СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиационному двигателестроению, в частности - к конструктивному исполнению свечей зажигания газотурбинных двигателей.
Известна свеча зажигания [1], содержащая искрообразующий изолятор с размещенным в нем контактом центрального электрода, корпус, образующий на рабочем торце боковой электрод и кольцевой искровой зазор с контактом центрального электрода, токоведущий стержень, установленный в контакте центрального электрода, изолятор, во внутреннем канале которого размешен токопроводящий стержень, стеклогерметизирующую втулку, заключенную в кольцевую полость, образованную токопроводящим стержнем и корпусом.
Недостатком указанных свечей зажигания является невозможность их использования в составе мощных газотурбинных двигателей, имеющих относительно большие габариты и повышенные температуры, воздействующие на рабочий торец свечи и узел герметизации.
Конструктивные особенности таких свечей: торцевая герметизация не обеспечивает требуемый уровень герметичности.
Применение таких свечей при использовании высоковольтных агрегатов зажигания и высоком давлении в камере сгорания в условиях повышенных температур приводит к электрическому пробою по стеклогерметику между центральным электродом и корпусом.
Указанных недостатков частично лишена свеча зажигания для газотурбинных двигателей [2], принятая за прототип и содержащая основной трубчатый корпус с установленным в нем искрообразующим изолятором с внутренним каналом, закрепленный в последнем в стеклогерметике центральный электрод, дополнительный корпус, частично размещенный внутри основного корпуса и соединенный с ним герметично сваркой, медную
клиновую втулку, герметизирующий изолятор с ножками и внутренним каналом с закрепленным на нем в стеклогерметике токоведущим стержнем и экранную изолирующую трубку, цангу, соединяющую центральный электрод искрообразующего изолятора и токоведущий стержень, стеклогерметизирующую втулку, размещенную между ножкой керамического изолятора, дополнительным корпусом и большей стороной сечения медной втулки, обращенной к рабочему торцу свечи и размещенной также между герметизирующим изолятором и дополнительным корпусом, дополнительный трубчатый керамический изолятор, размещенный между дополнительным корпусом и металлической втулкой, закрепленной в основном корпусе, прижимающей искрообразующий изолятор к внутреннему торцу корпуса.
Размещение узла герметизации на относительно большом расстоянии от рабочего торца в зоне экрана свечи, к которому подключены высоковольтные провода зажигания, значительно уменьшает тепловой поток в зону герметизации свечи (герметизирующего изолятора) в процессе работы двигателя, а замена торцевой герметизации на герметизацию свечи по токоведущему стержню стеклогерметиком, и по корпусу медной втулкой, обращенной своим большим сечением к рабочему торцу и закрепляющей ее стеклогерметизирующей втулкой, а также электрическая изоляция токоведущего стержня (центрального электрода) от корпуса через керамический изолятор, обеспечивает повышение термостойкости свечи в части обеспечения электропрочности при совместной работе свечи с высоковольтными агрегатами зажигания и повышает герметичность свечи.
Однако при высоких температурах в зоне рабочего торца свечи, достигающих 900-1000°С, с целью уменьшения температур на нем и обеспечения электроэрозионной стойкости контактов электродов, при монтаже на двигателе устанавливаются в специальные кожуха охлаждения (Фиг.1.) [3].
Применение таких кожухов обеспечивает эффективную защиту рабочего торца свечи от повышенных температур камер сгорания, исключает окисление контактов центрального и бокового электродов свечи, снижение их ресурса.
Однако такое размещение рабочего торца свечи зажигания в специальных кожухах увеличивает расстояние между рабочим торцем и топливовоздушной смесью, уменьшает вероятность контакта топливовоздушной смеси с источником зажигания - электрическим разрядом. При этом даже применение мощных дуговых источников питания вместо емкостных агрегатов зажигания не позволяет увеличить пространственную протяженность электрического разряда для обеспечения его надежного проникновения в зону обратных токов камеры сгорания двигателя [4].
Таким образом, свеча, выполненная по прототипу, при установке ее в кожухе охлаждения по типу, показанному на фиг.1 [3], имеет недостаточную воспламеняющую способность.
