Запальное устройство для розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя

Авторы патента:

Полезная модель относится к авиационному двигателестроению, в частности - к устройствам для розжига камер сгорания газотурбинных двигателей.

Задача настоящей полезной модели - повышение высотности розжига камеры сгорания газотурбинных двигателей без использования кислородной подпитки.

Поставленная задача решается запальным устройством для розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя, которое в отличие от прототипа содержит искрообразующий изолятор, имеющий ступенчатую цилиндрическую форму, между цилиндрическими поверхностями искрообразующего изолятора имеется буртик, внешний диаметр которого больше диаметра указанных цилиндрических поверхностей искрообразующего изолятора, внешний диаметр цилиндрической поверхности искрообразующего изолятора со стороны рабочего торца составляет не более разницы между внешним диаметром запального устройства и удвоенной величиной толщины массового электрода, а толщина дополнительного цилиндрического корпуса запального устройства в зоне рабочего торца равна или более толщины массового электрода, при этом в дополнительном корпусе запального устройства имеются радиальные шлицевые канавки, выходящие на внешний торец массового электрода, осевая протяженность которых не более длины цилиндрической поверхности искрообразующего изолятора от его рабочего торца до буртика, дополнительный корпус запального устройства частично заключен в кожух с образованием кольцевого зазора между ними, причем торцевая часть кожуха частично охватывает массовый электрод запального устройства, образуя совместно с радиальными канавками в массовом электроде отверстия для выхода охлаждающего воздуха, кожух имеет на боковой поверхности отверстие, соединяющее кольцевой зазор между кожухом и дополнительным корпусом с внешней средой и локализованное таким образом, чтобы при установке на двигателе оно располагалось во вторичном контуре камеры сгорания со стороны компрессора.

Известны малогабаритные свечи зажигания авиационных газотурбинных двигателей [Патент РФ 1720459, 03.30.1994; Патент РФ 51445, 10.02.2006; Патент РФ 74522, 27.06.2008; Патент FR 2641136, 29.06.1990], содержащие искрообразующий изолятор с размещенным в нем центральным электродом, установленным в корпус свечи, образующий на рабочем торце массовый электрод свечи, герметизирующий изолятор, экранную керамическую трубку, стеклогерметизирующую втулку.

Однако при повышенных температурах в камерах сгорания газотурбинных двигателей, а также повышенных температурах воздуха за компрессором, используемого для охлаждения таких свечей зажигания, высокие тепловые потоки, воздействующие на рабочий торец и корпус свечей, приводят к возникновению трещин в стеклогерметических втулках, расслоениям в зоне соединения стеклогерметических втулок с корпусом свечи.

Это приводит к потере свечами герметичности и прорыву горячих газов из камеры сгорания в подкапотное пространство двигателей, дополнительному перегреву свечей и их прогару.

Кроме этого, при выполнении встречных запусков двигателей с описанными свечами, при полном давлении в камере сгорания и повышенных температурах, на отдельных свечах происходит электрический пробой между центральным электродом и корпусом по поверхности изоляторов, контактирующих со стеклогерметическими втулками. Электрический пробой внутри свечей исключает наличие электрического разряда в искровом зазоре свечей, соответственно срываются встречный запуск двигателя, последующий его обычный запуск.

Таким образом, указанные свечи зажигания, имеют низкую надежность при работе в условиях повышенных температур топливовоздушной смеси в зоне рабочего торца и воздуха за компрессором, т.е. обладают низкой термостойкостью.

