СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к авиационному двигателестроению, в частности - к конструктивному исполнению свечей зажигания газотурбинных двигателей.
Известна свеча зажигания для малоразмерных газотурбинных двигателей[1], содержащая корпус из жаропрочного металла, керамический изолятор, полупроводниковый элемент в виде кольца, центральный электрод, содержащий рабочую часть и контактный стержень, и стеклогерметик, заключенный между корпусом, полупроводниковым элементом и стержнем центрального электрода, причем стержень выполнен из металла, имеющего температурный коэффициент линейного расширения, равный таковому у материала керамического изолятора, при этом рабочая часть центрального электрода снабжена буртиком для закрепления в полупроводниковом элементе и глухим отверстием для размещения в нем частично контактного стержня, при этом контактный стержень заглублен в отверстие до упора с образованием между частями электрода электрического контакта.
Свеча зажигания, выполненная по [1], обладает низкой термостойкостью. При повышенных температурах в зоне размещения их рабочего торца, где температура воздуха за компрессором превышает 300°С, эти свечи не обеспечивают требуемой герметичности из-за возникновения трещин в стеклогерметике и нарушения его спая с корпусом.
Кроме того, при необходимости выполнения встречного запуска двигателя, включение системы зажигания при повышенном давлении в камере сгорания со свечами, выполненными по [1], приводит к электрическому пробою между центральным электродом и корпусом на границе между изолятором и стеклогерметиком. Потеря электропрочности
свечи по стеклогерметику исключает протекание электрического разряда между электродами на рабочем торце свечи, при этом розжиг топлива не происходит, срываются запуски двигателя. Таким образом, свеча по [1] обладает низкой термостойкостью.
Указанных недостатков частично лишена свеча зажигания для двигателей летательных аппаратов, принятая за прототип [2], выполненная по [3], содержащая корпус с размещенным в нем изолятором с каналом, снабженным центральным электродом, и закрепленную в корпусе экранную керамическую трубку, концевой участок которой, обращенный к изолятору, размещен между корпусом и изолятором с образованием наружного и внутреннего кольцевых каналов, а также демпфирующую обмотку из стеклоткани, пропитанную неорганическим термостойким клеем, установленную в наружном кольцевом канале с образованием щели, и стеклогерметическую кольцевую втулку U-образного поперечного сечения, верхние части которой размещены соответственно во внутреннем канале и щели, а нижняя часть охватывает торец концевого участка экранной керамической трубки, причем глубина погружения последней в кольцевую стеклогермегическую втулку не превышает высоты демпфирующей обмотки.
Однако и эта свеча не обеспечивает надежной работы при повышенных температурах в зоне рабочего торца.
При повышенной температуре топливо-воздушной смеси в зоне рабочего торца появляется значительная утечка продуктов сгорания по уплотнению между изолятором и корпусом свечи, т.е. свеча становится негерметичной.
Использование U-образной стеклогерметичной втулки на основе высокотемпературных стекольных композиций для обеспечения герметичности свечи приводит к возникновению поперечных трещин в экранном керамическом изоляторе по границе со стеклокомпозицией. Как следствие - снижается электропрочность свечей, их надежность в части обеспечения розжига топлива в высотных условиях (при пониженном
давлении) и уменьшается ресурс свечи из-за повышения вероятности электрического пробоя по этим трещинам вместо пробоя в искровом зазоре свечи при работе агрегата зажигания.
Возникновение поперечных трещин в экранной керамической трубке связано с необходимостью применения для обеспечения повышения герметичности более высокотемпературных стекольных композиций, требующих нагрева свечи в процессе изготовления и вдавления экранной керамической трубки в U-образную стеклогерметическую втулку свечи при более высоких температурах, порядка (700-730)°С.
При этом происходит большее, чем в прототипе, диаметральное расширение корпуса свечи в зоне герметизации, соответственно увеличивается радиальный зазор между экранной керамической трубкой и корпусом, и в образовавшуюся большую щель между корпусом и керамической трубкой поступает больше стеклокомпозиции.
Вышеописанное приводит к тому, что при остывании затвердевающей стеклокомпозиции U-образной стеклогерметичной втулки остывающий корпус через нее оказывает большее давление на керамическую трубку и демпфирующая обмотка не обеспечивает функции демпфера. Повышение усилий, воздействующих со стороны корпуса на экранную керамическую трубку, приводит к возникновению трещин в ней.
