KR20230121143A - 가스 터빈 엔진용 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템 - Google Patents

Abstract

낮은 공기 밀도, 감소된 전압 조건 및 3:1 내지 7:1의 전체 압력비에서 작동하는 가스 터빈 엔진과의 사용을 위한 플라즈마 점화기 및 전자 드라이버 유닛을 포함하는 점화 및 연소 보조 시스템 및 방법이 개시된다. 플라즈마 점화기는 전기 리드에 부착된, 중심적으로 배치되고 전기적으로 격리된 전극을 수용하는 내부 챔버, 드라이버 유닛 및 AC 또는 DC 파워 공급부를 갖는다. 전극은 플라즈마 아크가 가스 터빈의 연소기의 일차 연소 영역으로 확장되는 화염을 생성하는 연료-공기 혼합물을 점화시키는, 점화기의 배출구 종단 근처에 위치된 모서리를 특징으로 한다. 드라이버 유닛은 2개의 실시예에 있다. 드라이버 유닛은 저비용 마이크로초 전압 파형 시간 주기 또는 에너지 효율적인 나노초 펄스를 갖고 구성된다. 이 방법은 본 명세서에서 설명된 플라즈마 점화기 및 전자 드라이버 유닛을 다른 구성 요소와 개별적으로 또는 함께 사용한다.

Description

가스 터빈 엔진용 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템

본 발명은 터빈 엔진을 위한 점화 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다양한 가스 터빈 엔진 적용과의, 그리고 특히 대체로 3:1 내지 7:1의 비교적 낮은 압력비를 갖는 소형 터보제트 및 소형 고속 터보 제너레이터와의 사용을 위한 전자 드라이버 유닛 및 하나 이상의 점화기 구성 요소를 갖는 플라즈마 점화 시스템에 관한 것이다.

모든 연소 엔진은 점화되는 연소기 내부에 공기-연료 혼합물을 갖고 있으며, 연소기에서 생성된 고온의 공기는 터빈의 블레이드, 피스톤 등을 회전시키기 위해 사용된다. 스파크 점화기와 같은 현재의 점화 시스템은 연소가 발생하기 위해 여러 요인에 의존한다: 화학양론, 가스 압력, 생성된 스파크의 타이밍, 및 충분히 큰 스파크를 생성하기 위해 인가되는 전압 모두는 성능과 신뢰성을 최대화하기 위해 신중하게 계산되고 교정되어야 한다.

현재 점화기 시스템들의 한 가지 문제는 현재 점화기 시스템의 비용, 크기 (3인치 입방체보다 큰 여자기 전자 장치) 및 (1.0 lbm보다 큰) 하중은 이들을 적합하지 않게 함으로써, 이들이, 경량 드론, 소형 미사일, 공중 재밍 디바이스 등과 사용하는 것과 같은 16 인치 미만의 직경과 25 lbm 미만의 중량을 갖는 엔진으로서 규정되는 소형 경량 엔진에 일반적으로 적합하지 않다는 사실이다. 드론과 같은 보다 작은 적용은 이상적으로 더 가볍고 더 낮은 파워 구성 요소가 필요하며, 그에 따라 단순하고 가벼우며 재점화/재시동 능력을 갖고 그리고 특정 적용 요구에 따라 유연한 점화 시스템을 선호한다.

개선된 연소 시스템 작동성 (더 높은 화염 변형률 및 더 짧은 잔류 시간에서 더 넓은 범위의 연료/공기 혼합물에 대한 안정성) 및 종래 기술의 점화기 시스템의 한계에 대한 요구는 내연 기관 및 이중 연료 엔진과의 사용을 포함한, 플라즈마 점화기 및 이 기술의 적합한 적용을 이용하는 연구에 큰 관심을 갖고 있다. 드론에 사용되는 것과 같은 그리고 낮은 압력비와 낮은 연소기 유입구 온도 하에서 작동하는 소형 가스 터빈의 경우, 현재 점화기 시스템의 성능은 부족하다. 전형적인 스파크 점화 시스템 및 불꽃(pyrotechnic) 플레어 점화기의 비용 그리고 제한된 성능은 저비용 구성 요소로 재점화를 포함한 라이트-오프(light-off)를 달성하기 위한 더 우수한 시스템에 대한 필요성을 야기하였다.

필요한 것은 소형 가스 터빈 엔진과 함께 사용될 수 있는 플라즈마 점화기와 전자 드라이브 유닛을 포함하는 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템, 및 보다 에너지 효율적인 적용과 보다 비용 효율적인 적용 사이에서 선택할 수 있는 능력을 갖는 플라즈마 점화 시스템을 사용하는 방법이다. 또한 필요한 것은 지속적인 전기 아크를 생성하는 플라즈마 점화기이다. 또한 필요한 것은 기존 스파크 시스템보다 낮은 전압 수준에서 작동할 수 있으면서 연소기에 더 높은 에너지 출력을 전달할 수 있는 점화 시스템이다. 또한 필요한 것은 플라스마 아크를 연소기의 일차 연소 영역으로 확장하여 연료 연소 효율을 향상시키는 플라스마 점화기이다. 또한 필요한 것은 다중 재점화 능력을 갖는 점화 시스템이다.

본 방법은 저온, 낮은 압력비 및 종래의 스파크 시스템에 부적합한 기타 조건 하에서 작동하는 가스 터빈 엔진과 함께 플라즈마 점화기 및 전자 드라이버 유닛을 사용하는 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템 그리고 방법을 제공한다. 플라즈마 점화기와 전자 드라이버 유닛은 경량이며, 드론 그리고 다중 재점화 능력을 필요로 하는 기타 적용은 물론 저비용 및 고효율 옵션에 사용하기에 적합하다. 본 방법에서의 플라즈마 점화기 및 전자 드라이버 유닛은 다른 점화기 및 드라이버 유닛과 함께 또는 별도로 사용될 수 있다.

플라즈마 점화 시스템의 제1 양태에서, 플라즈마 점화기는 리드 종단 및 배출구 종단을 갖는 실질적으로 원통형의 점화기 몸체로 구성되며, 내부 벽은 종단들 사이에 챔버를 규정한다. 근위 종단 그리고 원추형 및 원통형 원위 종단 중 적어도 하나를 갖는 전극은 내부 벽으로부터 전기적으로 격리되도록 챔버 내부에 중심적으로 수용되어 전극 주위의 챔버 내에 대략적인 환형 공기 갭을 형성한다. 점화기 몸체는 연소기에 전기적으로 접지되거나 절연 와이어를 통해 점화기 드라이버 전자 장치에 직접 접지된다. 전극의 직경은 약 0.125 내지 2.0 인치이다. 전극 원위 종단은 점화기 몸체의 배출구 종단을 향하여 위치되며, 범위가 0 내지 0.15 인치에 이르는 코너 반경을 갖는 적어도 하나의 코너를 갖고 추가로 형성된다. 일부 실시예에서의 코너는 돌출부로서 구성된다. 코너에서 점화기 몸체의 내부 벽까지의 아크 갭은 코너에서 내부 벽까지의 가장 작은 또는 최단 거리에서 배출구 종단에서 내부 벽에 대해 측정된 가장 작은 또는 최단 거리까지의 범위에 이른다. 일부 실시예에서, 아크 갭은 약 0.125 인치 내지 약 0.75 인치이고, 다른 실시예에서 아크 갭은 측정치가 약 0.04 내지 0.5 인치이다. 전기 리드는 전극을 드라이버 유닛과 파워 공급부에 연결한다. 점화기 몸체의 공기 공급 관통 구멍은 공기가 공기 갭으로 유입되고 배출구 종단을 빠져나가는 것을 허용하여 아크 갭에서 생성된 플라즈마 아크를 가스 터빈 엔진의 연소기의 일차 연소 영역으로 강제로 유입시킨다. 일부 실시예에서, 공기 공급 관통 구멍은 범위가 약 50 내지 300 피트/초에 이르는 공기 주입 속도를 지원하도록 크기를 갖고 성형된다.