Заявляемая полезная модель решает задачу повышения воспламеняющей способности свечи и системы зажигания путем увеличения осевой протяженности электрического разряда в направлении от рабочего торца и, соответственно, обеспечения надежного контакта топливовоздушной смеси с источником воспламенения - электрическим разрядом за счет проникновения плазмы электрического разряда в зону обратных токов камеры сгорания двигателя.
Поставленная задача решается свечой зажигания для газотурбинного двигателя, содержащей основной трубчатый корпус с установленным в нем искрообразующим изолятором, во внутреннем канале которого в стеклогерметике 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, цангу, керамический трубчатый изолятор.
Новым, согласно заявляемой полезной модели, является то, что между цангой и центральным электродом размещена оплетка-жгут из коррозионно-стойких проволок, пайкой соединенная с центральным электродом и цангой, в которую вставлен токоведущий стержень, причем в свече дополнительно имеется контакт бокового электрода, два трубчатых изолятора, между которыми установлена спиральная пружина, противоположные обращенным к пружине торцы этих трубчатых изоляторов упираются соответственно, в торец дополнительного корпуса и через металлическую втулку - в трубчатый керамический изолятор, который противоположным торцем упирается в буртик на боковой поверхности искрообразующего изолятора, обратная сторона этого буртика соприкасается с внутренним торцем основного корпуса свечи, 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, при этом внутренний торец контакта бокового электрода лежит на рабочем торце искрообразующего изолятора, а в контакте бокового электрода имеется соосное с контактом центрального электрода отверстие, имеющее со стороны внешнего торца контакта бокового электрода цилиндрическое отверстие, диаметр которого меньше диаметра контакта центрального электрода в месте его контакта с торцевой поверхностью искрообразующего изолятора, и коническое отверстие, меньшим диаметром сопряженное с цилиндрическим отверстием в контакте бокового электрода, а большим диаметром, выходящим на внутренний его торец, установленный на рабочей торец искрообразующего изолятора, коническое отверстие контакта бокового электрода образует с боковой конической поверхностью контакта центрального электрода кольцевую коническую полость, переходящую в цилиндрическое отверстие в контакте бокового электрода, цилиндрическая поверхность бокового
электрода, охватывающая выступающую из основного корпуса цилиндрическую поверхность искрообразующего изолятора, имеет шлицы, глубина которых достигает глубины его внутреннего торца, в шлицы контакта бокового электрода входят выступы, выполненные на торце основного корпуса свечи с образованием осевых зазоров между торцевыми поверхностями корпуса и контактом бокового электрода, в осевом зазоре между шлицами на контакте бокового электрода и основного корпуса на боковой поверхности искрообразующего изолятора полностью или частично расположены начала тангенциальных канавок, выходящих в кольцевую канавку на рабочем торце искрообразующего изолятора.
На фиг.2 представлена заявляемая свеча зажигания для газотурбинного двигателя, на фиг.3 - эта же свеча, установленная в кожухе охлаждения (при этом внутренние полости кожуха не показаны).
Свеча зажигания содержит основной трубчатый корпус 1 с установленным в нем искрообразующим изолятором 2, во внутреннем канале которого в стеклогерметике 3 закреплен центральный электрод 4, дополнительный корпус 5, частично размещенный внутри основного корпуса 1 и соединенный с ним герметично сваркой, с закрепленной в нем медной клиновой (клиновидной) втулкой 6, обращенной большим сечением в сторону рабочего торца свечи, и стеклогерметизирующей втулкой 7, герметизирующий изолятор 8, во внутреннем канале которого в стеклогерметике 9 закреплен токоведущий стержень 10, керамический трубчатый изолятор 11, цангу 12, втулку 13, между цангой 12 и центральным электродом 4 размещена оплетка-жгут 14 из коррозионно-стойких проволок, пайкой соединенная с центральным электродом 4 и цангой 12, в которую вставлен токоведущий стержень 10, причем в свече дополнительно имеется контакт бокового электрода 15, два керамических изолятора 16, между которыми установлена спиральная пружина 17, противоположные обращенным к пружине 17 торцы этих трубчатых изоляторов 16 упираются соответственно в торец дополнительного корпуса 5, и через металлическую втулку 13 - в трубчатый керамический
