СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиационному двигателестроению - в частности к конструктивному выполнению свечей зажигания газотурбинных двигателей.
Известны малогабаритные свечи зажигания авиационных газотурбинных двигателей [1, 2], содержащие искрообразующий изолятор с размещенным в нем центральным электродом, установленные в корпус свечи, образующий на рабочем торце массовый электрод свечи, герметизирующий изолятор, экранную керамическую трубку, стеклогерметизирующую втулку.
Однако при повышенных температурах в камерах сгорания газотурбинных двигателей, а также повышенных температурах воздуха за компрессором, используемым для охлаждения таких свечей зажигания высокие тепловые потоки, воздействующие на рабочий торец и корпус свечей, приводят к возникновению трещин в стеклогерметических втулках, расслоениям в зоне соединения стеклогерметических втулок с 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 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 изоляторов, контактирующих со стеклогерметическими втулками. Электрический пробой внутри свечей исключает наличие электрического
разряда в искровом зазоре свечей, соответственно срываются встречный запуск двигателя, последующий его обычный запуск.
Таким образом, свечи зажигания, описанные [1, 2], имеют низкую надежность при работе в условиях повышенных температур топливовоздушной смеси в зоне рабочего торца и воздуха за компрессором, имеют пониженную надежность при работе в этих условиях, т.е. обладают низкой термостойкостью.
Частично указанных недостатков лишена свеча зажигания для газотурбинного двигателя [3], принятая за прототип и содержащая размещенные в трубчатом корпусе экранную керамическую трубку, изолятор, закрепленный в корпусе со стороны экранной трубки при помощи медной клиновой втулки, своим большим поперечным сечением обращенной к экранной трубке, кольцевое уплотнение из стеклогерметика, токоведущий стержень с контактной головкой, закрепленный стеклогерметиком во внутреннем канале изолятора и изолированный от корпуса при помощи набора изоляторов, дополнительный изолятор с полупроводниковым элементом, во внутреннем канале которого при помощи стеклогерметика закреплен центральный электрод, термокомпенсационный элемент, посредством пайки соединенный с токопроводящим стержнем, массовый, крепежный элемент с наружной резьбой для закрепления свечи на двигателе, дополнительный корпус, на котором размещены крепежный элемент и массовый электрод, причем во внутренней полости дополнительного корпуса частично размещен основной корпус, основной и дополнительный корпуса соединены при помощи герметичного сварного шва, расположенного выше крепежного элемента, а имеющаяся в дополнительном корпусе пружина поджимает керамические изоляторы с одной стороны к торцу основного корпуса и к шляпке контактного стержня (головка у прототипа), к которому пайкой подсоединен термокомпенсационный элемент, и с другой стороны - к торцу искрообразующего изолятора, обращенного в сторону экранной керамической трубки (см. Фиг.1).
Наличие в свече отдельных узлов изоляторов для герметизации свечи в основном корпусе и для обеспечения искрообразования в дополнительном корпусе свечи, вынесение узла герметизации в основном корпусе из зоны воздействия повышенных температур камеры сгорания позволяет исключить разгерметизацию свечей зажигания, а конструктивные отличия прототипа от аналогов, в части установки и закрепления искрообразующего изолятора в дополнительном корпусе, позволяют исключить внутренний электрический пробой внутри свечи при проведении встречных запусков двигателей.
Совершенствование рабочего цикла современных газотурбинных двигателей связано с повышением температуры топливовоздушной смеси в камерах сгорания и повышением степени сжатия воздуха в компрессоре, что приводит к повышению температуры охлаждающего свечи во вторичном контуре воздуха. При повышении температуры топливовоздушной смеси в зоне рабочего торца свечей до 900-1000°С, а воздуха за компрессором до 600-650°С, свечи, принятые за прототип, также имеют недостаточную термостойкость по следующим причинам.
При воздействии повышенных температур стеклогерметик, закрепляющий центральный электрод в искрообразующем изоляторе, размягчается. Это приводит к смещению центрального электрода относительно поверхности изолятора, возникновению значительных щелей между контактом центрального электрода и поверхностью искрообразующего изолятора с полупроводниковым элементом, пробивное напряжение свечей повышается, на отдельных свечах - до значений, превышающих значения напряжений, развиваемых агрегатом зажигания, вследствие чего наблюдается прекращение искрообразования в искровом зазоре, и розжига топливовоздушной смеси при запуске двигателя не происходит.
Подвижка контакта центрального электрода в объем камеры сгорания способствует также его недопустимому перегреву.
Кроме этого, в прототипе пружина осуществляет поджатие керамических трубок на две опорные поверхности: основной корпус и на шляпку токопроводящего стержня. Это требует особой точности при изготовлении керамических изоляторов. Даже при соблюдении этого условия, при повышенных температурах за компрессором, во вторичном контуре, за счет различных коэффициентов температурного расширения конструкционных элементов на отдельных свечах нарушается контакт шляпки токопроводящего стержня, соединенного с термокомпенсационным элементом, с контактной головкой токопроводящего стержня, закрепленного в изоляторе основного корпуса.
