СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к свечам зажигания, в частности - к конструктивному исполнению свечей зажигания для промышленных газотурбинных установок, и может быть использована для авиационных газотурбинных двигателей.
Известна плазменная свеча зажигания [1], содержащая основной трубчатый корпус с установленным в нем изолятором, во внутреннем канале которого в стеклогерметике закреплен центральный электрод, между изолятором и корпусом установлена медная клиновидная втулка, стержень центрального электрода охвачен керамической втулкой и герметиком, расположенным в кольцевой полости между стержнем центрального электрода, искрообразующим изолятором, основным корпусом и керамической втулкой в экранной части свечи, 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 боковой электрод и вихревую камеру, центральный электрод выполнен с цилиндрической посадочной площадкой, в которую упирается искрообразующий изолятор, который одновременно упирается в буртик корпуса, межэлектродный зазор находится между коническими поверхностями центрального и бокового электродов, в рабочей части корпуса свечи выполнены четыре тангенциальных отверстия для подвода плазмообразующего воздуха, боковой электрод образует канал для выброса плазмы.
При повышенных температурах в камерах сгорания газотурбинных двигателей, а также повышенных температурах воздуха за компрессором, используемого для охлаждения таких свечей зажигания и обеспечения генерации плазменной струи, высокие тепловые потоки, воздействующие на рабочий торец и корпус свечей, приводят к возникновению трещин по границам стеклогерметика, расположенного в кольцевой полости между стержнем центрального электрода, искрообразующим изолятором, основным корпусом и керамической втулкой в экранной части свечи, также к расслоениям в зоне соединения данного герметика с основным 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 противопомпажных 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 искрообразующего изолятора, контактирующей со стеклогерметиком с закрепленным внутри центральным электродом. Электрический пробой внутри свечей исключает наличие электрического разряда в искровом зазоре свечей, соответственно срываются встречный запуск двигателя, последующий его обычный запуск.
Таким образом, указанная свеча зажигания [1], имеют низкую надежность при работе в условиях повышенных температур топливовоздушной смеси в зоне рабочего торца и воздуха за компрессором, т.е. обладает низкой термостойкостью.
Такими же недостатками обладают свечи с установкой экранной керамической втулки на герметик [2, 3, 4], который расположен в области воздействия повышенных температур из-за вторичного контура двигателя.
Частично указанных недостатков лишена свеча зажигания, принятая за прототип [5], представленная на фиг.1, 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 клиновой втулкой, обращенной большим сечением в сторону рабочего торца свечи, и стеклогерметизирующей втулкой, герметизирующий изолятор, во внутреннем канале которого в стеклогерметике закреплен токоведущий стержень, керамический трубчатый изолятор, цангу, соединяющую центральный электрод и токоведущий стержень, керамический трубчатый изолятор, между цангой и центральным электродом размещена оплетка-жгут из корозионно-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, и через металлическую втулку - в трубчатый керамический изолятор, который 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, 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 за его внутренний 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.
Наличие в свече отдельных узлов для герметизации свечи в дополнительном корпусе и для обеспечения искрообразования в основном корпусе свечи, вынесение узла герметизации в дополнительном корпусе из зоны воздействия повышенных температур камеры сгорания, позволяет исключить разгерметизацию свечей зажигания, обеспечить электропрочность при работе свечи с высоковольтными агрегатами зажигания, повысить ее термостойкость и герметичность в процессе работы двигателя.
Однако при использовании свечей зажигания, выполненных согласно прототипа, требуется их установка в специальные кожуха охлаждения с целью закрепления дополнительного бокового электрода свечи совместно с основным корпусом и формирования при этом плазмообразующего канала.
Свеча зажигания по [5] имеет достаточно высокие осевые размеры, обусловленные необходимостью компенсации изменения ее линейных размеров для обеспечения поджатия торцевой поверхности дополнительного бокового электрода свечи к внутренней поверхности кожуха, уплотнения свечи в кожух и обеспечения герметичности между свечой и корпусом кожуха, что усложняет ее конструкцию. Высокие осевые габариты свечи также затрудняют размещение трубопроводов двигателя в зоне соединения свечи с высоковольтным проводом, а наличие отдельного дополнительного бокового электрода вносит неудобства при извлечении свечи из кожуха: требуется извлечение кожуха из двигателя, а затем - свечи с боковым электродом из кожуха, что увеличивает трудоемкость работ по замене свечи на двигателе.
