запальное устройство для розжига камер сгорания газотурбинных двигателей

Формула изобретения

Запальное устройство для розжига камер сгорания газотурбинных двигателей, содержащее свечу зажигания с цилиндрическим корпусом, размещенную во втулке, имеющей штуцер подачи кислорода, соединенный с внутренней полостью втулки, расположенной между корпусом свечи и втулкой, в рабочем торце втулки выполнено коаксиальное внутренней полости втулки отверстие, имеющее диаметр меньше, чем диаметр внутренней полости втулки, и соединяющее внутреннюю полость втулки с объемом камеры сгорания, дополнительную полость внутри корпуса втулки, размещенную при установке запального устройства на двигателе в зоне между стенками жаровой трубы и камеры сгорания и в рабочем торце втулки, в корпусе втулки выполнено отверстие, соединяющее дополнительную полость внутри корпуса с внешней поверхностью втулки, обращенное при установке запального устройства на двигателе в сторону входного устройства камеры сгорания и размещенное между стенками жаровой трубы и камеры сгорания, по крайней мере, одно отверстие, соединяющее дополнительную полость внутри корпуса втулки с внутренней полостью втулки, отверстия, соединяющие дополнительную полость внутри корпуса втулки в ее рабочем торце с полостью, образованной коаксиальным отверстием в рабочем торце втулки, и объемом камеры сгорания со стороны рабочего торца втулки, отличающееся тем, что цилиндрический корпус свечи выполнен ступенчатым с большим и меньшим диаметрами, поверхность корпуса свечи выполнена с переходом большего его диаметра на меньший перпендикулярно оси свечи и втулки, между этой поверхностью корпуса свечи и внутренней поверхностью рабочего торца корпуса втулки имеется зазор, а цилиндрическая поверхность корпуса свечи с меньшим диаметром размещена в отверстии торца втулки, коаксиальном с внутренней полостью втулки, в которой размещена часть корпуса свечи, имеющая больший диаметр, при этом рабочий торец свечи находится между внешней и внутренней поверхностями рабочего торца втулки, а отверстия, соединяющие дополнительную полость внутри корпуса втулки с полостью, образованной отверстием в рабочем торце втулки, размещены в корпусе втулки таким образом, что выходят в кольцевой зазор, образованный корпусом свечи с меньшим диаметром и соосным с ним отверстием в рабочем торце втулки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике розжига камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей, а именно к запальным устройствам.

Известны запальные свечи зажигания, имеющие цилиндрический корпус с рабочим торцом [Патент РФ №2007004, МПК Н01Т 13/00; Патент РФ на полезную модель №51793, МПК Н01T 13/02; Патент РФ №2029196, МПК F23Q 3/00; Патент РФ №2063098, МПК Н01Т 13/52; Патент США №4764703, МПК Н01Т 13/24, F23Q 3/00; Патент США №5434741, МПК Н01Т 3/20], используемые для непосредственного розжига топливно-воздушной смеси в камерах сгорания авиационных двигателей.

Их применение для розжига камер сгорания ограничивается тем, что при повышении температуры в камерах сгорания рабочий торец этих свечей подвергается перегреву, что ограничивает их ресурс.