Кроме того, при повышенных температурах в зоне рабочего торца в процессе ее работы в составе двигателя также происходит циклическое изменение давления корпуса на экранную керамическую трубку, вызванное изменением режима работы двигателя (запуск, останов, работа на малом газу, на максимальном, крейсерском режимах и т.д.). За счет постепенного снятия натяга корпуса по стеклогерметической U-образной втулке происходит возрастание утечки продуктов сгорания по этому соединению.
Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение термостойкости свечи зажигания, за счет исключения возникновения трещин
в экранной керамической трубке и повышенной утечки продуктов сгорания через свечи.
Поставленная задача решается свечой зажигания для двигателей летательных аппаратов, содержащей корпус с размещенным в нем изолятором с каналом, в котором размещен центральный электрод, и закрепленную в корпусе экранную керамическую трубку, концевой участок которой, обращенный к изолятору, размещен между корпусом и изолятором с образованием наружного и внутреннего кольцевых каналов, свеча снабжена демпфирующей обмоткой из стеклоткани, пропитанной неорганическим термостойким клеем, установленной в наружном концевом канале с образованием щели, и стеклогерметическую кольцевую втулку U-образного поперечного сечения, верхние части которой размещены соответственно во внутреннем канале и щели, а нижняя часть охватывает торец концевого участка экранной керамической трубки, причем глубина погружения последней в кольцевую стеклогерметическую втулку не превышает высоты демпфирующей отметки.
Новым, согласно полезной модели, является то, что U-образная стеклогерметическая втулка установлена на дополнительную втулку из стеклогерметика, размещенную между боковой поверхностью изолятора и корпусом, причем дополнительная втулка выполнена из стеклокомпозиции, состоящей из боросиликатного стекла и бариевого силикатоборатного стекла с температурой размягчения более 700°С, втулка U-образного сечения выполнена из стеклокомпозиции на основе низкотемпературного боросвинцового стекла, корпус свечи в зоне размещения втулок выполнен из стали, содержащей С=(0,1-0,24)%, Si<0,6%, Mn<0,6%, Cr=(12-14)%, S<0,025%, Р<0,03%, остальное железо, а кольцевой зазор между ножкой изолятора и внутренней поверхностью экранной керамической трубки не превышает 1,0 мм, на границе между U-образной стеклогерметической втулкой и дополнительной стеклогерметической втулкой размещено керамическое кольцо.
1
2
На фиг.1 представлена заявляемая свеча зажигания для двигателей летательных аппаратов, содержащая корпус 1 с размещенным в нем изолятором 2 с каналом, снабженным центральным электродом 3, и закрепленную в корпусе экранную керамическую трубку 4, концевой участок которой 5, обращенный к изолятору 2, размещен между корпусом 1 и изолятором 2 с образованием наружного 6 и внутреннего 7 кольцевых каналов, свеча снабжена демпфирующей обмоткой 8 из стеклоткани, пропитанной неорганическим термостойким клеем, установленной в наружном кольцевом канале 6 с образованием щели 9, и стеклогерметическую кольцевую втулку U-образного поперечного сечения 10, верхние части которой размещены, соответственно, во внутреннем и внешнем кольцевых каналах 6 и 7, а нижняя часть охватывает торец концевого участка экранной керамической трубки 4, причем глубина hпогружения последней в кольцевую втулку не превышает высоты hдемпфирующей отметки 8, U-образная втулка 10 установлена на дополнительную с втулку 11, размещенную между боковой поверхностью изолятора 2 и корпусом 1, кольцевой зазор А между ножкой изолятора и внутренней поверхностью экранной керамической трубки 4 не превышает 1,0 мм, на границе между U-образной стеклогерметической втулкой 10 и дополнительной стеклогерметической втулкой 11 размещено керамическое кольцо 12.
Введение дополнительной стеклогерметической втулки, размещенной между U-образной втулкой, изолятором и корпусом, выполненной на основе стеклокомпозиции, состоящей из боросиликатного и бариевого силикатоборатного стекол с температурой размягчения более 700°С, выполнение корпуса свечи в зоне размещения стеклогерметических втулок из стали, содержащей С=(0,1-0,24)%, Si<0,6%, Mn<0,6%, Cr=(12-14)%, S<0,025%, Р<0,03%, остальное железо, выполнение кольцевого зазора между ножкой изолятора и внутренней поверхностью экранной керамической трубки, не превышающим 1,0 мм, размещение на границе
между U-образной стеклогерметической втулкой и дополнительной стеклогерметической втулкой керамического кольца позволяет выполнить основную герметизацию свечи до установки экранной керамической трубки в U-образную стеклогерметическую втулку и установки самой U-образной втулки, тем самым исключить передачу усилий остывающего в процессе герметизации корпуса на керамическую экранную трубку, и соответственно возникновение в ней трещин.