Частично указанных недостатков лишена свеча зажигания для газотурбинного двигателя [Патент РФ 51793, 27.02.2006], содержащая основной трубчатый корпус, экранную керамическую трубку, герметизирующий узел, включающий изолятор, закрепленный в основном корпусе со стороны экранной керамической трубки медной клиновой втулкой и кольцевым уплотнением из стеклогерметика, размещенным в кольцевом зазоре, образованном ножкой изолятора и основным трубчатым корпусом на медной клиновой втулке, токопроводящий стержень с контактной головкой, закрепленный стеклогерметиком во внутреннем канале изолятора, дополнительный искрообразующий узел, включающий дополнительный изолятор с полупроводниковым элементом, во внутреннем канале которого стеклогерметиком закреплен центральный электрод, термокомпенсационный элемент, пайкой соединенный с токопроводящим стержнем, имеющим шляпку для поджатия к контактной головке токопроводящего стержня, закрепленного в изоляторе герметизирующего узла, и центральным электродом, пружину и трубчатые керамические изоляторы, дополнительный трубчатый корпус, образующий рабочий торец свечи, во внутренней полости которого частично размещен основной трубчатый корпус, сваркой герметично соединенный с дополнительным корпусом выше ввертной резьбы, на центральном электроде свечи выполнена резьба и он закреплен в канале искрообразующего изолятора дополнительно с помощью гайки, установленной на внутреннем торце этого канала со стороны термокомпенсационного элемента, контакт центрального электрода размещен в конической части канала искрообразующего изолятора, с полупроводниковым элементом, расположенным со стороны рабочего торца свечи, и имеет коническую боковую поверхность, сопряженную с конической поверхностью канала этого изолятора, обращенной в сторону рабочего торца, массовый электрод свечи имеет толщину (4-6) мм и образует рабочий торец свечи, имеющий коаксиальное внешнему диаметру дополнительного корпуса свечи отверстие, соединяющее внешний и внутренний торцы дополнительного корпуса, диаметром, превышающим максимальный диаметр контакта центрального электрода, при этом отношение величины искрового зазора по поверхности искрообразующего изолятора между контактом центрального электрода и поверхностью массового электрода к диаметру отверстия в рабочем торце свечи превышает 0,15, в основном корпусе свечи закреплена изоляционная керамическая трубка, установленная в кольцевом зазоре между ножкой герметизирующего изолятора со стороны рабочего торца и основным корпусом, а пружина поджимает один трубчатый керамический изолятор к шляпке токопроводящего стержня, к которому припаян термокомпенсационный элемент, и другой коаксиальный керамический изолятор - к внешней поверхности искрообразующего изолятора, имеющего больший диаметр по сравнению с той его частью, во внутреннем канале которой центральный электрод закреплен стеклогерметиком.

Наличие в свече отдельных узлов изоляторов для герметизации свечи в основном корпусе и для обеспечения искрообразования в дополнительном корпусе свечи, вынесение узла герметизации в основном корпусе из зоны воздействия повышенных температур камеры сгорания, позволяет исключить разгерметизацию свечей зажигания, а конструктивные отличия от аналогов, в частности, установка и закрепление искрообразующего изолятора в дополнительном корпусе, позволяют исключить внутренний электрический пробой внутри свечи при проведении встречных запусков двигателей.

Дополнительное закрепление центрального электрода в канале искрообразующего изолятора с помощью резьбового соединения и гайки, установленной на внутренний торец канала этого изолятора, сопряжение конических поверхностей контакта центрального электрода и конической поверхности канала изолятора со стороны рабочего торца, исключает нарушение электрического контакта центрального электрода с поверхностью полупроводникового искрообразующего элемента при воздействии на рабочий торец свечи повышенных температур и, как следствие, исключает повышение пробивного напряжения свечи выше развиваемого агрегатом зажигания выходного напряжения, т.к. при таком закреплении центрального электрода невозможно его перемещение даже при размягчении стеклогерметика, закрепляющего его в канале искрообразующего изолятора.

Выполнение массового электрода свечи толщиной (4-6) мм позволяет заглубить торцевую поверхность искрообразующего изолятора с полупроводниковым элементом внутрь свечи и уменьшить воздействие повышенных температур на него, снизить количество жидкой фазы топлива, попадающего в искрообразующий зазор, что уменьшает электроэрозию контактов электродов и полупроводникового элемента [А.Н. Мурысев, А.О. Рыбаков, А.Г. Каюмов, Ю.Д. Курдачев. // Исследование рабочих процессов в стреляющих свечах зажигания и разработка методов повышения их эффективности. / Тезисы доклада на конференции «Проблемы авиации и космонавтики и роль ученых в их решении». / Министерство общего и профессионального образования РФ, Федерация космонавтики РФ, Уфимский государственный авиационный технический университет. Уфа. 1998; А.Н. Мурысев, А.В. Краснов, Ф.А. Гизатуллин, Д.Н. Тухтаров. // О новой методологии ресурсной отработки конструкции запальных устройств ГТД на этапе ОКР. / Тезисы доклада на конференции «Проблемы авиации и космонавтики и роль ученых в их решении». / Министерство общего и профессионального образования РФ, Федерация космонавтики РФ, Уфимский государственный авиационный технический университет. Уфа. 1998; А.Н. Мурысев. // Новый метод ресурсного проектирования запальных устройств ГТД. / Авиационно-космическая техника и технология. Харьков. 2002. вып. 30, с. 98-100. Двигательные установки], сохранив его ресурс (способность поддерживать низкие пробивные напряжения на свече), а обеспечение отношения величины искрового зазора между контактом центрального электрода и поверхностью массового электрода более к диаметру отверстия в рабочем торце свечи 0,15, при обеспечении превышения диаметра отверстия, соединяющего внешний и внутренний торцы дополнительного корпуса над максимальным диаметром контакта центрального электрода, позволяет компенсировать заглубление искрового зазора свечи в целях уменьшения температуры на полупроводниковом элементе и связанное с этим уменьшение диапазона розжига камеры сгорания.

