Свеча зажигания для газотурбинного двигателя
Полезная модель относится к авиационному двигателестроению, в частности - к конструктивному выполнению свечей зажигания газотурбинных двигателей. Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение надежности розжига топливной смеси в камере сгорания авиационного двигателя при его аэродромном высотном запуске при повышенной температуре воздуха или выполнении повторного горячего запуска двигателя. Поставленная задача решается свечой зажигания для газотурбинного двигателя, содержащей 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 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 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 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 и искрообразующим изолятором.
Полезная модель относится к авиационному двигателестроению, в частности - к конструктивному выполнению свечей зажигания газотурбинных двигателей.
Известны малогабаритные свечи зажигания авиационных газотурбинных двигателей [1, 2, 3], содержащие искрообразующий изолятор с размещенным в нем центральным электродом, установленные 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 [1, 2, 3], имеют низкую надежность при работе в условиях повышенных температур топливовоздушной смеси в зоне рабочего торца и воздуха за компрессором, т.е. обладают низкой термостойкостью.
Указанных недостатков лишена свеча зажигания для газотурбинного двигателя [4], 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 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 [5, 6, 7], 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 0,15, при обеспечении превышения диаметра отверстия D, соединяющего внешний и внутренний торцы дополнительного корпуса над максимальным диаметром контакта центрального электрода d, 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 свечи зажигания, принятой за прототип, однако следует отнести недостаточную надежность розжига топливной смеси в камере сгорания газотурбинного двигателя при его запуске в высотных условиях при повышенной температуре окружающего воздуха и повторного запуска двигателя в условиях высотного аэродрома.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение надежности розжига топливной смеси в камере сгорания авиационного двигателя при его аэродромном высотном запуске при повышенной температуре воздуха или выполнении повторного горячего запуска двигателя.
Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа, свеча зажигания авиационного газотурбинного двигателя имеет толщину массового электрода 2,5-3,1 мм, контакт центрального электрода выполнен цилиндрическим и размещен в цилиндрическом канале искрообразующего изолятора с 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 и искрообразующим изолятором.
Исследования воспламеняющей способности предлагаемых свечей зажигания в составе камеры сгорания в термобарокамерах, в составе двигателей подтвердили эффективность использования свечей для обеспечения повышения надежности запуска топливовоздушной смеси в камерах сгорания двигателей при их высотном аэродромном запуске в условиях повышенной температуры воздуха на входе, а также при повторном запуске горячего двигателя [8].
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.
Ресурсные испытания свечей зажигания, выполненных согласно предлагаемой полезной модели, подтвердили сохранение ими, по крайней мере, не меньшего ресурса, чем имеется у свечей, выполненных согласно прототипа [8].
На чертеже представлена заявляемая свеча зажигания авиационного газотурбинного двигателя, содержащая 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, дополнительный искрообразующий узел, включающий дополнительный 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 поджатия 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 свечи, 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 свечи 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 (q=t+k+h) по поверхности искрообразующего изолятора 11 между контактом центрального электрода 23 и поверхностью массового электрода 21 к диаметру D отверстия 22 в рабочем торце свечи превышает 0,15, в основном корпусе 1 свечи 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 Т, 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, размещенной между керамическим изолятором 19 со стороны пружины 17 искрообразующим изолятором 11.
Свеча зажигания 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 свечи, на поверхности рабочего торца, возникает мощный электрический разряд, воспламеняющий топливно-воздушную смесь.
Заявляемая свеча зажигания позволяет обеспечить повышение надежности запуска двигателей в условиях высотных аэродромов при повышенных температурах воздуха, а также при повторном запуске горячего двигателя также при повышенных температурах воздуха [8].
Выполнение указанных выше соотношений позволяет также сохранить, как минимум, не меньший, чем в прототипе, ресурс свечей [8].
Источники информации:
1. Патент РФ 
1720459, МПК (5) H01T 13/00,03.30.1994;
2. Патент РФ 1625152, МПК (4) F02Q 13/52, 12.07.1989;
3. Патент РФ 74522, МПК (8) H01T 13/00, 06.02.2008;
4. Патент РФ 51793, МПК (8) H01T 13/02, 22.08.2005;
5. 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;
6. 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;
7. А.Н. Мурысев. //Новый метод ресурсного проектирования запальных устройств ГТД./ Авиационно-космическая техника и технология. Харьков. 2002. вып.30, с.98-100. Двигательные установки;
8. Информационная техническая справка ФГУП УНПП «Молния» ЛС-2009-216 «Обобщение результатов испытаний экспериментальных систем зажигания в составе камер сгорания и в составе двигателей по проверке их воспламеняющей способности при повышенных температурах окружающей среды».
Свеча зажигания авиационного газотурбинного двигателя, 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 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 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 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, отличающаяся тем, что 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 и искрообразующим изолятором.
