СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к свечам зажигания, в частности - к свечам зажигания поверхностного разряда авиационных газотурбинных двигателей.
Известна свеча зажигания [1], которая содержит корпус из жаропрочного металла, керамический изолятор, полупроводниковый элемент в виде кольца, центральный электрод с рабочей частью и контактным стержнем и стеклогерметик, заключенный между корпусом, полупроводниковым элементом и стержнем центрального электрода, стержень выполнен из металла, имеющего коэффициент линейного расширения, равный коэффициенту термического расширения материала керамического изолятора, рабочая часть центрального электрода снабжена буртиком для закрепления в полупроводниковом элементе и глухим отверстием для размещения в нем частично контактного стержня, при этом стержень заглублен в отверстие до упора с образованием между частями электрода электрического контакта.
При повышенных температурах в камере сгорания газотурбинных двигателей, а также повышенных температурах воздуха за компрессором, используемого для охлаждения таких свечей зажигания, тепловые потоки, воздействующие на рабочий торец и корпус свечей, приводят к возникновению трещин в стеклогерметических втулках, расслоениям в зоне соединения стеклогерметической втулки с корпусом свечи. Это приводит к потере свечами герметичности и прорыву горячих газов из камеры сгорания в подкапотные пространства двигателей, дополнительному перегреву свечей и их прогару.
Кроме этого, при выполнении встречных запусков двигателей при повышенных давлениях в камерах сгорания на отдельных свечах происходит электрический пробой между центральным электродом и корпусом по поверхности изоляторов, контактирующих со стеклогерметической втулкой.
Электрический пробой внутри свечи исключает наличие электрического разряда в искровом зазоре свечи, соответственно срывается встречный запуск двигателя, последующий холодный или горячий запуск двигателя.
Таким образом, свечи, реализующие [1] имеют низкую надежность при работе в условиях воздействия повышенных температур, т.е. обладают низкой термостойкостью.
Известна также свеча зажигания для газотурбинного двигателя [2], содержащая основной трубчатый корпус, экранную керамическую трубку, изолятор, закрепленный в основном корпусе со стороны экранной керамической трубки, медную клиновую втулку, своим большим поперечным сечением обращенную к экранной керамической трубке с кольцевым уплотнением из стеклогерметика, размещенным на медной клиновой втулке в кольцевом зазоре, образованном ножкой изолятора и основным корпусом, токопроводящий стержень с контактной головкой, закрепленный во внутреннем канале изолятора, дополнительный изолятор с полупроводниковым элементом, во внутреннем канале которого стеклогерметиком закреплен центральный электрод, пружину, керамическую изолирующую трубку, термокомпенсационный элемент, пайкой соединенный с токопроводящим стрежнем и центральным электродом, в дополнительном корпусе с ввертной резьбой во внутренней полости размещенный основной корпус, герметично сваркой закрепленный в дополнительном корпусе выше резьбы.
Недостатком таких свечей зажигания является то, что применяемая пружина выполняет свои функции как силовой элемент, обеспечивающий контакт между изолятором с полупроводниковым элементом и боковым электродом в расчетном режиме при температуре 500°С в течении 1000 часов. Однако при температуре 600-650°С пружины не обеспечивают необходимый ресурс уже после 200 часов наработки.
Кроме того, ножка основного герметизирующего изолятора выполнена так, что отношение всей ее длины к той части, которая выступает из герметика, составляет более 1,25, и из-за перепада температур между выступающей частью
ножки и частью ножки в герметике возможно образование поперечных трещин в этом изоляторе (так называемый «краевой эффект»), которые при повышенных температурных воздействиях быстро раскрываются и при работе от высоковольтных агрегатов зажигания с высоковольтными импульсными трансформаторами в разрядном контуре (применение таких агрегатов необходимо для получения максимального ресурса системы зажигания) приводят к потере электропрочности свечей.
Применение таких свечей в условиях повышенных температур в зоне закрепления (600-700°С) невозможно из-за нагрева корпуса, размягчения кольцевого слоя герметика, прилегающего к корпусу, вызывающего потерю герметичности с прорывом газов камеры сгорания в экранную часть свечи, прогар корпуса и подвижку изолятора.
Кроме этого, разделение в свече узлов по своему функциональному назначению на герметизирующий и искрообразующий и расположение герметизирующего узла в зоне относительно более низких температурных воздействий, т.е. в экранной части свечи, не позволяет применить это техническое решение в свечах, имеющих осевые габариты менее 180 мм, т.к. отсутствует место для размещения соответствующей пружины.