Таким образом, применение указанных свечей затрудняет монтаж на двигателе, увеличивает время его обслуживания, ограничивает применение таких свечей на промышленных газотурбинных установках, имеющих ограниченное пространство для их монтажа, например, из-за размещения трубопроводов и элементов автоматики.
Задачей настоящей полезной модели является уменьшение габаритных размеров свечей зажигания, снижение трудоемкости изготовления, повышение их воспламеняющей способности и термостойкости, уменьшение времени монтажа и демонтажа свечей на двигателе, например, с целью проверки их состояния в процессе эксплуатации.
Поставленная задача решается свечой зажигания для промышленных газотурбинных установок, у которой в отличие от прототипа боковой электрод выполнен неразъемным с основным корпусом свечи, на внешней цилиндрической поверхности бокового электрода имеются отверстия, выходящие в дополнительную кольцевую полость между боковой поверхностью искрообразующего изолятора и внутренней поверхностью бокового электрода, которая соединяется с тангенциальными канавками на рабочем торце искрообразующего изолятора, при этом цилиндрическое отверстие бокового электрода выходит в соосную цилиндрическую разрядную камеру высотой 5,1±0,1 мм и диаметром 8±0,1 мм, оболочка разрядной камеры имеет толщину 2±0,1 мм, на внешней поверхности бокового электрода в зоне рабочего торца выполнены сквозные продольные прорези, высота которых в осевом направлении свечи не менее высоты разрядной камеры, а глубина равна 0,5±0,1 мм, центральный электрод и токоведущий стержень соединены при помощи цанги, искрообразующий изолятор через буртик на его боковой поверхности поджат к внутреннему торцу бокового электрода посредством металлической втулки, закрепленной на внутренней поверхности основного трубчатого корпуса.
Уменьшение осевых габаритов и снижение трудоемкости изготовления предлагаемой свечи зажигания достигается за счет выполнения бокового электрода неразъемным с основным корпусом, поджатия искрообразующего изолятора через буртик на его боковой поверхности к внутреннему торцу бокового электрода посредством металлической втулки, закрепленной на внутренней поверхности основного трубчатого корпуса, что позволяет исключить из конструкции свечи элементы, необходимые для ее заворачивания в кожух охлаждения при установке на двигатель: пружину, оплетку-жгут из корозионно-стойких проволок, керамические изоляторы, между которыми в прототипе была установлена пружина.
Повышение воспламеняющей способности свечи достигается за счет генерации в объем камеры сгорания двигателя удлиненного, более устойчивого плазменного факела, что обеспечивается благодаря конструкции разрядной камеры, имеющей высоту 5,1±0,1 мм и диаметр 8±0,1 мм. Выполнение внутреннего диаметра разрядной камеры 8±0,1 мм и ее высоты 5,1±0,1 мм позволяют повысить устойчивость горения дуги в более широком диапазоне перепада давления между вторичным контуром двигателя и внутренним объемом камеры сгорания. Соответственно, повышаются стабильность и глубина проникновения плазменной струи в объем камеры сгорания, обеспечивая большую протяженность плазменного факела в зону обратных токов, тем самым повышая надежность воспламенения топливной смеси.
Повышение термостойкости осуществляется благодаря дополнительному охлаждению рабочего торца свечи за счет выполнения соотношения толщины оболочки разрядной камеры 2±0,1 мм и размеров продольных прорезей на внешней оболочке разрядной камеры, высота которых в осевом направлении свечи не менее высоты разрядной камеры, а глубина равна 0,5±0,1 мм, что увеличивает площадь обтекаемости рабочего торца воздухом из вторичного контура камеры сгорания. Соотношение толщины оболочки разрядной камеры 2±0,1 мм и глубины прорезей 0,5±0,1 мм обеспечивает наилучший отвод тепла от внутренней стенки разрядной камеры при контрагировании дуги на торцевой и внутренней поверхностях разрядной камеры. Это позволяет повысить термостойкость свечи, а следовательно, установить рабочий торец свечи на большую глубину в камеру сгорания и тем самым увеличить проникновение плазменной струи в зону обратных токов, то есть дополнительно повысить воспламеняющую способность свечи зажигания. Таким образом, конструкция предлагаемой свечи не требует ее обязательной установки в специальный кожух охлаждения, позволяет произвести установку свечи в камеру сгорания на большую глубину при исключении прогара рабочего торца и, как следствие, повысить надежность запуска двигателя.
