Полупроводниковая свеча зажигания

 

Использование: в свечах зажигания поверхностного разряда газотурбинных и реактивных двигателей. Сущность изобретения: искрообразующий изолятор закреплен в основном корпусе между его торцевой частью и металлической втулкой, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса и изготовленной из материала, имеющего коэффициент термического расширения больший, чем коэффициент термического расширения материала части основного корпуса на участке между втулкой и торцевой поверхностью полупроводникового элемента искрообразующего изолятора, ножка герметизирующего изолятора имеет определенную длину той части, которая выступает из герметика, охватывающего герметизирующий изолятор. 3 ил.

Изобретение относится к свечам зажигания, в частности к свечам зажигания поверхностного разряда газотурбинных и реактивных двигателей.

Известна конструкция свечи [1] , содержащая корпус (боковой электрод), экранную керамическую трубку, изолятор с полупроводниковым (п/п) рабочим элементом и закрепленным в нем с помощью стеклогерметика центральным электродом, при этом изолятор закреплен в корпусе с помощью медной клиновой втулки, своим большим поперечным сечением обращенной в сторону экранной керамической трубки, и стеклогерметика, заключенного между корпусом и ножкой основного изолятора со стороны экранной керамической трубки.

Недостатком данной свечи является наличие радиальных трещин в изоляторе, образующихся вследствие воздействия осевых нагрузок со стороны корпуса и центрального электрода при изготовлении свечи в процессе остывания после горячей стеклогерметизации и при охлаждении на изделии за счет неравномерности теплоотдачи, и как следствие - неизбежность больших технологических потерь [2] .

После стеклогерметизации в изоляторе имеются остаточные напряжения. От термодинамических воздействий со стороны герметика, а также в процессе эксплуатации в ножке изолятора образуются поперечные трещины (см. фиг. 1) [3] .

Кроме того, при совместном воздействии высоких температур воздуха из-за компрессора (600^оС и выше) и температур в зоне рабочего торца кольцевой слой стеклогерметика, прилегающий к корпусу, размягчается, высокое давление в камере сгорания (40 ат и более), воздействуя на рабочий торец п/п элемента, приводит к подвижке изолятора, потере контакта п/п рабочего элемента с боковым электродом и попаданию топлива в образовавшийся зазор. По этим причинам свеча не обеспечивает предъявляемых требований по теплостойкости и ресурсу, так как увеличение искрового зазора вследствие подвижки изолятора приводит к нарушению контакта п/п элемента с электродами и значительно увеличивается пробивное напряжение, при этом трещины в изоляторе приводят к потере электропрочности свечи [4] .

Указанные недостатки частично устранены в свече [5] , являющейся наиболее близким техническим решением к заявляемому. Свеча содержит основной трубчатый корпус, экранную керамическую трубку, изолятор, закрепленный в основном корпусе со стороны экранной керамической трубки. Медная клиновая втулка своим большим поперечным сечением обращена к экранной керамической трубке с кольцевым уплотнением из стеклогерметика, размещенным на медной клиновой втулке в кольцевом зазоре, образованном ножкой изолятора и основным корпусом. Света также содержит токопроводящий стержень с контактной головкой, закрепленной стеклогерметиком во внутреннем канале изолятора, дополнительный изолятор с п/п элементом, во внутреннем канале которого стеклогерметиком закреплен центральный электрод, пружину, керамическую изолирующую трубку, термокомпенсационный элемент, пайкой соединенный с токопроводящим стержнем и центральным электродом. В дополнительном корпусе с ввертной резьбой во внутренней полости частично размещен основной корпус, герметично сваркой закрепленный в дополнительном корпусе выше резьбы, а в зоне ниже ввертной резьбы между корпусами выполнена теплоизолирующая кольцевая полость.