플라즈마 점화기의 다른 양태에서, 단순한 오리피스일 수 있는 연료 공급 포트, 연료 공급 포트 및 점화기 몸체와 일체형인 연료 분무 인젝터 중 적어도 하나가 포함된다. 일부 실시예에서, 연료 공급 포트는 범위가 약 5 내지 300 피트/초에 이르는, 아크 갭에 들어가는 다량의 연료의 연료 속도 및 범위가 2.5 psia 내지 100 psia에 이르는 유입구 압력 중 적어도 하나를 제어하도록 크기를 갖고 성형된다. 다른 실시예에서, 환형 아크 갭으로 들어가는 연료의 양은 80미크론보다 큰 평균 직경을 갖는 연료 액적으로서 들어간다.

플라즈마 점화기의 또 다른 양태에서, 공기 공급 관통 구멍은 절연체와 점화기 몸체의 배출구 종단 사이에 위치되며, 그에 의하여 공기 공급 관통 구멍을 통해 공기 갭으로 들어가는 공기 흐름은 점화기 몸체 내에서 생성된 아크를 연소기의 일차 연소 영역으로 강제로 유입시킨다.

또 다른 양태에서, 점화기 몸체는 연장된 길이의 점화기 몸체와 절두원추형 점화기 몸체를 포함하는 점화기 몸체들의 그룹으로부터 선택된 점화기 몸체를 갖는다.

플라즈마 점화기 시스템의 또 다른 양태에서, 드라이버 유닛은 입력 파워 컨트롤러, 입력 파워 컨트롤러와 통신하는 전압 오실레이터, 전압 오실레이터 및 입력 파워 컨트롤러와 통신하는 변압기, 입력 파워 컨트롤러와 통신하는 온-오프 스위치, 및 교류 전류 입력과 직류 전류 입력 중 적어도 하나를 드라이버 유닛에 제공하는 파워 소스를 포함한다. 드라이버 유닛은 전압 및 전류의 출력을 전극에 제공하며 엔진에 또는 연소기에 접지된다. 입력 파워는 입력 파워 컨트롤러에 의하여 조절, 필터링 및 변조된다. 전압 오실레이터는 원하는 주파수 및 레벨에서 전기 출력 파형을 생성한다. 변압기는 전압 오실레이터에 의하여 생성된 전기 출력 파형을 변환하고 전기 아크를 생성하기에 충분한 전압 레벨 및 전압 변화율을 생성한다.

드라이버 유닛의 또 다른 양태에서, 전극에 공급되는 전압과 전류는 일시적이며, 전압파 시간 주기는 반복적 주기로 나노초 펄스와 마이크로초 펄스 중 적어도 하나에서 측정된다.

드라이버 유닛의 또 다른 양태에서, 전극에서의 상기 발진 전압 출력 레벨은 250 Vrmss 내지 7,000 Vrms 범위에 이른다.

드라이버 유닛의 또 다른 양태에서, 드라이버 유닛에 대한 10 Vdc 내지 120 Vdc의 전압 레벨을 가진 직류 전류 파워 소스는 약 10 ㎑ 내지 10,000 ㎑의 가변 또는 일정한 주파수 전압 파형을 생성하는 회로에 전류를 제공한다.

드라이버 유닛의 또 다른 양태에서, 입력 파워 컨트롤러는 입력 및 출력에 대한 단일 상태를 가진 수동 회로와 전압 및 전류 조절 시스템 중 적어도 하나이다.

드라이버 유닛의 또 다른 양태에서, 전압 변압기를 통한 입력 전압의 100 내지 1,000배의 전압 레벨 증가는 유도 전기 코일 또는 에너지 저장 커패시터 세트에 의해 생성되어 발진 전압 증가를 달성한다.

플라즈마 점화기와 전자 드라이버 유닛을 갖는 플라즈마 점화기 시스템을 이용하는 방법에서, 본 방법은 엔진 크기, 공간 이용 가능성 또는 운동학적 적용을 기반으로 플라즈마 점화기의 원하는 크기 및 중량 중 적어도 하나를 결정하는 단계, 원하는 점화기 전극 작동 수명을 결정하는 단계; 플라즈마 점화기 시스템의 원하는 파워 효율을 결정하는 단계; 엔진의 파워 소스 호환성과 함께 플라즈마 점화기 시스템의 파워 소스 호환성을 유지하는 단계; 엔진 압력비를 결정하는 단계; 및 플라즈마 점화기와 드라이버 유닛이 엔진의 초기 점화 및 시동 시에만 또는 엔진의 초기 점화 및 시동 후 여러 번 작동적일 것인지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.

본 방법의 또 다른 양태에서, 엔진 압력비를 결정하는 단계는 3:1 내지 7:1의 낮은 압력비, 15 msec 미만의 작은 체적 유량을 가지며 화씨 400도 미만의 온도에서의 작동하는 엔진을 식별하는 단계, 및 엔진 압력비를 결정하는 단계 후, 각각의 압력비와 체적 유량 중 적어도 하나에 적합한 전압 출력을 갖는 전자 드라이버 유닛을 선택하는 단계를 더 포함한다.

본 방법의 또 다른 양태에서, 전자 드라이버 유닛을 선택하는 단계는 증가된 전압 요구 사항에 따라 아크 갭을 크기 조정(sizing)하는 단계를 더 포함한다.

본 방법의 또 다른 양태에서, 본 방법은 범위가 15 내지 600 lbf에 이르는 추력을 갖는 터보제트와 사용된다.

본 방법의 또 다른 양태에서, 본 방법은 5 내지 100㎾ 전력 출력을 갖는 터보-제너레이터와 사용된다.

본 방법의 또 다른 양태에서, 본 방법은 플라즈마 점화 시스템이 엔진의 초기 점화 및 시동 시에만 또는 초기 점화 및 시동 후 여러 번 작동적일 것인지 여부를 결정하는 단계 후에, 혼합 및 반응 시간이 짧은 조건 또는 연소기 연소 구역의 연료-공기 혼합물이 기존의 희박 및 과잉 가연성 한계 밖에 있는 조건에서 연소를 지속하거나 연소 효율을 증가시키기 위해 플라즈마 점화기를 작동시키는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련하여 제시되는 다음의 상세한 설명을 고려하는 것으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템의 절두원추형 몸체를 갖는 플라즈마 점화기의 측단면도이다.
도 2는 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템의 연장된 몸체를 갖는 플라즈마 점화기의 측단면도이다.
도 3은 공기 갭으로의 공기 흐름의 방향을 보여주는, 도 2의 플라즈마 점화기의 절단 사시도이다.
도 4는 도 2의 플라즈마 점화기의 사시도이다.
도 5는 도 4의 플라즈마 점화기의 분해도이다.
도 6은 도 1의 플라즈마 점화기의 사시도이다.
도 7은 도 6의 플라즈마 점화기의 분해도이다.
도 8은 전극의 원위 종단에서 점화기 몸체의 내부 벽을 향해 연장되는 돌출부를 갖는 일 실시예를 보여주는, 플라즈마 점화기의 정면도이다.
도 9는 점화기 몸체의 배출구 종단이 연소기의 일차 연소 영역을 향하는 사용 위치에서 보여지는, 도 1의 플라즈마 점화기의 사시도이다.
도 10은 플라즈마 점화기에 의해 생성된 플라즈마 아크 및 플라즈마 아크 점화 연료에 의해 야기된 화염과 함께 대표적인 실시예에서 보여지는, 도 2의 플라즈마 점화기의 측단면도이며, 화염은 연소기의 일차 연소 영역으로 연장된다.
도 11은 플라즈마 점화기에 대한 대표적인 전자 드라이버 유닛 전압 및 전류 출력이다.
도 12는 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템의 플라즈마 점화기와 함께 사용하기 위한 제1의 대표적인 전자 드라이버 유닛 구성이다.
도 13은 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템의 플라즈마 점화기를 위한 제2의 대표적인 전자 드라이버 유닛 구성이다.