При уменьшении осевых размеров и снижении трудоемкости изготовления свечей зажигания согласно полезной модели одновременно достигается уменьшение времени монтажа и демонтажа предлагаемых свечей на двигателях промышленных газотурбинных установок.
На фиг.1 представлена свеча зажигания - прототип, установленная в специальный кожух охлаждения.
На фиг.2 представлено конструктивное исполнение предлагаемой свечи зажигания (на фиг.2а - в специальном кожухе, на фиг.2б - без кожуха).
На фиг.3 представлено фото генерируемой плазменной струи предлагаемой свечи зажигания при ее установке в устройство, имитирующее монтаж свечи на камеру сгорания двигателя.
Свеча зажигания, представленная на фиг.2б, содержит основной трубчатый корпус 1 с установленным в нем искрообразующим изолятором 2, во внутреннем канале которого в стеклогерметике 3 закреплен центральный электрод 4, дополнительный корпус 5, частично размещенный внутри основного корпуса 1 и соединенный с ним герметично сваркой, с закрепленными в нем стеклогерметизирующей втулкой 6 и медной клиновой втулкой 7, обращенной большим сечением в сторону рабочего торца свечи, герметизирующей изолятор 8, во внутреннем канале которого в стеклогерметике 9 закреплен токоведущий стержень 10, экранную керамическую втулку 11, цангу 12, керамический трубчатый изолятор 13, противоположные торцы которого упираются соответственно в торец дополнительного корпуса 5 и в буртик 14 на боковой поверхности искрообразующего изолятора 2, боковой электрод 15, на рабочем торце искрообразующего изолятора 2 имеются тангенциальные канавки 16, соединяющие его боковую поверхность с кольцевой полостью 17, образованной конической поверхностью контакта центрального электрода 18 и кольцевой канавкой на рабочем торце искрообразующего изолятора 2, при этом внутренний торец бокового электрода 15 лежит на рабочем торце искрообразующего изолятора 2, боковой электрод 15 имеет соосное с контактом центрального электрода 18 отверстие цилиндрической формы 19, диаметр которого меньше диаметра контакта центрального электрода 18 в месте его сопряжения с торцевой поверхностью искрообразующего изолятора 2, боковой электрод 15 имеет также коническое отверстие 20, меньшим диаметром сопряженное с цилиндрическим отверстием бокового электрода 19, а большим диаметром выходящее за внутренний торец бокового электрода 15 на рабочем торце искрообразующего изолятора 2, коническое отверстие 20 бокового электрода 15 образует с боковой конической поверхностью контакта центрального электрода 18 кольцевую коническую полость 21, переходящую в цилиндрическое отверстие 19 бокового электрода 15, при этом боковой электрод 15 выполнен неразъемным с основным корпусом свечи 1, на внешней цилиндрической поверхности бокового электрода 15 имеются отверстия 22, выходящие в дополнительную кольцевую полость 23 между боковой поверхностью искрообразующего изолятора 2 и внутренней поверхностью бокового электрода 15, которая соединяется с тангенциальными канавками 16 на рабочем торце искрообразующего изолятора 2, цилиндрическое отверстие 19 бокового электрода 15 выходит в соосную цилиндрическую разрядную камеру 24 высотой Н, равной 5,1±0,1 мм и диаметром D, равным 8±0,1 мм, оболочка разрядной камеры 25 имеет толщину d, равную 2±0,1 мм, на внешней поверхности бокового электрода 15 в зоне рабочего торца выполнены сквозные продольные прорези 26, высота которых в осевом направлении свечи не менее высоты разрядной камеры 24, а глубина b равна 0,5±0,1 мм, центральный электрод 4 и токоведущий стержень 10 соединены при помощи цанги 12, искрообразующий изолятор 2 через буртик 14 на его боковой поверхности поджат к внутреннему торцу бокового электрода 15 посредством металлической втулки 27, закрепленной на внутренней поверхности основного трубчатого корпуса 1.
