Свеча зажигания плазменная (варианты)
Свеча зажигания плазменная (два варианта) относится к элементам электрического оборудования, а именно - к элементам систем зажигания, применяемых, в частности, для розжига горючих смесей в камерах сгорания газотурбинных двигателей, газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов и энергетических установок и решает задачу создания простой и надежной конструкции с повышенной энергетической эффективностью и увеличенным ресурсом. Поставленная задача решается свечой зажигания плазменной (вариант 1), содержащей основной трубчатый корпус с установленным в нем изолятором, во внутреннем канале которого установлен сварной центральный электрод, закрепленный специальной гайкой, в средней части стержень центрального электрода охвачен керамической втулкой и герметиком, между изолятором и корпусом установлена медная клиновидная втулка, отличающейся тем, что медная клиновидная втулка обращена острием в сторону рабочего торца, в средней части стержень электрода сваркой соединен с центральным электродом, верхний торец стержня сваркой соединен с контактом, в экранной части свечи изолятор образует полость для установки контактного устройства, корпус в рабочей части свечи выполнен с утолщением, образуя боковой электрод и вихревую камеру, центральный электрод выполнен в виде цилиндра с переходом к конической поверхности, межэлектродный зазор находится между коническими поверхностями центрального и бокового электродов, расположенными несимметрично друг относительно друга, в рабочей части корпуса свечи выполнены четыре тангенциальных отверстия, канал для выброса плазмы, на рабочем торце корпуса имеется цилиндрический выступ. Свеча зажигания плазменная по второму варианту выполнена с цилиндрическими поверхностями центрального и бокового электродов, вихревой камерой, совмещенной с каналом для выброса плазмы, и без цилиндрического выступа в рабочей части корпуса, чем обеспечивается устойчивое плазмообразование при малых перепадах давления воздуха на свече и уменьшение массо-габаритных показателей свечи.
Полезная модель относится к элементам электрического оборудования, а именно - к элементам систем зажигания, применяемых, в частности, для розжига горючих смесей в камерах сгорания газотурбинных двигателей, газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов и энергетических установок.
Известна свеча зажигания (патент РФ 2029196, МПК F23Q 3/00, 1991.05.05), содержащая корпус с плазменной камерой и центральный электрод, разделенные изолятором, отличающаяся тем, что, с целью повышения воспламеняющей способности свечи, поверхность изолятора, образующая искровой промежуток, расположена перпендикулярно к оси плазменной камеры.
К недостаткам данной конструкции необходимо отнести недостаточно высокие эксплуатационные характеристики свечи.
Известна свеча зажигания для газотурбинного двигателя (патент РФ на полезную модель 
52529, H01T 13/00 (2006.01), 2005.10.24), содержащая основной трубчатый корпус с установленным в нем искрообразующим изолятором, во внутреннем канале которого в стеклогерметике закреплен центральный электрод, дополнительный корпус, частично размещенный внутри основного корпуса и соединенный с ним, герметично сваркой, с закрепленной в нем медной клиновидной втулкой, обращенной большим сечением в сторону рабочего торца свечи и стеклогерметизирующей втулкой, герметизирующий изолятор, во внутреннем канале которого в стеклогерметике закреплен токоведущий стержень, экранную керамическую промежуточную втулку, цангу, керамический трубчатый изолятор, отличающаяся тем, что между цангой и центральным электродом размещена оплетка-жгут из коррозионно-стойких проволок, пайкой соединенная с ними, в которую вставлен токоведущий стержень, в свече дополнительно имеется контакт бокового электрода, два керамических изолятора, между которыми установлена спиральная пружина, противоположные обращенным к пружине торцы этих изоляторов упираются, соответственно, в торец дополнительного корпуса, трубчатый керамический изолятор противоположным торцем упирается в буртик на боковой поверхности искрообразующего изолятора, обратная сторона этого буртика соприкасается с внутренним торцем основного корпуса свечи, рабочий торец искрообразующего (центрального) электрода выступает за внешний торец основного корпуса свечи, на рабочем торце искрообразующего изолятора имеются тангенциальные канавки, соединяющие его боковую поверхность с кольцевой полостью, образованной конической поверхностью контакта центрального электрода и кольцевой канавкой на рабочем торце искрообразующего изолятора, при этом