RU2215348C2

RU2215348C2 - Gas-turbine engine spark plug

Info

Publication number: RU2215348C2
Application number: RU2001133148/06A
Authority: RU
Inventors: А.А. Иноземцев; А.В. Медведев; щиков М.С. Хр; М.С. Хрящиков; Ю.Е. Кириевский
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2003-10-27

Abstract

FIELD: gas-turbine engine ignition system. SUBSTANCE: spark plug has body accommodating central electrode and casing that encloses mentioned body to form cooling space and is provided with inlet and outlet holes and deflector with outlet hole; deflector is secured to casing butt-end by means of barrier made in the form of open ring following casing contour; it forms slit channel above electrode end; outlet hole of cooling space is made on casing butt-end between electrode and barrier section disposed opposite to its open part; outlet hole of deflector communicates with slit channel. Deflector is made in the form of disk with notch provided on open side of barrier and its outlet hole communicates with notch. Deflector thickness amounts to 0.45. . . 0.95 of slit channel height. Deflector surface in slit channel has plurality of projections forming clearance together with casing butt-end. Deflector surface projections are made in the form of cylindrical pins whose height is 0.25...0.85 of deflector thickness; volume of projections is 0.0015...0.15 of that of slit channel. EFFECT: enhanced service life and reliability, improved starting characteristics of spark plug due to its effective cooling. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к системам зажигания газотурбинных двигателей. The invention relates to ignition systems for gas turbine engines.

Известна свеча зажигания, содержащая корпус с расположенным в нем центральным электродом и кожух, охватывающий корпус свечи [1]. Known spark plug containing a housing with a central electrode located in it and a casing covering the housing of the candle [1].

Внутри кожуха установлена гильза с перфорированной перегородкой. Однако при нагреве происходит деформация подвижного соединения между кожухом свечи и корпусом, что нарушает герметизацию соединения и приводит к прорыву горячих газов из камеры сгорания и выгоранию свечи. Кроме того, центральный электрод свечи не защищен от воздействия потока продуктов горения, что вызывает коксование топлива на нем и перегрев свечи. A sleeve with a perforated partition is installed inside the casing. However, during heating, the movable joint deforms between the candle cover and the housing, which violates the joint sealing and leads to the breakthrough of hot gases from the combustion chamber and the candle burns out. In addition, the central electrode of the candle is not protected from the effects of the flow of combustion products, which causes coking of the fuel on it and overheating of the candle.

Известна также свеча зажигания, содержащая корпус с расположенным в нем центральным электродом и кожух, охватывающий корпус свечи, снабженный отражателем, образующим с торцом корпуса кольцевой канал в форме щели [2]. Also known is a spark plug containing a housing with a central electrode located therein and a casing covering a candle housing provided with a reflector forming an annular channel in the form of a gap with the housing end [2].

Электрод и отверстие в отражателе для выхода плазменного разряда не защищены от воздействия потока продуктов горения. Это снижает защитные свойства отражателя, ухудшает теплоизоляцию свечи, а также приводит к коксованию топлива на центральном электроде свечи, что снижает ресурс, надежность и пусковые характеристики свечи. The electrode and the hole in the reflector for the exit of the plasma discharge are not protected from the effects of the flow of combustion products. This reduces the protective properties of the reflector, degrades the thermal insulation of the plug, and also leads to coking of fuel on the central electrode of the plug, which reduces the life, reliability and starting characteristics of the plug.

Известна свеча зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, охватываемый кожухом с впускным отверстием с образованием охлаждающей полости, имеющим перфорированную перегородку, причем кожух снабжен отражателем, а между перфорированной перегородкой образована кольцевая щель для выхода охлаждающего воздуха [3]. A known spark plug of a combustion chamber of a gas turbine engine, comprising a housing covered by a casing with an inlet with the formation of a cooling cavity having a perforated partition, the casing is provided with a reflector, and an annular gap is formed between the perforated partition for the exit of cooling air [3].

