СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиационному двигателестроению, в частности - к конструкции свечей зажигания газотурбинных двигателей. Известны свечи зажигания двигателей внутреннего сгорания, описанные в [Патент США №3691419, опубликовано 12.09.1972 г., Патент США №7586246, опубликовано 8.09.2009 г., Патент ЕС №637113, опубликовано 01.02.1995 г., Патент ЕС №1356555, опубликовано 23.11.2011 г., Патент РФ №2289875, опубликовано 20.12.2006 г.], содержащие корпус, образующий на рабочем торце массовый электрод свечи, искрообразующий изолятор с размещенным в его канале центральным электродом, установленный в указанный корпус, в которых на торце центрального электрода сваркой, например контактной, электронно-лучевой или лазерной, закреплен цилиндрический контакт из иридия. Применение цилиндрического контакта из электро-эрозионностойкого иридия на торце центрального электрода обеспечивает значительное увеличение ресурса свечей зажигания [Патент США №3691419, опубликовано 12.09.1972 г., Патент ЕС №637113, опубликовано 01.02.1995 г., Патент США 5980345, опубликовано 09.11.1999 г.]. Общей конструктивной особенностью свечей зажигания, описанных в [Патент США №3691419, опубликовано 12.09.1972 г., Патент США №7586246, опубликовано 8.09.2009 г., Патент ЕС №637113, опубликовано 01.02.1995 г., Патент ЕС №1356555, опубликовано 23.11.2011 г., Патент РФ №2289875, опубликовано 20.12.2006 г.], является образование зон термического влияния по периферии сварного стыка центрального электрода с цилиндрическим контактом из иридия.
В связи с тем, что диаметр иридиевых контактов центральных электродов в свечах зажигания газотурбинных двигателей значительно превышает диаметр иридиевых контактов, применяемых в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания, для закрепления иридиевых контактов в свечах зажигания, применяемых на газотурбинных двигателях, требуется режим сварки, обеспечивающий более интенсивный нагрев свариваемых деталей, в результате чего растет участок перегрева зон термического влияния, в котором в основном и образуются закалочные структуры, способствующие образованию и развитию межзерновых трещин, которые могут приводить к разрушению иридиевых контактов, их выпадению в камеру сгорания двигателя и даже повреждению элементов камеры сгорания [Гончаров С.Н. Структура и вязкость зон термического влияния сварных соединений высокопрочной стали // Научный журнал «Физика металлов и металловедение», том 115, номер 12, Екатеринбург, 2014., Патент США №3691419, опубликовано 12.09.1972 г.]. Кроме этого, разрушение иридиевых контактов может приводить к увеличению искрового зазора свечи и соответственно к значительному увеличению ее пробивного напряжения, что в свою очередь может приводить к невозможности пробоя искрового промежутка свечи, из-за нехватки выходного напряжения агрегата зажигания, и как следствие срыву запуска двигателя. Повышенное пробивное напряжение свечи так же приводит к коронным разрядам на проводе зажигания, а также ускоренному старению его изоляции и уменьшению ресурса.
Указанного недостатка частично лишена свеча зажигания [Патент США №5973443, опубликовано 26.10.1999 г.], принятая за прототип, содержащая корпус, образующий на рабочем торце массовый электрод свечи, искрообразующий изолятор с размещенным в его канале центральным электродом, установленный в указанный корпус, отличающаяся тем, что цилиндрический контакт из иридия закреплен на торце центрального электрода пайкой высокотемпературным припоем на основе серебра. Благодаря замене сварного соединения на паянное материал иридиевого контакта не претерпевает локальный высокотемпературный перегрев с последующим скоростным охлаждением, и соответственно в нем не образуются указанные выше закалочные структуры.
Однако из-за низкой предельной эксплуатационной температуры серебряных припоев, которая не превышает 700°С [Перечень-ограничитель ПО 13-2011. Припои, рекомендуемые для применения в изделиях авиационной техники. ФГУП «ВИАМ», Справочник. Авиационные материалы. Том 6. Медные сплавы и специальные материалы для деталей трения, припои. ОНТИ ВИАМ, Москва 1974], использование свечей зажигания с таким закреплением иридиевого контакта ограничено, так как температура в камерах сгорания современных газотурбинных двигателей в зоне рабочего торца свечи может достигать 1000°С. При такой температуре серебряные припои теряют свои механические свойства и происходит их коррозионное разрушение, которое может привести к потере целостности паяного закрепления иридиевого контакта на торце центрального электрода и его выпадению в камеру сгорания, в результате чего, во-первых, не может быть обеспечена требуемая надежность работы как свечи, так и двигателя в целом, так как выпавший иридиевый контакт может повредить элементы газогенератора газотурбинного двигателя, а во-вторых, значимо уменьшится ресурс свечи, так как выпадение иридиевого контакта приведет к увеличению искрового зазора свечи, а соответственно и к увеличению ее пробивного напряжения и прекращению искрообразования на свече, что так же может привести к срыву запуска или поддержания горения в камере сгорания двигателя.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение надежности и ресурса свечей зажигания, используемых для розжига и поддержания горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей, за счет исключения разрушения паяного закрепления иридиевого контакта в центральном электроде свечи.
