СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ КАМЕР СГОРАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
IGNITION PLUG FOR COMBUSTION CHAMBERS OF POWER AND PROPULSION PLANTS

Изобретение относится к свечам зажигания энергетических и двигательных установок, работающих на экологически чистых видах топлива, и может быть использовано в частности в генераторах водяного пара высокого давления, например, используемых для выпарки каустической соды.
Известны малогабаритные свечи зажигания, содержащие корпус из жаропрочного металла, керамический изолятор, керамический изолятор с полупроводниковым элементом в виде кольца, центральный электрод, стеклогерметик, заключенный между корпусом, керамическим изолятором с полупроводниковым элементом и центральным электродом [1, 2].
Известны также свечи зажигания, содержащие корпус с размещенным в нем изолятором с каналом, снабженным центральным электродом, и закрепленную в корпусе в стеклогерметической втулке экранную керамическую втулку, медную втулку [3-7].
Все указанные свечи зажигания имеют ограниченную область применения, связанную с ограничением допустимых температур и давлений, воздействующих на них в процессе работ. Циклическое воздействие на них повышенных температур, обусловленных работой камеры сгорания, охлаждающего воздуха, также имеющего высокую температуру, так как он отбирается из-за компрессора, высоких тепловых потоков, приводит к размягчению стеклогерметика, стеклогерметизирующей втулки или повышению термомеханического напряжения в них, и как следствие, к возникновению трещин в стеклогерметике, расслоению стеклогерметика в зоне соединения с корпусом свечи. В свою очередь это приводит к прорыву горячих газов из камеры сгорания в подкапотное пространство двигателя. Растрескивание стеклогерметика способствует также снижению его электропрочности и, соответственно, электрическому пробою внутри свечи, а не по рабочему торцу в искровом зазоре свечи. В условиях включения свечей зажигания при повышенном давлении в зоне рабочего торца это приводит к незапуску камеры сгорания двигателя или энергетической установки по причине отсутствия искрообразования в искровом зазоре. Кроме того, при использовании экологически чистых видов топлива, таких как сжиженный природный газ, пропан, водород негерметичность свечей зажигания приводит к проникновению этих газов через свечу в окружающее двигатель или энергетическую установку пространство, создавая повышенную взрывоопасность воздушного судна или промышленной установки, в составе которой используются свечи зажигания.
Таким образом, свечи зажигания, описанные в [1-7], имеют низкую надежность при работе в условиях повышенных температур и давлений, исключают применение экологически чистых видов топлива, таких как природный газ, пропан, водород в двигательных и энергетических установках, требуют специальных дорогостоящих мер по обеспечению безопасности зон, в которых они используются, повышенного уровня взрывозащищенности объекта применения, системы зажигания, в составе которых они применяются [8, 9].
Частично указанных недостатков лишены свечи зажигания, описанные в [10-16], содержащие основной керамический изолятор с закрепленным в нем центральным электродом, размещенным в основном металлическом корпусе и образующим с ним искровой зазор, дополнительный керамический изолятор, размещенный в дополнительном металлическом корпусе, сваркой соединенным с основным металлическим корпусом, при этом дополнительный керамический изолятор закреплен в дополнительном металлическом корпусе с помощью медной втулки и стеклогерметической втулки, в дополнительном керамическом изоляторе также закреплен стержень центрального электрода, а в дополнительном металлическом корпусе - экранный керамический изолятор.
