СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения, в частности - к устройствам для розжига камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей.
Известна свеча зажигания для газотурбинных реактивных двигателей [1], содержащая корпус из жаропрочного металла, керамический изолятор, полупроводниковый элемент, центральный электрод, содержащий рабочую часть, контактный стержень, стеклогерметическую втулку, заключенную между корпусом, полупроводниковым элементом и стержнем центрального электрода.
Однако такие свечи имеют существенные недостатки. При повышении температуры и давления в зоне расположения рабочего торца и, соответственно, увеличении тепловых потоков в зону герметизации свечи - стеклогерметическую втулку, свеча теряет герметичность и электропрочность по этой втулке при ее включении от высоковольтных емкостных систем зажигания.
Потеря электропрочности происходит по границе стеклогерметической втулки с полупроводниковым элементом с формированием разрядного канала между центральным электродом и корпусом, таким образом, эти свечи, в условиях воздействия повышенных температур, обладают пониженным ресурсом и низкой надежностью по обеспечению герметичности, т.е. свечи имеют относительно низкую термостойкость.
Частично указанных недостатков лишена свеча зажигания [2], содержащая экранную керамическую трубку, корпус из коррозионностойкого сплава, закрепленный в нем искрообразующий изолятор, состоящий из основного изолятора и полупроводникового керамического элемента в виде грибка, медной клиновой втулки, обращенной своим большим поперечным сечением в сторону, обратную рабочему торцу свечи, которая закрепляет
изолятор в корпусе, центральный электрод, закрепленный в стеклогерметической втулке во внутреннем канале искрообразующего изолятора коаксиально корпусу свечи, стеклогерметическую втулку, размещенную между ножкой стеклоизолятора медной клиновой втулкой и корпусом, который образует в зоне рабочего торца полупроводникового элемента боковой электрод, толщина которого равна или превышает 5 мм, рабочий торец центрального электрода заглублен относительно рабочего торца полупроводникового элемента, основание основного изолятора, на котором закреплен грибообразный полупроводниковый элемент, и полупроводниковый элемент, имеют одинаковый внешний диаметр.
Раздельная герметизация свечи по центровому электроду в канале искрообразующего изолятора с помощью стеклогерметика и между искрообразующим изолятором и корпусом стеклогерметической втулкой обеспечивает надежную герметизацию свечи при воздействии повышенных температур.
Однако, при этом в полупроводниковом керамическом элементе на отдельных свечах, при изготовлении и в процессе циклического воздействия повышенных температур возникают трещины, снижающие электропрочность свечи и ограничивающие ее ресурс.
Возникновение указанных трещин связано со следующим.
При изготовлении свечи, после закрепления искрообразующего изолятора в корпус с помощью медной клиновой втулки, производят герметизацию свечи путем опрессовки стеклогерметической втулки между ножкой основного изолятора и корпусом, при температуре размягчения материала стеклогерметической втулки.
После остывания корпуса, в связи с тем, что коэффициент термического расширения корпуса значительно выше температурного коэффициента керамического изолятора и полупроводниковых керамических материалов, в корпусе возникают сжимающие механические напряжения, передающиеся на поверхность рабочего торца полупроводникового элемента.
В связи с тем, что рабочий торец полупроводникового керамического элемента и внутренний торец корпуса свечи обрабатываются на разных технологических базах, плотное прилегание их друг к другу невозможно.
Поэтому усилия корпуса передаются на полупроводниковый элемент неравномерно в точках, приближенных к внешней поверхности рабочего корпуса. Это приводит к значительному возрастанию давления корпуса на полупроводниковый керамический элемент и возникновению в нем трещин, уменьшающих электропрочность свечей. При попадании в разрядную камеру свечи жидкой фазы топлива, например, керосина, электрический разряд протекает в этих трещинах и топливовоздушная смесь не воспламеняется.
Аналогичные процессы происходят при циклическом изменении температуры, что приводит к циклическому воздействию на полупроводниковый керамический элемент механических усилий от остывающего корпуса.
Задачей решаемой, заявляемой полезной моделью, является повышение ресурса свечи за счет исключения возникновения в полупроводниковом керамическом элементе трещин.