Выполнение указанных выше соотношений обеспечивает формирование мощного плазменного факела, выбрасываемого в объем камеры сгорания, обладающего повышенной воспламеняющей способностью. Это позволяет сохранить требуемый диапазон розжига камеры сгорания двигателя.

К недостаткам указанной свечи зажигания следует отнести недостаточную надежность розжига топливной смеси в камере сгорания газотурбинного двигателя при его повторном запуске в условиях высотного аэродрома при повышенной температуре окружающего воздуха.

Указанных недостатков лишена свеча зажигания [Патент РФ 94071, 10.05.2010], принятая за прототип, содержащая основной трубчатый корпус, экранную керамическую трубку, герметизирующий узел, включающий изолятор, закрепленный в основном корпусе со стороны экранной керамической трубки медной клиновой втулкой и кольцевым уплотнением из стеклогерметика, размещенным в кольцевом зазоре, образованном ножкой изолятора и основным трубчатым корпусом на медной клиновой втулке, токопроводящий стержень с контактной головкой, закрепленный стеклогерметиком во внутреннем канале изолятора, дополнительный искрообразующий узел, включающий искрообразующий изолятор с поверхностным полупроводниковым элементом, во внутреннем канале которого стеклогерметиком закреплен центральный электрод, термокомпенсационный элемент, пайкой соединенный с токопроводящим стержнем, имеющим шляпку для поджатая к контактной головке токопроводящего стержня, закрепленного в изоляторе герметизирующего узла, и центральным электродом, пружину и трубчатые керамические изоляторы, дополнительный трубчатый корпус, образующий рабочий торец свечи, во внутренней полости которого частично размещен основной трубчатый корпус, сваркой герметично соединенный с дополнительным корпусом выше ввертной резьбы, массовый электрод, имеющий коаксиальное внешнему диаметру дополнительного корпуса свечи отверстие, соединяющее внешний и внутренний торцы дополнительного корпуса диаметром, превышающим максимальный диаметр контакта центрального электрода, при этом отношение величины искрового зазора по поверхности искрообразующего изолятора между контактом центрального электрода и поверхностью массового электрода к диаметру отверстия в рабочем торце свечи превышает 0,15, в основном корпусе свечи закреплена изоляционная керамическая трубка, установленная в кольцевом зазоре между ножкой герметизирующего изолятора со стороны рабочего торца и основным корпусом, а пружина поджимает один трубчатый керамический изолятор к шляпке токопроводящего стержня, к которому припаян термокомпенсационный элемент, и другой коаксиальный керамический изолятор - в сторону поверхности искрообразующего изолятора, имеющей больший диаметр по сравнению с той его частью, во внутреннем канале которой центральный электрод закреплен стеклогерметиком, массовый электрод имеет толщину (2,5-3,1) мм, контакт центрального электрода выполнен цилиндрическим и размещен в цилиндрическом канале искрообразующего изолятора с поверхностным полупроводниковым элементом, торцевая часть цилиндрического контакта центрального электрода заглублена относительно внутренней торцевой поверхности массового электрода на величину, превышающую 1,4 мм, диаметр контакта центрального электрода равен (4-4,25) мм, диаметр отверстия в рабочем торце, коаксиального внешнему диаметру дополнительного корпуса, равен (4,8-5) мм, боковую поверхность искрообразующего изолятора охватывает часть втулки, размещенной между керамическим изолятором со стороны пружины искрообразующим изолятором.