2
3
Узел, обеспечивающий герметичность описанных в [10-16] свечей зажигания, конструктивно удален от воздействия повышенных температур камер сгорания. Особенности конструкции дополнительного керамического изолятора и его закрепления в дополнительном корпусе стеклогерметической втулкой и медным клином исключают потерю электропрочности свечей при возникновении трещин в стеклогерметике, так как электропрочность свечей зажигания обеспечивается непосредственно дополнительным керамическим изолятором. Однако свечи зажигания [10-16] не обеспечивают необходимого уровня герметичности при циклическом совместном воздействии повышенных давлений и температур, так как не исключают имеющих место в свечах [1-8] микротрещин и расслоений стеклогерметика, которые приводят к разгерметизации. Если при давлениях в камере сгорания до 40-50 кгс/см при использовании керосина в качестве топлива свечей, описанных в [10-16], обеспечивается приемлемый для двигательных и энергетических установок уровень герметичности - утечка не превышает значения 10 см за 60 с, то при применении экологически чистых видов топлива, таких как природный газ, пропан, водород, такой уровень утечек через свечи не приемлем, так как приводит к накоплению в подкапотном пространстве двигательных установок или производственной зоне, в которой установлена энергетическая установка (газотурбинные электростанции, генераторы пара высокого давления и т.д.), взрывоопасной смеси. Это требует проведения специальных мероприятий по обеспечению взрывозащиты с использованием электрооборудования с повышенным уровнем взрывозащищенности, что значительно усложняет конструкции двигательных и энергетических установок, увеличивает их массу, уменьшает надежность, уменьшает эксплуатационную технологичность.
Повышение эксплуатационных характеристик газотурбинных двигательных и энергетических установок, уменьшение их массы совместно с увеличением рабочего давления в камерах сгорания увеличивает утечку взрывоопасной смеси при использовании свечей, описанных в [10-16], и тем самым усложняет эксплуатацию.
Указанных недостатков лишена свеча зажигания, описанная в [17] (см. фиг.1), принятая за прототип, содержащая трубчатый корпус 1, экранную керамическую трубку 2, размещенную внутри корпуса 1, керамический изолятор 3, запаянный герметично в корпусе 1, снабженный контактной головкой 4 и коническим колпачком 5, припаянным к ножке изолятора 3 со стороны экранной керамической трубки 2 и стержню центрального электрода одновременно, причем центральный электрод состоит из стержня 6, эластичной термокомпенсационной шинки 7, выполненной в виде изогнутой металлической полосы, соединенной точечной сваркой со стержнем 6 и металлическим диском 8, припаянным ко дну цилиндрического колпачка 9, герметично запаянного в керамическом изоляторе 3 со стороны рабочего торца свечи, электрода центрального электрода 10, размещенного внутри колпачка 9, соединенного с ним сваркой, контакты центрального 11 и бокового 12 электродов, образующих с керамическим изолятором 3 кольцевой искровой зазор 13.
2
Паяные металлокерамические соединения свечи, описанной в [17], исключают утечки через свечу, обеспечивают высокий уровень герметичности до давлений в 600 кгс/см [18], что обеспечивает высокую надежность и герметичность свечей при использовании экологически чистых видов топлива (природного газа, пропана, водорода). Это позволяет значительно упростить меры по обеспечению взрывозащиты двигательных или энергетических установок, на которых используются такие свечи зажигания.
Однако при использовании свечей зажигания, принятых за прототип, на двигательных и энергетических установках с повышенным уровнем вибрационных воздействий на свечи возможно нарушение целостности термокомпенсирующей шинки, которое приводит к появлению в цепи центрального электрода свечи зазора, требующего повышения выходного напряжения агрегата зажигания для его пробоя, кроме этого дополнительный зазор центрального электрода приводит к дополнительным потерям энергии по месту разрыва шинки, так как в этом случае в цепи центрального электрода возникает электрический разряд, дополнительный к искровому разряду на рабочем торце свечи, используемому для воспламенения топливной смеси. Генерация этого дополнительного искрового разряда к искровому разряду на рабочем торце свечи уменьшает энергию, выделяемую в искровом разряде, используемом для воспламенения топливной смеси в камере сгорания, что уменьшает надежность воспламенения топливной смеси и надежность запуска камеры сгорания двигательных или энергетических установок.
