Запальное устройство розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя
IGNITION DEVICE FOR IGNITION OF COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение касается области газотурбинных двигателей и, в частности, системы зажигания газотурбинного двигателя, работающего на газообразном топливе или на нескольких видах топлива, одно из которых газообразное.
Известна система розжига (US 2012/0279195, МПК F02C 7/266, опубл. 03.05. 2011 г), в которой для розжига используется искровая свеча зажигания, которая при запуске выдвигается внутрь камеры сгорания, а при осуществленном запуске с помощью пружины убирается из горячего объема камеры сгорания. Необходимость изменения положения свечи зажигания связана с требованиями обеспечения ее герметичности при больших давлениях, создаваемых в современных камерах сгорания газотурбинных двигателей, отсутствия пробоя между электродами внутри свечи зажигания при высоком уровне температуры в точке розжига.
Главный недостаток данного технического решения заключается в недостаточной надежности системы зажигания, обусловленной наличием подвижных частей конструкции. Второй недостаток, присущий всем искровым и дуговым свечам зажигания, заключается в высоком рабочем напряжении, повышающим требования к изоляции и снижающим надежность и ресурс.
Также известна запальная горелка с калильным зажиганием (RU 2229062, МПК F23Q 7/00 (2000.01), опубл. 20.05.2004 г.) для розжига горелок, работающих как на жидких топливах, так и на топливовоздушных смесях. Данное изобретение используется в пневматических форсунках горелок и позволяет повысить надежность создания запального факела. При этом применение данного изобретения в газотурбинных двигателях при сжигании газообразных топлив, наиболее часто применяющимся из которых являются метаносодержащие топлива, имеющие высокую температуру воспламенения, затруднено из-за более высоких требований к обеспечению высокой температуры в зоне розжига при малой электрической мощности, подаваемой на свечу.
Недостатком данного технического решения является неэффективность розжига из одного объема с ростом расхода, а, соответственно, и скорости топливовоздушной смеси и с увеличением температуры воспламенения топливовоздушной смеси.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является система розжига с использованием свечи накаливания, установленной в камере сгорания газотурбинного двигателя (патент US №3138924, МПК F02C 7/26, опубл. 30.06.1960 г). Техническая реализация данной системы розжига осложняется проблемой охлаждения свечи накаливания при розжиге камеры сгорания в связи с наличием высокоскоростного потока топливовоздушной смеси и потерями тепла от излучения, что приводит к охлаждению рабочего конца свечи накаливания до температур, при которых воспламенение невозможно.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности розжига камеры сгорания за счет создания локального небольшого объема топливовоздушной смеси вокруг свечи накаливания с пониженным тепло- и массобменом с окружающей средой, а также за счет обеспечения поэтапного розжига.
Технический результат изобретения достигается запальным устройством розжига камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащим свечу накаливания, запитываемую от источника электрической энергии, установленную внутри камеры сгорания, в котором в отличие от прототипа свеча накаливания размещена в полости горелочного устройства камеры сгорания, открытый конец которой сообщается с зоной рециркуляции камеры сгорания, причем на открытом конце полости выполнено как минимум две перегородки для образования объемов с обеспечением поэтапного розжига, при этом каждая перегородка имеет проходную площадь, ограничивающую массообмен в полости.
Согласно изобретению полость камеры сгорания может иметь термозащитное покрытие, или керамическую вставку, или несколько керамических вставок с разными коэффициентами теплопроводности.
Согласно изобретению цепь электропитания свечи накаливания может быть снабжена прибором контроля силы тока для определения момента воспламенения топливовоздушной смеси, потому что электрическое сопротивление свечи накаливания зависит от ее температуры.