가스 터빈 엔진과 함께 사용하기 위한 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템은 도 1 내지 도 10에서 보여지는 2개의 실시예에서의 플라즈마 점화기(100) 및 도 11 내지 도 13에서 보여지는 2개의 실시예에서의 전자 드라이버 유닛 또는 드라이브 유닛 또는 드라이버 유닛(50)으로 구성된다.

플라즈마 점화기(100)는 외부 벽(10c)과 대향하는 한 쌍의 개방 종단에 의해 규정되는 점화기 몸체(10)로 구성된다. 점화기 몸체(10)는 엔진 또는 가스 터빈 엔진의 연소기(40)에 접지된다. 점화기 몸체(10)는 대략 원통형 내부 챔버를 규정하는 내부 벽(28)을 가지며, 내부 챔버는 유지 캡(12)으로 둘러싸인 리드 종단(10b) (유지 캡은 리드 종단(10b) 위에 위치됨) 및 대향하는 배출구 종단(10a)을 갖는다. 유지 캡(12)은 전기 리드(20)를 수용하도록 크기를 갖고 성형된 구멍을 갖고 형성된다.

근위 종단(24b) 및 원위 종부(24a)를 갖는, 대략 원통형 형상을 갖는 전극(24)은 근위 종단(24b)에서 솔더 또는 브레이즈(braze) 또는 크림프 조인트(crimp joint)(22)에 의해 전기 리드(20)의 전극 종단(20b)에 연결되며, 연결된 전극-전기 리드는 유지 캡(12)의 구멍을 통해 챔버 내부에 위치된다. 크림프 조인트(22)는 임의의 다른 적절한 연결부를 포함하며 또한 용어 “크림프 조인트”의 사용은 제한하는 것을 의미하지 않는다는 점을 주목한다. 전극(24)과 전기 리드(20)는 챔버 내에 중심적으로 위치되고 또한 리드 와이어 유지 재료 또는 유지 재료(18), 전형적으로 내부 벽(28)과 크림프 조인트(22) 사이에 끼워진 다량의 포팅(potting) 또는 솔더에 의해 점화기 몸체(10)의 내부 벽(28)으로부터 전기적으로 격리되며, 전기 리드(20)의 위치는 전기 리드(20)의 주변 주위의 그리고 한 종단에서 유지 캡(12)의 내부 측부에 부착된 유지 재료(18)에 의해 고정된다. 따라서 대략 환형의 공기 갭(30)이 내부 벽(28)과 챔버 내에 중심적으로 위치된 전극(24) 사이에 생성된다. 하나 이상의 관통 구멍 또는 공기 공급 구멍(32)이 점화기 몸체(10) 외부로부터 공기 갭(30)으로 이어지는 점화기 몸체 벽 내로 형성된다. 에어 컴프레서에 의하여 생성된 일정한 양의 공기는 공기 공급 구멍(32)을 통해 공기 갭(30)으로 공급된다. 일부 실시예에서, 대체 또는 추가 연료 공급 포트(34)가 또한 점화기 몸체(10)에 형성되고 공기 갭(30)으로 이어진다. 공기 공급 구멍(32)과 연료 공급 포트(34)는 전형적으로 전극(24)의 근위 종단(24b) 근처에 형성되지만, 실제로는 이들은 점화기 몸체(10)의 챔버 내부의 절연체(16)와 배출구 종단(10a) 사이의 어느 곳에나 위치될 수 있다. 연료 공급 포트(34)는 단순한 오리피스로서 구성될 수 있거나 포트(34)와 함께 점화기 몸체(10)와 일체형인 연료 분무 인젝터를 포함할 수 있다. 연료 공급 포트(34)가 존재하는 경우, 공기 갭(30)으로 연료를 공급하는 연료 공급 라인(36)은 연료 공급 포트(34)에 부착된다. 전기 리드의 파워 종단(20a)은 점화기(100)에 파워를 공급하기 위하여 파워 공급 입력부(54)에 부착된다.

도 1은 점화기(100)의 절두원추형 몸체 실시예(100a)를 보여주고 있으며, 원위 종단(24a)은 배출구 종단(10a)을 넘어 연소기(40)의 일차 연소 영역(42) 내로 연장된다. 원위 종단(24a)은 전반적으로 형상이 원추형이며, 터미널 종단 또는 정점(24c)은 점화기 몸체(10)의 배출구 종단(10a)을 넘어 위치된다. 원위 종단(24a)의 베이스는 0 내지 0.15인치의 반경을 갖는 코너(24d)를 갖고 형성되며, 더 작은 반경이 바람직하다. 코너(24d)를 포함하는 것은 전극(24)과 내부 벽(28) 사이의 거리를 단축시키며, 따라서 배출구 종단(10a)에서 공기 갭(30)의 수축을 생성한다. 코너(24d)는 사실상 도 1에서와 같이 원위 종단(24a)의 원주에 대해 균일한 크기 및 형상일 수 있거나, 도 6 내지 도 8에서 보여지는 바와 같이 원위 종단(24a)의 베이스의 원주에 대해 규칙적인 일련의 돌출부로서 형성될 수 있다.