изолятор 11, который противоположным торцем упирается в буртик на боковой поверхности искрообразующего изолятора 2, обратная сторона этого буртика соприкасается с внутренним торцем основного корпуса свечи 1, рабочий торец искрообразующего изолятора 2 выступает за внешний торец основного корпуса свечи, на рабочем торце искрообразующего изолятора 2 имеются тангенциальные канавки 18, соединяющие его боковую поверхность с кольцевой полостью, образованной конической поверхностью контакта центрального электрода 19 и кольцевой канавкой на рабочем торце искрообразующего изолятора 2, при этом внутренний торец контакта бокового электрода 15 лежит на рабочем торце искрообразующего изолятора 2, а в контакте бокового электрода 15 имеется соосное с контактом центрального электрода 4 отверстие, имеющее со стороны внешнего торца контакта бокового электрода 15 цилиндрическое отверстие 21, диаметр которого меньше диаметра контакта центрального электрода 4 в месте его контакта с торцевой поверхностью искрообразующего изолятора 2, и коническое отверстие 22, меньшим диаметром сопряженное с цилиндрическим отверстием в контакте бокового электрода 15, а большим диаметром, выходящим на внутренний его торец, установленный на рабочей торец искрообразующего изолятора 2, коническое отверстие контакта бокового электрода 15 образует с боковой конической поверхностью контакта центрального электрода 19 кольцевую коническую полость 23, переходящую в цилиндрическое отверстие в контакте бокового электрода 15, цилиндрическая поверхность 24 бокового электрода 15, охватывающая выступающую из основного корпуса цилиндрическую поверхность искрообразующего изолятора 2, имеет шлицы 25, глубина которых достигает глубины его внутреннего торца, в шлицы 25 контакта бокового электрода 15 входят выступы 26, имеющиеся на торце основного корпуса 1 свечи с образованием осевых зазоров между торцевыми поверхностями корпуса 1 и контактом бокового электрода 15, в осевом зазоре между шлицами 25 на контакте бокового электрода 15 и основного корпуса 1 на боковой поверхности искрообразующего изолятора 2 полностью или
частично расположены начала тангенциальных канавок, выходящих в кольцевую канавку на рабочем торце искрообразующего изолятора 2.
Выполнение свечи с оплеткой-жгутом из коррозионно-стойких проволок, расположенной между цангой и центральным электродом, пайкой соединенной с центральным электродом и цангой, в которую вставлен токоведущий стержень, наличие в свече дополнительно контакта бокового электрода, двух керамических изоляторов, между которыми установлена спиральная пружина, противоположные обращенным к пружине торцы этих трубчатых изоляторов упираются соответственно в торец дополнительного корпуса, и наличие трубчатого керамического изолятора, который противоположным торцем упирается в буртик на боковой поверхности искрообразующего изолятора, обратная сторона этого буртика соприкасается с внутренним торцем основного корпуса свечи, рабочий торец искрообразующего электрода выступает за внешний торец основного корпуса свечи, на рабочем торце искрообразутощего 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, при этом внутренний торец контакта бокового электрода лежит на рабочем торце искрообразующего изолятора, а в контакте бокового электрода имеется соосное с контактом центрального электрода отверстие, имеющее со стороны внешнего торца контакта бокового электрода цилиндрическое отверстие, диаметр которого меньше диаметра контакта центрального электрода в месте его контакта с торцевой поверхностью искрообразующего изолятора, и коническое отверстие, меньшим диаметром сопряженное с цилиндрическим отверстием в контакте бокового электрода, а большим диаметром, выходящим на внутренний его торец, установленный на рабочей торец искрообразующего изолятора, коническое отверстие контакта бокового электрода образует с боковой конической поверхностью контакта центрального электрода кольцевую коническую полость, переходящую в
цилиндрическое отверстие в контакте бокового электрода, внутренняя цилиндрическая поверхность бокового электрода, охватывающая выступающую из основного, корпуса цилиндрическую поверхность искрообразующего изолятора, имеет шлицы, глубина которых достигает глубины его внутреннего торца, в шлицы контакта бокового электрода входят выступы, имеющиеся на торце основного корпуса свечи с образованием осевых зазоров между торцевыми поверхностями корпуса и контактом бокового электрода, в осевом зазоре между шлицами на контакте бокового электрода и основного корпуса на боковой поверхности искрообразующего изолятора полностью или частично расположены начала тангенциальных канавок, выходящих в кольцевую канавку на рабочем торце искрообразующего изолятора, позволяет повысить воспламеняющую способность свечи и системы зажигания путем увеличения осевой протяженности электрического разряда в направлении от рабочего торца и, соответственно, обеспечить надежный контакт топливовоздушной смеси с источником воспламенения электрического разряда.