Достижение технического результата обеспечивается использованием свечи накаливания, размещенной в объеме с низким теплообменом и массообменом данной области с рабочим объемом камеры сгорания. Низкий тепломассообмен обеспечивается полостью, открытый конец которой расположен в области рециркуляции, образованной плохообтекаемым телом, например, центральным телом горелочного устройства, внутри которого расположена данная полость с несколькими перегородками на этом открытом конце. Длина полости и каждая перегородка с проходной площадью, ограничивающей массобмен, позволяет регулировать тепломассообмен свечи накаливания с рабочим объемом камеры сгорания. Конвективный массоперенос между рабочим объемом камеры сгорания и данной полостью приводит к наполнению последней горючеспособной топливовоздушой смесью. Низкий тепломассообмен полости с рабочим объемом камеры сгорания позволяет достичь нагрева рабочего конца свечи накаливания до температур 1000…1350°С, которые превышают температуры воспламенения различных видов газообразных топлив, используемых в газотурбинных двигателях.
Данное техническое решение повышает надежность системы розжига камеры сгорания за счет снижения рабочего напряжения: вместо нескольких тысяч вольт для традиционных искровых и дуговых свеч зажигания требуется всего 10-20 вольт для свеч накаливания. В связи с этим, пониженное напряжение позволяет снизить требования к изоляции, повышая одновременно надежность и ресурс свечи накаливания. В проточную часть полости выходит только внешняя оболочка свечи накаливания, падение напряжения на свече накаливания происходит во внутреннем ее объеме, обычно изолированном от внешней оболочки электронепроводящим наполнителем, герметичность которого относительно объема камеры сгорания не требуется. Данный факт позволяет обеспечить высокую герметичность свечи накаливания даже при высоких давлениях в камере сгорания, достигаемых на современных газотурбинных двигателях.
Сущность изобретения поясняется принципиальной схемой запального устройства, которое содержит свечу накаливания 1, размещенную в полости 2 горелочного устройства, ограниченной корпусом горелочного устройства 3. Открытый конец полости 2 сообщается с зоной рециркуляции камеры сгорания. На открытом конце полости установлено как минимум две перегороди 6 с проходными площадями, обеспечивающими поэтапный розжиг камеры сгорания. Запальное устройство может содержать термозащитное покрытие в виде керамической вставки 4. Цепь электропитания свечи накаливания снабжена прибором контроля силы тока 5.
Работа запального устройства осуществляется следующим образом. Свеча накаливания 1 разогревается до температуры выше температуры воспламенения топливовоздушной смеси путем подачи на нее электрического тока. В полость 2, где установлена свеча накаливания 1 через ее открытый конец, проходя через две или несколько перегородок 6, из зоны рециркуляции камеры сгорания массопереносом поступает горючеспособная топливовоздушная смесь. Объем, занятый топливовоздушной смесью в полости 2, разогревается с большей скоростью за счет использования керамической вставки 4 с низким коэффициентом теплопроводности. В цепи электропитания свечи установлен прибор контроля силы тока 5 для определения момента воспламенения топливовоздушной смеси. Он может служить дополнительным датчиком наличия пламени, а также диагностировать работоспособность системы зажигания на основе зависимости электрического сопротивления свечи накаливания от температуры ее поверхности. Для уменьшения тепломассообмена полости с рабочим объемом камеры сгорания на выходе из полости устанавливаются перегородки 6 для изменения проходной площади. В случае, если уменьшение массобмена существенно снизит расход продуктов сгорания после воспламенения в полости до такого уровня, что воспламенение в рабочем объеме камеры сгорания станет невозможно, предлагается постадийное воспламенение последовательных объемов топливовоздушной смеси, возрастающих по направлению к открытому концу полости, образуемых несколькими перегородками.
Топливо, подаваемое в камеру сгорания, может использоваться для охлаждения плохообтекаемых тел, в частности тела, в котором расположена полость для установки свечи накаливания. Подача топлива может приводить к дополнительному охлаждению объема полости, поэтому для разогрева свечи накаливания может потребоваться время, в течение которого свеча накаливания должна разогреться до подачи топлива в камеру сгорания. Уменьшение охлаждения от топлива, подаваемого в камеру сгорания, можно достичь применением теплоизолирующего покрытия стенок полости, в том числе керамической вставки.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить эффективность розжига камеры сгорания за счет создания локального небольшого объема топливовоздушной смеси вокруг свечи накаливания с пониженным тепло- и массобменом с окружающей средой.