Таким образом, такие свечи имеют ограниченный ресурс и термостойкость, кроме этого, при использовании технических решений по [2] невозможно обеспечить уменьшение осевых габаритов свечей.
Указанных недостатков лишено техническое решение [3], принятое за прототип.
Полупроводниковая свеча зажигания содержит основной трубчатый корпус с установленным в нем искрообразующим изолятором с полупроводниковым элементом и внутренним каналом, закрепленный в последнем в стеклогерметике центральный электрод, дополнительный корпус, частично размещенный внутри основного корпуса и соединенный с ним, медную клиновую втулку, герметизирующий изолятор с ножками и внутренним каналом с закрепленным в нем в стеклогерметике токоведущим
стержнем и экранную керамическую изолирующую втулку, свеча снабжена цангой, кольцевым уплотнением из нетоковедущего стеклогерметика, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса металлической втулкой, изготовленной из материала, имеющего коэффициент термического расширения больший, чем коэффициент термического расширения материала части основного корпуса на участке между втулкой и торцевой поверхностью полупроводникового элемента искрообразующего изолятора, последний закреплен в основном корпусе между его торцевой частью и металлической втулкой, токоведущий стержень соединен с центральным электродом цангой, дополнительный корпус выполнен с буртом, герметизирующий изолятор установлен с упором в бурт, размещен в нетоковедущем стеклогерметике, длина всей ножки герметизирующего изолятора выполнена больше в 1,4 раза длины его части, выступающей из нетоковедущего герметика, охватывающего герметизирующий изолятор, медная клиновая втулка обращена своим большим сечением в сторону искрообразующего изолятора, ножка герметизирующего изолятора установлена с образованием кольцевого зазора с частью дополнительного корпуса, размещенного внутри основного, кольцевое уплотнение из нетоковедущего стеклогерметика размещено в кольцевом зазоре на медной клиновой втулке, керамическая изолирующая втулка установлена между кольцевым уплотнением и металлической втулкой, причем стеклогерметик, закрепляющий токоведущий стержень во внутреннем канале герметизирующего изолятора, размещен в ножке изолятора со стороны экранной керамической втулки выше прямой линии, перпендикулярной оси свечи, проходящей через торец медной втулки с большим поперечным сечением.
Однако при повышении температур в зоне расположения рабочего торца таких свечей до 1000°С на искрообразующем изоляторе с полупроводниковым элементом возникает значительный температурный градиент как в осевом, так и в радиальном направлении. Это проводит к возникновению недопустимых термомеханических напряжений в керамическом материале искрообразующего
изолятора и к образованию в нем микро- и макротрещин, которые, по мере электроэрозионной выработки контакта центрального электрода, приводят к потере этим изолятором электропрочности и, соответственно, электрическому пробою по ним с протеканием разрядного тока и разрушением изолятора (см. фиг.1).
К таким же последствиям приводит вызванное повышенными температурами размягчение стеклогерметика, закрепляющего центральный электрод в канале искрообразующего изолятора, и попадание его в зазор между контактом центрального электрода и керамическим изолятором - после остывания рабочего торца свечи, в этом случае затвердевший стеклогерметик в зазоре вызывает возникновение значительных разрывных механических усилий, вызывающих возникновение в изоляторе трещин непосредственно в зоне искрового зазора свечи.
Кроме этого, при повышенных температурах часть контакта центрального электрода, поджатая стеклогерметиком в процессе изготовления к внутреннему торцу канала искрообразующего изолятора, имеющего больший диаметр, вследствие более высокого температурного коэффициента расширения по сравнению с материалом керамического искрообразующего изолятора, оказывает расклинивающие механические усилия на этот изолятор, которые также приводят к образованию в нем трещин и электрическому пробою по ним. Электрический пробой в искрообразующем изоляторе исключает наличие электрической искры в искровом зазоре свечи, соответственно обеспечение розжига топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью является дальнейшее повышение термостойкости свечей, принятых за прототип, повышение надежности их работы в условиях воздействия повышенных температур.