Таким образом, свеча зажигания, принятая за прототип, имеет пониженную надежность при использовании в условиях повышенного уровня вибрации, обусловленного особенностями работы двигательных и энергетических установок.
Целью изобретения является повышение надежности свечей зажигания за счет исключения обрыва электрической цепи по центральному электроду.
2
3
2
Поставленная задача решается свечой зажигания, содержащей трубчатый металлический корпус, экранную керамическую трубку, закрепленную внутри металлического корпуса, керамический изолятор, запаянный герметично в трубчатом металлическом корпусе, контактную головку, пайкой соединенную с коническим колпачком, припаянным герметично к ножке керамического изолятора со стороны экранной керамической трубки и к стержню центрального электрода, размещенному во внутренней полости керамического изолятора, цилиндрический колпачок, обращенный дном в сторону стержня центрального электрода и запаянный герметично с керамическим изолятором по его внутренней поверхности со стороны рабочего торца свечи зажигания, электрод центральный, размещенный во внутренней полости цилиндрического колпачка, соединенный с ним сваркой, контакт бокового электрода, соединенный с металлическим корпусом свечи со стороны ее рабочего торца, контакт центрального электрода, размещенный непосредственно на центральном электроде с образованием между контактами центрального и бокового электродов кольцевого искрового зазора по торцевой поверхности керамического изолятора, при этом стержень центрального электрода соединен с дном цилиндрического колпачка клепкой и пайкой, при этом отношение внешнего диаметра цилиндрического колпачка к толщине его дна находится в пределах от 25 до 44, толщина дна и стенок колпачка не превышает 0,2 мм, материал цилиндрического колпачка и стержня центрального электрода содержит (28,5-29,5)% никеля, (17-18)% кобальта и (51,14-54,5)% железа, а керамический изолятор содержит (90-94)% АlO, (4-4,4)% SiO, (1-1,6)% CaO.
2
3
2
Новым, согласно изобретению, является то, что стержень центрального электрода соединен с дном цилиндрического колпачка клепкой и пайкой, отношение внешнего диаметра цилиндрического колпачка к толщине его дна находится в пределах от 25 до 44, толщина дна и стенок колпачка не превышает 0,2 мм, материал, из которого выполняется стержень центрального электрода и цилиндического колпачка содержит (28,5-29,5)% никеля, (17-18)% кобальта, не менее (51,14-54,5)% железа, а керамический изолятор выполнен из материала, содержащего (90-94)% АlО, (4-4,4) % SiO, (1-l,6)% CaO.
2
3
2
Закрепление клепкой одного из торцев стержня центрального электрода непосредственно с дном цилиндрического колпачка исключает обрыв электрической цепи свечи по центральному электроду, имевшему место в прототипе (обрыв термокомпенсационной шинки 7, см. фиг.2). Соединение стержня центрального электрода с дном цилиндрического колпачка дополнительно пайкой (например, серебром) повышает прочность этого соединения и обеспечивает уменьшение переходных сопротивлений в этом соединении и тем самым уменьшает сопротивление по цепи центрального электрода, уменьшая потери энергии в нем и обеспечивая повышение энергии, реализуемой в процессе работы агрегата зажигания (протекание разрядного тока) в искровом зазоре на рабочем торце свечи. Выполнение цилиндрического колпачка с толщиной стенок не более 0,2 мм обеспечивает исключение возникновения трещин, приводящих к разрушению керамического изолятора при большой скорости изменения температур на рабочем торце свечи зажигания. Выполнение отношения внешнего диаметра цилиндрического колпачка к толщине его дна в пределах от 25 до 44, а также выполнение стержня центрального электрода и цилиндрического колпачка из материала, содержащего (28,5-29,5)% никеля, (17-18)% кобальта, не менее (51,14-54,5)% железа, а керамического изолятора из материала, содержащего (90-94)% АlО, (4-4,4)% SiO, (1-1,6)% СаО обеспечивает исключение обрыва стержня центрального электрода при изменении температуры на свечах за счет обеспечения близких температурных коэффициентов материалов керамического изолятора, стержня центрального электрода, цилиндрического колпачка при медленном изменении температуры и за счет изменения величины изгиба дна цилиндрического колпачка, выполняющего роль термокомпенсирующей мембраны при высокой скорости изменения температур в зоне рабочей части свечи.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает исключение нарушения электрической цепи по центральному электроду свечи при воздействии повышенных вибрационных нагрузок, сохраняя при этом работоспособность в широком диапазоне быстро изменяющихся воздействующих температур. Это позволяет обеспечить сохранение энергии, выделяемой в искровом зазоре свечи в процессе протекания искрового разряда при работе системы зажигания, достаточной для воспламенения топливной смеси. Таким образом, предлагаемое изобретение повышает надежность работы свечей зажигания.