Недостатком известной конструкции является недостаточное охлаждение отражателя и его прогар преимущественно со стороны против течения зоны обратных токов. Это объясняется различными градиентами температур сторон отражателя вблизи места установки свечи в жаровой трубе камеры сгорания, образованием трещин защитного керамического покрытия, наносимого на обращенную к зоне горения поверхность отражателя. A disadvantage of the known design is the insufficient cooling of the reflector and its burnout mainly from the side against the flow of the reverse current zone. This is explained by various temperature gradients of the sides of the reflector near the place of installation of the candle in the combustion tube of the combustion chamber, the formation of cracks in the protective ceramic coating applied to the surface of the reflector facing the combustion zone.

Наиболее близкой к заявляемой является свеча зажигания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, расположенный в нем центральный электрод и кожух, охватывающий корпус с образованием охлаждающей полости, снабженный впускным и выпускным отверстиями и отражателем с выходным отверстием, причем отражатель скреплен с торцом кожуха перегородкой, выполненной в форме незамкнутого кольца по профилю кожуха, и образует над торцом электрода щелевой канал, выпускное отверстие охлаждающей полости выполнено на торце кожуха между электродом и участком перегородки, расположенной напротив ее незамкнутой части, а выходное отверстие отражателя соединено с щелевым каналом [4]. Closest to the claimed is a spark plug of a gas turbine engine, comprising a housing, a central electrode located therein and a housing enclosing the housing to form a cooling cavity, provided with inlet and outlet openings and a reflector with an outlet, the reflector being attached to the end of the casing by a partition made in the form open ring along the profile of the casing, and forms a slotted channel above the end of the electrode, the outlet of the cooling cavity is made at the end of the casing between the electrode and STKOM septum disposed opposite its unclosed part of the reflector and the outlet is connected to a slotted channel [4].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является малый диапазон углов установки незамкнутой части перегородки в отражателе кожуха относительно направлений течения зоны обратных токов в жаровой трубе камеры сгорания. Также недостатком известной конструкции является малая турбулизация охлаждающего воздуха в щелевом канале и недостаточное эжектирующее воздействие охлаждающего воздуха на поток топливовоздушной смеси при розжиге. Вследствие этого образуются переменные градиенты температур, возможно растрескивание защитного керамического покрытия на торце кожуха. A disadvantage of the known design adopted for the prototype is the small range of angles of installation of the open part of the partition in the reflector of the casing relative to the direction of flow of the zone of reverse currents in the flame tube of the combustion chamber. Another disadvantage of the known design is the small turbulization of the cooling air in the slotted channel and the insufficient ejective effect of the cooling air on the flow of the air-fuel mixture during ignition. As a result of this, variable temperature gradients are formed, cracking of the protective ceramic coating at the end of the casing is possible.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении ресурса, надежности и пусковых характеристик свечи за счет повышения эффективности ее охлаждения, повышения эжектирующего воздействия охлаждающего воздуха в щелевом канале на поток топливовоздушной смеси из зоны обратных токов жаровой трубы к выходному отверстию для плазмы и вырезу в отражателе при розжиге, а также турбулизации охлаждающего воздуха и увеличения диапазона углов установки выреза в отражателе относительно продольной оси жаровой трубы. The technical problem to be solved by the claimed invention is aimed at increasing the life, reliability and starting characteristics of a candle by increasing the efficiency of its cooling, increasing the ejective effect of cooling air in the slotted channel on the flow of the air-fuel mixture from the zone of reverse currents of the flame tube to the plasma outlet and a cutout in the reflector during ignition, as well as turbulization of cooling air and an increase in the range of angles of installation of the cutout in the reflector relative to the longitudinal axis flame tube.