внутренний торец контакта бокового электрода лежит на рабочем торце искрообразующего изолятора, а в контакте бокового электрода имеется соосное с контактом центрального электрода отверстие, имеющее со стороны внешнего торца контакта бокового электрода цилиндрическое сечение, диаметр которого меньше диаметра контакта центрального электрода в месте его контакта с торцевой поверхностью искрообразующего изолятора, и коническое отверстие, меньшим диаметром сопряженное с цилиндрическим отверстием в контакте бокового электрода, а большим диаметром, выходящим на внутренний его торец, установленный на рабочей торец искрообразующего изолятора, коническое отверстие контакта бокового электрода образует с боковой конической поверхностью контакта центрального электрода кольцевую коническую полость, переходящую в цилиндрическое отверстие в контакте бокового электрода, цилиндрическая поверхность бокового электрода, охватывающая выступающую из основного корпуса цилиндрическую поверхность искрообразующего изолятора, имеет шлицы, глубина которых достигает глубины его внутреннего торца, в шлицы контакта бокового электрода входят выступы, выполненные на торце основного корпуса свечи с образованием осевых зазоров между торцевыми поверхностями корпуса и контактом бокового электрода, в осевом зазоре между шлицами на контакте бокового электрода и основного корпуса на боковой поверхности искрообразующего изолятора полностью или частично расположены начала тангенциальных канавок, выходящих в кольцевую канавку на рабочем торце искрообразующего изолятора.
Преимуществом данной свечи перед существующими является образование удлиненной плазменной струи, что позволяет устанавливать свечу в камере сгорания на меньшую глубину, тем самым выводя ее из зоны воздействия высоких температур и повышая ресурс.
К недостаткам данной конструкции необходимо отнести сложность устройства и наличие значительного количества деталей сложной формы.
Кроме того, искрообразующий изолятор данной свечи выполнен с тангенциальными канавками, что затрудняет процесс его изготовления и приводит значительному увеличению материальных и временных затрат, а боковой электрод выполнен съемным, что может привести к выходу ее из строя в ходе монтажа-демонтажа свечи на двигателе, затрудняет процесс технического обслуживания и приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик.
Также при изготовлении свечи используются драгоценные и редкоземельные металлы, что приводит к значительному увеличению ее себестоимости.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание простой и надежной конструкции свечи зажигания с увеличенными ресурсом и сроком службы для розжига горючих смесей в камерах сгорания газотурбинных двигателей, газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов и энергетических установок.
Поставленная задача решается свечой зажигания плазменной (вариант 1), содержащей основной трубчатый корпус с установленным в нем изолятором, во внутреннем канале которого установлен сварной центральный электрод, закрепленный специальной гайкой, в средней части стержень центрального электрода охвачен керамической втулкой и герметиком, между изолятором и корпусом установлена медная клиновидная втулка, отличающемся тем, что медная клиновидная втулка обращена острием в сторону рабочего торца, в средней части стержень электрода сваркой соединен с центральным электродом, верхний торец стержня сваркой соединен с контактом, в экранной части свечи изолятор образует полость для установки контактного устройства, корпус в рабочей части свечи выполнен с утолщением, образуя вихревую камеру и боковой электрод, центральный электрод выполнен в виде цилиндра с переходом к конической поверхности, межэлектродный зазор находится между коническими поверхностями центрального и бокового электродов, расположенными несимметрично друг относительно друга, в рабочей части корпуса свечи выполнены четыре тангенциальных отверстия, канал для выброса плазмы, на рабочем торце корпуса имеется цилиндрический выступ.
Несимметричное расположение конических поверхностей центрального и бокового электродов способствует более равномерному износу электродов, что позволяет улучшить ресурсные показатели свечи.
Четыре тангенциальных отверстия в рабочей части корпуса свечи предназначены для подвода плазмообразующего воздуха и охлаждения электродов.
Цилиндрический выступ на рабочем торце корпуса предназначен для центрирования свечи в корпусе запального устройства, и позволяет также увеличить длину дугового канала без соответствующего увеличения габаритных размеров свечи и корпуса запального устройства.