Для повышения рабочей температуры, воздействующей на рабочие торцы таких свечей, в технике розжига камер сгорания используются специальные охлаждающие кожухи, представляющие собой специальные втулки, в которые установлены свечи и через которые продувается воздух из вторичного корпуса двигателя, отбираемый после компрессора, например, описание в Патенте РФ №2130222, МПК Н01Т 13/16; С.А.Вьюнов, Ю.И.Гусев, А.В.Карпов и др. «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Под общей редакцией В.Д.Хрошина. - М.: Машиностроение, 1989.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является запальное устройство камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя, описанное в С.А.Вьюнов, Ю.И.Гусев, А.В.Карпов и др. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. / Под общей редакцией В.Д.Хрошина. - М.: Машиностроение, 1989, рис 8.21а, стр.413-414, содержащее свечу зажигания с цилиндрическим корпусом и плоским рабочим торцом, размещенную в специальной втулке, имеющей: штуцер, соединенный с полостью, образованной внешней поверхностью свечи и внутренней поверхностью втулки, рабочий торец с коаксиальным внутренней поверхности втулки отверстием, имеющим диаметр меньше, чем диаметр внутренней полости втулки, и соединяющим полость внутри втулки с объемом камеры сгорания, дополнительную полость внутри корпуса специальной втулки, размещенную при установке запального устройства на двигателе в зоне в между стенками жаровой трубы и камеры сгорания и в рабочем торце втулки, отверстие в корпусе специальной втулки, соединяющее дополнительную полость внутри корпуса с внешней поверхностью втулки, обращенной при установке запального устройства на двигателе в сторону входного устройства камеры сгорания и размещенного между стенками жаровой трубы и камеры сгорания, отверстия, соединяющие дополнительную полость внутри корпуса специальной втулки в ее рабочем торце с полостью, образованной коаксиальным отверстием в рабочем торце втулки и с полостью камеры сгорания со стороны внешней поверхности рабочего торца специальной втулки, в корпусе специальной втулки запального устройства имеется по крайней мере одно отверстие между дополнительной полостью и полостью, образованной внутренней поверхностью втулки и корпусом свечи (см. фиг.1).

Введение в конструкцию запального устройства штуцера, используемого для подачи кислорода в запальное устройство (в полость, образованную цилиндрическим корпусом свечи и внутренней поверхностью специальной втулки, и затем и на рабочий торец свечи зажигания), позволяет значительно повысить надежность высотных запусков газотурбинных двигателей без значительного увеличения накопленной в агрегатах зажигания энергии, т.е. без увеличения их массы и габаритов.

Полость внутри корпуса специальной втулки позволяет облегчить надежное охлаждение ее рабочего торца (торца запального устройства) за счет прохождения через него вторичного воздуха, отбираемого с выхода компрессора через отверстие на внешней поверхности специальной втулки, размещенное между стенками жаровой трубы и камеры сгорания, и сбрасываемого из этой полости в объем камеры сгорания через отверстие в рабочем торце специальной втулки.

Однако дальнейшее увеличение температуры топливовоздушной смеси в камерах сгорания, проводимое с целью совершенствования рабочего цикла газотурбинных двигателей, приводит к необходимости улучшения охлаждения стенок жаровой трубы, в том числе - за счет увеличения расхода воздуха на их пленочное охлаждение, что увеличивает толщину слоя первичных токов в камере сгорания. Это затрудняет проникновение плазменного факела, генерируемого на рабочем торце свечи, в зону обратных токов камеры сгорания с оптимальными условиями для воспламенения топливовоздушной смеси и розжига камеры сгорания [М.А.Алабин, Б.М.Кац, Ю.А.Литвинов. Запуск авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1968].

В этих условиях генерируемый запальным устройством плазменный факел достигает только зоны прямых токов, что приводит к уменьшению надежности воспламенения топливовоздушной смеси, при этом розжиг камеры сгорания во всем диапазоне пускового давления топлива происходит с задержкой, что приводит к значительному накоплению топлива в горячем тракте двигателя и выбросу огневого факела за реактивное сопло двигателя после воспламенения смеси, что недопустимо по условиям безопасности, устанавливаемым для воздушных судов, а также ввиду возможного повреждения конструкционных узлов двигателя.

В этих условиях также отмечается и значительная зависимость настройки пускового давления топлива от температуры и давления окружающего воздуха.

Устранение этих недостатков подачей кислорода через специальный штуцер запального устройства при осуществлении запусков двигателей в условиях недопустимо, т.к. кислород используется только при осуществлении высотных запусков двигателей.

Уменьшение толщины слоя воздуха в зоне прямых токов камер сгорания и внутреннего пленочного охлаждения приводит к ограничению ресурса жаровой трубы и камеры сгорания, и поэтому как мероприятие по повышению надежности запуска также недопустимо.