Уменьшение толщины массового электрода до (2,5-3,1) мм, заглубление контакта центрального электрода относительно внутренней торцевой поверхности массового электрода на величину, превышающую 1,4 мм, выполнение диаметра контакта центрального электрода, равным (4-4,25) мм, а диаметра отверстия в рабочем торце, коаксиального внешнему диаметру дополнительного корпуса, равного (4,8-5) мм, при сохранении отношения величины искрового зазора по поверхности искрообразующего изолятора между контактом центрального электрода и поверхностью массового электрода к диаметру отверстия в рабочем торце свечи обеспечивает больший по величине плазменный факел, генерируемый в объем камеры сгорания. При этом толщина массового электрода, указанная выше, обеспечивает достаточное заглубление полупроводникового элемента, размещенного на поверхности искрообразующего изолятора в искровом зазоре, во внутренний объем свечи, что совместно с улучшенным теплоотводом от искрообразующего изолятора за счет его охвата втулкой, расположенной между искрообразующим изолятором и керамической трубкой со стороны пружины, сохраняет достаточную температуру полупроводникового элемента, исключает размягчение стеклогерметика во внутреннем канале искрообразующего изолятора и подвижку центрального электрода для обеспечения ресурса свечи зажигания. Кроме того, толщина массового электрода (2,5-3,1) мм обеспечивает достаточный объем материала массового электрода для сохранения ресурса свечи зажигания.

Однако свечи зажигания, имеющие конструктивное построение согласно прототипу, не обеспечивают надежный розжиг топливовоздушной смеси в камере сгорания в высотных условиях полета, в том числе при повышенных скоростях полета (при запуске двигателя с режима авторотации, при включениях при работе противопомпажной системы двигателя, запуске двигателя на выбеге и др.).

Решение задачи осуществления высотного розжига топливовоздушной смеси в камере сгорания может осуществляться за счет повышения накопленной энергии и мощности агрегата зажигания, использования кислородной подпитки камеры сгорания [Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки» / С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов и др.; Под общ. ред. Д.В. Хронина. - М., «Машиностроение», 1989, 368 с.: ил., стр. 413-415; Запуск авиационных газотурбинных двигателей /М.А. Алабин, Б.М. Кац, Ю.А. Литвинов. - М.: Машиностроение, 1968. - 228 с.: ил., стр. 199; Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 566 с., ил., стр. 249], оптимизации состава топливовоздушной смеси в зоне источника воспламенения [Запуск авиационных газотурбинных двигателей / М.А. Алабин, Б.М. Кац, Ю.А. Литвинов. - М.: Машиностроение, 1968. - 228 с.: ил., стр. 64-66; Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 566 с., ил., стр. 273; В.А. Сосунов, Ю.А. Литвинов. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей. М., «Машиностроение», 1975, 216 с., стр. 147-148], заглубления рабочего торца свечи в камеру сгорания с целью приближения источника воспламенения к зоне обратных токов [Запуск авиационных газотурбинных двигателей / М.А. Алабин, Б.М. Кац, Ю.А. Литвинов. - М.: Машиностроение, 1968. - 228 с.: ил., стр. 64-66; Патент РФ 2338910, 20.11.2008].

Повышение энергии и мощности агрегата зажигания приводит к значительному увеличению его массы и имеет известные ограничения. Введение кислородной подпитки камеры сгорания приводит также к значительному увеличению массы за счет необходимости иметь запасы кислорода (баллонного кислорода), пневматической арматуры (клапанов, трубок, монтажных узлов), усложнения схемы управления запуском. Кислородная подпитка также требует увеличения затрат на обслуживание воздушного судна (двигателя) в процессе эксплуатации на перезарядку запасов кислорода и т.д. Оптимизация состава топливовоздушной смеси в зоне источника воспламенения входит в противоречие с задачами обеспечения экономичности (при работе на бедных смесях), снижения выбросов в атмосферу C_xO_y, N_xO_y, что усложняет систему управления запуском двигателя. Кроме этого, данное мероприятие приводит к необходимости длительного и затратного проведения отработки конструктивных элементов камеры сгорания, обеспечивающих смешение топливовоздушной смеси в зоне источника воспламенения - плазменного факела, генерируемого свечей, затратам на отработку конструкции камеры сгорания в процессе ОКР с испытаниями в термобарокамере, в том числе двигателя в целом.

