Плазмовий запальник

Плазмовий запальник F 23 Q 23/00 Винахід відноситься до енергомашинобудування, зокрема до запалювачів палива при запуску газових турбін. Відомий запалювач палива складений з порожнього циліндричного електроду для підводу газу до запальної іскри та розташованого на його вісі Г-подібного обертового електроду. Між Г-подібним електродом та зовнішньою поверхнею циліндричного електрода виникає іскровий розряд (ах. №556282, 1977, F 23 Q 23/00). Недоліком цього запалювача є низька надійність запалювання. Прототипом пропонованого плазмового запалювача є плазмовий запалювач, що містить два ізольованих один від одного, установлених ко аксиально, циліндричних електроди, утворюючих між собою порожнину і кільцевий міжелектродний зазор, в якому здійснюється розряд (Патент США №4122816. 1976, F02P/00). ^ ifl^v плазмовому зал^поврчі напругу подають до електродів, електрична іскра пробиває кільцезий міжелектродний 3*wwp ; u' r- j.iovy м\~ де утворюється невеликий об'єм плазми між внутрішнім та зовнішнім електродами. Зріст струму розряду спричиняє зріст розміру плазми та виникнення магнітного поля, результуюча сила якого прискорює плазму вздовж електродів назовні. Якщо сила струму перевищує і кА, плазма набирає форму тора та вприскується до камери згоряння, де запалює паливноповітряну суміш. Відомий плазмовий запалювач має наступні недоліки. Стабільне формування плазми тороїдальної форми вимагає струму розряду більше 1 кА. Це, в свою чергу, вимагає значних енерговитрат, ускладнення конструкції запалювача та системи запалювання взагалі, зростання маси та габаритів, використовування дефіцитних та коштовних матеріалів електродів заради зниження їх електроерозІЇ, використовування елементів схеми, розрахованих на високий струм, що знижує економічність роботи запалювача, підвищує вартість його виробництва, перешкоджає широкому його використанню в промислових енергоагрегатах. Якщо сила струму менше І кА, пробій міжелектродного зазору відбувається в одній якійнебудь точці, та плазма під впливом магнітної сили витікає у вигляді тонкого плазмового струменя в камеру згоряння. Глибина проникнення залежить від величини електричного струму. Крім того, порожнина у конструкції відомого запалювача заповнюється частками нагару, що погіршує роботу запалювача, надійність його роботи знижується. Таким чином, забезпечити за допомогою відомого запалювача надійне запалювання палива і високий ресурс електродів, а також постійність значення глибини проникнення плазми в камеру згоряння виходить не завжди, що знижує надійність роботи запалювача. В основу винаходу поставлене завдання створити такий плазмовий запалювач, в якому нове виконання електродів та оптимізація розмірів - 2 міжеяектродного зазору дозволили би зменшити втрату енергії розряду в електроди і знизити їх електроерозію, за рахунок цього підвищити ресурс запалювача і надійність запалювання паливноповітряноі суміши. Поставлена задача вирішується тим, що у плазмовому запалювачі, який містить два ізольованих один від одного, установлених коаксиально. циліндричних електроди, утворюючих між собою порожнину І кільцевий міжелектродний зазор з вхідним і вихідним перерізями, зовнішній електрод виконаний у вигляді порожнього циліндру з отворами в боковій поверхні для підведення плазмоутворюючого газу, при цьому відношення площей вихідного і вхідного перерізів кільцевого міжелектродного зазору приймає значення з інтервалу: 0, 2< S 2 /S j< 2, де Sj - площа вхідного перерізу міжелектродного зазору; S2 - площа вихідного перерізу міжелектродного зазору. Режим руху плазмового струменю у міжелектродному зазорі повинен ^а^е-течити мінімальний відтік енергії з плазмового струменю за час ро "^ ^ ^ електроди, щ\.б -^і.оС^ти розігрів і випар-^ ґ ^а 1 у^ч^л^ч ^ - ; троду, підвищити ресурс електроду і реакційну здатність плазмовою струменю. Для зниження відтоку енергії з плазмового струменю у електроди необхідно зменшити площу контакту дуги і забезпечити рух цього контакту по поверхні електроду. В заявляемому плазмовому запалювачі плазмовий струмінь рухає, потік плазмоутворюючого газу,що створений за рахунок перепаду тиску на запалювані (різниця тиску у міжтрубному просторі та камерою сгоряння), і який надходить в порожнину запалювача крізь отвори у боковій поверхні зовнішнього електроду. В результаті плазмовий струмінь стабільно виноситься до камери згоряння при струмі дуги в кілька Ампер, і запалює пали в но по вітряну суміш. Потік плазмоутворюючого газу одночасно переміщує контактні плями дуги по поверхні кільцевого міжелектродного зазору, запобігаючи її перегрів, охолоджує електроди, що значно знижує іх ерозію, підвищує реакційну здатність плазмового струменю. Для знаходження оптимальних співвідношень між площами вхідного і вихідного перерізів міжелектродного зазору при наявності отворів в боковій поверхні зовнішнього електроду і дії на плазмовий струмінь потоку плазмоутворюючого газу, використані умови передвідривного руху потоку у міжелектродному зазорі, мінімума втрати імпульсу, рівняння суцільності, степеневий закон розподілу швидкості і температури у прикордонному шарі. Виразення цього зв'язку одержано у вигляді: 0. 