2
3
2
Предлагаемая свеча зажигания для двигательных и энергетических установок (см. фиг.3) содержит трубчатый металлический корпус 1, экранную керамическую трубку 2, закрепленную внутри металлического корпуса 1, керамический изолятор 3, запаянный герметично в металлическом корпусе, контактную головку 4, пайкой соединенную с коническим колпачком 5, припаянным герметично к ножке керамического изолятора со стороны экранной керамической трубки и к стержню центрального электрода 6, размещенного во внутренней полости керамического изолятора 3, цилиндрический колпачок 7, обращенный дном в сторону стрежня центрального электрода 6 и запаянного герметично с керамическим изолятором 3 по его внутренней поверхности со стороны рабочего торца свечи зажигания, электрод центрального электрода 8, размещенный во внутренней полости цилиндрического колпачка 7 и соединенный с ним сваркой, контакт бокового электрода 9, соединенный с металлическим корпусом 1 свечи со стороны ее рабочего торца, контакт центрального электрода 10, размещенный непосредственно на электроде центрального электрода 8 с образованием между контактом бокового электрода 9 и центрального электрода 10 кольцевого искрового зазора 11, при этом стержень центрального электрода 6 соединен с дном цилиндрического колпачка клепкой и пайкой, а отношение внешнего диаметра цилиндрического колпачка 7 к толщине дна колпачка находится в пределах от 25 до 44, толщина дна и стенок цилиндрического колпачка не превышает 0,2 мм, материал цилиндрического колпачка 7 и стержня центрального электрода 6 содержит (28,5-29,5)% никеля, (17-18)% кобальта, не менее (51,14-54,5)% железа, а керамический изолятор выполнен из материала, содержащего (90-94)% АlО, (4-4,4)% SiO, (1-1,6)% CaO.
Предлагаемая свеча зажигания работает следующим образом. При приложении выходного напряжения агрегата зажигания непосредственно через высоковольтные провода зажигания (на фиг.3 не показаны) к контактной головке 4 и корпусу 1 возникает разность потенциалов между контактами центрального 10 и бокового 9 электродов и электрический пробой по кольцевой поверхности керамического изолятора 3, образующей искровой зазор 11. Посредством электрической искры, генерируемой в искровом зазоре, осуществляется воспламенение топливной смеси в камере сгорания и ее запуск. В процессе запуска и работы камеры сгорания на свечу зажигания воздействует повышенное давление, а также изменяющаяся в широком диапазоне температура.
При использовании экологически чистых видов топлива (природный газ, пропан, водород), с учетом специфичности хранения этих газов в жидком состоянии, температура на свечах может изменяться от минус 196 до плюс 700°С. Конструктивные особенности свечи, а именно закрепление стрежня центрального электрода посредством клепки в дне колпачка 7 обеспечивает исключение нарушения целостности цепи центрального электрода. Дополнительное соединение пайкой (например, серебром) к клепке стержня центрального электрода 6 с цилиндрическим колпачком 7 исключает повышение переходного сопротивления клепаного соединения, обусловленное воздействием на него термомеханических нагрузок при изменении температуры и повышенном уровне вибрации, приводящих к нарушению целостности этой цепи свечи зажигания, принятой за прототип.