Заглубление источника воспламенения в камеру сгорания для его приближения к зоне обратных токов - один из эффективных методов решения указанной выше задачи [Запуск авиационных газотурбинных двигателей / М.А. Алабин, Б.М. Кац, Ю.А. Литвинов. - М.: Машиностроение, 1968. - 228 с.: ил., стр. 64-66; Патент РФ 2338910, 20.11.2008]. Однако, конструктивное построение свечи зажигания согласно прототипу не позволяет реализовать указанный метод. При заглублении свечи в камеру сгорания двигателя увеличивается тепловой поток в рабочий торец свечи. Увеличенный диаметр участка искрообразующего изолятора со стороны внутреннего торца массового электрода свечи, значительно массивнее по сравнению с участком этого изолятора (ножкой) со стороны экранной части свечи. При воздействии на рабочий торец свечи повышенного теплового потока со стороны камеры сгорания происходит значительный перегрев массового электрода свечи, толщина которого составляет (2,5-3,1) мм, а от него и более массивной части искрообразующего изолятора, заключенной между внутренним торцем массового электрода и втулкой, посредством которой к последнему поджимается искрообразующий изолятор. Низкая толщина стенки цилиндрической части корпуса свечей зажигания (менее 1,15 мм), выполненных по конструктивной схеме свечи зажигания, принятой за прототип, не позволяют обеспечить значимый отвод тепла от массового электрода свечи (от более массивной части искрообразующего изолятора). В этих условиях в зоне перехода увеличенного диаметра искрообразующего изолятора в его ножку с цилиндрической поверхностью меньшего диаметра имеет место максимальный градиент по температуре. Неравномерный разогрев участков керамического изолятора приводит к возникновению термоупругих напряжений: более нагретые участки изолятора оказываются в сжатом, а более холодные - в растянутом состоянии. Если перепад температур в диэлектрике велик, то термоупругие напряжения могут достигнуть разрушающих механических напряжений и привести на отдельных свечах зажигания к возникновению поперечной трещины и пробою искрообразующего изолятора в указанной выше зоне [Радиокерамика / Н.П. Богородицкий, Н.В. Кальменс, М.И. Нейман и др.; под редакцией Н.П. Богородицкого, В.В. Пасынкова. - М-Л, Госэнергоиздат, 1963, 555 с., ил., стр. 35]. С наработкой свечи зажигания в составе двигателя постепенно в эту поперечную трещину искрообразующего изолятора попадают продукты неполного сгорания топлива, что уменьшает сопротивление изоляции свечи и приводит к электрическому пробою искрообразующих изоляторов свечей зажигания уже и при меньших температурах в зоне рабочего торца, например, после выполнения запусков двигателя после ложного запуска, т.е. после заливания искрового промежутка жидкой фазой топлива. В этом случае пробивное напряжение искрового промежутка будет больше пробивного напряжения искрообразующего изолятора по указанной выше поперечной трещине.

Поставленная задача решается запальным устройством, которое в отличие от прототипа содержит искрообразующий изолятор, имеющий ступенчатую цилиндрическую форму, между цилиндрическими поверхностями искрообразующего изолятора имеется буртик, внешний диаметр которого больше диаметра указанных цилиндрических поверхностей искрообразующего изолятора, внешний диаметр цилиндрической поверхности искрообразующего изолятора со стороны рабочего торца составляет не более разницы между внешним диаметром запального устройства и удвоенной величиной толщины массового электрода, а толщина дополнительного цилиндрического корпуса запального устройства в зоне рабочего торца равна или более толщины массового электрода, при этом в дополнительном корпусе запального устройства имеются радиальные шлицевые канавки, выходящие на внешний торец массового электрода, осевая протяженность которых не более длины цилиндрической поверхности искрообразующего изолятора от его рабочего торца до буртика, дополнительный корпус запального устройства частично заключен в кожух с образованием кольцевого зазора между ними, причем торцевая часть кожуха частично охватывает массовый электрод запального устройства, образуя совместно с радиальными канавками в массовом электроде отверстия для выхода охлаждающего воздуха, кожух имеет на боковой поверхности отверстие, соединяющее кольцевой зазор между кожухом и дополнительным корпусом с внешней средой и локализованное таким образом, чтобы при установке на двигателе оно располагалось во вторичном контуре камеры сгорания со стороны компрессора.

