RU2374560C1

RU2374560C1 - Igniting device

Info

Publication number: RU2374560C1
Application number: RU2008109954/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Никифорович Грязнов (RU); Александр Никифорович Грязнов; Станислав Петрович Малышенко (RU); Станислав Петрович Малышенко
Original assignee: Объединенный Институт Высоких Температур Российской Академии Наук; Александр Никифорович Грязнов; Станислав Петрович Малышенко
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2009-11-27
Also published as: RU2008109954A

Abstract

FIELD: explosives.

SUBSTANCE: igniting device comprises body with mixing head, in which electric plug is installed with central electrode, and chamber with cooling track arranged in the form of longitudinal channels inclined at the outlet from igniting device to its longitudinal axis at the angle from 37° to 52°, and also nozzles for supply of fuel and oxidant, in mixing head there is a circular header of oxidant with radial protrusions on its external surface and two types of jet nozzles of oxidant directed at the angle to central electrode of electric plug and parallel to longitudinal axis of igniting device. Central electrode of electric plug comprises detachable tip, which creates a minimum gap with internal surfaces of radial protrusions of oxidant circular header, and this gap provides for passage of electric discharge for ignition of fuel and oxidant supplied to its zone.

EFFECT: invention has optimal design, provides for generation of stable igniting torch for ignition of non-self-ignitable fuels.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области силовых установок, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, преимущественно кислородо-водородного, а именно к запальным устройствам, т.е. устройствам запуска парогенераторов, газотурбинных установок, жидкостных ракетных двигателей, мартеновских печей и т.п. силовых установок, работающих на энергии сжигаемых высококалорийных несамовоспламеняющихся топлив.The invention relates to the field of power plants operating on non-combustible fuel components, mainly oxygen-hydrogen, namely, ignition devices, i.e. devices for starting steam generators, gas turbine units, liquid rocket engines, open-hearth furnaces, etc. power plants operating on the energy of combusted high-calorie non-combustible fuels.

Из уровня техники известны различные конструкции запальных устройств для силовых установок, см., например, опубликованные заявки РСТ - WO 8911721, WO 9944252, опубликованные японские заявки JP 56146930, JP 2004-156895.The prior art various designs of ignition devices for power plants, see, for example, published PCT applications - WO 8911721, WO 9944252, published Japanese applications JP 56146930, JP 2004-156895.

Известны электрозапальные устройства для создания факела, обеспечивающего воспламенение основных расходов топлива, содержащие охлаждаемую камеру с кольцевыми коллекторами магистралей подачи горючего и окислителя, аксиально которым установлен центральный электрод свечи зажигания (см. С.Д.Розенберг «Система зажигания» Acta Astronautica, серия 10, №1, рис.2, январь 1983 г.). Корпус камеры имеет тракт внешнего охлаждения с продольными ребрами, образующими каналы, по которым подается основной расход горючего.Known electrosapital devices for creating a torch that provides ignition of the main fuel consumption, containing a cooled chamber with ring collectors of the fuel and oxidizer supply lines, axially mounted to the central electrode of the spark plug (see SD Rosenberg "Ignition System" Acta Astronautica, series 10, No. 1, Fig. 2, January 1983). The camera body has an external cooling path with longitudinal ribs forming channels through which the main fuel flow is supplied.

Известные устройства предназначены для многократного использования в газогенераторах и камерах сгорания при запуске, например, кислородо-водородных жидкостных ракетных двигателей. Недостатком подобных запальных устройств является большая дальнобойность факела, поскольку на выходе из них компоненты топлива направлены вдоль основной оси устройства. Этот дальнобойный факел приводит к повышенным тепловым нагрузкам элементов конструкции, расположенных ниже по потоку, и они являются, безусловно, нежелательными.Known devices are intended for repeated use in gas generators and combustion chambers when starting, for example, oxygen-hydrogen liquid rocket engines. The disadvantage of such ignition devices is the large range of the torch, since at the exit from them the fuel components are directed along the main axis of the device. This long-range torch leads to increased thermal loads of structural elements located downstream, and they are, of course, undesirable.