Таким образом, известное запальное устройство, принятое за прототип, не обеспечивает требуемого диапазона розжига камер сгорания современных газотурбинных двигателей и надежности их запусков во всем возможном диапазоне внешних условий по температуре и давлению окружающего воздуха в наземных условиях.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является расширение диапазона розжига камер сгорания в наземных условиях, что обеспечивает повышение надежности запуска авиационных газотурбинных двигателей.

Указанная задача достигается тем, что в запальном устройстве для розжига камер сгорания газотурбинных двигателей, содержащем свечу зажигания с цилиндрическим корпусом, размещенную во втулке, имеющей: штуцер подачи кислорода, соединенный с внутренней полостью втулки, расположенной между корпусом свечи и втулкой, в рабочем торце втулки выполнено коаксиальное внутренней полости втулки отверстие, имеющее диаметр меньше, чем диаметр внутренней полости втулки, и соединяющее внутреннюю полость втулки с объемом камеры сгорания, дополнительную полость внутри корпуса втулки, размещенную при установке запального устройства на двигателе в зоне между стенками жаровой трубы и камеры сгорания и в рабочем торце втулки, в корпусе втулки выполнено отверстие, соединяющее дополнительную полость внутри корпуса с внешней поверхностью втулки, обращенное при установке запального устройства на двигателе в сторону входного устройства камеры сгорания и размещенное между стенками жаровой трубы и камеры сгорания, по крайней мере одно отверстие, соединяющее дополнительную полость внутри корпуса втулки с внутренней полостью втулки, отверстия, соединяющие дополнительную полость внутри корпуса втулки в ее рабочем торце с полостью, образованной коаксиальным отверстием в рабочем торце втулки, и объемом камеры сгорания со стороны рабочего торца втулки, новым является то, что цилиндрический корпус свечи выполнен ступенчатым с большим и меньшим диаметрами, поверхность корпуса свечи выполнена с переходом большего его диаметра на меньший перпендикулярно оси свечи и втулки, между этой поверхностью корпуса свечи и внутренней поверхностью рабочего торца корпуса втулки имеется зазор, а цилиндрическая поверхность корпуса свечи с меньшим диаметром размещена в отверстии торца втулки, коаксиальном с внутренней полостью втулки, в которой размещена часть корпуса свечи, имеющего больший диаметр, при этом рабочий торец свечи находится между внешней и внутренней поверхностями рабочего торца втулки, а отверстия, соединяющие дополнительную полость внутри корпуса втулки с полостью, образованной отверстием в рабочем торце втулки, размещены в корпусе втулки таким образом, что выходят в кольцевой зазор, образованный корпусом свечи с меньшим диаметром и соосным с ним отверстием в рабочем торце втулки.

Размещение рабочего торца свечи в отверстии рабочего торца втулки запального устройства приближает источник плазменного факела, генерируемого свечой, - электрическую искру - к зоне обратных токов камеры сгорания.

Это приводит к большему проникновению плазменного факела запального устройства в объем камеры сгорания, без изменения накопленной в агрегате зажигания энергии (параметров системы зажигания), т.е. увеличивается пространственная протяженность плазменного факела, выбрасываемого запальным устройством. Повышение пространственной протяженности плазменного факела обеспечивает его проникновение в зону обратных токов камеры сгорания при всех внешних условиях по давлению и температуре воздуха на входе в двигателе при минимальном значении пускового давления топлива, что также значительно уменьшает задержку воспламенения топлива.

Это обеспечивается за счет того, что в процессе раскрытия угла распыла топливной форсунки воспламенение топливовоздушной смеси происходит при меньших углах раскрытия, т.е. по мере роста перепада давлений на форсунках.

Уменьшение задержки воспламенения топливовоздушной смеси - розжига камеры сгорания - исключает возникновение факеления («облако» горящего топлива) за реактивным соплом двигателя.

Размещение корпуса свечи с рабочим торцом с уменьшенным диаметром корпуса коаксиально внутренней поверхности отверстия в рабочем торце втулки запального устройства с образованием кольцевой щели между ними и расположение отверстий между дополнительной полостью в корпусе втулки в ее рабочем торце и этой кольцевой щелью позволяют обеспечить необходимое охлаждение этой части корпуса свечи вторичным воздухом, отбираемым из вторичного контура после компрессора при выходе двигателя на крейсерские режимы и выше, т.е. при повышении температуры в камере сгорания.