Уменьшение наружного диаметра искрообразующего изолятора со стороны внутреннего торца массового электрода запального устройства позволяет уменьшить термоупругие напряжения в керамическом материале искрообразующего изолятора в зоне контакта с втулкой, посредством которой пружина его торцевую часть поджимает к внутренней торцевой части массового электрода, и, тем самым, позволяет исключить возникновение поперечной трещины при совместном воздействии на запальное устройство напряженности электрического поля и повышенного теплового потока со стороны камеры сгорания. Увеличение толщины цилиндрической части дополнительного корпуса запального устройства в зоне его рабочего торца относительно толщины массового электрода позволяет увеличить отвод тепла от зоны рабочего торца запального устройства. Выполнение в указанной части запального устройства радиальных шлицевых канавок, осевая протяженность которых не более длины цилиндрической поверхности искрообразующего изолятора от его рабочего торца до буртика, позволяет увеличить площадь поверхности для обдува рабочего торца запального устройства охлаждающим воздухом. Частичное заключение дополнительного корпуса запального устройства в кожух с образованием кольцевого зазора между ними, причем так, что торцевая часть кожуха частично охватывает массовый электрод запального устройства, образуя совместно с радиальными канавками в массовом электроде отверстия для выхода охлаждающего воздуха, поступающего в кожух запального устройства, позволяет продувать вдоль свечи охлаждающий воздух и, таким образом, уменьшить поток тепла, передаваемого в торцевую часть искрообразующего изолятора. Расположение отверстия в кожухе запального устройства со стороны компрессора позволяет максимально использовать скоростной напор охлаждающего воздуха. Указанные мероприятия способствуют повышению термостойкости запального устройства, что позволяет заглубить его в камеру сгорания ближе к зоне обратных токов и обеспечить необходимый диапазон устойчивого розжига двигателя без применения кислородной подпитки.

Обеспечение предлагаемым запальным устройством надежного запуска камеры сгорания без применения кислородной подпитки позволяет значительно уменьшить массу узла двигателя «свеча - запальное устройство» за счет исключения штуцера для подвода кислорода и совмещения дополнительного корпуса свечи с корпусом запального устройства двигателя, а также за счет исключения необходимости иметь запасы баллонного кислорода, пневматической арматуры (клапанов, трубок, монтажных узлов).

Указанные мероприятия, реализованные в заявляемом запальном устройстве, позволяют повысить высотность надежного розжига топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателей, в том числе при повышенных скоростях полета (при запуске двигателя с режима авторотации, при включениях при работе противопомпажной системы двигателя, запуске двигателя на выбеге), с обеспечением снижения массы элементов системы запуска двигателей.

На фигуре представлено заявляемое запальное устройство для розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащее основной трубчатый корпус 1, экранную керамическую трубку 2, герметизирующий узел, включающий изолятор 3, закрепленный в основном корпусе 1 со стороны экранной керамической трубки 2 медной клиновой втулкой 4 и кольцевым уплотнением 5 из стеклогерметика, размещенным в кольцевом зазоре 6, образованном ножкой изолятора 7 и основным трубчатым корпусом 1 на медной клиновой втулке 4, токопроводящий стержень 8 с контактной головкой 9, закрепленный стеклогерметиком 10 во внутреннем канале изолятора 3, искрообразующий узел, включающий искрообразующий изолятор 11 с поверхностным полупроводниковым элементом, во внутреннем канале которого стеклогерметиком 12 закреплен центральный электрод 13, термокомпенсационный элемент 14, пайкой соединенный с токопроводящим стержнем 15, имеющим шляпку 16 для поджатая к контактной головке 9 токопроводящего стержня 8, закрепленного в изоляторе 3 герметизирующего узла, и центральным электродом 13, пружину 17 и трубчатые керамические изоляторы 18 и 19, дополнительный трубчатый корпус 20, образующий рабочий торец запального устройства, во внутренней полости которого частично размещен основной трубчатый корпус 1, сваркой герметично соединенный с дополнительным корпусом 20 выше ввертной резьбы, массовый электрод 21, имеющий коаксиальное внешнему диаметру дополнительного корпуса запального устройства отверстие 22, соединяющее внешний и внутренний торцы дополнительного корпуса 20 диаметром D, превышающим максимальный диаметр d контакта центрального электрода 23, при этом отношение величины искрового зазора по поверхности искрообразующего изолятора 11 между контактом центрального электрода 23 и поверхностью массового электрода 21 к диаметру D отверстия 22 в рабочем торце запального устройства превышает 0,15, в основном корпусе 1 запального устройства закреплена изоляционная керамическая трубка 24, установленная в кольцевом зазоре между ножкой герметизирующего изолятора 7 со стороны рабочего торца и основным корпусом 1, а пружина 17 поджимает один трубчатый керамический изолятор 18 к шляпке 16 токопроводящего стержня 15, к которому припаян термокомпенсационный элемент 14, и другой коаксиальный керамический изолятор 19 - в сторону поверхности искрообразующего изолятора 11, имеющей больший диаметр по сравнению с той его частью, во внутреннем канале которой центральный электрод 13 закреплен стеклогерметиком 12, массовый электрод 21 имеет толщину (2,5-3,1) мм, контакт центрального электрода 23 выполнен цилиндрическим и размещен в цилиндрическом канале искрообразующего изолятора 11 с поверхностным полупроводниковым элементом, торцевая часть цилиндрического контакта центрального электрода 23 заглублена относительно внутренней торцевой поверхности массового электрода 21 на величину, превышающую 1,4 мм, диаметр d контакта центрального электрода 23 равен (4-4,25) мм, диаметр D отверстия 22 в рабочем торце, коаксиального внешнему диаметру дополнительного корпуса 20, равен (4,8-5) мм, боковую поверхность искрообразующего изолятора 11 охватывает часть втулки 25, при этом указанная втулка 25, посредством которой искрообразующий изолятор 11 поджимается к внутренней торцевой поверхности массового электрода 21, размещена между керамическим изолятором 19 со стороны пружины 17 и буртиком, между цилиндрическими поверхностями искрообразующего изолятора 11, который имеет ступенчатую цилиндрическую форму, внешний диаметр буртика больше диаметра других цилиндрических поверхностей искрообразующего изолятора 11, внешний диаметр цилиндрической поверхности искрообразующего изолятора 11 со стороны рабочего торца составляет не более разницы между внешним диаметром дополнительного корпуса 20 запального устройства в зоне его рабочего торца и удвоенной величиной толщины массового электрода 21, а толщина дополнительного корпуса 20 запального устройства в зоне рабочего торца равна или более толщины массового электрода 21, в дополнительном корпусе запального устройства 20 имеются радиальные шлицевые канавки 26, выходящие на внешний торец массового электрода, осевая протяженность которых не более длины цилиндрической поверхности искрообразующего изолятора от его рабочего торца до буртика, дополнительный корпус запального устройства 20 частично заключен в кожух 27 с образованием коаксиального зазора между ними, причем торцевая часть кожуха частично охватывает массовый электрод запального устройства 21, образуя совместно с радиальными канавками в массовом электроде отверстия для выхода охлаждающего воздуха, кожух 27 имеет на боковой поверхности отверстие 28, соединяющее зазор между кожухом и дополнительным корпусом с внешней средой и локализованное таким образом, чтобы при установке на двигателе оно располагалось во вторичном контуре камеры сгорания со стороны компрессора.