Недостатком данного технического решения является то, что применяемая в конструкции пружина выполняет свои функции как силовой элемент, обеспечивающий контакт между п/п элементом и боковым электродом в расчетном режиме при Т = 500^оС в течение 1000 ч. Однако при Т = 600-650^оС в условиях наличия ползучести материала пружины свеча не обеспечивает заданный ресурс уже после 200 ч [6] . Кроме того, ножка герметизирующего изолятора выполнена так, что отношение всей ее длины (L) к той части, которая выступает из герметика (l), составляет = 1,25 и из-за перепада температур между выступающей частью ножки l и частью ножки в герметике возможно образование поперечных трещин (так называемый "краевой эффект"), которые при повышенных температурных воздействиях быстро раскрываются и при работе от в/в агрегатов зажигания с в/в импульсным трансформатором в разрядном контуре (применение таких агрегатов необходимо для получения максимального ресурса системы зажигания) приводят к потере электропрочности свечей [9] .

Применение этих свечей на изделиях с повышенными температурами в вентиляторном контуре (600-700^оС) невозможно из-за нагрева корпуса, размягчения кольцевого слоя стеклогерметика, прилегающего к корпусу, вызывающего потерю герметичности с прорывом газов камеры сгорания в экранную часть свечи, прогара корпуса и подвижки изолятора.

Разделение в свече узлов по своему функциональному назначению на герметизирующий и искрообразующий и расположение герметизирующего узла в зоне пониженных температурных воздействий, т. е. в экранной части свечи, не позволяет применить это техническое решение в свечах, имеющих осевые габариты менее 180 мм, так как необходимо место (габарит) под размещение пружины.

Таким образом, свеча имеет ограниченный ресурс и термостойкость, кроме того, невозможно сокращение осевых габаритов.

Целью изобретения является повышение термостойкости и ресурса свечи при уменьшенных осевых габаритах.

Цель достигается тем, что в п/п свече зажигания, содержащей основной трубчатый корпус с установленным в нем изолятором, по п/п поверхности которого происходит электрический разряд (искрообразующий изолятор), во внутреннем канале которого в стеклогерметике закреплен центральный электрод, дополнительный корпус, частично размещенный внутри основного корпуса и соединенный с ним герметично сваркой, с закрепленным в нем медной клиновой втулкой и стеклогерметиком герметизирующим изолятором, во внутреннем канале которого стеклогерметиком закреплен токоведущий стержень, экранную керамическую изолирующую втулку, согласно изобретению искрообразующий изолятор закреплен в основном корпусе между его торцевой частью и металлической втулкой, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса и изготовленной из материала, имеющего коэффициент термического расширения (КТР) больший, чем КТР материала части основного корпуса между втулкой и торцевой поверхностью п/п элемента искрообразующего изолятора, токоведущий стержень герметизирующего изолятора соединен с центральным электродом искрообразующего изолятора цангой, герметизирующий изолятор упирается в бурт корпуса, ножка герметизирующего изолятора выполнена так, что отношение всей ее длины (L) к той части, которая выступает из герметика (l), охватывающего герметизирующий изолятор, составляет ( ) > 1,4 мм, причем часть ножки расположена в полости, заполненной газом, имеющим давление, равное давлению в искровом промежутке.

Медная клиновая втулка своим большим поперечным сечением обращена в сторону искрообразующего изолятора, в кольцевом зазоре, образованном ножкой герметизирующего изолятора, обращенной в сторону искрообразующего изолятора и частью дополнительного корпуса, размещенного внутри основного корпуса, на медной клиновой втулке размещено кольцевое уплотнение из нетоковедущего стеклогерметика, между которым и металлической втулкой, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса, установлена керамическая изолирующая втулка, при этом стеклогерметик, закрепляющий токоведущий стержень во внутреннем канале герметизирующего изолятора, размещен в ножке изолятора со стороны экранной трубки свечи выше прямой линии, перпендикулярной оси свечи и проходящей через торец медной втулки с большим поперечным сечением.

Закрепление искрообразующего изолятора в основном корпусе между его торцевой частью и металлической втулкой, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса и изготовленной из металла, имеющего КТР > чем КТР материала части основного корпуса между втулкой и торцевой поверхностью п/п элемента искрообразующего изолятора, исключает необходимость применения пружины (как имеет место в прототипе) как силового элемента, обеспечивающего поджатие п/п элемента к электродам.