Это достигается струйным охлаждением через указанные отверстия, а также дополнительным охлаждением цилиндрической части рабочего торца свечи через отверстие между дополнительной полостью в корпусе втулки, зазор между корпусом свечи с большим диаметром и внутренней поверхностью рабочего торца втулки, указанный выше кольцевой зазор, кольцевую полость между внутренней поверхностью втулки и корпусом свечи с меньшим диаметром. Таким образом, заглубление рабочего торца свечи на глубину отверстия в рабочем торце втулки не приводит к перегреву рабочего торца свечи.

На фиг.2 представлена конструкция заявляемого запального устройства для розжига камер сгорания газотурбинных двигателей, в котором 1 - свеча зажигания с цилиндрическим корпусом, размещенная коаксиально во втулке 2, имеющей: штуцер подачи кислорода 3, соединенный с внутренней полостью 4 втулки 2, расположенной между цилиндрическим корпусом свечи 1 и втулкой 2, рабочий торец 5 с коаксиальным внутренней поверхности втулки отверстием 6, имеющим диаметр меньше, чем диаметр внутренней полости втулки 2, и соединяющим внутреннюю полость втулки 2 с объемом камеры сгорания 7, дополнительную полость 8 внутри корпуса втулки 2, размещенную при установке запального устройства на двигателе в зоне между стенками жаровой трубы 9 и камеры сгорания 10 и в рабочем торце втулки 2, отверстие 11 в корпусе втулки 2, соединяющее дополнительную полость 8 внутри корпуса с внешней поверхностью втулки 2, обращенной при установке запального устройства на двигателе в сторону входного устройства камеры сгорания, размещенного между стенками жаровой трубы 9 и камеры сгорания 10, отверстия 12, соединяющие дополнительную полость 8 внутри корпуса втулки 2 в ее рабочем торце с полостью, образованной коаксиальным отверстием в рабочем торце втулки 6, цилиндрический корпус свечи 1 выполнен ступенчатым с большим и меньшим диаметрами, поверхность корпуса свечи 1 выполнена с переходом большего его диаметра на меньший перпендикулярно оси свечи 1 и специальной втулки 2, между этой поверхностью корпуса свечи 1 и внутренней поверхностью рабочего торца корпуса втулки 2 имеется кольцевой зазор, а цилиндрическая поверхность корпуса свечи 1 с меньшим диаметром размещена в отверстии торца втулки 2, коаксиальном с внутренней поверхностью втулки 2, в которой размещена часть корпуса, имеющего больший диаметр, при этом рабочий торец свечи находится между внешней и внутренней поверхностями рабочего торца втулки, а отверстия 12, соединяющие дополнительную полость 8 внутри корпуса втулки с полостью, образованной коаксиальным отверстием в рабочем торце внутренней поверхности втулки, размещены в корпусе втулки таким образом, что выходят в кольцевой зазор 13, образованный корпусом свечи с меньшим диаметром и соосным с ним отверстием в рабочем торце втулки, в корпусе втулки 2 имеются отверстия 14, соединяющие полость 4 втулки 2, а также, по крайней мере, одно отверстие 15, соединяющее дополнительную полость в рабочем торце втулки 2 с объемом камеры сгорания 7.

Предлагаемое запальное устройство работает следующим образом.

При наземном запуске подача кислорода через штуцер 3 не производится. По мере роста оборотов турбины за счет подключения стартера первоначально подается напряжение электропитания на агрегат зажигания, который преобразует его в импульсы разрядного тока высокого напряжения, которое через высоковольтный провод создает импульс высокого напряжения в искровом зазоре свечи зажигания.

В искровом зазоре свечи под воздействием импульсов высокого напряжения возникают последовательно следующие электрические разряды или плазменная струя - в зависимости от типа агрегата зажигания, конструкции свечи.