При этом выбор материалов стеклокомпозиции дополнительной стеклогерметической втулки и корпуса обеспечивает надежный спай этой стеклокомпозиции с корпусом за счет образования на нем в процессе нагрева при изготовлении соответствующей окисной пленки, хорошо смягчающейся при температурах выше 700°С стеклокомпозицией на основе боросиликатного и бариевого силикатоборатного стекла.
Керамическое кольцо на границе стеклогерметических втулок обеспечивает необходимое уплотнение дополнительной стеклогерметической втулки в процессе ее опрессовки при изготовлении.
Выполнение U-образной стеклогерметичной втулки на основе низкотемпературного боросвинцового стекла обеспечивает ограничение количества этой стеклокомпозиции, проникающей в зазор между керамической трубкой и корпусом при вдавливании трубки в стеклогерметическую втулку, а выполнение кольцевого зазора между изолятором и керамической трубкой не более 1,0 мм обеспечивает повышенную электропрочность свечи в условиях циклически изменяющихся температур на рабочем торце, а также пониженных давлений в зоне экранной керамической трубки за счет хорошей адгезии - смачивания этой стеклокомпозицией ножки керамической изоляции и внутренней поверхности экранной керамической трубки.
Кольцевой зазор не более 1,0 мм позволяет исключить возникновение трещин в U-образной стеклогерметичной втулке, уменьшающей
электропрочность. Это позволяет избежать электрического пробоя между контактной головкой и корпусом по стеклогерметической U-образной втулке.
При изготовлении свечи помещают в кольцевой зазор между ножкой изолятора 2 и корпусом 1 стеклогерметическую втулку 11, выполненную на основе стеклокомпозиции, состоящей из боросиликатного стекла и бариевого силикатоборатного стекла, нагревают до температуры более 700°С и вдавливают в нее пуансоном керамическое кольцо 12, спрессовывая эту втулку, извлекают пуансон и зачтем, после остывания корпуса, экранную керамическую втулку 4 погружают в стеклогерметическую кольцевую втулку 10, расположенную между изолятором 2 и корпусом 1, а в наружном кольцевом канале 6 размещают демпфирующую обмотку 8.
Стеклогерметическая втулка 10, помещаемая между изолятором 2 и корпусом 1, при повторном нагреве свечи до температур не ниже 500°С размягчается, приобретая вязкость пасты. В разогретую втулку 10 вдавливают экранную керамическую трубку 4. На наружной поверхности трубки 4 размещают демпфирующую обмотку 8 из термостойкой ленты, например из стеклоткани, закрепляемой на трубке 4 с помощью неорганического клея, например раствора силиката натрия - жидкого стекла. Расплавленная втулка 10 заполняет щель 9 и внутренний канал 7. При охлаждении происходит спаивание с помощью стеклогерметической втулки 10 корпуса 1, трубки 4 и изолятора 2, при этом образуется механически и электрически прочное соединение этих деталей за счет свойств применяемой втулки 10.
При охлаждении возникают значительные нагрузки на экранную керамическую трубку 4 от остывающего корпуса 1 через стеклогерметическую втулку 10, при этом возможна поломка трубки 4. Для устранения такой возможности предназначена намотанная на трубку 4 демпфирующая обмотка 8, количество стеклогерметика во втулке 10 подбирается таким образом, чтобы высота выдавленного в щель 9 стеклогерметика не превышала высоты демпфирующей обмотки 8.
Такое выполнение свечи позволяет создать электрически и механически прочное соединение между экранной керамической трубкой и корпусом свечи с помощью стеклогерметической кольцевой втулки U-образного поперечного сечения, обеспечить повышенную герметичность свечи при воздействии на нее повышенных температур. Эффективность предложенных технических решений подтверждена результатами испытаний и эксплуатации в составе двигателей ВС-10, ТВД-20, ТА-14. [4].
Источники информации:
1. Патент РФ №1720459, МПК (5) Н 01 Т 13/00, 30.03.1994.
2. УНПП «Молния»// Техническая документация на свечи СП 24 ВИ 8 Г3 - 242.251.ТУ
3. Патент РФ №1625152, МПК (5) F 23 Q 5/00, 07.12.1989.
4. УНПП «Молния», Технические акты ИС-2003/96, ИС-2002/73, ИС-2003/109.