Обеспечение соотношения указанных коэффициентов термического расширения обеспечивает отсутствие зазора между п/п элементом и боковым электродом свечи (корпусом) при нагреве рабочего торца свечи в процессе работы двигателя.

Отсутствие пружины позволяет снизить осевые габариты свечи и исключить влияние ползучести пружины при высоких температурах на механические характеристики пружины и образование зазора между п/п элементом и боковым электродом. Тем самым обеспечивается повышение термостойкости свечи в результате плотного поджатия п/п элемента к электродам и сохраняется плотное поджатие, обеспечивающее низкие пробивные напряжения искрового промежутка во всем диапазоне рабочих температур смеси в зоне расположения свечи, что соответственно повышает ресурс свечи.

Наличие цангового соединения токоведущего стержня герметизирующего изолятора с центральным электродом искрообразующего изолятора при расширении втулки в условиях повышения температуры обеспечивает возможность подвижки искрообразующего изолятора за счет расширения втулки.

Обеспечение соотношения всей длины ножки (L) к той части, которая выступает из герметика (l), охватывающего герметизирующий изолятор ( > 1,4), размещение медной клиновой втулки своим большим поперечным сечением, обращенным в сторону искрообразующего изолятора, в кольцевом зазоре, образованном ножкой герметизирующего изолятора, обращенной в сторону искрообразующего изолятора, и частью дополнительного корпуса, размещенного внутри основного корпуса на медной клиновой втулке, размещение кольцевого уплотнения из нетоковедущего стеклогерметика, между которым и металлической втулкой, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса, установлена керамическая изолирующая втулка, при этом стеклогерметик, закрепляющий токоведущий стержень во внутреннем канале герметизирующего изолятора, размещен в ножке изолятора со стороны экранной трубки свечи выше прямой линии, перпендикулярной оси свечи и проходящей через торец медной втулки с большим поперечным сечением, позволяет получить следующие преимущества: исключается явление краевого эффекта - поперечные трещины ножки изолятора, имеющие место в прототипе [5] , приводящие к потере электропрочности, особенно в условиях высоких градиентов температур [9] .

Как показали исследования [8] , образование поперечных трещин по верхней границе герметика зависит от отношения и при выполнении условия > 1,4 эти трещины отсутствуют (см. фиг. 3) [7] .

Кроме этого, малая длина ножки l, вызванная необходимостью обеспечения соотношения > 1,4, не приводит к электрическому перекрытию по ее поверхности из-за того, что она находится внутри свечи в зоне полного давления ниже герметизирующего изолятора.

Тем самым обеспечивается его электропрочность, так как даже при максимальной выработке искрового промежутка величина этой ножки значительно превышает величину искрового промежутка из-за того, что пробивное напряжение в искровом промежутке значительно ниже напряжения поверхностного перекрытия по изолятору. Таким образом, искрообразование происходит во всех случаях в искровом промежутке, в том числе на всех режимах запуска (авторотация, встречный запуск).

Такое размещение в пространстве ножки и выполнение соотношения > 1,4 позволяет также сократить осевые габариты свечи.

Размягчение герметика, связанное с нагревом дополнительного и основного корпусов свечи в данной конструкции, не приводит к потере герметичности и подвижке изолятора (что имеет место в аналоге и прототипе), так как изолятор опирается в бурт дополнительного корпуса, а медная втулка своим большим поперечным сечением находится в зоне давления газа камеры сгорания. Это приводит к дополнительному уплотнению рабочим давлением стеклянного уплотнителя по дополнительному корпусу и герметизирующему изолятору.

Кроме того, указанные конструктивные отличия обеспечивают повышенную электропрочность и надежность работы даже в случае образования поперечной трещины герметизирующего изолятора по границе размещения кольцевого уплотнения (из-за краевого эффекта), так как длина этих трещин, равная толщине стенки ножки изолятора по трещине, значительно больше величины искрового зазора, а искровой зазор и место локализации этой трещины находятся при одном рабочем давлении независимо от режима работы двигателя. Поэтому электрический разряд всегда будет происходить в искровом промежутке по поверхности п/п элемента (это достигается за счет разнесения стеклогерметика: кольцевое уплотнение из нетоковедущего стеклогерметика размещено на медной клиновой втулке, при этом стеклогерметик, закрепляющий токоведущий стержень во внутреннем канале герметизирующего изолятора, размещен в ножке изолятора со стороны экранной трубки свечи выше прямой линии, перпендикулярной оси свечи и проходящей через торец медной втулки с большим поперечным сечением).