Указанная задача решается тем, что в отличие от прототипа, металлическая втулка, закрепленная на внутренней поверхности основного корпуса, плотно охватывает искрообразующий изолятор с полупроводниковым
элементом, как по конической, так и по цилиндрической поверхностям, располагаемым со стороны рабочего торца свечи и имеющим больший диаметр, чем ножка этого изолятора, во внутреннем канале которого закреплен центральный электрод, между стеклогерметиком, закрепляющим центральный электрод во внутреннем канале искрообразующего изолятора, и торцевой поверхностью части контакта центрального электрода, размещенной во внутреннем канале искрообразующего изолятора, размещена дополнительная керамическая втулка, причем между торцевой поверхностью этой дополнительной керамической втулки и контактом центрального электрода имеется осевой зазор, между частью контакта центрального электрода, размещенной во внутреннем канале искрообразующего изолятора и внутренним торцем канала искрообразующего изолятора с большим диаметром, также имеется осевой зазор, а центральный электрод со стороны стеклогерметика, закрепляющего его в канале искрообразующего изолятора, имеет буртик, который расположен во внутреннем канале дополнительной керамической втулки.
На фиг.2 представлена заявляемая свеча зажигания для газотурбинных двигателей, содержащая основной трубчатый корпус 1 с установленным в нем искрообразующим изолятором 2 с полупроводниковым элементом и внутренним каналом, закрепленный в последнем в стеклогерметике 3 центральный электрод 4, дополнительный корпус 6, частично размещенный внутри основного корпуса 1 и соединенный с ним герметично сваркой, медную клиновую втулку 7, герметизирующий изолятор 8 с ножками, во внутреннем канале закрепленный в стеклогерметике 9 токоведущий стержень 10, экранную керамическую трубку 11, цангу 12, соединяющую токоведущий стержень 10 и центральный электрод 4, кольцевое уплотнение 13 из нетоковедущего стеклогерметика, металлическую втулку 14, закрепленную на внутренней поверхности основного корпуса, поджимающую искрообразующий изолятор 2 с полупроводниковым элементом к внутреннему торцу основного корпуса 1, образующего боковой электрод свечи, при этом дополнительный корпус 6
1
2
выполнен с буртом 15, герметизирующий изолятор 8 установлен с упором в бурт 15, длина всей ножки герметизирующего изолятора 8 выполнена больше в 1,4 раза длины его части, выступающей из стеклогерметизирующей уплотняющей втулки 13, выполненной из нетокопроводящего стеклогерметика, охватывающей герметизирующий изолятор 8, медная клиновая втулка 7 обращена своей большей стороной в сторону искрообразующего изолятора 2, ножка герметизирующего изолятора 8 установлена с образованием кольцевого зазора с частью дополнительного корпуса 6, размещенного внутри основного корпуса 1, кольцевое уплотнение из нетоковедущего стеклогерметика 13 размещено в этом кольцевом зазоре на медной клиновой втулке 7, керамическая изолирующая втулка 16 установлена между этим уплотнением 13 и металлической втулкой 14, стеклогерметик 9, закрепляющий токоведущий стержень 10 во внутреннем канале герметизирующего изолятора 8, размещен в ножке изолятора 8 со стороны экранной керамической втулки 11 выше прямой линии, перпендикулярной оси свечи, проходящей через торец медной втулки 7 с большим поперечным сечением, металлическая втулка 14, закрепленная на внутренней поверхности основного корпуса 1, плотно охватывает искрообразующий изолятор 2, как по конической, так и по цилиндрическим поверхностям, располагаемым со стороны рабочего торца свечи и имеющим больший диаметр, чем ножка этого изолятора, во внутреннем канале которой закреплен центральный электрод 4, между стеклогерметиком 3, закрепляющим центральный электрод 4 во внутреннем канале искрообразующего изолятора 2 и торцевой поверхностью части контакта центрального электрода, размещенной во внутреннем канале искрообразующего изолятора, размещена дополнительная керамическая втулка 5, причем между торцевой поверхностью этой дополнительной керамической втулки 5 и контактом центрального электрода 17 имеется осевой зазор Δ, между частью контакта центрального электрода 4, размещенной во внутреннем канале искрообразующего изолятора 2, и внутренним торцем канала искрообразующего изолятора 2 с большим диаметром также имеется осевой зазор Δ, а центральный электрод 4 со
стороны стеклогерметика 3 имеет буртик 18, который расположен во внутреннем канале дополнительной керамической втулки 5.
Свеча зажигания работает следующим образом.
Высокое напряжение от емкостного агрегата зажигания прикладывается к токопроводящему стержню 10 через цангу 12 к центральному электроду 4 и через дополнительный корпус 6 к основному корпусу 1, являющемуся боковым электродом свечи. Между электродами свечи, на поверхности рабочего торца, возникает мощный емкостный электрический разряд, воспламеняющий топливовоздушную смесь.