Поставленная задача решается свечой зажигания плазменной (вариант 2), содержащей основной трубчатый корпус с установленным в нем изолятором, во внутреннем канале которого установлен сварной центральный электрод, закрепленный специальной гайкой, в средней части стержень центрального электрода охвачен керамической втулкой и герметиком, между изолятором и корпусом установлена медная клиновидная втулка, отличающемся тем, что медная клиновидная втулка обращена острием в сторону рабочего торца, в средней части стержень электрода сваркой соединен с центральным электродом, верхний торец стержня сваркой соединен с контактом, в экранной части свечи изолятор образует полость для установки контактного устройства, корпус в рабочей части свечи выполнен с утолщением, образуя вихревую камеру, совмещенную с каналом для выброса плазмы, и боковой электрод. Межэлектродный зазор находится между цилиндрическими поверхностями центрального и бокового электродов. В рабочей части корпуса свечи выполнены четыре тангенциальных отверстия для подвода плазмообразующего воздуха.
Экранная часть корпуса свечи имеет резьбу для крепления гайки угольника в целях передачи электрического импульса от агрегата зажигания.
Корпус свечи выполнен с шестигранником для монтажа свечи в корпусе запального устройства на двигателе.
Преимущество данной конструкции состоит в том, что за счет отсутствия цилиндрического выступа на рабочем торце корпуса и образования межэлектродного зазора между цилиндрическими поверхностями центрального и бокового электродов воздух протекает через продувочные отверстия с наименьшими местными сопротивлениями, чем обеспечивается устойчивое плазмообразование при малых перепадах давления воздуха на свече.
Канал для выброса плазмы совмещен с вихревой камерой, что позволяет уменьшить габариты рабочей части свечи с соответствующим снижением мощности, потребляемой агрегатом зажигания из бортсети, и способствует более интенсивному охлаждению центрального и бокового электродов.
Кроме того, данная конструкция позволяет с большей точностью выдерживать требуемое значение межэлектродного зазора и за счет снижения теплоотвода в электроды повышать энергетическую эффективность и ресурс свечи.
На фиг.1 представлена заявляемая свеча зажигания плазменная (вариант 1), содержащая трубчатый корпус 1 с цилиндрическим выступом, установленный в нем изолятор 2, во внутреннем канале которого в стеклогерметике 3 закреплен центральный электрод 4, между изолятором 2 и корпусом 1 установлена медная клиновидная втулка 5, стержень 6 центрального электрода, охваченный стеклогерметиком 3, стержень центрального электрода 6 сваркой соединен с центральным электродом 4, центральный электрод 4 закреплен в изоляторе 2 специальной гайкой 7, в экранной части свечи изолятор, выполненный в виде керамической трубки 8, образует полость для установки контактного устройства (на фиг.1 не показано), корпус 9 в экранной части свечи имеет коническую поверхность для герметичного соединения с угольником (на фиг.1 не показан), и образует в рабочей части боковой электрод с цилиндрическим выступом для центрирования свечи в корпусе запального устройства, центральный электрод 4 выполнен с цилиндрической посадочной площадкой, в которую упирается изолятор 2, который одновременно упирается в буртик корпуса 1, межэлектродный зазор значением от 0,5 до 2,0 мм находится между коническими поверхностями центрального 4 и бокового 1 электродов, в рабочей части корпуса свечи 1 выполнены четыре тангенциальных отверстия диаметром от 1 до 5 мм для подвода плазмообразующего воздуха, боковой электрод 1 образует канал диаметром от 3 мм до 7,5 мм и длиной от 1 до 30 мм для выброса плазмы, для герметизации изолятора свечи 2 используется стеклогерметик 10, гирлянда, состоящая из керамических переходников 11 обеспечивает изоляцию центрального электрода. В верхней части свечи имеются установочные шайбы 12, 13, пружина 14 устанавливается между керамической трубкой 8 и переходником 11 с помощью втулки 15. В верхней части стержень центрального электрода имеет контакт 16 для обеспечения соединения с контактным устройством (на фиг.1 не показано).
