые характеристики мелкомасштабной регенеративной камеры сгорания для ультрамикротурбины

Новые методы и технологии производства привели к появлению нового направления исследований, посвящённого динамике жидкости и процессам горения в малых масштабах, особенно за последние 20 лет. Одной из наиболее перспективных технологий являются ультрамикротурбины, разработанные для обеспечения портативного и чистого источника энергии для устройств, таких как беспилотные летательные аппараты и дроны, системы глобального позиционирования, экзоскелеты для военных применений и резервные источники питания для экстренных случаев. В настоящее время построено относительно мало прототипов из‑за проблем, связанных с уменьшением масштаба системы. К ним относятся чрезмерные гидродинамические и тепловые потери, снижающие общую эффективность, повышенные совместные тепловые и механические напряжения в компонентах и необходимость разработки подшипников для высоких скоростей. В данном исследовании экспериментально изучается возможное решение для эффективного возврата тепла, содержащегося в продуктах сгорания, с целью подогрева несгоревшей смеси и повышения общей эффективности. Разработана регенеративная камера сгорания внутренним диаметром 18 мм, окружённая двумя наборами спиральных каналов. В камере сгорания применена пористая вставка из спечённой стали для стабилизации пламени. Продукты сгорания рециркулировали с целью максимизации теплопередачи к холодной смеси, что даёт преимущества по пределам воспламеняемости и расходу топлива. В экспериментах варьировали массовый расход и эквивалентное соотношение, измеряли температуры газов в различных точках камеры сгорания, а также определяли состав продуктов сгорания. Выделяемая мощность находилась в диапазоне 65–343 Вт. Испытания проводили в теплоизолированном и неизолированном вариантах и выполняли их сравнение. Результаты показали чистое сгорание сжиженного нефтяного газа с эффективностью сгорания выше 99% для обеднённых смесей. Также достигнут хороший уровень рекуперации тепла: 45% и 23% тепла передавалось реагентам от отработавших газов в теплоизолированной и неизолированной камерах сгорания соответственно.