СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА ДЛЯ ЕМКОСТНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

Полезная модель относится к авиадвигателестроению, в частности к устройствам, предназначенным для розжига камер сгорания газотурбинных двигателей.
Известны искровые свечи зажигания поверхностного разряда, указанные в [Патент Великобритании №2097469 А, опубликовано 03.11.1982, Патент РФ №94070 U1, опубликовано 10.05.2010, Патент США №4,764,703, опубликовано 16.08.1988, Романовский Г. Ф., Матвеев И. Б., Сербии С.И. Плазменные системы газоперекачивающих агрегатов. СПб.: «Недра», 1992], а также свечи зажигания типа СН31806, AA72S фирмы «Champion», описанные в [Проспект фирмы «CHAMPION». Champion Aviation Products Division, 1991. Проспект фирмы «CHAMPION». CHAMPION SPARK PLUG CO, 1973], содержащие изолятор, устанавливаемый в корпус, являющийся массовым электродом, и центральный электрод. Недостатком таких свечей зажигания является их повышенное пробивное напряжение - более 10 кВ. Это требует использования агрегатов зажигания с повышенным выходным напряжением. Емкостные агрегаты зажигания с повышенным выходным напряжением, обладающие высокой воспламеняющей способностью, имеют увеличенные габариты и массу, так как для обеспечения высокого напряжения в агрегаты вводят повышающие импульсные высоковольтные трансформаторы и дополнительные конденсаторы для разряда на первичную обмотку этого трансформатора [AIR784C INTERRELATION OF ENGINE DESIGN AND BURNER CONFIGURATION WITH SELECTION AND PERFORMANCE OF ELECTRICAL IGNITION SISTEMS FOR GAS TURBINE ENGINES]. При повышенных выходных напряжениях агрегата зажигания уменьшается надежность системы зажигания в части обеспечения электропрочности и повышенных ресурсов высоковольтного кабеля зажигания и его соединений с высоковольтным выводом агрегата зажигания и свечой зажигания.
Указанных недостатков частично лишены эрозионные свечи зажигания, описанные в [Свеча СЭ-4МА. Техническое описание и инструкция по эксплуатации - М: Машиностроение, 1966, Патент СССР №191275 А, опубликовано 14.01.1967, Патент РФ №119532U8, опубликовано 20.08.2012, Патент РФ №2497251 С1, опубликовано 27.10.2013, Патент РФ №2621700 С2, опубликовано 07.06.2017], содержащие центральный электрод с контактом из серебра, искрообразующий изолятор из высокоглиноземистой керамики, корпус и контакт из серебра, образующий боковой электрод и кольцевой искровой зазор по поверхности искрообразующего изолятора с контактом центрального электрода, дополнительный изолятор, размещенный в кольцевом зазоре между искрообразующим изолятором и корпусом со стороны противоположной рабочему торцу с искровым зазором. В процессе изготовления таких свечей зажигания в искровой зазор на рабочем торце путем приработки (так называемой «тренировки») наносится (напыляется) материал контактов электродов, который обеспечивает уменьшение пробивного напряжения таких свечей зажигания до значений не более 3 кВ [Балагуров В.А. Аппараты зажигания. М.: «Машиностроение», 1968]. Это исключает применение в агрегатах зажигания высоковольтных трансформаторов и дополнительных конденсаторов и обеспечивает уменьшение массы и габаритов емкостных агрегатов зажигания.
Недостатком этих эрозионных свечей зажигания является относительно низкие термостойкость (не более 450°С) [Свеча СЭ-4МА. Техническое описание и инструкция по эксплуатации - М.: Машиностроение, 1966, Патент СССР №191275 А, опубликовано 14.01.1967, Патент РФ №119532 U8, опубликовано 20.08.2012, Патент РФ №2497251 С1, опубликовано 27.10.2013, Патент РФ №2621700 С2, опубликовано 07.06.2017] и ресурс во включениях при работе совместно с низковольтными емкостными агрегатами зажигания.
Указанные недостатки данных свечей связаны с особенностями протекания рабочих процессов в них. Низкие пробивные напряжения на этих свечах обеспечивают так называемые «тренировки» [Балагуров В.А. Аппараты зажигания. М.: «Машиностроение», 1968], осуществляемые за счет напыления на поверхность искрообразующего изолятора в искровой кольцевой зазор материала контактов электродов (или, по крайней мере, одного из контактов) в течение времени работы системы зажигания до подачи пускового топлива в искровой зазор свечи. Напыление на поверхности искрового зазора материала контактов электродов обеспечивает наличие полу проводящих свойств поверхностного слоя искрообразующего изолятора в искровом зазоре и, соответственно, уменьшает его пробивное напряжение.