2£.-его зазору 4 виконані тяк, що відношеп::ет. :'; площей приймає значення з заявляемого інтервалу; де Si - площа вхідного перерізу міжелектродного зазору; S2 - площа вихідного перерізу міжелектродного зазору. Плазмовий запалювач устанавлюється у газотурбінному двигуні так, що отвори 7 розташовані у міжтрубному просторі 9, а вихідний переріз 6 кільцевого міжелектродного зазору 4 виходить у камеру згоряння 10. Плазмовий запалювач працює таким чином. Запалювач встановлюється на штатне місце у камеру згоряння газотурбінного двигуна так, що отвори 7, виконані у боковій поверхні зовнішнього електроду 2, розміщені у міжтрубному просторі 9. На електроди 1 і 2 подають напругу пробою, іскра пробиває кільцевий міжелектродний зазор 4 у вузькому місці з утворюванням невеликого об'ема плазми. Зріст струму дуги призводить до зростання розмірів плазми. Розряд утворює магнітне поле, результуюча сила якого прискорює плазму вздовж електродів 1 і 2. Одночасно на плазму діє течія плазмоутворюючого газу, утворена за рахунок перепаду тиску у камері згоряння 10 і міжтрубному просторі 9. Під дією цього потоку й магнітної сили плазмовий струмінь переміщується з прискоренням вздовж кільцевого м' ^електродного зазору 4 й далі в камеру згоряння 10. Хоча сила магнітного поля незначна, поток плазмоутворюючого газу виносить плазмовий струмінь у камеру згоряння и водночас охолоджує поверхню електродів І й 2, знижуючи їх ерозію. Поза залежності від положення точки початку розряду потік плазмоутворюючого газу стабільно виносить плазмовий струмінь у камеру згоряння. Для роботи плазмового запалювача не потрібен сильнострумовий розряд та висока потужність для утворення великого значення магнітної сили, виштовхуючій плазмовий струмень, оскільки цей струмінь надійно виносить плазмоутворюючий газ, що підвищує економічність приладу й збільшує ресурс запалювача. Відношення площей вихідного 6 й вхідного 5 перерізів кільцевого міжелектродного зазору 4, вибране з заявляемого інтервалу, створює умови передвідривного руху плазмового струменю у кільцевому міжелектродному зазорі, що запобігає зриву дуги, забезпечує рухомість контактних плям дуги, стійкість виносу плазмового струменю у камеру згоряння 10 у широкому інтервалі зміни перепаду тиску на запалювачі, визначеним режимом роботі газотурбінного двигуна на запуску. Це дозволяє значно знизити втрати енергії у стінки електродів, що підвищує ефективність плазмового струменю, надійність запалювання й до мїнімума знижує ерозію електродів. Окрім цього, порожнина зовнішнього електроду продувається струменем плазмоутворюючого газу з міжгрубного простору, запобігаючи забрудненню простору між електродами і зрив роботи запалювача. При відношенні S2 /S^ 2, потік плазмоутворюючого гачу, утвосъкгЧ "CI^TVIOM ТИСК*7 ИЯ зяпалювачи менш S \ш вод. ст., недостатній для виносу плазмовою струменю у камеру зіо^яння. Спостерігається їскроподібниЙ розряд, що призводить до необхідності збільшування тривалості роботи запалювача для запалювання паливноповітряної суміші. При відношенні S2 /Sj > 2 і перепаді тиску на запалювачі більше 250 мм вод. ст. здійснюється відрив прикордонного шару потоку плазмоутворюючого газу на поверхні кільцевого міжелектродного зазору, що призводить до Інтенсивного вихроутворення й зриву роботи запалювача. Сполучення двох елементів - порожнього циліндричного зовнішнього електроду з отворами у боковій поверхні й кільцевого міжелектродного зазору з відношенням площей вихідного і вхідного перерізів, узятого з заявляемого Інтервалу значень ,стабільно забезпечує винос плазмового струменю у камеру згоряння, високий ресурс електродів й надійне запалювання паливоповітряної сумінш. Експериментальні дослідження виявили, що в порівнянні з відомими плазмовими запалювачами, заявляємий запалювач забезпечує надійне запалювання паливоповітряної суміші й високий ресурс електродів. Ю.М.Харитонов Плазмовий запаліевач 8 Н.П.Селеэньова Л.П.Дунаєвська А.В.Качалов