Поставленная задача решается свечой зажигания, содержащей корпус, образующий на рабочем торце массовый электрод свечи, искрообразующий изолятор с размещенным в его канале центральным электродом, установленный в указанный корпус, при этом на торце центрального электрода пайкой закреплен цилиндрический контакт из иридия, отличающаяся тем, что припой, соединяющий центральный электрод с цилиндрическим контактом из иридия, содержит, мас.%: (52-65)% Ni, (17-21)% Cr, (7-11)% Со, (5-7)% Si, (4-6)% Mo, (1-2)% В, (1-2)% Nb, торец цилиндрического контакта из иридия на (2÷3) мм заглублен в центральном электроде свечи, а толщина цилиндрической стенки части центрального электрода, охватывающей цилиндрический контакт из иридия, составляет не менее 0,25 мм.
Новым согласно заявляемой полезной модели является то, что припой, соединяющий центральный электрод с цилиндрическим контактом из иридия, содержит мас.%: (52-65)% Ni, (17-21)% Cr, (7-11)% Со, (5-7)% Si, (4-6)% Mo, (1-2)%о В, (1-2)%>Nb, торец цилиндрического контакта из иридия на (2÷3) мм заглублен в центральном электроде свечи, а толщина цилиндрической стенки части центрального электрода, охватывающей цилиндрический контакт из иридия, составляет не менее 0,25 мм.
Паяное закрепление цилиндрического контакта из иридия на торце центрального электрода припоем, содержащим % масс.: (52-65)%о Ni, (17-21)% Cr, (7-11)% Со, (5-7)% Si, (4-6)% Mo, (1-2)% В, (1-2)% Nb во-первых, обеспечивает длительную жаропрочность паяного соединения в условиях воздействия повышенной температуры до 1000°С в зоне рабочего торца свечи, а во-вторых, позволяет выполнять пайку иридиевого контакта при температуре менее 1200°С, что исключает процесс собирательной рекристаллизации, сопровождающейся значительным ростом зерен иридия и вызывающей его охрупчивание, выкрашивание [Патент РФ №2521184, опубликовано 27.06.2013 г.]. На фиг. 1 показаны фото макрошлифов иридиевых контактов после их выдержки в окислительной среде при температуре 950+50°С в течение 500 часов, предварительно запаянных в вакуумной печи при температуре 1350°С (слева) и 1150°С (справа). В случае меньшего содержания Ni (менее 50%) припой не обеспечивает жаропрочность при температуре 1000°С или обеспечивает ее кратковременно, как и жаростойкие и жаропрочные сплавы на никелевой основе [Справочник. Авиационные материалы. Том 3. Жаропрочные стали и сплавы. Сплавы на основе тугоплавких металлов. Часть 1. Деформируемые жаропрочные стали и сплавы, ОНТИ ВИАМ, Москва 1989]. При меньшем содержании Cr в припое (менее 17%) в процессе пайки или длительного пребывания в условиях повышенной температуры, в материале части центрального электрода, охватывающей цилиндрический контакт из иридия, и в диффузионных зонах паяного соединении около него образуется значительное количество пор, по цепочкам которых могут образовываться микро и макротрещины. На фиг. 2 показаны фото макрошлифов паяных соединений выполненных припоем, содержащим порядка 5% Cr (слева) и не менее 15% Cr (справа), после их выдержки при температуре 950+50°С в течение 500 часов. Образование этих пор обусловлено процессом выравнивания химического состава диффузионных зон паяного соединения благодаря встречным не скомпенсированным диффузионным потокам, в результате которых в местах ухода наиболее подвижных элементов, таких как хром, возникает избыточная концентрация вакансий, которые конденсируются и образуют новые поры [Б. Бокштейн. Рост и залечивание пор в монокристаллах жаропрочных сплавов на никелевой основе. // Научный журнал «Журнал функциональных материалов», том 1, №5, 2007 г.]. Согласно данным, приведенным в [Справочник по пайке. Под ред. С.Н. Лоцманова, И.Е. Петрунина, В.П., Фролова. М., «Машиностроение», 1975 г.], температура пайки припоев на никелевой основе, содержащих Si менее 5% превышает 1200°С [Справочник по пайке. Под ред. С.Н. Лоцманова, И.Е. Петрунина, В.П., Фролова. М., «Машиностроение», 1975 г.]. Воздействие такой температуры в процессе пайки приводит к развитию дефектов микроструктуры иридия, как было указано выше. При большем содержании Si в припое (более 7%>) в паяном шве образуется большее количество интерметаллидов, что вследствие высокой температуры плавления интерметаллидов приводит к образованию и росту интерметаллидных слоев в паяном шве [Справочник по пайке. Под ред. С.Н. Лоцманова, И.Е. Петрунина, В.П., Фролова. М., «Машиностроение», 1975 г.], по границам которых возможно образование микро и макротрещин при воздействии циклических изменений температуры или высоких градиентов температуры. На фиг. 3 показано фото микроструктуры паяного соединения выполненного припоем, содержащим не менее (5÷7) % Si, с микротрещинами по границам интерметаллидных структур.