Сущность технического решения заключается в том, что в свече зажигания газотурбинного двигателя, содержащей корпус, расположенный в нем центральный электрод и кожух, охватывающий корпус с образованием охлаждающей полости, снабженный впускным и выпускным отверстиями и отражателем с выходным отверстием, причем отражатель скреплен с торцом кожуха перегородкой, выполненной в форме незамкнутого кольца по профилю кожуха, и образует над торцом электрода щелевой канал, выпускное отверстие охлаждающей полости выполнено на торце кожуха между электродом и участком перегородки, расположенной напротив ее незамкнутой части, а выходное отверстие отражателя соединено со щелевым каналом, согласно изобретению отражатель выполнен в форме диска с вырезом, расположенным со стороны незамкнутой части перегородки, а его выходное отверстие соединено с вырезом. Толщина отражателя составляет 0,45... 0,95 от высоты щелевого канала. Поверхность отражателя в щелевом канале выполнена с множеством выступов, образующих зазор с торцом кожуха. Выступы на поверхности отражателя выполнены в виде цилиндрических штырьков, высота которых составляет 0,25...0,85 от толщины отражателя, а объем выступов составляет 0,015...0,15 от объема щелевого канала. The essence of the technical solution lies in the fact that in the spark plug of a gas turbine engine containing a casing, a central electrode located therein and a casing enclosing the casing with the formation of a cooling cavity, provided with inlet and outlet openings and a reflector with an outlet, the reflector being attached to the casing end face by a partition made in the form of an open ring along the profile of the casing, and forms a slotted channel above the end of the electrode, the outlet of the cooling cavity is made on the end of the casing between Electrode portion and partition located opposite its unclosed part of the reflector and the outlet is connected with a slotted channel, according to the invention the reflector is made in the shape of a disk with a cutout located by an open portion of the partition, while its outlet is connected to the cutout. The thickness of the reflector is 0.45 ... 0.95 of the height of the slotted channel. The surface of the reflector in the slotted channel is made with many protrusions, forming a gap with the end face of the casing. The protrusions on the surface of the reflector are made in the form of cylindrical pins, the height of which is 0.25 ... 0.85 of the thickness of the reflector, and the volume of the protrusions is 0.015 ... 0.15 of the volume of the slotted channel.

Выполнение отражателя в форме диска с вырезом, расположенным со стороны незамкнутой части перегородки, а его выходного отверстия, соединенного с вырезом, повышает эжектирующее воздействие охлаждающего воздуха в щелевом канале на поток топливовоздушной смеси из зоны обратных токов жаровой трубы к выходному отверстию и вырезу в отражателе при розжиге, а также лучше защищает корпус свечи и центральный электрод от воздействия высокотемпературного потока продуктов горения, уменьшает коксование топлива на электроде и перегрев свечи. В продольном щелевом канале охлаждающий воздух имеет большую скорость, чем скорость потоков в жаровой трубе камеры сгорания. Статическое давление в продольном щелевом канале ниже, чем в выходном отверстии отражателя. При этом соединение выходного отверстия с вырезом увеличивает зону выхода плазмы, исключает турбулентные срывы топливовоздушной смеси, а также увеличивает диапазон углов установки выреза отражателя относительно продольной оси жаровой трубы, т.е. относительно направления зоны обратных токов при розжиге. The implementation of the reflector in the form of a disk with a cutout located on the side of the open part of the partition, and its outlet connected to the cutout, increases the ejective effect of cooling air in the slotted channel on the flow of the air-fuel mixture from the return current zone of the flame tube to the outlet and the cutout in the reflector when ignition, and also better protects the candle body and the central electrode from the effects of high-temperature flow of combustion products, reduces coking of the fuel on the electrode and overheating of the candle. In the longitudinal slotted channel, the cooling air has a greater speed than the flow rates in the flame tube of the combustion chamber. The static pressure in the longitudinal slot channel is lower than in the outlet of the reflector. In this case, the connection of the outlet with the cut-out increases the plasma exit zone, eliminates turbulent disruptions of the air-fuel mixture, and also increases the range of installation angles of the reflector cutout relative to the longitudinal axis of the flame tube, i.e. relative to the direction of the reverse current zone during ignition.