На фиг.2 представлена заявляемая свеча зажигания плазменная (вариант 2), содержащая трубчатый корпус с 1 с установленным в нем изолятором 2, во внутреннем канале которого в стеклогерметике 3 закреплен центральный электрод 4, между изолятором 2 и корпусом 1 установлена медная клиновидная втулка 5, стержень 6 центрального электрода, охваченный герметиком 3, стержень центрального электрода 6 сваркой соединен с центральным электродом 4, центральный электрод 4 закреплен в изоляторе 2 специальной гайкой 7, в экранной части свечи изолятор, выполненный в виде керамической трубки 8 образует полость для установки контактного устройства (на фиг.2 не показано), корпус 9 в экранной части свечи выполнен с конусом для герметичного соединения с угольником (на фиг.2 не показан), в рабочей части корпус образует вихревую камеру, совмещенную с каналом для выброса плазмы и боковой электрод, центральный электрод 4 выполнен с цилиндрической посадочной площадкой, в которую упирается изолятор 2, который, одновременно, упирается в буртик корпуса 1, межэлектродный зазор значением от 0,5 до 2,0 мм находится между цилиндрическими поверхностями центрального 4 и бокового 1 электродов, в рабочей части корпуса свечи 1 выполнены четыре тангенциальных отверстия диаметром от 1 до 5 мм для подвода плазмообразующего воздуха, боковой электрод 1 образует канал диаметром от 3 до 9 мм для выброса плазмы, совмещенный с вихревой камерой, для герметизации изолятора свечи 2 используется стеклогерметик 10, гирлянда, состоящая из керамических переходников 11 обеспечивает изоляцию центрального электрода. В верхней части свечи имеются установочные шайбы 12, 13, пружина 14 устанавливается между керамической трубкой 8 и переходником 10 с помощью втулки 15. В верхней части стержень центрального электрода имеет контакт 16 для обеспечения соединения с контактным устройством (на фиг.1 не показано).
Экранная часть корпуса свечи имеет резьбу для крепления гайки угольника (на фиг.1 и 2 не показана) в целях передачи электрического контакта от агрегата зажигания.
Корпус свечи выполнен с шестигранником для монтажа свечи в корпусе запального устройства на двигателе.
Уменьшение диаметра тангенциальных отверстий до значений менее 1 мм приводит к уменьшению расхода воздуха, увеличению температуры плазменной струи и снижению ресурсных показателей свечи.
Увеличение диаметра тангенциальных отверстий до значений более 5 мм приводит к увеличению расхода воздуха, снижению температуры плазменной струи и ухудшению воспламеняющей способности свечи.
Уменьшение диаметра канала бокового электрода 1 до значений менее 3 мм приводит к увеличению перепада давления плазмообразующего воздуха на свече, снижению скорости истечения плазмы и устойчивости горения дуги в связи с увеличением влияния сносящего потока в камере сгорания.
Увеличение диаметра канала бокового электрода 1 до значений более 7,5 мм приводит к уменьшению перепада давления плазмообразующего воздуха на свече и возникновению электрической дуги в межэлектродном зазоре без образования плазменной струи, выбрасываемой в камеру сгорания.
Уменьшение длины канала для выброса плазмы до значений менее 1 мм приводит к срыву дуги.
Увеличение длины канала для выброса плазмы до значений более 30 мм приводит к значительному увеличению росту мощности, потребляемой агрегатом зажигания из бортсети, и последующему выходу из строя агрегата зажигания.
Межэлектродный зазор образован коническими поверхностями центрального 4 и бокового 1 электродов, обращенными большими сечениями друг к другу.
Уменьшение его до значений менее 0,5 мм приводит к снижению мощности, выделяемой на свече и, как следствие, к ухудшению воспламеняющей способности системы плазменного зажигания.
Увеличение его до значений более 2 мм приводит к возрастанию мощности, потребляемой системой зажигания из бортовой сети, и увеличению пробивного напряжения свечи, что, в свою очередь, может привести к нарушению работоспособности выходных цепей агрегата зажигания вследствие воздействия высоких напряжений.
