СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ НА ОСНОВЕ СВЧ РАЗРЯДА

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к свечам зажигания на основе высокочастотного (СВЧ) разряда, предназначенным для воспламенения топливных смесей в газотурбинных двигателях (ГТД) как транспортного (воздушного и наземного), так и энергетического назначения.
К свече зажигания, являющейся одним из основных элементов пусковой системы ГТД, предъявляются требования обеспечения надежного запуска двигателя в широком диапазоне топливных и газодинамических параметров топливовоздушной смеси -отношения концентраций окислителя и топлива, давления, температуры, скорости и режима течения потока, а также низкого уровня выбросов, загрязняющих атмосферу. При использовании свечи зажигания в составе пусковой системы ГТД летательного аппарата эти требования дополняются необходимостью надежного запуска как на земле, так и на высоте (в случае срыва пламени), где условия воспламенения топливной смеси существенно отличаются от наземных, а также обеспечением заданного ресурса и жесткими ограничениями по массогабаритным показателям и энергопотреблению в пусковом режиме (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М., «Мир», 1986. с. 237).
Большинство из известных к настоящему времени теорий воспламенения базируется на модели, согласно которой свеча зажигания должна обеспечить подвод к топливной смеси энергии, достаточной для создания некоторого объема горючего газа, удовлетворяющего условию распространения пламени, т.е. условию превышения тепловыделения над теплоотводом (см. там же). В рамках этой модели минимальная энергия воспламенения определяется как количество энергии, необходимое для нагрева наименьшего объема топливной смеси, минимальный размер которого равен расстоянию гашения, до температуры, равной адиабатической температуре пламени. При этом к числу основных параметров плазменного факела, определяющих надежность воспламенения топливной смеси, относятся температура, длительность (время жизни), частота повторения поджигающих импульсов, пространственная протяженность и объем.
Известно устройство для воспламенения обедненных топливных смесей в двигателях внутреннего сгорания, содержащее электроискровую свечу, электроды которой выведены в форкамеру, и топливопровод системы впрыска топливовоздушной смеси стехиометрического состава, причем форкамера с помощью размещенного в ее корпусе отверстия сообщается с основной камерой сгорания двигателя (патент США №4041922, МПК F02B 23/00, опубл. 16.08.1977 г.). Последовательность операций по пуску двигателя с использованием данного устройства включает в себя впрыск в форкамеру небольшого количества топливовоздушной смеси стехиометрического состава, подачу на электроды электроискровой свечи импульса напряжения, обеспечивающего электрический пробой между ними и, как следствие, воспламенение находящейся в форкамере обогащенной топливовоздушной смеси, перенос полученного факела пламени через отверстие в форкамере в основную камеру сгорания, где он используется для воспламенения рабочего потока топливовоздушной смеси.
Несмотря на то, что известное устройство обеспечивает возможность запуска основной камеры сгорания ГТД в широком диапазоне топливных и газодинамических параметров топливовоздушной смеси, для его функционирования необходимы дополнительная камера сгорания (форкамера), снабженная системой подготовки и впрыска топливовоздушной смеси стехиометрического состава.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого технического решения является свеча зажигания на основе СВЧ разряда, содержащая соосные внешний и внутренний электроды, размещенные с образованием канала для транспортировки СВЧ излучения от источника в направлении камеры сгорания, и расположенную в указанном канале диэлектрическую вставку, выполненную в форме шайбы, плоской со стороны источника СВЧ излучения и выпуклой со стороны камеры сгорания и изготовленной из материала с малыми потерями на рабочей частоте генератора, причем внутренний электрод одним концом подключен к выводу энергии источника СВЧ излучения, а вторым концом введен в полость камеры сгорания (патент США №7204220, МПК F02P 23/04, опубл. 17.04.2007).
При включении источника СВЧ излучения по каналу, образованному внешним и внутренним электродами, распространяется волна электромагнитного излучения в направлении от источника к камере сгорания. Если мощность источника достаточна для электрического пробоя между внешним и внутренним электродами свечи, то в ее межэлектродном зазоре создается плазма, которая нагревается в результате поглощения излучения и инжектируется в полость камеры сгорания, где служит ядром воспламенения топливовоздушной смеси.
Недостатком данной конструкции свечи зажигания является ограничение надежности воспламенения вследствие конвективного охлаждения ядра воспламенения набегающим потоком топливовоздушной смеси. Кроме того, ограничен рабочий ресурс свечи вследствие интенсивной эрозии внутреннего электрода в зоне пробоя по межэлектродному зазору свечи.
Технический результат заявленной полезной модели - повышение надежности воспламенения топливовоздушной смеси и повышение рабочего ресурса свечи зажигания.
Указанный технический результат достигается тем, что в свече зажигания на основе СВЧ разряда, содержащей соосные внешний и внутренний электроды, размещенные с образованием канала для транспортировки СВЧ излучения от источника в направлении камеры сгорания, и расположенную в канале диэлектрическую вставку, согласно полезной модели, диэлектрическая вставка имеет участок, выступающий за торцевую поверхность внешнего электрода, при этом внутренний электрод выполнен с заостренным концевым участком и расположен в осевом отверстии диэлектрической вставки таким образом, что расстояние от его острия до торцевой поверхности диэлектрической вставки меньше расстояния между торцевыми поверхностями диэлектрической вставки и внешнего электрода.