Наиболее близким аналогом является запальное устройство по патенту РФ №2084767 (F23Q 3/00), содержащее смесительную головку и камеру, где формируется запальный факел для расходов компонентов в основной камере сгорания. В смесительной головке смонтирована элетросвеча зажигания, центральный электрод которой размещен в магистрали горючего и внутри цилиндрического коллектора окислителя, причем часть окислителя через струйные форсунки подается к центральному электроду. Корпус камеры имеет тракт охлаждения, образованный с помощью ребер продольными каналами подачи горючего к выходному соплу камеры, которые наклонены на выходе из сопла к оси устройства. Существенным является размещение струйных форсунок окислителя в радиальных выступах кольцевого коллектора и наклон каналов охлаждения на угол 37-52° для обеспечения безотказности зажигания газовой смеси и надежного формирования запального факела с равномерным распределением температур в поперечном сечении. На радиальных выступах коллектора по минимальному искровому зазору локализируется разряд свечи зажигания в местах, куда направлены струйные форсунки окислителя, обеспечивая благоприятные условия для воспламенения смеси газов. Диапазон угла наклона продольных каналов горючего к оси устройства на выходе камеры оптимизирован по максимально возможному равномерному заполнению объема основной камеры сгорания запальным факелом для всего практически известного разнообразия конструктивных и технологических особенностей выполнения и функционирования запальных устройств. Экспериментально установлено, что при наклоне каналов на угол более 52° градиент температуры возрастает к периферии камеры сгорания и у стенок характерная длина высокотемпературных потоков продуктов сгорания превышает длину запального факела прототипа, а при угле наклона каналов менее 37° формируется остронаправленный протяженный центральный факел горячих газов внутри потока горючего, приводящий к нежелательному перегреву элементов конструкции.The closest analogue is the ignition device according to the patent of the Russian Federation No. 2084767 (F23Q 3/00), containing a mixing head and a chamber where an ignition torch is formed for the consumption of components in the main combustion chamber. An electric spark plug is mounted in the mixing head, the central electrode of which is located in the fuel line and inside the cylindrical collector of the oxidizer, and a part of the oxidizer is fed through the jet nozzles to the central electrode. The housing of the chamber has a cooling path formed by ribs along the longitudinal channels of fuel supply to the outlet nozzle of the chamber, which are inclined at the outlet of the nozzle to the axis of the device. It is essential to place the oxidizer jet nozzles in the radial protrusions of the annular collector and the inclination of the cooling channels by an angle of 37-52 ° to ensure the reliability of ignition of the gas mixture and the reliable formation of the ignition flame with a uniform temperature distribution in the cross section. On the radial protrusions of the collector, the spark plug discharge is localized to the minimum spark gap in places where the oxidizer nozzles are directed, providing favorable conditions for igniting the gas mixture. The angle of inclination of the longitudinal channels of the fuel to the axis of the device at the outlet of the chamber is optimized for the maximum possible uniform filling of the volume of the main combustion chamber with an ignition torch for the entire practically known variety of design and technological features of the implementation and functioning of ignition devices. It has been experimentally established that when the channels are tilted to an angle of more than 52 °, the temperature gradient increases to the periphery of the combustion chamber and at the walls the characteristic length of the high-temperature flows of combustion products exceeds the length of the prototype ignition flame, and when the channel tilt angle is less than 37 °, a sharply directed extended central hot gas torch is formed inside fuel flow, leading to undesirable overheating of structural elements.

Данное устройство, выбранное за прототип, имеет конструктивные недостатки, которые отрицательно влияют на продолжительность безотказной работы и эффективность устройства.This device, selected for the prototype, has design flaws that adversely affect the uptime and device efficiency.

Задачей предложенного изобретения является исключение указанных недостатков, т.е. повышение функциональной надежности и безотказности запуска запального устройства посредством оптимизации конструкции, а также увеличение срока службы, обеспечение оптимального распределения поля температур, повышение его эффективности.The objective of the proposed invention is the elimination of these disadvantages, i.e. improving the functional reliability and reliability of starting the ignition device by optimizing the design, as well as increasing the service life, ensuring optimal distribution of the temperature field, increasing its efficiency.

