СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиационному двигателестроению, в частности к системе зажигания газотурбинного двигателя и конструкции свечи зажигания.
Известна свеча зажигания газотурбинного двигателя (RU 2215348), содержащая корпус, расположенный в нем центральный электрод и кожух, охватывающий корпус с образованием охлаждающей полости, снабженный впускным и выпускным отверстиями и отражателем с выходным отверстием, причем отражатель скреплен с торцом кожуха перегородкой, выполненной в форме незамкнутого кольца по профилю кожуха, и образует над торцом электрода щелевой канал, выпускное отверстие охлаждающей полости выполнено на торце кожуха между электродом и участком перегородки, расположенной напротив ее незамкнутой части, а выходное отверстие отражателя соединено со щелевым каналом, отличающаяся тем, что отражатель выполнен в форме диска с вырезом, расположенным со стороны незамкнутой части перегородки, а его выходное отверстие соединено с вырезом.
Недостатком указанной свечи является зависимость длины плазменного разряда от перепада давления на жаровой трубе основной камеры сгорания и значительный снос ионизированного газа вдоль стенки жаровой трубы без контакта с зоной обратных токов, что ухудшает процесс воспламенения. Смещение вихря зоны обратных токов снижает пусковые характеристики свечи, а также ее надежность и ресурс.
Известна свеча зажигания газотурбинного двигателя (RU 2130222), содержащая корпус с расположенным в нем центральным электродом, кожух, охватывающий корпус с образованием охлаждающей полости, снабженный впускными и выпускными отверстиями, а также выходным отверстием на торце, и экраном, выполненным с внутренней полостью, сообщенной отверстиями с охлаждающей полостью кожуха и с полостью горения, отличающаяся тем, что экран скреплен с торцом со стороны центрального электрода, а стенки экрана, образующие внутреннюю полость, выполнены незамкнутыми в направлении течения рабочего тела.
Наиболее близкой, принятой за прототип является свеча зажигания газотурбинного двигателя, (RU 52529), содержащая основной трубчатый корпус с установленным в нем искрообразующим изолятором, во внутреннем канале которого 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, экранную керамическую изолирующую втулку, керамический трубчатый изолятор, рабочий торец искрообразующего изолятора 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.
Недостатком прототипа является то, что в нем воздух в искровой зазор подводится с перепадом давления, равным перепаду на жаровой трубе камеры сгорания, которое в начальный момент запуска двигателя очень мало (десятые доли атмосферы), а наличие тангенциальных канавок, закручивающих поступающий воздух к торцу центрального электрода, расширяет выходящий поток плазмы, уменьшая его длину.
Заявляемая полезная модель решает задачу повышения воспламеняющей способности свечи и системы зажигания путем увеличения осевой протяженности электрического разряда в направлении от рабочего торца центрального электрода и обеспечения надежного контакта топливовоздушной смеси с источником воспламенения - электрическим разрядом за счет проникновения плазмы электрического разряда в зону обратных токов камеры сгорания двигателя.
Технический результат заключается в улучшении пусковых характеристик двигателя за счет создания направленного скоростного потока воздуха или топливовоздушной смеси в искровом зазоре свечи при запуске.
Технический результат достигается тем, что свеча зажигания газотурбинного двигателя, содержит корпус с расположенным в нем искрообразующим изолятором и центральным электродом, при этом рабочий торец искрообразующего изолятора выступает за внешний торец центрального электрода, кожух, охватывающий корпус с образованием охлаждающей полости, снабженный впускными и выпускными отверстиями, а также выходным отверстием на торце, и экраном, выполненным с внутренней полостью, сообщенной отверстиями с охлаждающей полостью кожуха и с полостью горения, причем согласно предлагаемой полезной модели искрообразующий изолятор выполнен с продольными и радиальными каналами, сообщенными с торцом центрального электрода, в кожухе свечи выше наружного корпуса, установлен клапан, прижимаемый к входному штуцеру, связанному с устройством подачи топливовоздушной смеси, в канале выхода штуцера установлен жиклер, сообщенный с отверстиями в корпусе свечи, продольными и радиальными каналами в искрообразующем изоляторе, экран выполнен с цилиндрическим углублением сообщающимся с выполненным в форме кумулятивной воронки выходным отверстием на торце кожуха.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - Свеча зажигания газотурбинного двигателя (продольный разрез).