구불구불한 선으로서 도면에서 보여지는 아크 갭(26)은 전형적으로 절두원추형 몸체 점화기(100a)와 함께 도 1에서 가장 명확하게 보여지는 바와 같이 전극(24)에서 내부 벽(28)까지 측정된 가장 짧은 거리이며, 또한 사실은 공기 갭(30)과 동일한 측정값일 수 있다. 플라즈마 아크의 형성은 내부 벽(28)까지 전극(24)의 길이를 따라 어디에서나 발생할 수 있지만, 코너(24d)를 포함하는 것은 공기 갭(30) 거리를 단축시키며 또한 이 가장 짧은 거리에서 내부 벽(28)으로의 코너(24d)에서의 플라즈마의 아크의 형성을 조장한다. 이런 이유로, 도면에서, 구불구불한 선으로서 보여지는 아크 갭(26)은 또한 전반적으로 플라즈마 아크를 나타낸다. 이것은 방출물(discharge)의 점화에 유리할 뿐만 아니라 방출물이 화염 유지 구역 또는 연소기 재순환 구역(44) 중 적어도 하나의 구역에 인접하게 배치되는 것을 보장하는 데 유리하다. 모든 도면에서, 아크 갭(26)은 코너(24d)로부터 점화기 몸체(10)의 배출구 종단(10a)에서의 내부 벽(28)으로 나오는 것으로 보여지고 있으며, 도 2에서 이 거리는 코너(24d)와 내부 벽(28) 사이의 최단 거리가 아니다. 도 2는 공기 갭(30)에 공기 흐름이 존재할 때 아크 갭(26)의 위치를 보여주고 있으며, 공기 흐름은 아크 갭(26) 거리를 배출구 종단(10a)에서의 내부 벽(28)까지 연장시키고, 따라서 플라즈마 아크 형성을 배출구 종단(10a)을 향하여 효과적으로 이동시킨다. 공기가 공기 갭(30)을 통해 적극적으로 공급되고 있지 않는 경우, 도 2의 아크 갭(26)은 실제로 도 1에서 보여지는 바와 같이 코너(24d)로부터 내부 벽(28)까지의 가장 짧은 거리일 것이다. 이런 이유로, 아크 갭(26) 거리는 공기 갭(30) 내에 그리고 배출구 종단(10a)을 빠져나가는 공기 흐름이 있는지 여부에 따라 변할 수 있다. 본 발명자들은, 그 위치에서 아킹을 조장하기 위한 돌출부로서 구성되는 코너(24d)를 갖는 대신에, 다른 실시예에서 내부 벽(28)은 대신에 또한 점화기 몸체(10)의 수축 지점에서 플라즈마 아크 형성을 촉진하는 동일한 최종 결과로 점화기 몸체(10)의 배출구 종단(10a)을 수축시키는 플랜지 또는 다른 돌출부를 갖고 설계될 수 있다는 점을 주목하였다. 생성된 화염(70)이 연소기(40)의 일차 연소 영역(42)에 위치되도록 배출구 종단(10a)에서 전극(24) 상의 코너(24d)의 포함 그리고 배출구 종단(10a)을 향한 공기 흐름은 배출구 종단(10a)에서의 플라즈마 아크 형성을 최적화한다. 전극(24)이 드라이버 유닛(50)으로부터 전류를 받으면, 전류는 아크 갭(26)에서의 전극(24)과 내부 벽(28) 사이의 공간을 건너뛰며, 또한 공기 갭(30)에 공기 흐름이 있다면, 화염(70)은 아크 갭(26)으로부터 그리고 배출구 종단(10a)을 넘어 외측으로 일차 연소 영역(42) 내로 확장된다. 절두원추형 몸체 점화기(100a)는 또한 연료 포트(24) 및 연료 라인(26)을 가질 수 있거나, 연료가 없을 수 있다. 연료 포트(24)와 연료 라인(26)을 갖는 실시예의 경우, 연료 포트(24)와 공기 공급 구멍(32)으로부터의 연료-공기 혼합물이 전극(24) 주위의 공기 갭(30)을 통해 들어가고 소용돌이친다. 아크 갭(26)에서 형성된 플라즈마 아크는 연료를 점화시켜 화염(70)을 생성하며, 이동하는 공기는 연소되는 연료에 의해 야기된 아크 및 화염(70)을 점화기(100a)의 배출구 종단(10a)을 넘어 연소기(40) 내로 밀어낸다. 점화기 몸체(10)와 중심적으로 위치된 전극(24)은 양 구성 요소를 통한 전류의 통과에 의하여 가열되며, 이 가열은 공기 갭(30)으로 주입된 연료의 기화 및 분해의 과정을 향상시킨다.

절두원추형 몸체 점화기(100a)의 외부 벽(10c)은 외부 벽(10c)에 비해 더 큰 직경을 갖고 점화기 몸체(10)가 연소기(40)에 보다 용이하게 고정되는 것을 허용하도록 크기를 갖고 성형된 확장된 몸체 마운트(10e)를 갖고 더 형성된다.

도 2에서, 전극(24)의 원위 종단(24a) 및 정점(24c)이 점화기 몸체(10)의 배출구 종단(10a)을 넘어 연장되지 않는 연장된 점화기 몸체(100b) 실시예가 보여지고 있다. 도 2에서, 코너(24d)는 원추형 원위 종단(24a)의 베이스에 있지만, 코너(24d)는 임의의 돌출부 없이 형성되며 또한 코너(24d)에서의 원통형 전극(24)은 대신 정점(24c)으로 테이퍼진다. 공기 갭(30)은 내부 벽(28)에서 전극(24)의 몸체까지 균일한 거리를 갖는다. 아크 갭(26)은 코너(24d)로부터 점화기 몸체(10)의 배출구 종단(10a)에 있는 내부 벽(28)까지 보여지며 또한 도 1의 절두원추형 몸체 점화기(100a) 실시예의 아크 갭(26)과 비교하여 더 긴 거리이다. 앞서 논의된 바와 같이, 점화기(100b)가 사용 중일 때, 공기 공급 구멍(32)을 통해 공기 갭(30) 내로 펌핑된 공기는 점화기 몸체(10)의 배출구 종단(10a)에서 유출되며 또한 아크 갭(26) 거리 그리고 따라서 플라즈마 아크를 도 2에서 보여지는 것까지 연장시키고, 아크 갭(26)과 플라즈마 아크는 구불구불한 선으로 표시된다.

절두원추형 몸체 점화기(100a)와 비교하여, 전형적으로, 연장된 몸체 점화기(100b)는 공기 공급 구멍(32)과 함께 연료 포트(34) 및 연료 라인(36)을 포함한다.

드라이버 유닛(50) 및 이의 구성 요소 블록들의 2개의 전형적인 실시예들의 개략도로서의 도 12 및 도 13에서 보여지는, 플라즈마 점화기(100) 및 그 실시예(100a, 100b)는 전자 드라이버 유닛(50)에 의해 전압 및 전류가 공급된다. 드라이버 유닛(50)은 플라즈마 점화기(100, 100a, 100b)에 전력을 제공한다. 드라이버 유닛(50)은 전극(24)과 점화기 토치 몸체(10)의 내부 벽(28) 사이에 전기 아크가 생성되도록 충분히 높은 전기장의 생성을 지원한다. 아크 갭(26) 및 전극 기하학적 구조는 요구되는 전압 레벨에 영향을 미치는 설계 매개변수이다. 아크 갭(26)이 클수록 전압 요구량은 높아진다. 도 11에서 보여지는 바와 같이, 전압파의 주파수 그리고 결과적인 아크가 효과적으로 연속적이기 때문에 플라즈마 아크를 트리거하기 위한 타이밍은 이 시스템에서는 중요한 요구 사항이 아니다. 1/주파수로 측정된 파동 시간(wave time)은 유효 연소기 체류 시간보다 짧으며, 전형적으로 0.5 내지 30 msec이다. 전력 및 전압은 연소기(40)를 위한 요구되는 점화 에너지에 의존한다. 전형적인 레벨은 범위가 100 내지 500 와트 (시스템에 대한 RMS 파워 입력)에 이른다. 아크 갭(26)에서의 전달된 에너지는 전형적으로 파워 입력보다 5 내지 10배 낮다. 그러나 본 발명자들은 이 매개변수가 제한 없이 변할 수 있다는 것을 주목하며, 또한 본 기술 분야의 통상의 기술을 가진 자는 이 전형적인 수준의 밖에 있는 이 매개변수의 변화가 본 발명의 신규성 또는 유용성을 부인하지 않는다는 점을 인식할 것이다.