При совместном воздействии высоких температур воздуха из-за компрессора и температур в зоне рабочего торца на стеклогерметик размягчение его слоя, прилегающего к корпусу, не приводит к подвижке герметизирующего изолятора, так как изолятор упирается в бурт дополнительного корпуса, а медная втулка своим большим поперечным сечением находится в зоне давления газа камеры сгорания, что приводит к дополнительному уплотнению герметизирующего узла изолятора в дополнительном корпусе.
Плотный охват металлической втулкой, закрепленной в основном корпусе свечи цилиндрической и конической поверхностей искрообразующего изолятора, размещенных со стороны рабочего торца (бокового электрода), т.е. со стороны подвода тепла от камеры сгорания, значительно улучшает теплоотвод тепла от изолятора в охлаждаемый вторичным воздухом корпус свечи и уменьшает имевшие место в прототипе, высокие температурные градиенты на искрообразующем изоляторе, приводившие к возникновению в нем микро- и макро трещин и электрическому пробою по ним с последующим его разрушением.
Размещение между стеклогерметиком, закрепляющим центральный электрод во внутреннем канале искрообразующего изолятора, и торцевой поверхностью части контакта центрального электрода, размещенной во внутреннем канале с большим диаметром, дополнительной керамической
втулки увеличило расстояние между стеклогерметиком и рабочим торцем и тем самым, дополнительно уменьшило температуры в зоне размещения стеклогерметика. Это, совместно с введением на центральном электроде буртика (уменьшение зазора для протека стеклогерметика), предотвратило протекание стеклогерметика при воздействии повышенных температур в зазор между контактом центрального электрода и цилиндрической поверхностью канала искрообразующего изолятора с меньшим диаметром.
Наличие осевых зазоров между внутренней торцевой поверхностью контакта центрального электрода 17 и дополнительной керамической втулкой 5, размещенной во внутреннем канале искрообразующего изолятора, и внутренним торцем канала искрообразующего изолятора с большим диаметром позволило исключить воздействие на изолятор разрывающих расклинивающих усилий от расширяющегося при воздействии повышенных температур контакта центрального электрода в месте перехода диаметров канала искрообразующего изолятора, а также при остывании свечи после останова двигателя, за счет протека герметика в зазор между контактом центрального электрода и изолятором, имеющих место в прототипе при кратковременном повышении температуры в зоне рабочего торца, ухудшении теплоотвода от корпуса свечи вторичным воздухом на переходных режимах работы двигателя.
Кроме того, при кратковременном повышении температур в зоне рабочего торца выше 1000°С, возникновении повышенных температурных градиентов на изоляторе с полупроводниковым элементом при возникновении микротрещин в ножке этого изолятора, дополнительная керамическая трубка, размещенная в его внутреннем канале и охватывающая центральный электрод, повышает электропрочность свечи и позволяет исключить электрический пробой по возникшим микротрещинам в ножке изолятора.
Таким образом, предлагаемая свеча зажигания имеет, по сравнению с прототипом, повышенную термостойкость и надежность работы в условиях воздействия повышенных температур.
Эффективность предлагаемого технического решения подтверждена испытаниями и эксплуатацией свечей СП-92П кл. К2, изготовленных с мероприятиями по настоящему изобретению в составе двигателей ПС-90А [4], используемых на самолетах ИЛ96-300, Ту-204, Ту-214.Свечи обеспечили требуемую наработку до 5000-9000 часов при воздействии температур на рабочий торец до 1000°С.
Применение предлагаемых технических решений позволяет обеспечить повышенное заглубление рабочего торца свечей в камеру сгорания, тем самым приблизить источник воспламенения к зоне обратных токов в камере сгорания, следовательно, обеспечить расширение диапазона розжига топливовоздушной смеси и повысить надежность запуска двигателей. Совокупность таких свойств выгодно отличает предлагаемые в настоящем изобретении свечи от известных аналогов и прототипа при сохранении минимальных осевых и диаметральных размеров.
Источники информации:
1. Патент РФ №1720459, МПК (7) Н 01 T 13/00, 30.03.1994.
2. Патент РФ №2028023, МПК (7) H 01 T 13/00, 27.01.1995.
3. Патент РФ №2007004, МПК (7) Н 01 Т 13/00, 30.01.1994.
4. УНПП «Молния», Технические акты №ИС-98/49, ИС-2001/2, ИС-2001/72, ИС-2000/66.