Таким образом недостатки прототипа исключены в предлагаемой конструкции, т. е. она обладает повышенной термостойкостью и ресурсом при уменьшении осевых габаритов.

На фиг. 2 представлена свеча зажигания, содержащая основной трубчатый корпус 1 с установленным в нем искрообразующим изолятором с полупроводниковым (п/п) элементом 2, во внутреннем канале которого в стеклогерметике 3 закреплен центральный электрод 4, дополнительный корпус 5, частично размещенный внутри основного корпуса 1 и соединенный с ним герметично сваркой с закрепленным в нем медной клиновой втулкой 6 и стеклогерметиком 7 герметизирующим изолятором 8, во внутреннем канале которого в стеклогерметике 9 закреплен токоведущий стержень 10, экранную керамическую изолирующую втулку 11. Искрообразующий изолятор закреплен в основном корпусе 1 между его торцевой частью и металлической втулкой 12, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса 1 и изготовленной из материала 12х18Н9Т, имеющего КТР = 18 ˙ 10⁶ 1/град, а часть корпуса 1 между втулкой 12 и торцевой п/п поверхностью изолятора 2 изготовлена из материала ХН50ВМТЮБ - ВИ (ВХ - 4А), имеющего КТР = 13 ˙ 10⁶ 1/град. Токоведущий стержень 10 герметизирующего изолятора 8 соединен с центральным электродом 4 искрообразующего изолятора 2 цангой 13.

Герметизирующий изолятор 8 упирается в бурт корпуса 5, ножка герметизирующего изолятора 8 выполнена так, что отношение всей ее длины (L) к той части, которая выступает из герметика (l), cоставляет > 1,4. Медная клиновая втулка 6 своим большим поперечным сечением обращена в сторону искрообразующего изолятора 2 в кольцевом зазоре, образованном ножкой герметизирующего изолятора 8, обращенной в сторону искрообразующего изолятора, и частью дополнительного корпуса 5, размещенного внутри основного корпуса 1. На медной клиновой втулке 6 размещено кольцевое уплотнение 7 из нетоковедущего стеклогерметика, между которым и металлической втулкой 12, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса 1, установлена керамическая изолирующая втулка 14, при этом кольцевое уплотнение 7 из нетоковедущего стеклогерметика, закрепляющего герметизирующий изолятор 8 в дополнительном корпусе 5, смещено относительно стеклогерметика 9, закрепляющего токоведущий стержень 10 во внутреннем канале герметизирующего изолятора 8 в его ножке со стороны экранной трубки 11 свечи на 5 мм.

Свеча зажигания работает следующим образом.

Высокое напряжение от емкостного агрегата зажигания прикладывается к токопроводящему стержню 10 через цангу 13 к центральному электроду 4 и через дополнительный корпус 5 к основному корпусу 1, являющемуся боковым электродом свечи. Между электродами свечи на поверхности рабочего торца 15 возникает мощный емкостный электрический разряд. При совместном воздействии высоких температур воздуха из-за компрессора и температур в зоне рабочего торца на стеклогерметик размягчение его слоя, прилегающего к корпусу, не приводит к подвижке герметизирующего изолятора, так как изолятор упирается в бурт дополнительного корпуса, а медная втулка своим большим поперечным сечением находится в зоне давления газа камеры сгорания, что приводит к дополнительному уплотнению герметизирующего узла изолятора в дополнительном корпусе.

Кроме того, закрепление искрообразующего изолятора в основном корпусе между его торцевой частью и металлической втулкой, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса и изготовленной из металла, имеющего КТР > чем КТР материала части основного корпуса между втулкой и торцевой поверхностью п/п элемента, обеспечивает поджатие п/п элемента к боковому электроду, отсутствие зазора между п/п элементом и боковым электродом свечи (корпусом) при нагреве рабочего торца свечи в процессе работы двигателя, обеспечивая низкие пробивные напряжения искрового промежутка во всем диапазоне рабочих температур смеси в зоне расположения свечи.