도 12는 구성 요소 블록을 갖는 플라즈마 점화 드라이버 유닛(50)의 개략도와 함께 드라이버 유닛(50)의 제1 실시예를 보여주고 있다. 파워 입력(52)은 교류 전류 또는 직류 전류일 수 있다. 대부분의 항공기 시스템은 28 Vdc 파워를 사용하며, 따라서 이는 바람직한 파워 입력이다. 전압 출력(62)은 드라이버 유닛(50) 출력 주파수에 의존하며, 이는 범위가 5 ㎑ 내지 100 ㎒ 에 이를 수 있다. 전압 출력 레벨은 범위가 250 VMS 내지 7000 Vrms에 이를 것이다. 피크 전압 레벨은 상당히 더 높을 수 있다. 도 12에서 보여지는 바와 같이, 드라이버 유닛(50)에는 2개의 기본 구성 요소 블록, 즉 입력 파워(52)를 조절, 필터링 및 변조하기 위한 입력 파워 컨트롤러(56), 및 점화기(100)에서 아킹에 필요한 고전압을 생성하기 위해 변압기로 정확한 주파수 및 레벨에서 전압 파형을 생성하기 위한 전압 오실레이터(64)가 있다. 드라이버 유닛(50)은 또한 가장 단순한 형태의 온/오프 신호로서 구성된 트리거링 입력부(52)와, 드라이버 유닛(50)으로부터의 전자기 노이즈를 줄이기 위한 안전 퓨즈 및 EMI 차폐부와의 연결부를 갖는다.

도 13은 드라이버 유닛(50)의 제2 실시예를 보여주고 있다. 이 시스템에서, 간단한 제로(zero)-전압 스위칭 유닛(58)은 전압 승압 변압기 또는 플라이백(flyback) 변압기(60)와 함께 사용된다. 이 회로는 일반적이며 상이한 DC 전압 레벨들이 필요한 적용에 사용된다. 변압기(60)는 일차 측 전압에서 플라즈마를 생성하기 위하여 필요한 더 높은 전압으로 전압을 승압한다. 이 승압 비율은 엔진 작동 매개변수에 가장 적합하도록 맞춤화될 수 있으며 또한 변압기의 일차 대 이차 권선 비율, 플럭스 커플링 및 유도 효과에 의해 제어된다. 회로는 특정 주파수로 조정될 수 있으며, 더 높은 주파수는 일반적으로 플라즈마 점화기 시스템을 위하여 바람직하다. 드라이버 유닛(50)의 저비용 구성 요소의 단순성 및 이용 가능성은 이를 플라즈마 점화기 파워 입력을 위한 바람직한 수단으로 만든다. 입력 파워 컨트롤러(56)는 복잡한 전압 및 전류 조절 시스템, 또는 입력 및 출력을 위한 단일 상태를 갖는 단순한 수동 회로일 수 있다.

전극(24)의 코너(24d)로부터 접지된 점화기 몸체(10)의 내부 벽(28)까지 전기 아크를 생성하기에 충분한 일시적인 전압 상승 속도가 있도록 드라이버 유닛(50)은 전압과 전류를 플라즈마 점화기(100, 100a, 100b)에 공급한다. 이 시스템에서 사용되는 두 가지 유형의 드라이버 유닛(50)은 마이크로초 전압파 시간 주기를 갖는 저-비용 AC 드라이버 유닛(50), 및 고-비용의 에너지 효율적인 나노-초 펄스 드라이버 유닛(50)을 포함한다. 도 12 및 도 13에서 보여지는 각각의 드라이버 유닛(50)은 저-비용 (마이크로초 전압파) 또는 에너지-효율적(나노초 펄스)으로 구성될 수 있지만, 고-비용, 에너지 효율적 드라이버 유닛(50)은 더 빠른 스위칭 능력을 갖는 상대적으로 더 고가의 전자 디바이스를 필요로 하며 또한 물리적으로 더 큰 유닛을 필요로 할 수 있고 또는 필요로 하지 않을 수 있다. 따라서, 어느 점화기(100a, 100b)도 전자 드라이버 유닛(50)에 의해 구동될 수 있다. 단일 엔진은 다수의 점화기(100)와 드라이버 유닛(50)을 가질 수 있으며, 엔진 당 최소한 하나의 점화기(100)와 하나의 드라이버 유닛(50)을 갖는다. 사용되는 드라이버 유닛(50)의 유형은 시스템의 원하는 비용 및 용도에 의존적이다. AC 드라이버 유닛(50)은 저비용이며, 또한 전형적으로 1분 미만의 짧은 기간 동안만 작동이 요구되는 엔진 점화에 더 적합하다. 나노초 펄스 드라이버 유닛(50)은 보다 파워 효율적이다. 어느 드라이버 유닛(50)도 점화, 재시동 및 연소 지속, 효율 향상, 및 혼합과 반응 시간이 짧은 조건 또는 연소기 연소 구역의 연료-공기 혼합물이 기존의 희박 및 과잉 가연성 한계 밖에 있는 조건을 위하여 사용될 수 있다. 이 시스템은 기존의 군용 무인 시스템에 사용되는 파이로(pyro-) 기술 또는 플레어(flare) 디바이스와 달리 다수의 엔진 시동을 할 수 있으며 또한 5분보다 긴 시간 동안 그리고 시스템 비용이 개선된 엔진 운용영역선도(engine operational envelope) 및 연료 효율성과 잘 교환되는 경우에 바람직하다.

간단히 말하면, 저-비용 및 고-비용 (에너지 효율적) 설계는 모두 DC 파워가 공급된다. 아크 형성을 구동하는 회로는 이 드라이버 유닛들 간의 차이이다. 저비용 설계에서, 아크는 간단한 승압(step-up) 변압기를 갖는 AC 전압 스위칭 회로에 의해 생성된다. 고-비용 설계에서, 상이한 전압 증폭기들 (솔리드 스테이트 디바이스들)을 갖는 고주파수 스위칭 구성 요소로 전압 승압이 이루어진다. 고-비용의 설계는, 예를 들어 더 활성적인 이온 생성으로 더 빠르고 더 쉬운 아칭과 같은 더 높은 효율과 더 우수한 성능의 아크 특성을 위해 사용된다.

10 Vdc와 120 Vdc 사이의 전압 레벨을 갖는 직류 전류 파워 소스를 갖는 드라이버 유닛(50)의 경우, 드라이버 유닛(50)은 약 10 ㎑ 내지 10,000㎑에서 가변 또는 일정한 주파수 전압 파형을 생성하는 회로에 전류를 제공한다. 입력 파워 컨트롤러(56)는 입력 및 출력을 위한 단일 상태를 갖는 수동 회로로서 또는 전압 및 전류 조절 시스템으로서 구성될 수 있다. 도 12의 드라이버 유닛(50)의 경우, 전압 변압기(64)를 통한 입력 전압의 100 내지 1,000배의 전압 레벨 증가는 유도성 전기 코일에 의해, 또는 대안적으로 에너지 저장 커패시터 세트에 의해 생성되어 발진 전압 증가를 달성한다.