При толщине отражателя, составляющей 0,45...0,95 от высоты щелевого канала, достигается наилучший эффект конвективного охлаждения электрода, корпуса и кожуха свечи за счет теплоизоляции их поверхностей от воздействия высоких температур в зоне горения, при этом уменьшается коксование топлива на центральном электроде и обеспечивается самоочищение центрального электрода от нагарообразования. With a reflector thickness of 0.45 ... 0.95 of the height of the slotted channel, the best effect of convective cooling of the electrode, body and casing of the candle is achieved due to the thermal insulation of their surfaces from the effects of high temperatures in the combustion zone, while the coking of fuel on the central electrode and provides self-cleaning of the Central electrode from carbonization.

Выполнение поверхности отражателя в щелевом канале с множеством выступов, образующих торцами зазор с торцом кожуха, повышает эффективность охлаждения кожуха, корпуса свечи и электрода путем турбулизации охлаждающего воздуха в щелевом канале. Кроме того, такое выполнение выравнивает градиенты температур на поверхностях отражателя, обращенных к зоне горения, и в щелевом канале, что препятствует образованию трещин керамического покрытия, которое наносится преимущественно на обращенную к зоне горения поверхность отражателя. The implementation of the surface of the reflector in the slotted channel with many protrusions, forming the ends of the gap with the end face of the casing, increases the cooling efficiency of the casing, the candle body and the electrode by turbulizing cooling air in the slotted channel. In addition, this embodiment evens out temperature gradients on the surfaces of the reflector facing the combustion zone and in the slit channel, which prevents the formation of cracks in the ceramic coating, which is applied mainly to the surface of the reflector facing the combustion zone.

Выполнение поверхности отражателя в виде цилиндрических штырьков, высота которых составляет 0,25...0,85 от толщины отражателя, а объема выступов, составляющим 0,015. ..0,15 от объема щелевого канала, снижает потери давления охлаждающего воздуха. При этом достигается наилучший эффект конвективного и струйного заградительного охлаждения корпуса свечи и центрального электрода за счет турбулизации охлаждающего воздуха в щелевом канале. The execution of the surface of the reflector in the form of cylindrical pins, the height of which is 0.25 ... 0.85 of the thickness of the reflector, and the volume of the protrusions is 0.015. ..0.15 of the volume of the slotted channel, reduces the pressure loss of the cooling air. In this case, the best effect of convective and jet barrier cooling of the candle body and the central electrode is achieved due to the turbulization of cooling air in the slotted channel.

На фиг.1 изображен продольный разрез свечи зажигания. Figure 1 shows a longitudinal section of a spark plug.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1. Figure 2 - element I in figure 1.

На фиг.3 - вид А на фиг.2. Figure 3 is a view A in figure 2.

На фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2. Figure 4 is a section bB in figure 2.