2
3
2
Выполнение толщины стенок цилиндрического колпачка не более 0,2 мм исключает возникновение в керамическом изоляторе трещин, приводящих в процессе циклического воздействия изменения температур на свече к разрушению керамического изолятора 3 и прорыву взрывоопасных газов в подкапотное пространство двигателя или производственную зону, в которой размещается энергетическая установка (в частности генератор водяного пара высокого давления). Выполнение цилиндрического колпачка, стержня центрального электрода из материала, содержащего (28,5-29,5)% никеля, (17-18)% кобальта, не менее (51,14-54,5)% железа, а керамического изолятора 3 из материала, содержащего (90-94)% АlО, (4-4,4) % SiO, (1-1,6) % СаО при обеспечении внешнего диаметра цилиндрического колпачка к толщине его дна в пределах от 25 до 44 при максимальной толщине дна и стенок колпачка 0,2 мм обеспечивает исключение обрыва стержня как при медленном, так и при быстром изменении температур в рабочей части свечи за счет обеспечения близких температурных коэффициентов и использования колпачка в качестве термокомпенсационной мембраны, изменяющей свой изгиб при быстрой смене температур.
Таким образом, конструктивные особенности предлагаемой свечи исключают обрыв электрической цепи по центральному электроду за счет сохранения целостности стержня центрального электрода в условиях воздействия вибрационных нагрузок и быстроизменяющихся воздействующих на свечу температур. При этом сохраняется целостность керамического изолятора.
2
Проведенные испытания показали, что в условиях воздействия вибрационных нагрузок, приводящих к разрушению термокомпенсационной шинки, и, соответственно, к отказу системы зажигания при использовании свечи прототипа применение предлагаемого изобретения обеспечивает целостность цепи по центральному электроду и сохранение свечей герметичными в условиях воздействия температур от минус 250 до плюс 700°С и давлении до 240 кгс/см.
Указанные преимущества позволяют повысить надежность свечей зажигания для их применения в составе двигательных и энергетических установок, использующих экологически чистые виды топлива (природный газ, пропан, водород), в том числе в промышленных генераторах водяного пара высокого давления. Использование предлагаемого изобретения позволяет уменьшить затраты на обеспечение мероприятий по взрывозащите применяемого на этих изделиях электрооборудования, повысить безопасность эксплуатации.
Источники литературы:
1. Патент РФ №1720459, 30.03.1994 г.
2. Патент США №4951173, 21.08.1990 г.
3. Патент РФ №2285318, 10.10.2006 г.
4. Патент Японии №1200587, 08.11.1989 г.
5. Свеча зажигания СП-24 ВИ. Руководство по эксплуатации 8Г3.242.152РЭ.
6. Свеча зажигания СП-04М. Руководство по эксплуатации 8Г3.242.251РЭ.
7. Патент РФ №51445, 10.02.2006 г.
8. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), Госэнергонадзор, 2001 г.
9. ГОСТ Р 51330.0-99 Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 0. Общие требования.
10. Патент РФ №51446, 10.02.2006 г.
11. Патент США №RE34152, 29.12.1992 г.
12. Патент РФ №51793, 27.02.2006 г.
13. Патент РФ №94071, 10.05.2010 г.
14. Патент РФ №32028023, 27.01.1995 г.
15. Патент РФ №51446, 10.02.2006 г.
16. Патент РФ №2007004, 30.01.1994 г.
17. Свеча зажигания СЭ-31Б кл. П2В. Руководство по эксплуатации 8Г3.244.071РЭ.
18. Свеча зажигания СЭ-31Б кл. П2В. Технические условия 8Г3.244.071 ТУ