플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템은 광범위한 가스 터빈에 적용 가능하다. 전체 범위는 지상 파워 시스템과 항공기 엔진을 모두 포함한다. 본 명세서에서 설명된 시스템은 일반적인 스파크 점화 시스템보다 더 낮은 비용일 것으로 예상된다. 2021년에, 저비용 시스템은 대략 USD 500 미만이며, 고비용 시스템은 USD 2500 이상이다. 이에 비해, 2021년의 기존의 스파크 점화 시스템은 비용이 $4,000 내지 7,000 USD이다. 본 명세서에 설명된 플라즈마 보조 시스템의 플라즈마 점화기(100, 100a, 100b)와 드라이버 유닛(50)은 고가의 또는 복잡한 트리거링 전자 장치를 필요로 하지 않는 연속적인 또는 펄스형 아크를 생성하며, 플라즈마 아크를 유지하기 위해 요구되는 전압은 스파크 점화 시스템을 위한 것보다 적은 몇 가지 요인이며, 이는 복잡한 절연 리드 및 커넥터의 필요성을 감소시킨다.

플라즈마 보조 점화는 작은 또는 소형 가스 터빈에 가장 잘 적용되며, 이 터빈은 짧은 연소기 체류 시간으로 작동할 수 있어야 한다. 낮은 연소기 유입구 압력 (약 125 psia 미만의 압력 레벨)과 400F 미만의 온도를 갖는 그리고 약 15 msec 미만의 전체 체류 시간 (체적/체적 유량)을 갖는 이 엔진은 낮은 압력비를 특징으로 한다. 7:1 이상의 전체 압력비를 갖는 더 크고 더 높은 압력비 엔진은 본 명세서에 기술된 플라즈마 점화기(100) 및 드라이버 유닛(50)으로부터 이점을 얻을 것이지만, 전형적으로 더 높은 전압, 단일 스파크 시스템을 갖는다. 본 명세서에서 설명된 기술된 플라즈마 점화기(100) 및 드라이버 유닛(50)을 기반으로 하는 플라즈마 보조 시스템은 주로 작동 동안 연속적으로 구동함으로써 대형 지상 파워 시스템에 이점을 줄 수 있으며, 그에 의하여 희박 안정성을 개선하고 보다 낮은 질소 산화물(NOx) 및 일산화탄소(CO) 배출과 일치하는 조건에서 안정적인 작동을 허용한다.

플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템이 유용한 일반적인 엔진은 다음의 사항을 포함한다:

1. 범위가 15 lbf 내지 600 lbf에 이르는 추력을 갖는 소형 터보제트. 이는 일반적으로 (소형 미사일, 정찰기/드론, 공중 전파 방해 디바이스 및 상업용 드론과 같은) 비행 시스템에 사용된다. 이 엔진은 Jet-A, 디젤 및 JP-10을 포함한 다양한 중 중류물 연료를 사용한다. 플라즈마 보조 시스템과 사용하기에 적합한 현재 엔진 모델은 ATI070 및, 200lbf 추력 터보제트인 B300STG 터보제트와 ATI200의 모든 파생 제품을 포함한다. 이 엔진들의 경우, 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템은 낮은 엔진 속도 및/또는 고지에서의 파워 레벨로 점화 및 엔진 시동/운용영역선도 확장을 위하여 사용될 것이다. 플라스마 점화 및 연소 보조 시스템은 비행 중 다중 시동 및/또는 재시동을 허용한다; 그리고

2. 5 내지 100㎾ 전력 출력 범위의 소형 고속 터보 제너레이터. 이 제너레이터는 높은 파워/중량이 필요한 소형 무인 상용 및 군용 항공기를 위하여 사용되는 가장 일반적인 항공 파워 시스템이다. 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템의 다른 적합한 적용은 소형 지상 파워 유닛을 포함하는, 작고 경량의 패키지에서의 높은 파워가 요구되는 적용을 포함한다. 플라즈마 보조 시스템과 함께 사용하기에 적합한 현재 엔진 모델은 둘 모두 10 kWe 터보-제너레이터인 B140TG와 SP10e의 파생 제품인 ATI010e, B300STG 35 kWe 터보-제너레이터의 파생 제품인 ATI35e, 및 75 kWe 터보-제너레이터인 SP75e를 포함한다. 이 엔진들의 경우 플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템이 점화 및 시동을 위하여 사용된다. 이 적용에서의 시스템은 비행 동안의 다중 시동 및/또는 재시동을 허용한다.

플라즈마 점화 및 연소 보조 시스템과 함께 사용하기에 적합한 엔진은 3:1 내지 7:1의 비교적 낮은 전체 압력비를 가지며, 또한 낮은 공기 밀도 및 전기 아크 시작에 요구되는 감소된 전압으로 인하여 공기 중에서의 플라즈마 아킹이 비교적 쉽다.

위에서 설명된 배열체는 본 발명의 원리의 적용의 예시일 뿐이라는 점이 이해되어야 한다. 다수의 수정 및 대안적인 배열체가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 기술 분야의 숙련된 자에 의하여 고안될 수 있다

100: 플라즈마 점화기
100a: 절두원추형 몸체 점화기
100b: 연장된 몸체 점화기
10: 점화기 몸체
10a: 배출구 종단
10b: 리드 종단
10c: 외부 벽
12: 유지 캡
l0e: 마운트
16: 절연체
18: 리드 와이어 유지 재료
20: 전기 리드
20a: 전기 리드의 파워 종단
20b: 전기 리드의 전극 종단
22: 크림프 또는 브레이즈 조인트 또는 솔더
24: 전극
24a: 전극의 원위 종단
24b: 전극의 근위 종단
24c: 전극의 터미널 종단 및 정점
24d: 코너
26: 아크 갭
28: 점화기 몸체의 챔버의 내부 벽
30: 공기 갭
32: 공기 공급 구멍
34: 연료 공급 구멍
36: 연료 공급 라인
40: 연소기
42: 연소기의 일차 연소 영역
44: 연소기 재순환 구역
50: 전자 드라이브 유닛 또는 전자 드라이버 유닛 또는 드라이버 유닛 또는 드라이브 유닛 또는 유닛
52: 온/오프 트리거
54: 입력 파워 (AC 또는 DC)
56: 입력 파워 컨트롤러
58: 제로- 전압 스위칭 블록
60: 플라이백 변압기
62: 고전압 출력
64: 전압 오실레이터 및 변압기 블록
70: 화염

Claims (29)