Для решения поставленной задачи предложено запальное устройство, содержащее корпус со смесительной головкой, в которой установлена электросвеча с центральным электродом, и камерой с трактом охлаждения, выполненным в виде продольных каналов, наклоненных на выходе из запального устройства к его продольной оси под углом от 37 до 52°, а также штуцеры для подачи горючего и окислителя, в смесительной головке выполнен кольцевой коллектор окислителя с радиальными выступами на его внутренней поверхности и двумя видами струйных форсунок окислителя, направленных под углом к центральному электроду электросвечи и параллельных продольной оси запального устройства, центральный электрод электросвечи содержит съемный наконечник, образующий с внутренними поверхностями радиальных выступов кольцевого коллектора окислителя минимальный зазор, обеспечивающий прохождение электрического разряда для воспламенения подводимых в его зону горючего и окислителя.To solve this problem, an ignition device is proposed, comprising a housing with a mixing head, in which an electric candle with a central electrode is installed, and a camera with a cooling path made in the form of longitudinal channels, inclined at the exit from the ignition device to its longitudinal axis at an angle from 37 to 52 °, as well as fittings for supplying fuel and oxidizer, in the mixing head there is an annular collector of oxidizer with radial protrusions on its inner surface and two types of jet nozzles oxidize I directed at an angle to the central electrode elektrosvechi and parallel to the longitudinal axis of the ignition device comprises a central electrode elektrosvechi detachable tip forming the inner surfaces of the radial projections of the annular oxidant manifold minimal gap providing passage for electric discharge ignition subsumed in its fuel and oxidant zone.

Сущность изобретения поясняется на чертеже.The invention is illustrated in the drawing.

Запальное устройство содержит смесительную головку 1 и камеру 2. В смесительной головке 1 расположена электросвеча зажигания 3, ее центральный электрод 4 размещен в осевом канале 5, сообщающемся посредством штуцера 6 с магистралью подачи горючего (водорода) и через центральное отверстие кольцевого коллектора 7 с камерой 2. Полость 8 коллектора 7 сообщается через штуцер 9 с магистралью подачи окислителя (кислорода) и через форсунки 11 и 16 с камерой 2. На внутренней поверхности коллектора 7 выполнены радиальные выступы 10, в которых расположены вышеупомянутые струйные форсунки окислителя 11, направленные к наконечнику центрального электрода 4 электросвечи 3, и осепараллельные форсунки окислителя 16, обеспечивающие требуемую температуру и состав высокотемпературного окислительного газа на выходе из камеры запального устройства. Электросвеча 3 представляет собой свечу с воздушным зазором, например серийно выпускаемое изделие марки СД-55АНМ-Т, доработанное применительно к условиям запуска запального устройства, а именно - на центральном электроде выполнена резьба и на нее навинчен наконечник 17, выполненный по форме в виде грибка, наружная цилиндрическая поверхность которого образует с внутренними поверхностями радиальных выступов 10 заданный минимальный зазор, обеспечивающий прохождение электрического разряда, который воспламеняет подходящие в эту зону водород (через центральный канал 5) с кислородом (подаваемым через наклонные форсунки 11). Размер зазора выбирается на основании закона Пашена, а также уточняется экспериментально.The ignition device comprises a mixing head 1 and a chamber 2. An electric spark plug 3 is located in the mixing head 1, its central electrode 4 is placed in the axial channel 5, which communicates via a nozzle 6 with the fuel (hydrogen) supply line and through the central hole of the annular collector 7 with the chamber 2 The cavity 8 of the collector 7 communicates through the nozzle 9 with the oxidizer (oxygen) supply line and through the nozzles 11 and 16 with the chamber 2. On the inner surface of the collector 7 there are made radial projections 10, in which are located above the aforementioned oxidant jet nozzles 11 directed to the tip of the central electrode 4 elektrosvechi 3 and oseparallelnye oxidant nozzles 16 providing the required temperature and composition of the oxidizing gas of high temperature at the outlet from the chamber of the ignition device. An electric candle 3 is a candle with an air gap, for example, a commercially available product of the SD-55ANM-T brand, modified in relation to the starting conditions of the ignition device, namely, the thread is made on the central electrode and the tip 17 is screwed on it, made in the form of a fungus, the outer cylindrical surface of which forms, with the inner surfaces of the radial protrusions 10, a predetermined minimum clearance for the passage of an electric discharge that ignites hydrogen suitable in this zone (through the central channel 5) with oxygen (supplied through the inclined nozzles 11). The size of the gap is selected on the basis of the Paschen law, and is also specified experimentally.