После подачи топлива в искровой зазор на поверхности искрообразующего изолятора между контактами происходит выжигание напыленного в процессе «тренировки» материала за счет конденсированных искровых разрядов, следующих друг за другом.
Повышенная температура 600°С и выше в зоне искрового зазора таких свечей приводит к дополнительному окислению оставшихся напыленных в процессе тренировки на поверхность искрового зазора электроэрозионных частичек материалов контактов, и как следствие, к потере этой поверхностью полупроводящих свойств.
Тренировка и выжигание повторяются в процессе каждого запуска газотурбинного двигателя, обеспечивая низкий уровень напряжения пробоя свечи, соответствующий выходному напряжению емкостного агрегата зажигания (менее выходного напряжения агрегата зажигания). Однако при повышении температуры в зоне рабочего торца длительно до 600-700°С и выше, процесс окисления контактов электродов и напыленных на поверхность искрового зазора продуктов электрической эрозии контактов, как показали испытания, приводит к ускорению снятия так называемой «тренировки» и повышению пробивного напряжения свечей выше развиваемого агрегатами напряжения, соответственно отказу свечей зажигания.
Повышение эффективности систем зажигания (их воспламеняющей способности) связано с возможностью приближения искрового зазора свечей зажигания к зоне обратных токов в камере сгорания. Это позволяет расширить диапазон запуска камеры сгорания по скорости и высоте полета, уменьшить массу агрегата зажигания за счет уменьшения накопленной энергии [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: «Мир», 1986. Алабин М.А., Кац Б.М., Литвинов Ю.А. Запуск авиационных газотурбинных двигателей. М.: «Машиностроение», 1968]. Однако заглубление описанных выше эрозионных свечей невозможно из-за существенно ограниченных допустимых температур на их рабочем торце. Поэтому они нашли применение в основном совместно с индуктивными агрегатами зажигания в системах запуска газотурбинных двигателей с пусковыми воспламенителями [Алабин М.А., Кац Б.М., Литвинов Ю.А. Запуск авиационных газотурбинных двигателей. М.: «Машиностроение», 1968. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Под редакцией Хронина Д.В. М.: «Машиностроение», 1989], в которых в зоне расположения рабочего торца свечей температура не превышает 450-500°С.
Частично этих недостатков лишена, принятая за прототип, свеча зажигания поверхностного разряда [Патент РФ №2300164 С2, опубликовано 27.05.2007], содержащая искрообразующий изолятор, центральный электрод, размещенный во внутреннем канале искрообразующего изолятора, корпус, в котором установлен искрообразующий изолятор, торцевую часть корпуса, образующую с центральным электродом по торцевой поверхности искрообразующего изолятора кольцевой искровой зазор, торцевая часть корпуса образует боковой электрод, между которым и торцевой частью искрообразующего изолятора расположен контакт, выполненный из сплава с повышенной термостойкостью, в состав которого входит 80% серебра и 20% палладия, искрообразующий изолятор выполнен из высокоглиноземистой керамики, содержащей Al2O3 (оксид алюминия) - 94,07%, SiO2 (диоксид кремния) - 4,3%, СаО (оксид кальция) - 1,63%, а поверхностный слой искрообразующего изолятора в зоне искрового зазора и сопряжения с контактами электродов содержит силицид, серебро, оксид меди, окись марганца, кубическую шпинель и алюминат. Данное сочетание материалов контакта электрода, фазового состава поверхностного слоя высокоглиноземистого керамического искрообразующего изолятора и самого искрообразующего изолятора повышает термостойкость свечей зажигания до 800°С (до 900°С кратковременно), обеспечивает низкие пробивные напряжения свечи зажигания, повышает ресурс работы свечей с емкостным агрегатом зажигания по сравнению с ресурсом свечей зажигания аналогов. Это обеспечивается за счет более устойчивого закрепления напыленных частиц контакта из серебряно-палладиевого сплава на поверхностном слое керамики в искровом зазоре при выполнении «тренировки».