1. 전자 드라이버 유닛과 가스 터빈 엔진의, 일차 연소 영역을 갖는 연소기와의 사용을 위한 것으로, 상기 연소기의 내부에 위치된 플라즈마 점화기에 있어서,
   리드 종단 및 대향 배출구 종단을 가지며, 내부 벽은 상기 리드 종단과 상기 배출구 종단 사이에 챔버를 규정하는 점화기 몸체;
   -상기 점화기 몸체의 배출구 종단은 상기 연소기의 상기 일차 연소 영역 근처에 위치된 상기 챔버의 개방 종단이며;
   상기 점화기 몸체는 상기 연소기에 전기적으로 또는 절연 와이어에 의해 상기 점화기 구동 전자 장치에 직접 접지됨-;
   근위 종단 및 상기 챔버 내부에 중심적으로 수용되고 상기 점화기 몸체의 내부 벽으로부터 전기적으로 격리된 원추형 및 원통형 원위 종단 중 적어도 하나를 갖는 전극;
   -상기 원위 종단은 상기 점화기 몸체의 상기 배출구 종단을 향하여 위치된 터미널 종단으로 더 구성되고;
   상기 원위 종단은 범위가 0 내지 0.15 인치에 이르는 코너 반경을 갖는 적어도 하나의 코너를 갖고 더 형성됨-;
   상기 점화기 몸체의 상기 코너에서 상기 내부 벽까지 측정된 사전 결정된 거리의 아크 갭;
   -상기 아크 갭은 상기 전극의 상기 코너로부터 상기 점화기 몸체의 상기 내부 벽까지의 가장 작은 거리와 상기 코너로부터 상기 점화기 몸체의 상기 배출구 종단까지의 가장 작은 거리를 포함하는 거리들의 그룹으로부터 선택된 거리임-;
   상기 전극과 상기 내부 벽 사이의 대략적인 환형 공기 갭;
   전극 종단 및 파워 종단을 가지며, 상기 전극 종단은 상기 근위 종단에서 상기 전극 내부에 부착되고 상기 파워 종단은 상기 드라이버 유닛에 연결된 전기 리드 -그에 의하여 전류는 상기 드라이버 유닛에 의해 상기 전기 리드 및 전극에 공급됨-; 및
   상기 점화기 몸체를 관통하여 그리고 상기 공기 갭 내로 형성된 공기 공급 관통 구멍 -그에 의하여 공기는 상기 공기 공급 관통 구멍으로 유입되고, 상기 아크 갭으로 유입되며 그리고 상기 점화기 몸체의 상기 배출구 종단에서 유출됨-을 포함하는 플라즈마 점화기.
2. 제1항에 있어서, 연료 공급 포트 및 상기 점화기 몸체와 일체형인 연료 분무 인젝터를 갖는 연료 공급 포트 중 적어도 하나를 더 포함하는 플라즈마 점화기.
3. 제1항에 있어서, 상기 원위 종단 상의 적어도 하나의 돌출부를 더 포함하며;
   상기 코너는 상기 돌기의 최외측 표면이고; 그리고
   상기 전극의 상기 원위 종단의 가장 넓은 원주 측정값은 상기 돌출부를 포함하는 플라즈마 점화기.
4. 제2항에 있어서, 상기 공기 공급 관통 구멍은 상기 절연체와 상기 점화기 몸체의 배출구 종단 사이에 위치되며, 그에 의하여 상기 공기 공급 관통 구멍을 통해 상기 공기 갭으로 들어가는 공기 흐름은 상기 점화기 몸체 내에서 생성된 아크를 상기 연소기의 상기 일차 연소 영역으로 강제로 유입시키는 플라즈마 점화기.
5. 제1항에 있어서, 상기 전극은 상기 전극과 상기 내부 벽 사이에 위치된 포팅 화합물과 솔더를 포함하는 유지 재료의 그룹으로부터 선택되는 다량의 유지 재료 및 절연체에 의해 내부 벽으로부터 전기적으로 격리된 플라즈마 점화기.
6. 제1항에 있어서, 상기 연소기는 상기 엔진에 접지되며, 상기 엔진은 상기 전자 드라이버 유닛에 접지된 플라즈마 점화기.
7. 제1항에 있어서, 아크 갭은 약 0125 인치 내지 약 0.75 인치인 플라즈마 점화기.
8. 제1항에 있어서, 상기 아크 갭은 약 0.04 내지 0.5 인치에서 측정되며, 상기 전극의 직경은 약 0.125 내지 2.0 인치인 플라즈마 점화기.
9. 제1항에 있어서, 상기 점화기 몸체는 적어도 실질적으로 원통형 금속 몸체인 플라즈마 점화기.
10. 제2항에 있어서, 상기 점화기 몸체와 상기 전극은 전류에 의해 가열되며, 그에 의하여 가열은 상기 공기 갭으로 주입된 연료의 기화 및 분해(break-up)를 향상시키는 플라즈마 점화기.
11. 제2항에 있어서, 상기 연료 공급 포트는 범위가 약 5 내지 300 피트/초에 이르는, 아크 갭에 들어가는 다량의 연료의 연료 속도 및 범위가 2.5 psia 내지 100 psia에 이르는 유입구 압력 중 적어도 하나를 제어하도록 크기를 갖고 성형된 플라즈마 점화기.
12. 제10항에 있어서, 상기 환형 아크 갭에 들어가는 연료의 양은 80 미크론보다 큰 평균 직경을 갖는 연료 액적으로서 들어가는 플라즈마 점화기.
13. 제1항에 있어서, 상기 공기 공급 관통 구멍은 범위가 약 50 내지 300 피트/초에 이르는 공기 주입 속도를 지원하도록 크기를 갖고 성형된 플라즈마 점화기.
14. 제1항에 있어서, 상기 점화기 몸체는 연장된 길이의 점화기 몸체와 절두원추형 점화기 몸체를 포함하는 점화기 몸체들의 그룹으로부터 선택되는 플라즈마 점화기.
15. 이격된 관계로 중심적으로 위치된 전극을 수용하는 내부 벽을 갖는 점화기 몸체를 갖는 점화기와의 사용을 위한 드라이버 유닛-상기 드라이버 유닛은 상기 전극과 전기적 통신 상태에 있음-에 있어서,
    입력 파워 컨트롤러;
    상기 입력 파워 컨트롤러와 통신하는 전압 오실레이터;
    상기 전압 오실레이터 및 상기 입력 파워 컨트롤러와 통신하는 변압기;
    상기 입력 파워 컨트롤러와 통신하는 온-오프 스위치; 및
    교류 전류 입력과 직류 전류 입력 중 적어도 하나를 상기 드라이버 유닛에 제공하는 파워 소스를 포함하며;
    상기 드라이버 유닛은 전압 및 전류의 출력을 상기 전극에 제공하고;
    상기 드라이버 유닛은 상기 엔진에 또는 상기 연소기에 접지되며;
    상기 입력 파워는 상기 입력 파워 컨트롤러에 의하여 조절, 필터링 및 변조되고;
    상기 전압 오실레이터는 원하는 주파수 및 레벨에서 전기 출력 파형을 생성하며; 그리고
    상기 변압기는 상기 전압 오실레이터에 의하여 생성된 전기 출력 파형을 변환하고 전기 아크를 생성하기에 충분한 전압 레벨 및 전압 변화율을 생성하는 드라이버 유닛.
16. 제15항에 있어서, 상기 점화기는 플라즈마 점화기를 포함하며, 상기 플라즈마 점화기는:
    리드 종단, 및 꼭지점에 정점을 갖는 대향 원추형 원위 종단, 및 상기 원추형 원위 종단의 베이스에 형성되며 범위가 0 내지 0.15 인치에 이르는 코너 반경을 갖는 코너를 갖는 전극;
    배출구 종단과 리드 종단을 갖는 챔버를 규정하는 내부 벽을 갖는 점화기 몸체 -상기 코너가 상기 배출구 종단에 위치되고 공기 갭이 상기 전극과 상기 내부 벽 사이에 형성되도록 상기 챔버는 상기 내부 벽과 이격된 관계로 상기 전극을 중심적으로 수용함-;
    상기 코너로부터 상기 내부 벽까지의 가장 작은 거리 그리고 상기 코너로부터 상기 배출구 종단에서의 상기 내부 벽까지의 가장 작은 거리 중 적어도 하나를 갖는 아크 갭;