Свеча зажигания работает следующим образом.
При установке свечи в кожух охлаждения 27 (фиг.3), контакт бокового электрода 15 поджимается к внутреннему торцу кожуха охлаждения 28. При заворачивании свечи в кожух охлаждения, в связи с тем, что глубина кожуха меньше соответствующего размера свечи, контакт бокового электрода 15 поджимает искрообразующий изолятор 2 во внутренний объем основного трубчатого корпуса 1. Это достигается за счет наличия возможности осевого перемещения искрообразующего изолятора 2, достигаемого использованием в конструкции свечи пружины 17 и оплетки-жгута 14. При этом подвижная гирлянда керамических изоляторов 16, 11 обеспечивает сохранение конструкцией требуемой электропрочности.
В то же время, осевые перемещения искрообразующего изолятора 2 позволяют обеспечить надежное уплотнение свечи в кожухе охлаждения путем применения стандартных медных колец 29.
В процессе запуска двигателя воздух, за счет перепада давления, создаваемого на выходе из компрессора и полостью камеры сгорания, поступает в отверстия 20 кожуха охлаждения и в тангенциальные канавки 18, сечения которых частично или полностью находятся в осевом зазоре между выступами 26 в корпусе 1 и шлицами 25 в контакте бокового электрода 15. Далее воздух поступает соответственно в зазор, образованный контактами центрального электрода 19 и бокового электрода 15 и, закручиваясь, выбрасывается через отверстие 21 в камеру сгорания.
При подаче напряжения от дугового источника питания на токоведущий стержень 10 высокое напряжение приводит к возникновению электрической дуги между контактами центрального 4 и бокового 15 электродов. Под действием набегающего воздуха электрическая дуга, а именно, в точке ее контактирования с внутренней поверхностью электрода, выносится на внешнюю поверхность контакта бокового электрода 15, тем самым обеспечивается высокая до 15-30 мм длина плазменной струи, проникающей во внутренний объем камеры сгорания.
Таким образом, значительное повышение пространственной протяженности плазменной струи обеспечивает ее 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.
При этом плотное прилегание рабочего торца контакта бокового электрода к поверхности внутреннего торца кожуха охлаждения исключает влияние на величину плазменной струи потока воздуха, который может проникать в зазор между контактом бокового электрода и внутренним торцем кожуха охлаждения.
Кроме этого, конструкция свечи позволяет за счет углового, в плоскости, перпендикулярной оси свечи, перемещения искрообразующего изолятора, изменять расход воздуха через свечу, и, тем самым, производить регулировку, при необходимости, осевой длины генерируемой плазменной струи в
зависимости от требуемых, применительно к конкретному типу двигателя, перепадах давления воздуха, при которых требуется обеспечить розжиг камеры сгорания, а также выходных вольтамперных характеристик агрегатов зажигания. Это достигается тем, что часть сечения тангенциального отверстия перекрывается выступающим контактом бокового электрода 15.
Заявляемые свечи удовлетворительно прошли опытную эксплуатацию в составе двигателей АЛ-31СТ и обеспечили более надежный розжиг топливовоздушной смеси по сравнению с традиционными свечами зажигания с емкостными агрегатами зажигания [5].
Источники информации:
1. Патент РФ №1720459, МПК (7) НО 1 Т 13/00, 1994.03.30.
2. Патент РФ №2007004, МПК (7) НО 1 Т 13/00, 1994.01.30. (прототип).
3. С.А.Вьюнов, Ю.С.Гусев, А.В.Карпов и др. // Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Под общей редакцией В.О.Хронина. / М., Машиностроение. 1989. (рис.8.21а стр.413, 414).
4. Ю.М.Пчелкин. // Камеры сгорания газотурбинных двигателей: Учебник для студентов ВУЗов. / М.: Машиностроение, 1984.
5. УНПП «Молния». Информационная справка № ЛС-2005-193. Уфа.