ЗАПАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
IGNITING DEVICE

Изобретение относится к области силовых установок, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, преимущественно кислородо-водородного, а именно к запальным устройствам, т.е. устройствам запуска парогенераторов, газотурбинных установок, жидкостных ракетных двигателей, мартеновских печей и т.п. силовых установок, работающих на энергии сжигаемых высококалорийных несамовоспламеняющихся топлив.
Из уровня техники известны различные конструкции запальных устройств для силовых установок, см., например, опубликованные заявки РСТ - WO 8911721, WO 9944252, опубликованные японские заявки JP 56146930, JP 2004-156895.
Известны электрозапальные устройства для создания факела, обеспечивающего воспламенение основных расходов топлива, содержащие охлаждаемую камеру с кольцевыми коллекторами магистралей подачи горючего и окислителя, аксиально которым установлен центральный электрод свечи зажигания (см. С.Д.Розенберг «Система зажигания» Acta Astronautica, серия 10, №1, рис.2, январь 1983 г.). Корпус камеры имеет тракт внешнего охлаждения с продольными ребрами, образующими каналы, по которым подается основной расход горючего.
Известные устройства предназначены для многократного использования в газогенераторах и камерах сгорания при запуске, например, кислородо-водородных жидкостных ракетных двигателей. Недостатком подобных запальных устройств является большая дальнобойность факела, поскольку на выходе из них компоненты топлива направлены вдоль основной оси устройства. Этот дальнобойный факел приводит к повышенным тепловым нагрузкам элементов конструкции, расположенных ниже по потоку, и они являются, безусловно, нежелательными.
Наиболее близким аналогом является запальное устройство по патенту РФ №2084767 (F23Q 3/00), содержащее смесительную головку и камеру, где формируется запальный факел для расходов компонентов в основной камере сгорания. В смесительной головке смонтирована элетросвеча зажигания, центральный электрод которой размещен в магистрали горючего и внутри цилиндрического коллектора окислителя, причем часть окислителя через струйные форсунки подается к центральному электроду. Корпус камеры имеет тракт охлаждения, образованный с помощью ребер продольными каналами подачи горючего к выходному соплу камеры, которые наклонены на выходе из сопла к оси устройства. Существенным является размещение струйных форсунок окислителя в радиальных выступах кольцевого коллектора и наклон каналов охлаждения на угол 37-52° для обеспечения безотказности зажигания газовой смеси и надежного формирования запального факела с равномерным распределением температур в поперечном сечении. На радиальных выступах коллектора по минимальному искровому зазору локализируется разряд свечи зажигания в местах, куда направлены струйные форсунки окислителя, обеспечивая благоприятные условия для воспламенения смеси газов. Диапазон угла наклона продольных каналов горючего к оси устройства на выходе камеры оптимизирован по максимально возможному равномерному заполнению объема основной камеры сгорания запальным факелом для всего практически известного разнообразия конструктивных и технологических особенностей выполнения и функционирования запальных устройств. Экспериментально установлено, что при наклоне каналов на угол более 52° градиент температуры возрастает к периферии камеры сгорания и у стенок характерная длина высокотемпературных потоков продуктов сгорания превышает длину запального факела прототипа, а при угле наклона каналов менее 37° формируется остронаправленный протяженный центральный факел горячих газов внутри потока горючего, приводящий к нежелательному перегреву элементов конструкции.
Данное устройство, выбранное за прототип, имеет конструктивные недостатки, которые отрицательно влияют на продолжительность безотказной работы и эффективность устройства.
Задачей предложенного изобретения является исключение указанных недостатков, т.е. повышение функциональной надежности и безотказности запуска запального устройства посредством оптимизации конструкции, а также увеличение срока службы, обеспечение оптимального распределения поля температур, повышение его эффективности.