На фиг.3, 4 и 5 показаны соответственно искровая и полупроводниковая свечи стреляющего типа (фиг.3), искровая и полупроводниковая свечи открытого типа, работающие с емкостными агрегатами зажигания (фиг.4), плазменная свеча зажигания, работающая совместно с агрегатами плазменного зажигания с крутопадающими внешними вольтамперными характеристиками (фиг.5). При достижении заданных оборотов компрессора по команде от системы управления двигателем в первый каскад топливного коллектора поступает топливо.

По мере роста перепада давления на форсунках увеличивается угол распыла топлива. Заглубленное расположение рабочего торца свечи обеспечивает генерацию плазменного факела электрического разряда, протяженность которого позволяет «пробить» зону прямых токов камеры сгорания, проникнуть в зону обратных токов, что обеспечивает воспламенение топливовоздушной смеси и розжиг камеры сгорания с первого или второго электрического разряда в зависимости от времени их появления после подачи топлива в коллектор. В том случае, если воспламенения от этих разрядов не происходит, то распыленное топливо попадает в искровой зазор свечи, где воспламеняется и выбрасывается уже горящим совместно с плазмой электрического разряда в камеру сгорания, обеспечивая повышенную протяженность генерируемого запальным устройством плазменного факела, гарантированно проникающего через зону первичных токов в зону обратных токов камеры сгорания, обеспечивая надежный розжиг камеры сгорания.

Испытания запального устройства в составе двигателя как в стендовых условиях, так и в условиях воздушных судов показали, что его использование позволяет обеспечить задержку розжига камер сгорания не более 0,5-1,0 секунды при минимальной частоте разрядов для емкостных агрегатов зажигания 3,0-4,0 Гц (включая время заполнения топливного коллектора) во всем диапазоне нормируемых значений давления пускового топлива при всех возможных давлениях и температурах окружающего воздуха в наземных условиях запуска двигателя.

После розжига камеры сгорания и выхода двигателя на режимы выше «малого газа» при высоких температурах в камере сгорания охлаждение рабочего торца свечи осуществляется за счет обдувки его воздухом через отверстие 12 и через полость 4 и зазор между частью корпуса свечи с большим диаметром и внутренним торцом втулки. Такое охлаждение рабочего торца и его размещение без выступания за торцевую поверхность втулки, наряду с наличием отверстий в рабочем торце втулки, через которые из дополнительной полости в камеру сгорания струйно подается воздух, исключает обгар рабочего торца свечи.

При высотных видах запуска двигателя в процессе запуска в запальное устройство через штуцер 3 подается кислород, который интенсифицирует процесс воспламенения топливовоздушной смеси и не требует специальных мер для обеспечения надежного розжига камеры сгорания.

Предлагаемое запальное устройство, в отличие от прототипа, обеспечивает повышение надежности запуска авиационных газотурбинных двигателей за счет расширения диапазона розжига камеры сгорания в наземных условиях, обеспечивает запуск двигателей во всем диапазоне возможных изменений температуры и давления на входе в двигатель при минимально возможном значении давления пускового топлива при задержках розжига не более 1,0 секунды, включая время заполнения топливных коллекторов первого каскада (против 2-3,2 секунды прототипа), не требует специальных трудоемких настроек давления пускового топлива.

Кроме этого, проведенные испытания показали, что использование предлагаемого запального устройства позволяет повысить высотность запуска двигателя без подачи кислорода - кислородной подпитки - и повышения накопленной в агрегате зажигания энергии, т.е. без увеличения массы системы зажигания.

Заявленные преимущества предлагаемого запального устройства подтверждены испытаниями в составе двигателей в стендовых условиях и на воздушных судах в процессе опытной эксплуатации [УНПП «Молния». / Технический акт № ИС-2004/129 от 4.11.2004; УНПП «Молния», ОАО УМПО / Заключение № ЛС-2004-216 от 28.10.2004; ОАО УМПО, УНПП «Молния» / Технический акт № А-85-2003 от 17.09.2003; ОАО УМПО, УНПП «Молния», НТЦ им. А.Люльки ОАО НПО «Сатурн» / Отчет №8-274-02 от 16.05.2002].