Тракт охлаждения камеры 2 имеет продольные ребра 12, образующие каналы 13, соединяющиеся посредством штуцера 14 с магистралью подачи горючего (водорода). Каналы 13 на выходе из корпуса камеры наклонены относительно центральной оси под углом от 37 до 52°, образуя коническое выходное сопло 15.The cooling path of the chamber 2 has longitudinal ribs 12, forming channels 13, connected by means of a fitting 14 to the fuel (hydrogen) supply line. The channels 13 at the outlet of the camera body are inclined relative to the central axis at an angle from 37 to 52 °, forming a conical outlet nozzle 15.

Работает предложенное запальное устройство следующим образом.The proposed ignition device operates as follows.

Меньшая часть горючего (водорода) подается в головку через штуцер 6, а большая - через штуцер 14 в охлаждающий тракт камеры 2. Кислород по магистрали через штуцер 9 подается в полость 8 коллектора 7, а затем распределяется в камеру через форсунки 11 к наконечнику электрода 17 электросвечи 3 и через форсунки 16.A smaller part of the fuel (hydrogen) is supplied to the head through the nozzle 6, and a larger part - through the nozzle 14 to the cooling path of the chamber 2. Oxygen is supplied through the line through the nozzle 9 to the cavity 8 of the collector 7, and then distributed into the chamber through the nozzles 11 to the tip of the electrode 17 electric candles 3 and through nozzles 16.

Электрический разряд между центральным электродом 4 электросвечи 3 и внутренней поверхностью коллектора 7 локализуется по минимальному искровому зазору между наконечником электрода 17 и радиальными выступами 10, где обеспечивается оптимальное для воспламенения массовое соотношение кислорода, подаваемого через струйные форсунки 11, и водорода, подаваемого через осевой канал 5. При прохождении электрического разряда на электросвече водород ионизируется и воспламеняется с кислородом. К образовавшемуся факелу подмешивается кислород, подаваемый через форсунки 16. Полученный таким образом высокотемпературный окислительный газ на выходе из запального устройства смешивается и реагирует с водородом, вытекающим из тракта охлаждения, образуя широкий и короткий запальный факел с практически равномерным распределением температур по сечению камеры сгорания силовой установки.The electric discharge between the central electrode 4 of the electric candle 3 and the inner surface of the collector 7 is localized by the minimum spark gap between the tip of the electrode 17 and the radial protrusions 10, where the mass ratio of oxygen supplied through the jet nozzles 11 and hydrogen supplied through the axial channel 5 is optimal for ignition . During the passage of an electric discharge in an electric candle, hydrogen is ionized and ignites with oxygen. Oxygen supplied through nozzles 16 is mixed with the formed torch. The high-temperature oxidizing gas thus obtained at the outlet of the ignition device is mixed and reacts with hydrogen flowing out of the cooling duct, forming a wide and short ignition torch with an almost uniform temperature distribution over the combustion chamber section of the power plant .

Предлагаемая компактная конструкция гарантированно обеспечивает формирование устойчивого запального факела для поджигания несамовоспламеняющихся топлив, имеет, по сравнению с освоенными в настоящее время аналогичными устройствами, меньшие энергоемкость, габариты и массу. Надежность и воспламеняющая способность данного запального устройства подтверждены многочисленными экспериментами.The proposed compact design ensures the formation of a stable ignition torch for igniting non-combustible fuels; it has, in comparison with the devices mastered at present, lower energy consumption, dimensions and weight. The reliability and flammability of this ignition device is confirmed by numerous experiments.

Claims

Ignition device, comprising a housing with a mixing head, in which an electric candle with a central electrode is installed, and a chamber with a cooling path made in the form of longitudinal channels, inclined at the angle of 37 ° to 52 ° at the exit of the ignition device to its longitudinal axis, as well as fittings for supplying fuel and an oxidizing agent, an annular oxidizing collector with radial protrusions on its inner surface and two types of oxidizing nozzles of the oxidizing agent directed at an angle to the central electric element is made in the mixing head ktrodu elektrosvechi and parallel to the longitudinal axis of the ignition device, characterized in that the central electrode comprises a removable tip elektrosvechi forming the inner surfaces of the radial projections of the annular oxidant manifold minimum gap providing passage for electric discharge ignition subsumed in its fuel and oxidant zone.