СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ВКЛЮЧАЮЩАЯ СВЕЧУ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТИПА, КАМЕРА СГОРАНИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ СВЕЧУ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F02C7/266 H01T13/06 

Изобретение касается области газотурбинных двигателей и, в частности, системы зажигания, включающей свечу полупроводникового типа в камере сгорания.

В газотурбинном двигателе из компрессора в камеру сгорания поступает воздух, часть которого смешивается с топливом, которое воспламеняется в первичной зоне сгорания. Поджиг осуществляется одной или двумя свечами, расположенными на выходе смесеобразующей системы. Другая часть воздуха огибает первичную зону сгорания и смешивается с отработанными газами. Смесь горячих газов направляется к турбине. Камеры сгорания рассчитываются таким образом, чтобы соответствовать необходимым требованиям, таким как повторное зажигание в полете, форма температурного профиля, выпуск газов, загрязняющих окружающую среду, а также одновременно термическая и механическая стойкость ее различных составляющих частей.

В частности, система зажигания призвана обеспечивать повторное зажигание в полете в случае неожиданного прекращения работы камеры сгорания при сохранении сопротивления термическим напряжениям, которым она подвергается. Эти два условия представляют собой два трудно совместимых требования. Действительно, инжекционная система выдает слой распыленного топлива, образующего определенный угол. Если последний является существенно закрытым, свеча находится вне конуса, образованного топливом, что является предпочтительным с точки зрения термической стойкости, но способность воспламенения камеры уменьшена. Напротив, инжекционная система, слой топлива которой образует очень открытый угол, вызывает значительный перегрев зоны камеры вблизи свечи в результате воздействия топлива на стенки и свечу. Механическая стойкость этих элементов вследствие этого может ухудшиться.

Настоящее изобретение касается систем зажигания, свеча которых установлена в камере через деталь, образующую переходное устройство, закрепленное на корпусе камеры. Свеча размещается в корпусе радиально внутрь камеры, и ее конец находится на одном уровне со стенкой камеры через отверстие, выполненное в последней и образующее канал. Вокруг свечи выполнен минимальный боковой зазор для обеспечения возможности относительных перемещений между камерой и корпусом вследствие изменений температуры в течение различных фаз полета для того, чтобы свеча, жестко закрепленная в корпусе, не ударялась и не опиралась о края отверстия стенки камеры. Отверстие в стенке камеры образует канал, в который вставляется свеча, а подвижная втулка, окружающая свечу, обеспечивает герметичность между камерой и пространством между камерой и корпусом. Пример такого типа установки свечи в камере сгорания с переходным устройством представлен в заявке на патент ЕР 1443190.

Существуют два типа свечей зажигания, используемых в камере сгорания газотурбинных двигателей:

Свечи типа «высокая энергия-высокое напряжение», рабочее напряжение которых составляет порядка 20 кВ, и свечи типа «высокая энергия-низкое напряжение», рабочее напряжение которых составляет порядка от 2 до 3 кВ. В свечах типа «высокая энергия-низкое напряжение» между электродами размещен полупроводниковый материал таким образом, что приложение достаточного напряжения к электродам приводит к возникновению искры. Срок службы свечей ограничен; в случае свечей «высокая энергия-высокое напряжение» - вследствие износа электродов, а для свечей «высокая энергия-низкое напряжение» - вследствие износа полупроводника, при этом последний изнашивается быстрее, чем электроды.

Преимущества свечей «высокая энергия-низкое напряжение» связаны, с одной стороны, с их работой, малозависящей от условий в камере сгорания, и, с другой стороны, со схемой зажигания меньших габаритных размеров, достаточных для ее установки и обеспечения функционирования.

В связи с повторяющимися циклами зажигания полупроводник свечи испытывает значительные термические напряжения. Попадание топлива на полупроводник, как и электрическая дуга, вызывают его разрушение, приводящие к изменению его формы.

Задачей настоящего изобретения является увеличение срока службы свечей полупроводникового типа путем разработки новой системы зажигания, позволяющей охладить полупроводник при ограничении попадания на него топлива.

Объектом изобретения является приспособление формы подвижной втулки системы зажигания и изменение конструкции оболочки свечи для охлаждения полупроводника при ограничении попадания на него топлива. Изобретение позволяет уменьшить термические напряжения полупроводника, увеличивающего, таким образом, срок его службы.