Однако поверхностный слой искрообразующего изолятора в зоне искрового зазора и сопряжения с контактами электродов содержащий силицид, серебро, оксид меди, окись марганца, кубическую шпинель и алюминат имеет относительно слабую диффузионную составляющую адгезии с высокоглиноземистой керамикой этого изолятора, содержащего Al2O3, SiO2, СаО. Это приводит при использовании емкостных агрегатов зажигания к уменьшению ресурса свечей по следующим причинам. Мощные конденсированные искровые разряды, генерируемые емкостным агрегатом зажигания в искровом промежутке свечей зажигания, принятых за прототип, приводят в условиях попадания жидкой фазы топлива на рабочий торец свечи зажигания к значимой электроэрозионной выработке поверхностного слоя керамики искрообразующего изолятора. Этому процессу способствует указанная выше слабая диффузионная составляющая адгезии поверхностного слоя к основному материалу керамического искрообразующего изолятора. Электроэрозионные разрушения поверхностного слоя керамики искрообразующего изолятора (скалывание поверхностного слоя в процессе ресурсной наработки) свечи не достаточно компенсируются процессами напыления материала электродов на поверхность керамики в искровом зазоре, что постепенно в процессе наработки двигателя (обеспечения включений системы зажигания для осуществления запусков двигателя) приводит к росту пробивного напряжения свечей зажигания, принятых за прототип. Кроме этого, воздействие повышенных температур до 800°С в процессе работы двигателя (в течение времени при котором свеча зажигания не работает) приводит за счет поэтапной выработки поверхностного слоя к постепенному окислению продуктов электрической эрозии контактов (в том числе контактов содержащих сплав серебра и палладия) в искровом зазоре. Этот процесс также приводит к ускоренному «снятию тренировки», дополнительному повышению напряжения, к отказу свечей зажигания и ограничению ресурса свечей зажигания при работе с емкостными агрегатами зажигания с повышенной накопленной энергией.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание свечей зажигания, имеющих повышенный ресурс и термостойкость по сравнению со свечами зажигания, принятыми за прототип.
Поставленная задача решается свечой зажигания поверхностного разряда для емкостной системы зажигания, содержащей основной трубчатый металлический корпус с установленным в нем искрообразующим изолятором, во внутреннем канале которого закреплен центральный электрод, образующий с торцевой частью корпуса по торцевой поверхности искрообразующего изолятора, выполненного из высокоглиноземистой керамики, кольцевой искровой зазор, поверхностный слой которого содержит CuO, а между торцевой поверхностью корпуса, образующего боковой электрод, и торцевой поверхностью изолятора расположен контакт, который выполнен из сплава с повышенной термостойкостью, в состав которого входит 80% серебра и 20% палладия, при этом изолятор выполнен из высокоглиноземистой керамики, содержащей % масс.: Al2O3 (оксид алюминия) - 95,06%, SiO2 (диоксид кремния) - 1,6%, СаО (оксид кальция) - 2,4%, Cr2O3 (оксид хрома) - 0,1%, B2O3 (оксид бора) - 0,8%, а поверхностный слой искрообразующего изолятора в зоне искрового зазора и сопряжения с контактами электродов содержит % объема: NiO (оксид никеля) - 2%, Мо (молибден) - 2%, CuCrO2 (хромит меди) - 70-80%, Си20 (куприт) - 10-20%.
Новым, согласно полезной модели, является то, что при использовании контакта электрода из сплава серебра с палладием искрообразующий изолятор выполнен из высокоглиноземистой керамики, содержащей % масс.: Al2O3 (оксид алюминия) - 95,06%, SiO2 (диоксид кремния) - 1,6%, СаО (оксид кальция) - 2,4%, Cr2O3 (оксид хрома) - 0,1%, B2O3 (оксид бора) - 0,8%, а поверхностный слой искрообразующего изолятора в зоне искрового зазора и сопряжения с контактами электродов содержит % объема: NiO (оксид никеля) - 2%, Мо (молибден) - 2%, CuCrO2 (хромит меди) - 70-80%, Cu2O (куприт) - 10-20%.
Введение в состав высокоглиноземистой керамики оксида бора снижает температуру плавления стеклофазы керамики [Большая техническая энциклопедия. Технический словарь. Том III] и тем самым улучшает диффузию элементов поверхностного слоя в стеклофазу на этапе изготовления искрообразующего изолятора свечи и синтеза поверхностного слоя керамики в искровом зазоре искрообразующего изолятора [Саматов А.Г., Магдыч З.Н., Асадуллина Р.Р. Исследование фазового состава (параметров) полупроводниковых керамических материалов и влияния на него эксплуатационных факторов. Отчет №113/90 от 23.04.90 г. Уфа: «РОСОРГТЕХСТРОМ», 1990]. В результате при работе свечи фазовый состав поверхностного слоя искрообразующего изолятора разрушается с меньшей скоростью, чем в прототипе, что обеспечивает более длительное по времени закрепление напыленных в процессе «тренировки» продуктов электроэрозии контакта бокового электрода из сплава серебра с палладием. Конденсированные искровые разряды, генерируемые емкостным агрегатом зажигания в искровом промежутке свечей зажигания, приводят, в условиях попадания жидкой фазы топлива на рабочий торец свечи зажигания, к электроэрозионной выработке поверхностного слоя керамики искрообразующего изолятора. При этом, за счет диффузии элементов поверхностного слоя в материал изолятора, замедляется его электроэрозионная выработка и сколы, а «тренировка» - напыление материала контакта электрода, выполненного из сплава с повышенной термостойкостью, в состав которого входит 80% серебра и 20% палладия, лучше закрепляется в поверхностном слое искрообразующего изолятора, что позволяет использовать такие свечи на протяжении большего ресурса при повышенных температурах с емкостными агрегатами зажигания и для непосредственного розжига камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей. Таким образом, сочетание материалов изолятора, его поверхностного слоя и контакта бокового электрода позволяет повысить ресурс и термостойкость свечи зажигания поверхностного разряда.