Свеча зажигания работает следующим образом.
При установке свечи на двигатель в процессе запуска воздух за счет перепада давления, создаваемого на выходе из компрессора между вторичным контуром и внутренней полостью камеры сгорания, поступает в отверстия 22 на внешней цилиндрической поверхности бокового электрода 15, выходящие в дополнительную кольцевую полость 23 между боковой поверхностью искрообразующего изолятора 2 и внутренней поверхностью бокового электрода 15. Затем воздух попадает в тангенциальные канавки 16 на рабочем торце искрообразующего изолятора 2, где происходит его закручивание. Высокое напряжение от агрегата плазменного зажигания прикладывается к токоведущему стержню 10 и через цангу 12 - к центральному электроду 4. Это приводит к формированию электрической дуги между боковым 15 и центральным 4 электродами, образующую под воздействием набегающего воздуха струю плазмы, которая выбрасывается через цилиндрическую разрядную камеру 24 в зоне рабочего торца в камеру сгорания двигателя.
Выполнение бокового электрода неразъемным с основным корпусом, поджатие искрообразующего изолятора через буртик на его боковой поверхности к внутреннему торцу бокового электрода посредством металлической втулки, закрепленной на внутренней поверхности основного трубчатого корпуса, позволяют уменьшить осевые габариты свечи и снизить трудоемкость ее изготовления, так как из конструкции свечи таким образом исключаются керамические изоляторы с установленной между ними пружиной и оплетка-жгут из корозионно-стойких проволок, которые в прототипе были необходимы для заворачивания свечи в кожух охлаждения при ее установке на двигатель.
Наличие разрядной камеры высотой 5,1±0,1 мм и диаметром 8±0,1 мм позволяет повысить устойчивость и стабильность горения дуги, увеличить глубину проникновения плазменной струи в объем камеры сгорания, тем самым повышая воспламеняющую способность свечи.
Соотношение толщины оболочки разрядной камеры 2±0,1 мм и размеров продольных прорезей на внешней оболочке разрядной камеры, высота которых в осевом направлении свечи не менее высоты разрядной камеры, а глубина равна 0,5±0,1 мм, обеспечивает дополнительное охлаждение рабочего торца свечи за счет увеличения площади обтекаемости рабочего торца воздухом из вторичного контура камеры сгорания, что позволяет повысить термостойкость свечи. Конструкция предлагаемой свечи не требует ее обязательной установки в специальный кожух охлаждения, позволяет произвести установку свечи в камеру сгорания на большую глубину и тем самым увеличить проникновение плазменной струи в зону обратных токов при исключении прогара рабочего торца и, как следствие, повышении надежности запуска двигателя.
При уменьшении осевых размеров и снижении трудоемкости изготовления свечей зажигания согласно полезной модели одновременно достигается уменьшение время монтажа и демонтажа предлагаемых свечей на двигателях промышленных газотурбинных установок.
Соединение центрального электрода и токоведущего стержня при помощи цанги обеспечивает компенсацию изменения линейных размеров элементов свечи при ее нагревании и охлаждении в процессе работы на двигателе.
Таким образом, предлагаемая полезная модель свечи зажигания обеспечивает уменьшение габаритных размеров, снижение трудоемкости изготовления, повышение ее воспламеняющей способности и термостойкости при одновременном уменьшении времени монтажа и демонтажа на двигателе, что позволяет использовать предлагаемое техническое решение на объектах, имеющих ограниченное пространство для установки свечи зажигания на двигателе.
Совокупность проведенных испытаний в составе промышленных газотурбинных установок показала эффективность предлагаемых свечей зажигания, что подтверждено Разрешением Ростехнадзора на эксплуатацию № РРС 00-33533, Заключением экспертизы промышленной безопасности «Ех НИИ» №11-ТУ-666-2008 (НХ).
Источники литературы:
1. Патент РФ №74522, МПК (8) H01T 13/00, 06.02.2008;
2. Патент РФ №1720459, МПК (4) H01T 13/00, 30.10.1989;
3. Патент РФ №51445, МПК (7) H01T 13/00, 09.08.2005;
4. Патент РФ №2285318, МПК (7) H01T 13/02, F23Q 5/00, 14.12.2004.
5. Патент РФ №52529, МПК (7) H01T 13/00, 24.10.2005.