Изобретение касается системы зажигания, содержащей свечу полупроводникового типа в оболочке, канал, жестко соединенный с камерой сгорания газотурбинного двигателя, подвижную втулку, с помощью которой свеча установлена в канале, воспринимающую расширение, перпендикулярное оси свечи. Она отличается тем, что содержит средства направления воздуха для охлаждения полупроводника свечи, при этом оболочка и полупроводник, размещенный на ее конце со стороны камеры сгорания, образуют кольцевую полость свечи, а в оболочке выполнены отверстия на уровне кольцевой полости свечи, сообщающейся с кольцевой полостью втулки и отверстия на ее плоской поверхности.

Предпочтительно, чтобы подвижная втулка содержала цилиндрическую часть, образующую со свечой кольцевую полость для циркуляции охлаждающего воздуха.

Предпочтительно также, чтобы втулка содержала верхний диск, образующий ободок, взаимодействующий с направляющей, выполненной в канале.

Настоящая заявка касается также камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащую, по меньшей мере, одну свечу, установка которой выполнена как указано выше.

Настоящая заявка касается также газотурбинного двигателя, содержащего, по меньшей мере, одну свечу, установка которой выполнена как указано выше.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает в продольном разрезе часть камеры сгорания газотурбинного двигателя;

Фиг.2 изображает известную из уровня техники полупроводниковую свечу в продольном разрезе;

Фиг.3 изображает компоновку свечи по настоящему изобретению в продольном разрезе.

Как изображено на фиг.1, камера сгорания 1 размещена в кольцевом пространстве, образованном внешним корпусом 3. Она содержит одну или несколько внешних обечаек 7 с фланцами или опорами, одну или несколько внутренних обечаек 8 с фланцами, днище камеры 9, соединенное с входными обтекателями. Множество трубок для впрыскивания топлива, размещенных вокруг оси, открываются в днище камеры 9. Дефлекторы 11 образуют конус вокруг каждой питающей трубки, направляют часть проникающего в обтекаемую зону воздуха в радиальном направлении и направлении распространения турбулентности к распыляемому топливу и обеспечивают, таким образом, образование топливовоздушной смеси. Первичная зона сгорания образована на выходе в глубине камеры, в которой смесь поджигается одной свечой 13 или несколькими свечами, распределенными по окружности.

Фиг.2 изображает принципиальную схему конструкции свечи полупроводникового типа. Последняя состоит из трубчатого металлического корпуса, образующего оболочку, или внешний электрод, 15 свечи, и центральный электрод 16. Электрическая изоляция центрального электрода обеспечивается втулкой, расположенной между оболочкой 15 и центральным электродом 16, не представленной на чертеже. На конце свечи предусмотрен керамический полупроводник 17, который связывает концы центрального электрода 16 и оболочки 15. Внутренняя стенка оболочки 15 на внутреннем конце выполнена конической для лучшего соединения с полупроводником, а внешняя стенка образует плоскую поверхность, перпендикулярную оси свечи. Выполненная таким образом свеча удерживает полупроводник и мешает последнему выпасть в камеру сгорания.

Как изображено на фиг.3, свеча 13 полупроводникового типа в соответствии с настоящим изобретением образована трубчатым корпусом, образующим оболочку 30, и центральным электродом 40, имеющим ту же ось симметрии, что и оболочка 30. Материалы оболочки 30 и центрального электрода 40 выбраны из числа проводящих материалов, таких как хромоникелевый сплав стали. Свеча 13 вставлена в канал 14. Канал 14 укреплен в отверстии, выполненном в камере сгорания 1. Упомянутый канал 14 имеет цилиндрическую форму и содержит на своей верхней части плоскую поверхность 141, образующую направляющую, на которой размещен ободок 51 втулки 50. Деталь 142 кольцевой формы фланцеобразно удерживает упомянутую втулку в канале 14.

На конце свечи 13 изображена внутренняя часть полупроводника 25, размещенного между оболочкой 30 и центральным электродом 40. Оболочка 30 на нижнем конце имеет плоскую поверхность 31, перпендикулярную оси свечи. Полупроводник 25 свечи размещен между этой плоской поверхностью 31 и центральным электродом 40. Конец полупроводника 25 и внутренняя стенка оболочки 30 образуют кольцевую полость 20 свечи.