На фиг. 1 представлена заявляемая свеча зажигания, предназначенная для розжига камер сгорания газотурбинных двигателей, содержащая металлический корпус 1 с размещенным в нем искрообразующим изолятором
2, выполненным из высокоглиноземистой керамики содержащей % масс.: Al2O3 (оксид алюминия) - 95,06%, SiO2 (диоксид кремния) - 1,6%, СаО (оксид кальция) - 2,4%, Cr2O3 (оксид хрома) - 0,1%, B2O3 - 0,8% (оксид бора), во внутреннем канале которого закреплен, например стеклогерметиком
3, центральный электрод 4, в боковом электроде корпуса расположен контакт 5, выполненный из сплава с повышенной термостойкостью, в состав которого входит 80% серебра и 20% палладия, боковой электрод образует с центральным электродом по торцевой поверхности искрообразующего изолятора кольцевой искровой зазор 7, поверхностный слой искрообразующего изолятора в зоне искрового зазора и сопряжения с контактами электродов содержит % объема: NiO (оксид никеля) - 2%, Мо (молибден) - 2%, CuCrO2 (хромит меди) - 70-80%, Cu2O (куприт) - 10-20%.
Свеча зажигания работает следующим образом по команде от системы управления запуска двигателя на агрегат зажигания подается напряжение от системы электроснабжения. Агрегат зажигания генерирует разрядные импульсы выходного напряжения, амплитуда которого превышает пробивное напряжение свечи. При этом в искровом зазоре 7 образуется конденсированный искровой разряд.
За определенное время, так называемого «времени тренировки», на поверхности изолятора 6 между центральным электродом 4 и боковым электродом корпуса 1 в искровом зазоре 7 напыляются продукты электрической эрозии контакта бокового электрода 5, что уменьшает пробивное напряжение свечи. При этом при прохождении электрического разряда вблизи поверхностного слоя происходит незначительная выработка продуктов напыления, затем по команде от системы управления запуска двигателя открывается клапан пускового топлива, и топливовоздушная смесь попадает на рабочий торец свечи в кольцевой искровой зазор 7, в результате чего за счет смещения электрического разряда ближе к поверхности изолятора усиливается процесс выжигания продуктов напыления и начинается процесс эрозионной выработки поверхностного слоя. Однако поверхностный слой изолятора, содержащего % объема: NiO (оксид никеля) - 2%, Мо (молибден) - 2%, CuCrO2 (хромит меди) - 70-80%, Cu2O (куприт) - 10-20%, более устойчиво закреплен на изоляторе из высокоглиноземистой керамики, содержащей % масс.: Al2O3 (оксид алюминия) - 95,06%, SiO2 (диоксид кремния) - 1,6%, СаО (оксид кальция) - 2,4%, Cr2O3 (оксид хрома) - 0,1%, B2O3 (оксид бора) - 0,8%, и с учетом напыления в искровом зазоре продуктов электроэрозии материала контакта бокового электрода 5, выполненного из сплава с повышенной термостойкостью, в состав которого входит 80% серебра и 20% палладия, вырабатывается с меньшей скоростью, так как имеет большее сцепление с основным искрообразующим изолятором за счет большей диффузионной составляющей адгезии. Это позволяет более устойчиво сохранять напыление на поверхностном слое изолятора частиц серебряно-палладиевого сплава контакта и увеличивает время непосредственной работы свечи на протяжении длительного ресурса при работе в условиях повышенных температур до 900-1000°С.
Таким образом, предлагаемая полезная модель свечи зажигания выгодно отличается от известных аналогов и прототипа повышенным ресурсом и термостойкостью, позволяет использовать свечи зажигания в составе систем зажигания непосредственного розжига камеры сгорания, уменьшает массу и габариты агрегатов зажигания за счет исключения дополнительных высоковольтного трансформатора и конденсатора из емкостного агрегата зажигания.