В процессе пайки происходит испарение легколетучих компонентов припоя, изменение его химического состава и свойств, взаимная диффузия компонентов припоя и спаиваемых деталей. Однако, при заглублении торца цилиндрического контакта из иридия на (2÷3) мм в центральном электроде и отсутствии каких-либо мероприятий по защите кольцевого паяного шва от длительного прямого воздействия горячей окислительной среды и горячих продуктов сгорания топлива, глубина его возможных коррозионных повреждений не приводит к его разрушению и выпадению цилиндрического контакта из иридия в камеру сгорания двигателя, что было подтверждено результатами длительных автономных и стендовых испытаний. В свою очередь большее заглубление иридиевого контакта экономически не целесообразно из-за высокой стоимости иридия, как было указано ранее.
Припои на основе никеля и хрома имеют высокую температуру пайки, а также высокую способность к межзерновому проникновению и растворению никелевых сплавов в процессе пайки [Справочник по пайке. Под ред. С.Н. Лоцманова, И.Е. Петрунина, В.П., Фролова. М., «Машиностроение», 1975 г.]. На фиг. 4 показан профиль химического состава паяного закрепления иридиевого контакта в центральном электроде. Однако результатами испытаний было показано, что при использовании припоя с заявленным химическим составом, цилиндрическая стенка части центрального электрода, охватывающая иридиевый контакт и толщиной не менее 0,25 мм, сохраняет свойства жаростойкости и жаропрочности основного материала центрального электрода после пайки.
На фиг. 5 приведена конструкция свечи зажигания, содержащая корпус 3, образующий на рабочем торце массовый электрод свечи, искрообразующий изолятор 1 с размещенным в его канале центральным электродом 2, установленный в указанный корпус 3, при этом на торце центрального электрода 2 пайкой закреплен цилиндрический контакт из иридия 4, отличающаяся тем, что припой 5, соединяющий центральный электрод 2 с цилиндрическим контактом из иридия 4, содержит мас.%: (52-65)% Ni, (17-21)% Cr, (7-11)% Со, (5-7)% Si, (4-6)% Mo, (1-2)% В, (1-2)% Nb, торец цилиндрического контакта из иридия 4 на (2÷3) мм заглублен в центральном электроде 2 свечи, а толщина цилиндрической стенки части центрального электрода 2, охватывающей цилиндрический контакт из иридия 4, составляет не менее 0,25 мм.
Свеча зажигания работает следующим образом.
В процессе запуска газотурбинного двигателя в его камеру сгорания поступает топливовоздушная смесь. При приложении к свече высокого выходного напряжения агрегата зажигания через высоковольтный провод зажигания возникает разность потенциалов между цилиндрическим контактом из иридия 4, закрепленным пайкой на торце центрального электрода 2, и боковым электродом свечи, в результате чего происходит электрический пробой по керамической поверхности искрообразующего изолятора 1, образующей искровой зазор. В это время надежный электрический контакт и минимальные электрические потери в паяном соединении обеспечиваются достаточной площадью паяных контактных поверхностей за счет заглубления торца цилиндрического контакта из иридия 4 на (2÷3) мм в центральном электроде 2.