Для решения поставленной задачи предложено запальное устройство, содержащее корпус со смесительной головкой, в которой установлена электросвеча с центральным электродом, и камерой с трактом охлаждения, выполненным в виде продольных каналов, наклоненных на выходе из запального устройства к его продольной оси под углом от 37 до 52°, а также штуцеры для подачи горючего и окислителя, в смесительной головке выполнен кольцевой коллектор окислителя с радиальными выступами на его внутренней поверхности и двумя видами струйных форсунок окислителя, направленных под углом к центральному электроду электросвечи и параллельных продольной оси запального устройства, центральный электрод электросвечи содержит съемный наконечник, образующий с внутренними поверхностями радиальных выступов кольцевого коллектора окислителя минимальный зазор, обеспечивающий прохождение электрического разряда для воспламенения подводимых в его зону горючего и окислителя.
Сущность изобретения поясняется на чертеже.
Запальное устройство содержит смесительную головку 1 и камеру 2. В смесительной головке 1 расположена электросвеча зажигания 3, ее центральный электрод 4 размещен в осевом канале 5, сообщающемся посредством штуцера 6 с магистралью подачи горючего (водорода) и через центральное отверстие кольцевого коллектора 7 с камерой 2. Полость 8 коллектора 7 сообщается через штуцер 9 с магистралью подачи окислителя (кислорода) и через форсунки 11 и 16 с камерой 2. На внутренней поверхности коллектора 7 выполнены радиальные выступы 10, в которых расположены вышеупомянутые струйные форсунки окислителя 11, направленные к наконечнику центрального электрода 4 электросвечи 3, и осепараллельные форсунки окислителя 16, обеспечивающие требуемую температуру и состав высокотемпературного окислительного газа на выходе из камеры запального устройства. Электросвеча 3 представляет собой свечу с воздушным зазором, например серийно выпускаемое изделие марки СД-55АНМ-Т, доработанное применительно к условиям запуска запального устройства, а именно - на центральном электроде выполнена резьба и на нее навинчен наконечник 17, выполненный по форме в виде грибка, наружная цилиндрическая поверхность которого образует с внутренними поверхностями радиальных выступов 10 заданный минимальный зазор, обеспечивающий прохождение электрического разряда, который воспламеняет подходящие в эту зону водород (через центральный канал 5) с кислородом (подаваемым через наклонные форсунки 11). Размер зазора выбирается на основании закона Пашена, а также уточняется экспериментально.
Тракт охлаждения камеры 2 имеет продольные ребра 12, образующие каналы 13, соединяющиеся посредством штуцера 14 с магистралью подачи горючего (водорода). Каналы 13 на выходе из корпуса камеры наклонены относительно центральной оси под углом от 37 до 52°, образуя коническое выходное сопло 15.
Работает предложенное запальное устройство следующим образом.
Меньшая часть горючего (водорода) подается в головку через штуцер 6, а большая - через штуцер 14 в охлаждающий тракт камеры 2. Кислород по магистрали через штуцер 9 подается в полость 8 коллектора 7, а затем распределяется в камеру через форсунки 11 к наконечнику электрода 17 электросвечи 3 и через форсунки 16.
Электрический разряд между центральным электродом 4 электросвечи 3 и внутренней поверхностью коллектора 7 локализуется по минимальному искровому зазору между наконечником электрода 17 и радиальными выступами 10, где обеспечивается оптимальное для воспламенения массовое соотношение кислорода, подаваемого через струйные форсунки 11, и водорода, подаваемого через осевой канал 5. При прохождении электрического разряда на электросвече водород ионизируется и воспламеняется с кислородом. К образовавшемуся факелу подмешивается кислород, подаваемый через форсунки 16. Полученный таким образом высокотемпературный окислительный газ на выходе из запального устройства смешивается и реагирует с водородом, вытекающим из тракта охлаждения, образуя широкий и короткий запальный факел с практически равномерным распределением температур по сечению камеры сгорания силовой установки.
Предлагаемая компактная конструкция гарантированно обеспечивает формирование устойчивого запального факела для поджигания несамовоспламеняющихся топлив, имеет, по сравнению с освоенными в настоящее время аналогичными устройствами, меньшие энергоемкость, габариты и массу. Надежность и воспламеняющая способность данного запального устройства подтверждены многочисленными экспериментами.