Фиг. 2 - Схема устройства подачи топливовоздушной смеси.
Свеча зажигания газотурбинного двигателя (Фиг. 1) содержит корпус 1, расположенный в нем центральный электрод 2 и кожух 3, охватывающий корпус 1 с образованием охлаждающей полости 4 и сообщенный впускными отверстиями 5 и радиальными выпускными отверстиями 6, а также выходным отверстием 7 на торце 8 кожуха 3. Кожух 3 с полым экраном 9, образующим полость 10 внутри экрана 9, скреплен с торцом 8 со стороны центрального электрода 2. Экран 9 выполнен с цилиндрическим углублением 11, сообщающимся с выходным отверстием 7, выполненным в форме кумулятивной воронки на торце 8 кожуха 3. Внутренняя полость 10 экрана 9 сообщается отверстиями 6 с охлаждающей полостью 4 кожуха 3 и отверстиями 12 - с полостью горения 13 внутри жаровой трубы 14. В кожухе свечи 3 выше наружного корпуса 16, установлен клапан 17, прижимаемый пружиной 18 к седлу входного штуцера 19. Прижатие пружины 18 регулируется шайбой 20. В канале выхода клапана установлен жиклер 21, пропускающий сжатый воздух к отверстиям 22 в корпусе свечи 1, через которые он попадает в продольные и радиальные каналы 23 в искрообразующем изоляторе 24, выходящие к торцу центрального электрода 2. Показан также поток 15 охлаждающего воздуха между наружным корпусом 16 камеры сгорания и стенкой жаровой трубы 14.
Устройство подачи топливовоздушной смеси (Фиг. 2) содержит баллон со сжатым воздухом 25, соединенный трубопроводом с регулируемым редуктором 26, электромагнитным отсечным клапаном 27 и входным штуцером свечи 19. Другой трубопровод соединяет баллон 25 с отсечным электроклапаном с дренажом 28, далее с воздушной полостью 29 топливного аккумулятора 30. Деформируемая мембрана 31 разделяет воздушную полость 29 от топливной полости 32. Топливный насос 33 соединен с топливным баком (не показан), выходным трубопроводом высокого давления через обратный клапан 34 с топливной полостью 32 аккумулятора 30, а также через редуктор 26 и отсечной клапан 27 с входным штуцером свечи 19.
Свеча работает следующим образом.
При подаче напряжения от дугового источника питания на центральный электрод 2 высокое напряжение приводит к возникновению электрической дуги между центральным электродом 2 и внутренней боковой поверхностью охватывающего корпуса 1.
Для воспламенения топливовоздушной смеси при запуске основной камеры сгорания газотурбинного двигателя поток газообразного рабочего тела, например, сжатого воздуха, подаваемого из баллона 25, через редуктор 26 и открытый отсечной клапан 27, через входной штуцер 19, жиклер 21, отверстия 22, продольные и радиальные каналы 23 в искрообразующем изоляторе 24, поступает к торцу центрального электрода 2, где, нагреваясь и расширяясь за счет импульсного высоковольтного разряда и местного давления подачи рабочего тела, разгоняется в кумулятивной воронке выходного отверстия 7 и, образуя вихревые кольца в цилиндрическом углублении центрального канала 11, создает выброс плазмы на значительную длину в полость горения 13 камеры сгорания, обеспечивая заброс плазмы в зону обратных токов фронтового устройства жаровой трубы.
Из баллона 25 по второму трубопроводу сжатый воздух подается к электромагнитному отсечному клапану с дренажом 28 и далее в воздушную полость 29 топливного аккумулятора 30. Созданное давление воздуха через мембрану 31 передается топливу в полости 32, вытесняя его через трубопровод, редуктор 26 и открытый отсечной электромагнитный клапан 27 в входной штуцер 19, где топливо смешивается с воздухом. При работе насоса 33 топливо через обратный клапан 34 повышает давление в топливной полости 32, а при закрытом электромагнитном отсечном клапане с дренажом 28 воздух из воздушной полости 29 аккумулятора 30 вытесняется в атмосферу, позволяя мембране 31 занять крайнее правое (на схеме) положение, обеспечивая максимальную зарядку топливного аккумулятора 30 топливом.