2
2
Плазменный выброс, генерируемый свечей, инициирует в камере сгорания двигателя воспламенение топливовоздушной смеси, после чего подача напряжения на свечу прекращается. В процессе такого типового запуска газотурбинного двигателя, когда давление в камере сгорания составляет порядка 2 кгс/см, а температура 550°С, электроэрозионная выработка цилиндрического контакта из иридия 4, закрепленного на торце центрального электрода 2 незначительна, что обеспечиваем высокие ресурсные показатели свечи зажигания. При взлетном режиме работы двигателя в сложных метеорологических условиях, например при полете в условиях турбулентности, водяных (или снежных) зарядов, обледенении, на свечу зажигания вновь подается высоковольтное напряжение агрегата зажигания для обеспечения ее работы в режиме длительного функционирования (дежурного зажигания), предназначенном для поддержания горения в камере сгорания двигателя. При таком режиме работы двигателя условия в зоне рабочего торца свечи самые жесткие, так как давление в камере сгорания может достигать 36 кгс/см и более, а температура в зоне рабочего торца свечи - до 1000°С [Лефевр А. Процессы в камере сгорания ГТД: Пер. с англ. - М. Мир, 1986. - 566 с., ил.], [Учебник. Основы конструирования авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок. Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства. Под ред. А.А. Иноземцева, М.А. Нихамкина, В.Л. Сандрацкого. М., «Машиностроение», 2008], [Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки» / С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов. М., «Машиностроение», 1989 - 368 с.]. Именно в этих условиях интенсивность электроэрозионной выработки центрального электрода значительно возрастает и делает невозможным применение свечей зажигания с традиционной конструкцией центральных электродов, описанных в [Патент РФ №51793, опубликовано 22.08.2005 г., Патент РФ №150820, опубликовано 27.02.2015 г., Патент РФ №94071, опубликовано 10.05.2010 г., Патент ЕР 0212079, опубликовано 04.03.1987 г., Патент США №4814664, опубликовано 21.03.1989 г.], электроэрозионная выработка которых в таких условиях, как показали результаты автономных и стендовых испытаний, значимо больше чем у свечей с иридиевыми электродами, электроэрозионная выработка которых с ростом температуры практически не увеличивается, а соответственно и не уменьшаются ресурсные показатели свечи. Повышенная температура до 1000°С одновременно с другими внешними воздействующими факторами, как например вибрацией, горячими продуктами сгорания топлива, могут длительно воздействовать на паяное закрепление цилиндрического контакта из иридия 4 на торце центрального электрода 2, жаропрочность которого в это время обеспечивается припоем, содержащим %масс: (52-65)% Ni, (17-21)% Cr, (7-11)% Со, (5-7)% Si, (4-6)% Mo, (1-2)% В, (1-2)% Nb и защитой от внешних воздействующих факторов частью центрального электрода 2, охватывающей цилиндрический контакт из иридия 4, торец которого заглублен в него на (2÷3) мм, жаропрочность и жаростойкость которой при толщине ее стенки не менее 0,25 мм не отличаются от жаростойкости и жаропрочности основного материала центрального электрода 2.
Таким образом, описанная свеча, содержащая корпус, образующий на рабочем торце массовый электрод свечи, искрообразующий изолятор с размещенным в его канале центральным электродом, установленный в указанный корпус, при этом на торце центрального электрода пайкой закреплен цилиндрический контакт из иридия, припой, соединяющий центральный электрод с цилиндрическим контактом из иридия, содержит мас.%: (52-65)% Ni, (17-21)% Cr, (7-11)% Со, (5-7)% Si, (4-6)% Mo, (1-2)% В, (1-2)% Nb, торец цилиндрического контакта из иридия на (2÷3) мм заглублен в центральном электроде свечи, а толщина цилиндрической стенки части центрального электрода, охватывающей цилиндрический контакт из иридия, составляет не менее 0,25 мм, обеспечивает повышение надежности и ресурса свечей зажигания, используемых для розжига и поддержания горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей, за счет исключения разрушения паяного закрепления иридиевого контакта в центральном электроде свечи.
Эффективность предлагаемой полезной модели подтверждена положительными результатами длительных автономных и стендовых испытаний свечей зажигания, содержащих корпус, образующий на рабочем торце массовый электрод свечи, искрообразующий изолятор с размещенным в его канале центральным электродом, установленный в указанный корпус, при этом на торце центрального электрода пайкой закреплен цилиндрический контакт из иридия, припой, соединяющий центральный электрод с цилиндрическим контактом из иридия, содержит мас.%: (52-65)% Ni, (17-21)% Cr, (7-11)% Со, (5-7)% Si, (4-6)% Mo, (1-2)% В, (1-2)% Nb, торец цилиндрического контакта из иридия на (2÷3) мм заглублен в центральном электроде свечи, а толщина цилиндрической стенки части центрального электрода, охватывающей цилиндрический контакт из иридия, составляет не менее 0,25 мм.