Запальное устройство работает следующим образом.

Высокое напряжение от агрегата зажигания прикладывается, с одной стороны, к токопроводящим стержням 8 и 15, далее через термокомпенсационный элемент 14 - к центральному электроду 13, с другой стороны, через основной корпус 1 - к дополнительному корпусу 20, который в зоне рабочего торца образует массовый электрод 21. Между электродами запального устройства, на поверхности рабочего торца, возникает мощный электрический разряд, воспламеняющий топливовоздушную смесь. Охлаждающий воздух, отбираемый со стороны компрессора, через отверстие 28 продувается через коаксиальный зазор между дополнительным корпусом запального устройства 20 и кожухом 27 вдоль радиальных шлицевых канавок 26 и выбрасывается через отверстия в массовом электроде.

Улучшение теплоотдачи дополнительного корпуса запального устройства за счет увеличения толщины цилиндрической части в зоне рабочего торца относительно массового электрода, улучшение охлаждения за счет выполнения радиальных шлицевых канавок в увеличенной части дополнительного корпуса, образующих совместно с кожухом запального устройства отверстия в массовом электроде, максимальное использование скоростного напора охлаждающего воздуха за счет расположения отверстия в кожухе запального устройства со стороны компрессора позволяет увеличить отвод тепла от зоны рабочего торца запального устройства. Уменьшение термоупругих механических напряжений в керамическом материале искрообразующего изолятора за счет уменьшения наружного диаметра искрообразующего изолятора со стороны внутреннего торца массового электрода свечи позволяет повысить термостойкость искрообразующего изолятора свечи зажигания. В результате повышается термостойкость запального устройства, что позволяет заглубить его в камеру сгорания ближе к зоне обратных токов, что в свою очередь позволяет повысить высотность розжига камеры сгорания двигателя без использования кислородной подпитки. Обеспечение предлагаемым запальным устройством надежного запуска камеры сгорания без применения кислородной подпитки позволяет значительно уменьшить массу за счет исключения необходимости иметь запасы баллонного кислорода, пневматической арматуры (клапанов, трубок, монтажных узлов).