Нарушение надежности этого контакта приводит к дополнительным потерям энергии в возникшем зазоре, соответственно - уменьшению доли от накопленной в агрегате зажигания энергии, выделяемой в искровом зазоре свечи. Последнее обстоятельство уменьшает диапазон внешних условий, при которых осуществляется надежный розжиг камеры сгорания.
Размещение полупроводникового элемента в зоне рабочего торца свечи, на которую воздействуют повышенные температуры топливовоздушной смеси, также ограничивает применение свечей зажигания, принятых за прототип, температурой не более 800°С в связи с ограниченной термостойкостью высокоресурсных полупроводниковых элементов.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является повышение термостойкости свечей зажигания при сохранении их ресурса и диапазона розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Указанная задача достигается тем, что на центральном электроде выполнена резьба, и он закреплен в канале искрообразующего изолятора дополнительно с помощью гайки, установленной на внутреннем торце этого канала со стороны термокомпенсационного элемента, контакт центрального электрода размещен в конической части канала искрообразующего изолятора, расположенной со стороны рабочего торца свечи, и имеет
коническую боковую поверхность, сопряженную с конической поверхностью канала этого изолятора, массовый электрод свечи имеет толщину 4-6 мм и образует рабочий торец свечи, имеющий коаксиальное внешнему диаметру дополнительного корпуса свечи отверстие, соединяющее внешний и внутренний торцы дополнительного корпуса, с диаметром, превышающим максимальный диаметр контакта центрального электрода, при этом отношение величины искрового зазора δ по поверхности искрообразующего изолятора между контактом центрального электрода и поверхностью массового электрода к диаметру отверстия в рабочем торце свечи, превышает 0,15, в основном корпусе свечи закреплена дополнительная изоляционная керамическая трубка, размещенная в кольцевом зазоре между ножкой герметизирующего изолятора со стороны рабочего торца и основным корпусом, а пружина поджимает один коаксиальный керамический изолятор к шляпке токопроводящего стержня, к которому припаян термокомпенсационный элемент, и другой коаксиальный керамический изолятор - к внешней поверхности искрообразующего изолятора, имеющего больший диаметр по сравнению с той его частью, во внутреннем канале которой центральный электрод закреплен стеклогерметиком.
На фиг.2 представлена заявляемая свеча зажигания для газотурбинного двигателя, содержащая основной трубчатый корпус 1, экранную керамическую трубку 2, герметизирующий узел, включающий изолятор 3, закрепленный в основном корпусе 1 со стороны экранной керамической трубки 2 медной клиновой втулкой 4 и кольцевым уплотнением 5 из стеклогерметика, размещенного в кольцевом зазоре 6, образованном ножкой изолятора 7 и основным трубчатым корпусом 1 на медной клиновой втулке 4, токопроводящий стержень 8 с контактной головкой 9, закрепленный во внутреннем канале изолятора 3, дополнительный искрообразующий узел, включающий дополнительный изолятор 10 с полупроводниковым элементом 11, во внутреннем канале которого стеклогерметиком 12 закреплен центральный электрод 13, термокомпенсационный элемент 14, пайкой
соединенный с токопроводящим стержнем 15, имеющим шляпку 16 для поджатия к контактной головке 9 токопроводящего стержня 8, закрепленного в изоляторе 3 герметизирующего узла, и центральным электродом 13, пружину 17 и трубчатые керамические изоляторы 18 и 19, дополнительный трубчатый корпус 20, образующий рабочий торец свечи, во внутренней полости корпуса 20 частично размещен основной трубчатый корпус 1, сваркой герметично соединенный с дополнительным корпусом 20 выше ввертной резьбы, на центральном электроде 13 выполнена резьба, и он закреплен в канале искрообразующего изолятора 10 дополнительно с помощью гайки 21, установленной на внутреннем торце этого канала со стороны термокомпенсационного элемента 14, контакт 22 центрального электрода 13 размещен в конической части канала полупроводникового элемента 11, расположенной со стороны рабочего торца свечи, и имеет коническую боковую поверхность, сопряженную с конической поверхностью канала полупроводникового элемента, обращенной в сторону рабочего торца, массовый электрод свечи имеет толщину 4-6 мм и образует рабочий торец свечи, имеющий коаксиальное внешнему диаметру дополнительного корпуса свечи отверстие 23, соединяющее внешний и внутренний торцы дополнительного корпуса 20, диаметром, превышающим максимальный диаметр контакта центрального электрода 13, при этом отношение величины искрового зазора δ по поверхности искрообразующего изолятора между контактом центрального электрода и поверхностью массового электрода к диаметру отверстия в рабочем торце свечи превышает 0,15, в основном корпусе свечи закреплена изоляционная керамическая трубка 24, установленная в кольцевом зазоре между ножкой герметизирующего изолятора 3 со стороны рабочего торца и основным корпусом 1, а пружина 17 поджимает один трубчатый керамический изолятор 19 к шляпке 16 токопроводящего стержня 15, к которому припаян термокомпенсационный элемент 14, и другой коаксиальный керамический изолятор 18 к внешней поверхности искрообразующего изолятора 10 (возможно через специальную
трубку), имеющего большей диаметр по сравнению с той его частью, во внутреннем канале которой центральный электрод 13 закреплен стеклогерметиком 12.