Поставленная задача решается свечей зажигания для газотурбинного двигателя, содержащей экранную керамическую трубку, корпус, закрепленный в нем искрообразующий изолятор, состоящий из основного изолятора и полупроводникового керамического элемента в виде грибка, медную клиновую втулку, обращенную своим большим сечением к экранной керамической втулке, которая закрепляет изолятор в корпусе, центральный электрод, закрепленный стеклогерметиком во внутреннем канале искрообразующего изолятора, коаксиальном корпусу свечи, стеклогерметическую втулку, размещенную между ножкой искрообразующего изолятора, медной клиновой втулкой и корпусом, образующим в зоне рабочего торца полупроводникового керамического элемента боковой электрод, толщина которого δ равна или превышает 5 мм, с образованием коаксиальной разрядной камеры, диаметр которой больше диаметра рабочей части
центрального электрода, заглубленной по отношению к рабочей поверхности полупроводникового керамического элемента.
-6
Новым, согласно заявляемой полезной модели, является то, что диаметр внешней поверхности полупроводникового керамического элемента меньше диаметра внешней поверхности основного изолятора в зоне их соединения на (7,0-15,0)%, при этом часть корпуса от рабочего торца до медной клиновой втулки выполнена из сплава, имеющего коэффициент термического расширения (11,7-14,6)×10, например, ХН50ВМТЮБ ТУ 14-1-3046-80.
-6
Выполнение диаметра керамического элемента меньше диаметра внешней поверхности изолятора на величину (7,0-15,0)%, а также выполнение части корпуса из материала с коэффициентом термического расширения (11,7-14,6)×10 позволяет избежать давления корпуса на полупроводниковый керамический элемент и исключить возникновение в нем трещин. Экспериментальные исследования и лабораторные ресурсные испытания [4] показали: при соотношении размеров - диаметр внешней поверхности полупроводникового керамического элемента меньше диаметра внешней поверхности основного изолятора на 20-26% -технологически неизбежные потери составляют 10-20% и увеличение вероятности появления трещин при эксплуатации на 10-20% по сравнению с заявляемой конструкцией.
На фиг.1 представлена заявляемая свеча зажигания для газотурбинных двигателей, содержащей экранную керамическую трубку 1, корпус 2 и закрепленный в нем искрообразующий изолятор, состоящий из основного изолятора 3 и полупроводникового керамического элемента 4 в виде грибка, медную клиновую втулку 5, центральный электрод 6, закрепленный стеклогерметиком 7 во внутреннем канале искрообразующего изолятора, коаксиальном корпусу свечи, стеклогерметическую втулку 8, размещенную между ножкой 9 искрообразующего изолятора, медной клиновой втулкой 5 и корпусом 2, образующим в зоне рабочего торца 10 полупроводникового керамического элемента 4 боковой электрод 11, толщина которого δ равна или превышает 5 мм, с образованием коаксиальной разрядной камеры 12, диаметр
pk
э
пкэ
из
7-
6
D которой больше диаметра рабочей части центрального электрода О, заглубленной по отношению к рабочей поверхности полупроводникового керамического элемента, диаметр внешней поверхности полупроводникового керамического элемента D меньше диаметра внешней поверхности основного изолятора В в зоне соединения полупроводникового керамического элемента и основного изолятора на (7,0-15,0)%, при этом часть корпуса от рабочего торца до медной клиновой втулки выполнена из сплава, имеющего коэффициент термического расширения (11,14,6)×10, например, ХН50 ВМТЮБ.
Свеча зажигания работает следующим образом. Высокое напряжение от емкостного агрегата зажигания прикладывается к центральному электроду 6 и к корпусу 2, образующему в зоне рабочего торца свечи боковой электрод 11. Между электродами свечи на поверхности полупроводникового элемента 4 возникает мощный емкостный электрический разряд с генерацией плазменного выброса в объем камеры сгорания из разрядной камеры 12 свечи.
пкэ
из
-6
При изготовлении свечей, за счет выполнения диаметра полупроводникового керамического элемента В меньше диаметра внешней поверхности изолятора Н на величину (7,0-15,0)%, а также выполнения части корпуса из материала с коэффициентом температурного расширения (11,7-14,6)×10, уменьшаются термомеханические усилия, возникающие при остывании корпуса после горячей опрессовки стеклогерметической втулки.