В свече (вариант 2) канал для выброса плазмы совмещен с вихревой камерой, что позволяет за счет уменьшения теплоотвода в электроды добиться увеличения мощности, выделяемой на свече, а также приводит к снижению массо-габаритных показателей свечи.
Уменьшение его диаметра до значений менее 3 мм приводит к увеличению перепада давления плазмообразующего воздуха на свече, снижению скорости истечения плазмы и устойчивости горения дуги в связи с увеличением влияния сносящего потока в камере сгорания.
Увеличение диаметра канала до значений более 7,5 мм приводит к снижению перепада давления плазмообразующего воздуха на свече и возникновению электрической дуги в межэлектродном зазоре без образования плазменной струи, выбрасываемой в камеру сгорания
Свеча работает следующим образом.
Высокое напряжение, поступающее к свече от агрегата зажигания через высоковольтный кабель, прикладывается к центральному электроду 4 - через центральную жилу высоковольтного кабеля, контактное устройство (на фиг.1 не показаны) и стержень центрального электрода 6, к боковому электроду через экранную оплетку кабеля, гайку угольника (на фиг.1 не показаны) и корпус 1. Происходит интенсивная ионизация межэлектродного зазора с последующим его пробоем; между центральным и боковым электродами свечи зажигается электрическая дуга, разогревающая воздух, поступающий через тангенциальные отверстия, расположенные в вихревой камере корпуса, до температуры, при которой происходит образование низкотемпературной плазмы. Далее плазма выбрасывается в камеру сгорания через канал и поджигает горючую смесь.
В свече (вариант 2) плазма поступает в камеру сгорания минуя вихревую камеру.
Заявляемая свеча зажигания технологична, имеет простую конструкцию, обеспечивающую требуемые характеристики для розжига горючих смесей в камерах сгорания газотурбинных двигателей, газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов и энергетических установок, как следствие - невысокую стоимость.
Свеча зажигания может быть изготовлена промышленным способом на предприятиях авиационной и приборостроительной промышленности.
1. Свеча зажигания плазменная, содержащая основной трубчатый корпус с установленным в нем изолятором, во внутреннем канале которого установлен сварной центральный электрод, закрепленный специальной гайкой, в средней части стержень центрального электрода охвачен керамической втулкой и герметиком, между изолятором и корпусом установлена медная клиновидная втулка, отличающаяся тем, что медная клиновидная втулка обращена острием в сторону рабочего торца, в средней части стержень электрода сваркой соединен с центральным электродом, верхний торец стержня сваркой соединен с контактом, в экранной части свечи изолятор образует полость для установки контактного устройства, корпус в рабочей части свечи выполнен с утолщением, образуя боковой электрод и вихревую камеру, центральный электрод выполнен в виде цилиндра с переходом к конической поверхности, межэлектродный зазор находится между коническими поверхностями центрального и бокового электродов, расположенными несимметрично относительно друг друга, в рабочей части корпуса свечи выполнены четыре тангенциальных отверстия, канал для выброса плазмы, на рабочем торце корпуса имеется цилиндрический выступ.
2. Свеча зажигания плазменная, содержащая основной трубчатый корпус с установленным в нем изолятором, во внутреннем канале которого установлен сварной центральный электрод, закрепленный специальной гайкой, между изолятором и корпусом установлена медная клиновидная втулка, стержень центрального электрода, охваченный керамической втулкой и герметиком, отличающаяся тем, что медная клиновидная втулка обращена острием в сторону рабочего торца, стержень центрального электрода сваркой соединен с центральным электродом, центральный электрод закреплен в изоляторе гайкой, в экранной части свечи изолятор выполнен с полостью для установки контактного устройства, корпус в рабочей части свечи выполнен с утолщением, образуя вихревую камеру, совмещенную с каналом для выброса плазмы, и боковой электрод, центральный электрод выполнен с цилиндрической посадочной площадкой, в которую упирается искрообразующий изолятор, который одновременно упирается в буртик корпуса, межэлектродный зазор находится между цилиндрическими поверхностями центрального и бокового электродов, в рабочей части корпуса свечи выполнены четыре тангенциальных отверстия, боковой электрод образует канал для выброса плазмы, совмещенный с вихревой камерой.