Эффективность технических решений, предложенных в полезной модели, подтверждена результатами стендовых испытаний запальных устройств в составе двигателей.

Запальное устройство для розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащее основной трубчатый корпус, экранную керамическую трубку, герметизирующий узел, включающий изолятор, закрепленный в основном корпусе со стороны экранной керамической трубки медной клиновой втулкой и кольцевым уплотнением из стеклогерметика, размещенным в кольцевом зазоре, образованном ножкой изолятора и основным трубчатым корпусом на медной клиновой втулке, токопроводящий стержень с контактной головкой, закрепленный стеклогерметиком во внутреннем канале изолятора, искрообразующий узел, включающий искрообразующий изолятор с поверхностным полупроводниковым элементом, во внутреннем канале которого стеклогерметиком закреплен центральный электрод, термокомпенсационный элемент, пайкой соединенный с токопроводящим стержнем, имеющим шляпку для поджатия к контактной головке токопроводящего стержня, закрепленного в изоляторе герметизирующего узла, и центральным электродом, пружину и трубчатые керамические изоляторы, дополнительный трубчатый корпус, образующий рабочий торец запального устройства, во внутренней полости которого частично размещен основной трубчатый корпус, сваркой герметично соединенный с дополнительным корпусом выше ввертной резьбы, массовый электрод, имеющий коаксиальное внешнему диаметру дополнительного корпуса запального устройства отверстие, соединяющее внешний и внутренний торцы дополнительного корпуса диаметром, превышающим максимальный диаметр контакта центрального электрода, при этом отношение величины искрового зазора по поверхности искрообразующего изолятора между контактом центрального электрода и поверхностью массового электрода к диаметру отверстия в рабочем торце запального устройства превышает 0,15, в основном корпусе запального устройства закреплена изоляционная керамическая трубка, установленная в кольцевом зазоре между ножкой герметизирующего изолятора со стороны рабочего торца и основным корпусом, а пружина поджимает один трубчатый керамический изолятор к шляпке токопроводящего стержня, к которому припаян термокомпенсационный элемент, и другой коаксиальный керамический изолятор - в сторону поверхности искрообразующего изолятора, имеющей больший диаметр по сравнению с той его частью, во внутреннем канале которой центральный электрод закреплен стеклогерметиком, массовый электрод имеет толщину (2,5-3,1) мм, контакт центрального электрода выполнен цилиндрическим и размещен в цилиндрическом канале искрообразующего изолятора с поверхностным полупроводниковым элементом, торцевая часть цилиндрического контакта центрального электрода заглублена относительно внутренней торцевой поверхности массового электрода на величину, превышающую 1,4 мм, диаметр контакта центрального электрода равен (4-4,25) мм, диаметр отверстия в рабочем торце, коаксиального внешнему диаметру дополнительного корпуса, равен (4,8-5) мм, боковую поверхность искрообразующего изолятора охватывает часть втулки, отличающееся тем, что указанная втулка, посредством которой искрообразующий изолятор поджимается к внутренней торцевой поверхности массового электрода, размещена между керамическим изолятором со стороны пружины и буртиком, между цилиндрическими поверхностями искрообразующего изолятора, который имеет ступенчатую цилиндрическую форму, внешний диаметр буртика больше диаметра других цилиндрических поверхностей искрообразующего изолятора, внешний диаметр цилиндрической поверхности искрообразующего изолятора со стороны рабочего торца составляет не более разницы между внешним диаметром дополнительного корпуса запального устройства в зоне его рабочего торца и удвоенной величиной толщины массового электрода, а толщина дополнительного корпуса запального устройства в зоне рабочего торца равна или более толщины массового электрода, в дополнительном корпусе запального устройства имеются радиальные шлицевые канавки, выходящие на внешний торец массового электрода, осевая протяженность которых не более длины цилиндрической поверхности искрообразующего изолятора от его рабочего торца до буртика, дополнительный корпус запального устройства частично заключен в кожух с образованием коаксиального зазора между ними, причем торцевая часть кожуха частично охватывает массовый электрод запального устройства, образуя совместно с радиальными канавками в массовом электроде отверстия для выхода охлаждающего воздуха, кожух имеет на боковой поверхности отверстие, соединяющее зазор между кожухом и дополнительным корпусом с внешней средой и локализованное таким образом, чтобы при установке на двигателе оно располагалось во вторичном контуре камеры сгорания со стороны компрессора.