    상기 전극의 상기 리드 종단에 부착된 전기 리드 -상기 전자 드라이버 유닛은 파워를 상기 전기 리드에 그리고 상기 전극에 공급함-; 및
    상기 점화기 몸체에 그리고 상기 공기 갭에 형성된 공기 공급 관통 구멍 -그에 의하여 상기 공기 공급 관통 구멍을 통해 에어 갭으로 들어가는 공기 흐름은 상기 아크 갭으로 유입되고 상기 점화기 몸체의 배출구 종단에서 유출됨-을 포함하는 전자 드라이버 유닛.
17. 제15항에 있어서,
    상기 전극에 공급되는 전압과 전류는 일시적이며,
    전압파 시간 주기는 반복적 주기로 나노초 펄스와 마이크로초 펄스 중 적어도 하나에서 측정되는 전자 드라이버 유닛.
18. 제15항에 있어서, 상기 전극에서의 상기 발진 전압 출력 레벨은 250 Vrmss 내지 7,000 Vrms 범위에 이르는 전자 드라이버 유닛.
19. 제15항에 있어서, 상기 드라이버 유닛에 대한 10 Vdc 내지 120 Vdc의 전압 레벨을 가진 직류 전류 파워 소스는 약 10 ㎑ 내지 10,000 ㎑의 가변 또는 일정한 주파수 전압 파형을 생성하는 회로에 전류를 제공하는 전자 드라이버 유닛.
20. 제15항에 있어서, 상기 입력 파워 컨트롤러는 입력 및 출력에 대한 단일 상태를 가진 수동 회로와 전압 및 전류 조절 시스템 중 적어도 하나인 전자 드라이버 유닛.
21. 제15항에 있어서, 전압 변압기를 통한 상기 입력 전압의 100 내지 1,000배의 전압 레벨 증가는 유도 전기 코일 또는 에너지 저장 커패시터 세트에 의해 생성되어 상기 발진 전압 증가를 달성하는 전자 드라이버 유닛.
22. 전자 드라이버 유닛과 함께 플라즈마 점화기를 사용하는 방법에 있어서,
    엔진 크기, 공간 이용 가능성 또는 운동학적 적용을 기반으로 플라즈마 점화기의 원하는 크기 및 중량 중 적어도 하나를 결정하는 단계;
    원하는 점화기 전극 작동 수명을 결정하는 단계;
    상기 플라즈마 점화기 시스템의 원하는 파워 효율을 결정하는 단계;
    엔진의 파워 소스 호환성과 함께 상기 플라즈마 점화기 시스템의 파워 소스 호환성을 유지하는 단계;
    엔진 압력비를 결정하는 단계; 및
    상기 플라즈마 점화기와 드라이버 유닛이 엔진의 초기 점화 및 시동 시에만 또는 상기 엔진의 초기 점화 및 시동 후 여러 번 작동적일 것인지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 엔진 압력비를 결정하는 단계는;
    3:1 내지 7:1의 낮은 압력비, 15 msec 미만의 작은 체적 유량을 가지며 화씨 400도 미만의 온도에서의 작동하는 엔진을 식별하는 단계; 및
    엔진 압력비를 결정하는 단계 후, 각각의 압력비와 체적 유량 중 적어도 하나에 적합한 전압 출력을 갖는 전자 드라이버 유닛을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
24. 제23항에 있어서, 전자 드라이버 유닛을 선택하는 단계는,
    증가된 전압 요구 사항에 따라 상기 아크 갭을 크기 조정(sizing)하는 단계를 더 포함하는 방법.
25. 제23항에 있어서, 범위가 15 내지 600 lbf에 이르는 추력을 갖는 터보제트와의 사용을 위한 방법.
26. 제23항에 있어서, 5 내지 100㎾ 전력 출력을 갖는 터보-제너레이터와의 사용을 위한 방법.
27. 제22항에 있어서,
    상기 플라즈마 점화 시스템이 엔진의 초기 점화 및 시동 시에만 또는 초기 점화 및 시동 후 여러 번 작동적일 것인지 여부를 결정하는 단계 후에;
    혼합 및 반응 시간이 짧은 조건 또는 연소기 연소 구역의 연료-공기 혼합물이 기존의 희박 및 과잉 가연성 한계 밖에 있는 조건에서 연소를 지속하거나 연소 효율을 증가시키기 위해 플라즈마 점화기를 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
28. 제22항에 있어서,
    입력 파워 컨트롤러;
    상기 입력 파워 컨트롤러와 통신하는 전압 오실레이터;
    상기 전압 오실레이터 및 상기 입력 파워 컨트롤러와 통신하는 변압기;
    상기 입력 파워 컨트롤러와 통신하는 온-오프 스위치; 및
    교류 전류 입력과 직류 전류 입력 중 적어도 하나를 상기 드라이버 유닛에 제공하는 파워 소스를 포함하며;
    상기 드라이버 유닛은 전압 및 전류의 출력을 상기 전극에 제공하고;
    상기 드라이버 유닛은 상기 엔진에 또는 상기 연소기에 접지되며;
    상기 입력 파워는 상기 입력 파워 컨트롤러에 의하여 조절, 필터링 및 변조되고;
    상기 전압 오실레이터는 원하는 주파수 및 레벨에서 전기 출력 파형을 생성하며; 그리고
    상기 변압기는 상기 오실레이터에 의하여 생성된 전기 출력 파형을 변환하고 전기 아크를 생성하기에 충분한 전압 레벨 및 전압 변화율을 생성하는 드라이버 유닛과의 사용을 위한 방법.
29. 제22항에 있어서,
    리드 종단 및 대향 배출구 종단을 가지며, 내부 벽은 상기 리드 종단과 상기 배출구 종단 사이에 챔버를 규정하는 점화기 몸체;
    -상기 점화기 몸체의 배출구 종단은 상기 연소기의 상기 일차 연소 영역 근처에 위치된 상기 챔버의 개방 종단이며;
    상기 점화기 몸체는 상기 연소기에 전기적으로 접지됨-;
    근위 종단 및 상기 챔버 내부에 중심적으로 수용되고 상기 점화기 몸체의 내부 벽으로부터 전기적으로 격리된 원추형 및 원통형 원위 종단 중 적어도 하나를 갖는 전극;
    -상기 원위 종단은 상기 점화기 몸체의 상기 배출구 종단을 향하여 위치된 터미널 종단으로 더 구성되고;
    상기 원위 종단은 범위가 0 내지 0.15 인치에 이르는 코너 반경을 갖는 적어도 하나의 코너를 갖고 더 형성됨-;
    상기 점화기 몸체의 상기 코너에서 상기 내부 벽까지 측정된 사전 결정된 거리의 아크 갭;
    -상기 아크 갭은 상기 전극의 상기 코너로부터 상기 점화기 몸체의 상기 내부 벽까지의 가장 작은 거리와 상기 코너로부터 상기 점화기 몸체의 상기 배출구 종단까지의 가장 작은 거리를 포함하는 거리들의 그룹으로부터 선택된 거리임-;
    상기 전극과 상기 내부 벽 사이의 대략적인 환형 공기 갭;
    전극 종단 및 파워 종단을 가지며, 상기 전극 종단은 상기 근위 종단에서 상기 전극 내부에 부착되고 상기 파워 종단은 상기 드라이버 유닛에 연결된 전기 리드 -그에 의하여 전류는 상기 드라이버 유닛에 의해 상기 전기 리드 및 전극에 공급됨-; 및
    상기 점화기 몸체를 관통하여 그리고 상기 공기 갭 내로 형성된 공기 공급 관통 구멍 -그에 의하여 공기는 상기 공기 공급 관통 구멍으로 유입되고, 상기 아크 갭으로 유입되며 그리고 상기 점화기 몸체의 상기 배출구 종단에서 유출됨-을 포함하는 플라즈마 점화기와의 사용을 위한 방법.