Свеча зажигания содержит корпус 1, расположенный в нем центральный электрод 2 и кожух 3, охватывающий корпус 1 с образованием охлаждающей полости 4 и снабженный впускным 5 и выпускным 6 отверстиями и отражателем 7 с выходным отверстием 8 (см. фиг. 1, 2). Отражатель 7 скреплен при помощи сварки с торцом 9 кожуха 3 перегородкой 10, выполненной в форме незамкнутого кольца по профилю 11 кожуха 3, и образует над торцом 12 электрода 2 щелевой канал 13 (см. фиг. 2, 4). Выпускное отверстие 6 охлаждающей полости 4 выполнено на торце 9 кожуха 3 между электродом 2 и участком перегородки 14, расположенной напротив ее незамкнутой части 15, а выходное отверстие 8 отражателя 7 соединено с щелевым каналом 13 (см. фиг.2, 3, 4). Отражатель 7 выполнен в форме диска 16 с вырезом 17, расположенным со стороны незамкнутой части 15 перегородки 10, а выходное отверстие 8 кожуха 3 соединено с вырезом 17 (см. фиг.3, 4). Толщина 18 отражателя 7 составляет 0,45...0,95 от высоты щелевого канала 13 (см. фиг.2). Поверхность 19 отражателя 7 в щелевом канале 13 выполнена с множеством выступов 20, образующих торцами 21 зазор 22 с торцом 9 кожуха 3 (см. фиг.2). Выступы 20 на поверхности 19 отражателя 7 выполнены в виде цилиндрических штырьков, высота которых составляет 0,25... 0,85 от толщины 18 отражателя 7, а объем выступов 20 составляет 0,015...0,15 от объема щелевого канала 13, определяемого контуром отражателя 7 (см. фиг. 2, 4). Кроме того, на фиг.1, 2 изображено: поз.23 - стенка одной из жаровых труб, где установлена свеча зажигания, поз. 24 - наружный корпус камеры сгорания, поз. 25 - направление течения воздуха в камере сгорания, поз.26 - направление течения воздуха в охлаждающей полости 4, поз.27 - направление течения охлаждающего воздуха в щелевом канале 13, поз.28 - направление потока воздуха в жаровой трубе 23, поз.29 - направление зоны обратных токов в жаровой трубе 23, поз.30 - направление эжекции топливовоздушной смеси при розжиге. The spark plug contains a housing 1, a central electrode 2 located therein and a casing 3, covering the housing 1 with the formation of a cooling cavity 4 and provided with an inlet 5 and an outlet 6 and a reflector 7 with an outlet 8 (see Fig. 1, 2). The reflector 7 is fastened by welding with the end face 9 of the casing 3 by a partition 10 made in the form of an open ring along the profile 11 of the casing 3 and forms a slotted channel 13 above the end 12 of the electrode 2 (see Figs. 2, 4). The outlet 6 of the cooling cavity 4 is made at the end 9 of the casing 3 between the electrode 2 and the portion of the partition 14 located opposite its open part 15, and the outlet 8 of the reflector 7 is connected to the slotted channel 13 (see Figs. 2, 3, 4). The reflector 7 is made in the form of a disk 16 with a cutout 17 located on the side of the open part 15 of the partition 10, and the outlet 8 of the casing 3 is connected to the cutout 17 (see Figs. 3, 4). The thickness 18 of the reflector 7 is 0.45 ... 0.95 of the height of the slotted channel 13 (see figure 2). The surface 19 of the reflector 7 in the slotted channel 13 is made with many protrusions 20, forming the ends 21 of the gap 22 with the end face 9 of the casing 3 (see figure 2). The protrusions 20 on the surface 19 of the reflector 7 are made in the form of cylindrical pins, the height of which is 0.25 ... 0.85 of the thickness 18 of the reflector 7, and the volume of the protrusions 20 is 0.015 ... 0.15 of the volume of the slotted channel 13, determined the contour of the reflector 7 (see Fig. 2, 4). In addition, figure 1, 2 shows: pos.23 - the wall of one of the flame tubes, where the spark plug is installed, pos. 24 - the outer housing of the combustion chamber, pos. 25 - the direction of the air flow in the combustion chamber, pos. 26 - the direction of the air flow in the cooling cavity 4, pos. 27 - the direction of the flow of cooling air in the slotted channel 13, pos. 28 - the direction of the air flow in the flame tube 23, pos. 29 - the direction of the reverse current zone in the flame tube 23, pos. 30 - the direction of ejection of the air-fuel mixture during ignition.