При воздействии на рабочий торец свечи высоких температур работающего двигателя, происходит термическое расширение всех элементов свечи. При последующем охлаждении свечи корпус охлаждается раньше других частей свечи, находящихся внутри корпуса, возникают значительные нагрузки на полупроводниковый керамический элемент в зоне рабочего торца. Однако, при заявленном исполнении элементов свечи, уменьшается вероятность возникновения трещин в полупроводниковом керамической элементе за счет уменьшения механических напряжений в нем.
Заявляемая конструкция за счет выбранного соотношения размеров -диаметр внешней поверхности полупроводникового керамического элемента меньше диаметра внешней поверхности основного изолятора в зоне их соединения на (7,0-15,0)%, изменяет характер механического нагружения полупроводникового элемента и уменьшает вероятность возникновения трещин в нем.
Кроме того, выполнение соотношения внешних диаметров полупроводникового керамического элемента и основного изолятора согласно предлагаемой полезной модели, позволяет исключить совместную шлифовку внешних диаметров этих деталей, при которой в полупроводниковый керамический элемент вносятся механические напряжения, как это имеет место в прототипе. Механические напряжения в полупроводниковом керамическом материале, закладываемые при такой шлифовке, невозможно снять термической нормализацией в связи с тем, что ее температура превышает термостойкость глазури, с помощью которой полупроводниковый керамический элемент соединен с основным керамическим изолятором в свечах, выполненных как в [2]. При этом полупроводниковый элемент, с внешним диаметром меньше диаметра внешней поверхности основного изолятора на 3% за счет несоосности деталей после сборки может подвергаться шлифовке внешней поверхности полупроводникового элемента с одной стороны, что также вносит в него механические напряжения, которые также невозможно устранить нормализацией.
Результаты эксплуатации прототипа, заявляемой конструкции и экспериментальные исследования и лабораторные ресурсные испытания показали следующие результаты: (см. таблицу 1)
-6
При выполнении части корпуса от рабочего торца до медной клиновой втулки из сплава, имеющего коэффициент термического расширения (11,7-14,6)×10, также за счет уменьшения разности температурных коэффициентов
расширения керамических деталей и материала корпуса, значительно уменьшается давление корпуса на полупроводниковый керамический элемент.
Повышенная способность свечи выдерживать высокие температуры обеспечивает возможность заглубления свечи в камеру сгорания, и, как следствие, расширяет пусковые характеристики двигателя.
Эффективность предлагаемого решения подтверждена результатами испытаний и эксплуатации свечей в составе двигателей ТВ7-117С (М) [3].
Полезная модель обеспечивает повышенную электропрочность свечей, работу свечей при повышенных температурах, обеспечивает увеличенный ресурс свечей, надежность.
Источники информации:
1.Патент РФ №1720459, МПК (5) Н 01 Т 13/00, 30.03.1994.
2. УНПП «Молния»// Руководство по эксплуатации свечей СП-51П, 8Г3.242.111РЭ,Уфа, 1976.
3. УНПП «Молния»// Технические акты ИС-98/51, Ис-96/6, ИС-92/92, ИС-93/173. Уфа.
Таблица
Д<sub>пкэ</sub>/Д<sub>из </sub>%
Результат
Причины появления дефекта, закладываемые при изготовлении
Причины появления дефекта, закладываемые в эксплуатации
Дефект
0-3
Отрицательный
Шлифовка одной из боковых поверхностей за счет несоосности деталей при сборке
Механические напряжения, не подлежащие устранению нормализацией при изготовлении
Увеличение трещин при изготовлении и эксплуатации
7-15
Положительный
Отсутствие шлифовки боковой поверхности полупроводникового керамического элемента
Отсутствуют механические напряжения
Снижение вероятности возникновения трещин при изготовлении и эксплуатации
20-26
Отрицательный
Отсутствие шлифовки боковой поверхности
Увеличиваются механические напряжения от воздействия корпуса при термическом напряжении в эксплуатации
Увеличение трещин при эксплуатации