Указанные признаки являются существенными, так как выполнение концевого участка внутреннего электрода заостренным и его размещение в полости осевого отверстия диэлектрической вставки обеспечивает возможность повышения рабочего ресурса свечи в результате снижения токовой нагрузки на концевой участок; расположение (заглубление) концевого участка внутреннего электрода на расстоянии относительно торцевой поверхности диэлектрической вставки позволяет существенно улучшить условия воспламенения топливовоздушной смеси в результате более эффективного формирования плазменного факела и снижения уровня конвективного и лучистого теплообмена в зоне ядра воспламенения.
На чертеже схематично представлена свеча зажигания (продольный осевой разрез).
Свеча содержит соосные внешний 1 и внутренний 2 электроды, образующие канал 3 для транспортировки СВЧ излучения от источника в направлении камеры сгорания (показано стрелками). В канале 3 расположена вставка 4, выполненная из диэлектрического материала, например термостойкой керамики, в форме ступенчатой цилиндрической втулки с осевым отверстием, в котором размещен внутренний электрод 2 с заостренным концевым участком с острием 5. Вставка 4 имеет участок длиной H, выступающий за торцевую поверхность внешнего электрода 1, причем осевая длина указанного участка превышает расстояние h от острия 5 внутреннего электрода 2 до торцевой поверхности вставки 4, т.е. H>h.
Диэлектрическая вставка также может быть выполнена в виде ступенчатой втулки конической формы, что позволяет обеспечить повышение надежности ее фиксации относительно внешнего электрода свечи, а также соосности внутреннего и внешнего электродов. Форму вставки выбирают для каждого конкретного случая, исходя из условий применения свечи в составе камеры сгорания двигателя.
В качестве источника СВЧ излучения могут быть выбраны электровакуумные или полупроводниковые генераторы (усилители) дециметрового или сантиметрового диапазона длин волн, обладающие достаточным уровнем выходной мощности для обеспечения эффективной автоэлектронной эмиссии в зоне концевого участка внутреннего электрода свечи. Выбор типа источника также определяется условиями применения и специальными требованиями к двигателю.
В качестве материала диэлектрической вставки могут быть использованы термостойкие керамики, обладающие минимальными потерями в выбранном СВЧ диапазоне, например, на основе окислов редкоземельных металлов или электрокорунда.
эфф
эфф
Соосные внешний и внутренний электроды в совокупности образуют коаксиальную линию передачи, подключенную с одной стороны к выводу энергии источника СВЧ излучения, а с другой стороны - к электродам свечи зажигания, внешний электрод которой установлен на стенке камеры сгорания. Длина L электродов определяется из условия максимума электрической составляющей электромагнитной волны в зоне заостренного участка внутреннего электрода свечи: L=(2n+1)λк/4, где n≥0 - целое число, а λ - эффективная длина волны в коаксиальной линии передачи. Форма электродов определяется из условия оптимального согласования вывода энергии источника СВЧ излучения с нагрузкой - свечой зажигания при заданной рабочей частоте (длине волны) источника.
Предлагаемая свеча зажигания функционирует следующим образом.
Источник СВЧ излучения возбуждает электромагнитную волну в канале, образованном электродами 1 и 2 и представляющем собой коаксиальную линию передачи. При выборе линии передачи четвертьволновой длины напряженность электрического поля в зоне острия 5 внутреннего электрода 2 максимальна, что при достаточной мощности СВЧ источника приводит к автоэлектронной эмиссии с острия и, как следствие, к созданию в полости диэлектрической вставки плазменного образования, которое нагревается в результате поглощения энергии электромагнитной волны и служит ядром воспламенения топливовоздушной смеси, находящейся в полости вставки 4. Нагрев плазменного образования приводит к повышению газокинетического давления в полости вставки 4, под действием которого происходит инжекция ядра воспламенения в камеру сгорания. При этом условия воспламенения в указанной зоне существенно лучше, чем в основном потоке камеры сгорания, поскольку уровни конвективного и лучистого теплообмена здесь ограничены стенками вставки 4. Кроме того, заглубление вставки в полость камеры сгорания на расстояние, превышающее длину выступающей части внутреннего электрода 2, позволяет в результате увеличения площади эмитирующей поверхности снизить токовую нагрузку в зоне его острия 5, что обеспечивает возможность повышения рабочего ресурса свечи.
Оптимальные значения параметров H и h определяются рабочей частотой (длиной волны) источника СВЧ излучения и комбинацией топливных и газодинамических параметров топливовоздушной смеси - отношения концентраций окислителя и топлива, давления, температуры, скорости и режима течения потока. Как показали проведенные исследования, в режимах, типичных для розжига камеры сгорания ГТД, эти значения лежат в диапазонах: d<h<2d<H<4d, где d - диаметр внутреннего электрода свечи.
Таким образом, предложенная конструкция свечи зажигания позволяет повысить надежность воспламенения в широком диапазоне топливных и газодинамических параметров топливовоздушной смеси при розжиге камеры сгорания ГТД в результате снижения уровня конвективного и лучистого теплообмена в зоне ядра воспламенения, а также увеличить рабочий ресурс свечи в результате снижения токовой нагрузки на ее электрод.