При запуске газотурбинного двигателя воздух из компрессора поступает через впускное отверстие 5 в охлаждающую полость 4, далее через выпускное отверстие 6 протекает через щелевой канал 13, создавая эффект эжекции топливовоздушной смеси из зоны обратных токов 29 через отверстие 8 с вырезом 17 в отражателе 7 в направлении 30. При работе свечи поток плазмы выходит из отверстия 8 с вырезом 17 в противоположном направлении к эжектируемому потоку 29, 30 топливовоздушной смеси, улучшая розжиг горючей смеси в наземных и высотных условиях запуска двигателя. При работе газотурбинного двигателя сжатый компрессором воздух поступает через впускное отверстие 5 в охлаждающую полость 4, далее через выпускное отверстие 6 протекает через щелевой канал 13, создавая турбулизированный выступами 20 на поверхности 19 отражателя 7 слой заградительного охлаждения над корпусом 1 свечи и его центральным электродом 2, определяемый высотой и объемом выступов 20 в объеме щелевого канала 13. При этом вырез 17 в отражателе 7 и соединение выходного отверстия 8 с вырезом 17 усиливает эффект эжекции топливовоздушной смеси при розжиге и эффективность охлаждения центрального электрода 2 и корпуса 1 свечи зажигания. When starting the gas turbine engine, air from the compressor enters through the inlet 5 to the cooling cavity 4, then through the outlet 6 it flows through the slit channel 13, creating the effect of ejection of the air-fuel mixture from the reverse currents zone 29 through the hole 8 with a cutout 17 in the reflector 7 in the direction 30 .When the spark plug operates, the plasma stream leaves the hole 8 with a cutout 17 in the opposite direction to the ejected air-fuel mixture flow 29, 30, improving the ignition of the combustible mixture in ground and high-altitude engine starting conditions . When the gas turbine engine is running, the air compressed by the compressor enters through the inlet 5 to the cooling cavity 4, then through the outlet 6 it flows through the slit channel 13, creating a layer of barrier cooling turbulent with projections 20 on the surface 19 of the reflector 7 above the candle body 1 and its central electrode 2, determined by the height and volume of the protrusions 20 in the volume of the slit channel 13. Moreover, the cutout 17 in the reflector 7 and the connection of the outlet 8 with the cutout 17 enhances the effect of ejection of the air-fuel mixture and ignition and cooling efficiency of the central electrode 2 and the spark plug body 1.

Источники информации
1. RU, патент 988146, Н 01 Т 13/06, 25.03.81 г.Sources of information
1. RU, patent 988146, H 01 T 13/06, 03/25/81.

2. ЕР, патент 0593816 А1, F 23 D 14/46, 23.10.92 г. 2. EP, patent 0593816 A1, F 23 D 14/46, 10.23.92,

3. RU, патент 2111592 С1, Н 01 Т 13/06, 04.07.94 г. 3. RU, patent 2111592 C1, H 01 T 13/06, 07/04/94.

4. RU, патент 2136094 С1, Н 01 Т 13/00,13/06, 04.09.96 г. - прототип. 4. RU, patent 2136094 C1, H 01 T 13 / 00,13 / 06, 09/04/96, the prototype.

Claims

1. The spark plug of a gas turbine engine, comprising a housing, a central electrode located therein and a housing, enclosing the housing to form a cooling cavity, provided with inlet and outlet openings and a reflector with an outlet, and the reflector is fastened to the end of the casing by a partition made in the form of an open ring in profile of the casing, and forms a slotted channel above the end of the electrode, the outlet of the cooling cavity is made at the end of the casing between the electrode and the part of the partition located on the otiv its unclosed part of the reflector and the outlet is connected with a slotted channel, characterized in that the reflector is formed in a disc shape with a cut located by an open portion of the partition, while its outlet is connected to the cutout.

2. The spark plug according to claim 1, characterized in that the thickness of the reflector is 0.45. . . 0.95 of the height of the slotted channel.

3. The spark plug according to any one of paragraphs. 1 and 2, characterized in that the surface of the reflector in the slotted channel is made with many protrusions, forming a gap with the end face of the casing.

4. Spark plug according to any one of paragraphs. 1 to 3, characterized in that the protrusions on the surface of the reflector are made in the form of cylindrical pins, the height of which is 0.25. . . 0.85 of the thickness of the reflector, and the volume of the protrusions is 0.015. . . 0.15 of the volume of the slotted channel.