ЗАПАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК F23Q3/00 

Изобретение относится к области силовых установок, работающих на энергии сжигаемых несамовоспламеняющихся высококалорийных топлив, преимущественно кислородно-водородного, в частности, для запуска парогенераторов, газотурбинных установок, жидкостных реактивных двигателей, мартеновских печей и т. п.

Из патентной и технической литературы известны габаритные электрозапальные устройства смеси газов для создания факела, обеспечивающего воспламенение основных расходов топлива, содержащие охлаждаемую форкамеру с кольцевыми коллекторами магистралей подачи горючего и окислителя, аксиально которым установлен центральный электрод свечи зажигания (см. например, С.Д. Розенберг "Система зажигания." Acta Astronautica, серия 10, N 1, рис. 2, январь 1983). Корпус форкамеры имеет тракт внешнего охлаждения с продольными ребрами, образующими каналы, по которым подается основной расход горючего. На выходе форкамеры эти каналы наклонены к ее оси, образуя коническую поверхность.

Известные устройства характеризуются продолжительным сроком службы и предназначены для многократного использования в газогенераторах и камерах сгорания при запуске, например, кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателях основной двигательной установки транспортного космического корабля "Спейс Шатл", США.

Техническим решением изобретения является устранение отмеченных недостатков, т.е. повышение функциональной надежности и безотказности запуска запального устройства.

Техническое решение достигается тем, что в известном запальном устройстве, в охлаждаемом корпусе которого посредством продольных ребер образованы каналы, наклоненные на выходе к оси, а на входе смонтирован кольцевой коллектор окислителя, в магистрали горючего помещен центральный электрод свечи зажигания, к которому направлены струйные форсунки окислителя, согласно изобретению, внутри кольцевого коллектора выполнены радиальные выступы, в которых размещены струйные форсунки окислителя, а каналы охлаждения на выходе из форкамеры наклонены под углом в диапазоне от 37^o до 52^o.

На радиальных выступах коллектора по минимальному искровому зазору локализируется разряд свечи зажигания в местах, где газодинамикой струйных форсунок обеспечивается благоприятное для зажигания смеси газов соотношение водорода к кислороду (1:5), причем, для воспламенения достаточно одиночного разряда с энергией в 2 мДж против 10 мДж в прототипе.

Диапазон угла наклона продольных каналов горючего к оси устройства на выходе форкамеры оптимизирован по максимально возможному равномерному заполнению объема камеры сгорания запальным факелом для всего практически известного разнообразия конструктивных и технологических особенностей выполнения и функционирования запальных устройств. При этом в 2,5-3 раза сократилась протяженность высокотемпературной зоны факела.

Экспериментально установлено, что при наклоне каналов на угол более 52^o возрастает к периферии камеры сгорания градиент температуры и у стенок длина высокотемпературных потоков превышает длину запального факела прототипа, а при угле наклона каналов менее 37^o формируется остронаправленный протяженный центральный факел горячих газов внутри потока горючего.

Отличительные признаки устройства в отдельности необходимы, а в совокупности достаточны для достижения изобретением существенно нового технического результата: повышения надежности запуска запального устройства, причем, вихревой характер принудительного струйного перемешивания компонентов на выходе из запального устройства обеспечивает снижение тепловой и динамической нагрузок на элементы конструкции силовой установки, что повышает срок службы изделий.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображены: на фиг. 1 - общий вид устройства, на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1, на фиг. 3 - разрез по Б-Б на фиг. 1, на фиг. 4 профиль температур запального факела в камере сгорания (а профиль температур при оптимальном угле выходного корпуса форкамеры, б профиль температур при угле больше оптимального, в профиль температур при угле меньше оптимального, T_ср заданная средняя температура факела).

Запальное устройство содержит головку 1 инициирования и форкамеру 2. В головке 1 укреплена свеча 3 зажигания, центральный электрод 4 которой размещен в осевом канале 5, сообщающимся посредством штуцера 6 с магистралью подачи водорода (горючего) и через центральное отверстие кольцевого коллектора 7 с форкамерой 2. Успокоительная полость 8 головки 1 сообщается через штуцер 9 с магистралью подачи кислорода (окислителя). Внутренняя поверхность коллектора 7, его центральное отверстие, снабжена радиальными выступами 10 (фиг. 2), в которых выполнены струйные форсунки 11, направленные к электроду 4. Коллектор 7 закреплен в корпусе форкамеры 2, который выполнен с двойной стенкой, причем, на внутренней стенке имеются продольные ребра 12, образующие каналы 13 (фиг. 3) тракта охлаждения, сообщающиеся посредством штуцера 14 с магистралью подачи горючего. Каналы 13 на выходе форкамеры 2 наклонены к ее оси под углом в диапазоне 37^o.52^o, образуя коническое выходное сопло 15.

Работает устройство следующим образом.

Водород подается в форкамеру 2 через штуцер 6 с расходом 1 г/сек, а в охлаждающие каналы 13 через штуцер 14 с расходом 19 г/сек. Кислород от магистрали через штуцер 9 с расходом 20 г/сек подается в полость 8, а затем распределяется коллектором 7 в форкамеру 2 и через форсунки 11 (5 г/сек) к электроду 4.

Электрический разряд между электродом 4 свечи 3 и коллектором 7 локализуется по минимальному искровому зазору выступов 10, где обеспечено оптимальное соотношение водорода и кислорода для воспламенения. При электрическом разряде водород ионизируется и воспламеняется в среде кислорода образуется факел, который при избытке кислорода, поступающего от коллектора 7, смешивается с водородом на выходе форкамеры 2. Дискретные струи подогретого водорода коническим соплом 15 направляются под углом к факелу горячего окислительного газа, активно перемешиваясь и сгорая. При этом формируется устойчивый факел с практически равномерным распределением температур в поперечном сечении для воспламенения основных расходов компонентов в камере сгорания силовой установки (фиг. 4а).

Предложенная компактная конструкция гарантированно обеспечивает формирование запального факела несамовоспламеняющихся топлив, имеет, сравнительно с известным уровнем техники, пониженные энергоемкость и массу.

После успешных опытных испытаний образца по изобретению, согласно договорам поставок, в 1994 году будут промышленно выпускаться запальные устройства по утвержденной технической документации для комплектования силовых установок, работающих на сжигании кислородно-водородного топлива.

Использование: в области энергетики и относится к устройствам для запуска установок, работающих на энергии сжигаемых высококалорийных несамовоспламеняющихся топлив. Сущность: рубашка охлаждения выполнена в виде каналов 13, образованных продольными ребрами 12 и наклоненных на выходе к продольной оси под углом равным 37^o...52^o, центральный электрод 4 свечи 3 зажигания расположен в магистрали 5 горючего, на внутренней поверхности коллектора 7 окислителя выполнены радиальные выступы 10, в которых установлены струйные форсунки 11 окислителя, направленные к электроду 4 свечи 3 зажигания. 4 ил.

Запальное устройство, содержащее корпус, рубашку охлаждения, кольцевой коллектор окислителя, расположенный на входе, магистраль горючего, центральный электрод свечи зажигания, отличающееся тем, что рубашка охлаждения выполнена в виде каналов, образованных продольными ребрами и наклоненных на выходе к продольной оси под углом, равным 37 52^o, центральный электрод свечи зажигания расположен в магистрали горючего, на внутренней поверхности коллектора окислителя выполнены радиальные выступы, в которых установлены струйные форсунки окислителя, направленные к электроду свечи зажигания.