Подвижная втулка 50 содержит часть цилиндрической формы с диаметром, превышающим диаметр оболочки 30, и имеет на своих крайних частях два диска, окружающих свечу 13. Внутренняя стенка втулки 50 и оболочка 30 образуют кольцевую полость 10 втулки. Нижний диск 52 закрывает полость 10 втулки. Верхний диск втулки 50 имеет больший диаметр и образует ободок 53, размещающийся в направляющих 141, 142 канала 14. Верхняя часть втулки 50 над ободком 53 имеет расширяющуюся форму для направления воздуха снаружи камеры сгорания к отверстиям 53', проходящим через этот ободок над кольцевой полостью 10. Таким образом, воздух циркулирует через кольцевую полость 10 к отверстиям 33, выполненным в нижней части оболочки 30 в стенке, параллельной оси свечи 13. Эти отверстия 33 наклонены и открываются в кольцевую полость 20. Воздух, проходящий через кольцевую полость 10, поступает через отверстие 33 в кольцевую полость 20, обдувая, таким образом, полупроводник 25 для его охлаждения.

В плоской поверхности 31 оболочки 30 параллельно оси свечи выполнены выходные отверстия 35. Они позволяют, таким образом, исключить попадание топлива на полупроводник.

В нижней части канала 14 перпендикулярно оси свечи выполнены вентиляционные отверстия 142. Воздух, поступающий снаружи камеры сгорания, участвует в охлаждении этой зоны камеры сгорания.

Таким образом, воздух, наружный по отношению к камере сгорания, может проникать через отверстия 53' в кольцевую полость 10, образованную установкой втулки 50. Затем воздух проходит через отверстия 33 оболочки 30 в кольцевую полость 20 и поступает на полупроводник свечи для его охлаждения. Для исключения попадания топлива на полупроводник на нижней части оболочки 30 выполнены отверстия 35, обеспечивающие, таким образом, выход воздуха.

В соответствии с этим вариантом осуществления отверстия 33 наклонены к оболочке свечи, а отверстия 35 параллельны оси свечи. Форма отверстий не ограничивается. В частности, в других вариантах осуществления, не представленных на чертежах, отверстия 33 могут быть перпендикулярны оси свечи, а отверстия 35 являются наклонными, при этом разные варианты исполнения не должны мешать образованию электрической дуги между центральным электродом и оболочкой.

Система зажигания содержит свечу полупроводникового типа в оболочке, трубку, жестко соединенную с камерой сгорания газотурбинного двигателя, подвижную втулку и средства направления воздуха для охлаждения полупроводника свечи. Подвижная втулка обеспечивает установку свечи в трубку и воспринимает расширение свечи, перпендикулярное ее оси. Подвижная втулка содержит цилиндрическую часть, образующую со свечой кольцевую полость втулки для циркуляции охлаждающего воздуха. Оболочка и полупроводник на своих концах со стороны камеры сгорания образуют кольцевую полость свечи. Оболочка содержит отверстия в области указанной кольцевой полости свечи, сообщающиеся с кольцевой полостью втулки, и отверстия на ее поверхности, обращенной к камере сгорания. Другие изобретения группы относятся к камере сгорания, содержащей указанную выше систему зажигания, и газотурбинному двигателю, включающему такую камеру сгорания. Изобретения позволяют повысить срок службы полупроводниковой свечи зажигания. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система зажигания, содержащая свечу полупроводникового типа в оболочке, трубку, жестко соединенную с камерой сгорания газотурбинного двигателя, подвижную втулку, посредством которой свеча устанавливается в трубку и которая воспринимает расширение свечи по оси, перпендикулярной оси свечи, причем указанная подвижная втулка содержит цилиндрическую часть, образующую со свечой кольцевую полость втулки для циркуляции охлаждающего воздуха,
отличающаяся тем, что содержит средства направления воздуха для охлаждения полупроводника свечи, при этом оболочка и полупроводник на своих концах со стороны камеры сгорания образуют кольцевую полость свечи, причем оболочка содержит отверстия 33 в области кольцевой полости свечи, сообщающиеся с кольцевой полостью втулки и отверстия 35 на ее поверхности, обращенной к камере сгорания.

2. Система зажигания по п.1, отличающаяся тем, что втулка содержит верхний диск, образующий ободок, взаимодействующий с направляющей, выполненной в канале.

3. Камера сгорания, содержащая систему зажигания по одному из пп.1 или 2.

4. Газотурбинный двигатель, содержащий камеру сгорания по п.3.