Добавление в поток сжатого воздуха за счет импульсной работы электромагнитного клапана 27 дискретной порции топлива в пропорции, близкой к стехиометрической, дополнительно к плазме разряда в кумулятивной воронке выходного отверстия 7 и цилиндрического углубления 11 добавляет энергию химической реакции горения топлива, чем создает увеличение длины разряда, достигающего зоны обратных токов в полости горения 13. Частоты разряда и подачи дискретной порции топлива могут быть определены временем окончания выхода из полости цилиндрического углубления 11 продуктов сгорания предыдущего импульса или при этом частота подачи разряда равна или кратна частоте подачи импульсов топлива. Подача импульса топлива в каждом цикле начинается после окончания выхода из полости кумулятивной воронки 7 продуктов сгорания предыдущего импульса.
Подаваемый через входной штуцер 19, жиклер 21, отверстия 22 в охватывающем корпусе 1, продольные и радиальные каналы 23 в выступающей над центральным электродом части искрообразующего изолятора 24, поток сжатого воздуха или другого рабочего тела под давлением, поступает к торцу центрального электрода 2, где, нагреваясь и расширяясь за счет импульсного высоковольтного разряда и местного давления подачи, разгоняется в кумулятивной воронке 7 и выходном отверстии 11, образовывая вихревые кольца в цилиндрическом углублении выходного отверстии, создает выброс плазмы на значительную длину полости горения 13 камеры сгорания, обеспечивая заброс плазмы в зону обратных токов фронтового устройства жаровой трубы 14.
Под действием сжатого воздуха электрическая дуга выносится на внешнюю поверхность контакта охватывающего корпуса, тем самым обеспечивается высокая до 30-50 мм и более длина плазменной струи, проникающей во внутренний объем камеры сгорания, и ее устойчивость к воздействию потоков воздуха в жаровой трубе камеры сгорания 14.
При работе газотурбинного двигателя охлаждающий воздух 15 из компрессора поступает через впускные отверстия 5 в охлаждающую полость 4, далее - через выпускные отверстия 6 протекает во внутреннюю полость 10 экрана 9 и вытекает далее через отверстия 12 в полость горения 13 внутри жаровой трубы 14, создавая воздушный слой турбулентного вихря внутри воздушной полости 10, а над экраном 9 и цилиндрическим углублением 11, корпусом 1 свечи и ее центральным электродом 2 - воздушный слой заградительного охлаждения.
После запуска двигателя и закрытия электромагнитных клапанов 27 и 28, насос 33 через обратный клапан 34 подает топливо в топливную часть 32 аккумулятора 30, перемещая деформируемую мембрану 31 в крайнее правое положение, вытесняя воздух из правой полости 29 аккумулятора 30 через дренаж клапана 28 в атмосферу, подготавливая топливный аккумулятор к новому запуску.
Давление подачи рабочего тела и топлива регулируется редукторами и превышает давление воздуха на входе в камеру сгорания при всех возможных и разрешенных режимах полета летательного аппарата, когда требуется и допускается запуск основной камеры сгорания, при этом из баллона и топливного аккумулятора через соответствующие редукторы и электромагнитные отсечные клапаны топливо и воздух подаются во входной штуцер клапана свечи, далее проходя по внутренним каналам искрообразующего изолятора к торцу центрального электрода.
Таким образом, значительное повышение пространственной протяженности плазменной струи и большее давление по отношению к воздуху в камере сгорания увеличивает длину плазменной струи и ее устойчивость к воздействию потоков воздуха в жаровой трубе камеры сгорания, чем обеспечивает надежный контакт с топливовоздушной смесью в зоне обратных токов, т.е. с зоной с наиболее оптимальными условиями в камере сгорания и, следовательно, надежный розжиг камеры сгорания.