Наличие цангового соединения токоведущего стержня герметизирующего изолятора с центральным электродом искрообразующего изолятора при расширении втулки в условиях повышения температуры обеспечивает возможность подвижки искрообразующего изолятора за счет расширения втулки.

Испытания предлагаемой свечи в составе изделия ПС - 90А показали, что по сравнению со свечами аналогичного назначения (аналогами, прототипом и другими известными техническими решениями) она имеет повышенную термостойкость и ресурс при одновременном снижении габаритов. При дефектации свечи после испытаний в составе двигателя ПС - 90А трещины в изоляторах герметизирующего узла не обнаружены, свечи герметичны при автономных испытаниях и в составе двигателя. (56) 1. Свеча СП-51П 9Г 3 242 Ш, г. Уфа, УАКБ "Молния".

2. Отчет ИС-90/55, г. Уфа, УАКБ "Молния", 1990.

3. Отчет ЛС-90-30, г. Уфа, УАКБ "Молния", 1990.

4. Акты исследований ИС-88/169, ИС-88/12, ИС-88/513 после испытаний на двигателе ПС-90А УАКБ "Молния".

5. Свеча СП-87ПА 8Г 242 208 ТУ, г. Уфа, УАКБ "Молния".

6. Отчет "Анализ результатов испытания схемы поджатия ППЭ в свече СП-87ПА", 16.07.90, УАКБ "Молния".

7. Отчет ЛС-90-42 по исследовательским испытаниям СП-24ВИ.

8. Отчет ЛС-91-36 по результатам испытаний ПР-152, УАКБ "Молния".

9. Акт исследований ЛС-91 свечей СП-87ПА, г. Уфа, УАКБ "Молния", 1990.

Формула изобретения

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ, содержащая основной трубчатый корпус с установленным в нем искрообразующим изолятором с полупроводниковым элементом и внутренним каналом, закрепленный в последнем в стеклогерметике центральный электрод, дополнительный корпус, частично размещенный внутри основного корпуса и соединенный с ним, медную клиновую втулку, герметизирующий изолятор с ножками и внутренним каналом с закрепленным на нем в стеклогерметике токоведущим стержнем и экранную керамическую изолирующую втулку, отличающаяся тем, что, с целью повышения термостойкости и ресурса при одновременном снижении осевых габаритов, свеча снабжена цангой, кольцевым уплотнением из нетоковедущего стеклогерметика, закрепленной на внутренней поверхности основного корпуса металлической втулкой, изготовленной из материала, имеющего коэффициент термического расширения больший, чем коэффициент термического расширения материала части основного корпуса на участке между втулкой и торцевой поверхностью полупроводникового элемента искрообразующего изолятора, последний закреплен в основном корпусе между его торцевой частью и металлической втулкой, токоведущий стержень соединен с центральным электродом цангой, дополнительный корпус выполнен с буртом, герметизирующий изолятор установлен с упором в бурт размещен в нетоковедущем изоляторе, длина всей ножки герметизирующего изолятора выполнена больше в 1,4 раза длины его части, выступающей из нетоковедущего герметика, охватывающего герметизирующий изолятор, медная клиновая втулка обращена своей большой стороной в сторону искрообразующего изолятора, ножка герметизирующего изолятора установлена с образованием кольцевого зазора с частью дополнительного корпуса, размещенного внутри основного, кольцевое уплотнение из нетоковедущего стеклогерметика размещено в кольцевом зазоре на медной клиновой втулке, керамическая изолирующая втулка установлена между кольцевым уплотнением и металлической втулкой, причем стеклогерметик, закрепляющий токоведущий стержень во внутреннем канале герметизирующего изолятора, размещен в ножке изолятора со стороны экранной керамической втулки выше прямой линии, перпендикулярной оси свечи, проходящей через торец медной втулки с большим поперечным сечением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3