Дополнительное закрепление центрального электрода в канале искрообразующего изолятора с помощью резьбового соединения и гайки, установленной на внутренний торец канала этого изолятора, сопряжение конических поверхностей контакта центрального электрода и конической поверхности канала изолятора со стороны рабочего торца исключает нарушение электрического контакта центрального электрода с поверхностью полупроводникового искрообразующего элемента при воздействии на рабочий торец свечи повышенных температур и, как следствие, исключает повышение пробивного напряжения свечи выше развиваемого агрегатом зажигания выходного напряжения, т.к. при таком закреплении центрального электрода невозможно его перемещение даже при размягчении стеклогерметика, закрепляющего его в канале искрообразующего изолятора.
Размещение и закрепление трубчатого керамического изолятора в основном корпусе свечи в кольцевом зазоре между этим корпусом и ножкой герметизирующего изолятора, поджатие пружиной керамической изоляционной трубки к шляпке токопроводящего стержня без упора в керамическую изолирующую трубку, упирающуюся в торец основного корпуса, как это имело место в прототипе, исключает возникновение зазоров между контактной головкой токопроводящего стержня герметизирующего изолятора и шляпкой токопроводящего стержня, соединенного с термокомпенсационным элементом, при воздействии на свечу повышенных температур воздуха после компрессора. Тем самым исключаются потери энергии в этом зазоре, и сохраняется заданный диапазон внешних условий, при которых происходит надежный розжиг камеры сгорания двигателя.
Выполнение массового электрода свечи толщиной 4-6 мм позволяет заглубить торцевую поверхность искрообразующего изолятора с полупроводниковым элементом внутрь свечи и уменьшить воздействие
повышенных температур на него, снизить количество жидкой фазы топлива, что уменьшает электроэрозии контактов электродов и полупроводникового элемента [5, 6], сохранив его ресурс (способность поддерживать низкие пробивные напряжения на свече), а обеспечение отношения величины искрового зазора между контактом центрального электрода и поверхностью массового электрода, более 0,15, при обеспечении превышения диаметра отверстия D, соединяющего внешний и внутренний торцы дополнительного корпуса над максимальным диаметром контакта центрального электрода, позволяет компенсировать заглубление искрового зазора свечи в целях уменьшения температуры на полупроводниковом элементе и связанное с этим уменьшение диапазона розжига камеры сгорания [4].
Выполнение указанных, выше соотношений обеспечивает формирование мощного плазменного факела, выбрасываемого в объем (камеры сгорания, обладающего повышенной воспламеняющей способностью. Это позволяет сохранить требуемый диапазон розжига камеры сгорания двигателя.
Таким образом, предлагаемые технические решения позволяют повысить термостойкость свечей зажигания при сохранении ими ресурса и без ухудшения воспламеняющей способности диапазона розжига камеры сгорания, уменьшения диапазона внешних условий при которых происходит надежный розжиг камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Эффективность предлагаемых тех. решений подтверждена результатами испытаний и эксплуатации свечей зажигания. По сравнению с аналогами и прототипом свечи, изготовленные по предлагаемым решениям обеспечили повышенный в 2 раза ресурс в часах наработки и в 2-3 раза больший ресурс во включениях [7] при сохранении диапазона розжига камеры сгорания двигателей.
Источники информации:
1. Патент РФ №1720459 МПК (7) Н 01 Т 13/00, 03.30.1994.
2. Патент РФ №1625152 МПК (7) F 02 Q 13/52, 12.07.1989.
3. Патент РФ №2028023, МПК (7) Н 01 Т 13/00, 27.01.1995.
4. ФГУП УНПП «Молния»// Технические акты ИС-2002/119, ИС-2003/86, ИС-2004/17. Уфа.
5. А.Н.Мурысев, А.О.Рыбаков, А.Г.Каюмов, Ю.Д.Курдачев. //Исследование рабочих процессов в стреляющих свечах зажигания и разработка методов повышения их эффективности./ Тезисы доклада на конференции «Проблемы авиации и космонавтики и роль ученых в их решении»./ Министерство общего и профессионального образования РФ, Федерация космонавтики РФ, Уфимский государственный авиационный технический университет. Уфа. 1998.
6. А.Н.Мурысев, А.В.Краснов, Ф.А.Гизатуллин, Д.Н.Тухтаров. //О новой методологии ресурсной отработки конструкции запальных устройств ГТД на этапе ОКР./ Тезисы доклада на конференции «Проблемы авиации и космонавтики и роль ученых в их решении»./ Министерство общего и профессионального образования РФ, Федерация космонавтики РФ, Уфимский государственный авиационный технический университет. Уфа. 1998.
7. А.Н.Мурысев. //Новый метод ресурсного проектирования запальных устройств ГТД./ Авиационно-космическая техника и технология. Харьков. 2002. вып.30, с.98-100. Двигательные установки.