RU2773695C1

RU2773695C1 - Method for cooling high-voltage wire of ignition cable of aircraft gas turbine engine

Info

Publication number: RU2773695C1
Application number: RU2021133253A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Мурысев; Людмила Александровна Напольская; Александр Владимирович Краснов
Original assignee: Акционерное общество "Уфимское научно-производственное предприятие "Молния"
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2022-06-07

Abstract

FIELD: electrical ignition systems.

SUBSTANCE: invention relates to the ignition of combustible mixtures, in particular to electrical ignition systems for aircraft gas turbine engines (GTE) and can be used in ignition systems of industrial gas turbine units (GTU). To cool the structural elements of the ignition cable, air is taken from one of the compressor stages of the gas turbine engine and this air is supplied to the internal cavity of the shielding sleeve of the ignition cable. Next, cooling air is blown through the end fitting of the high-voltage wire, the contact of which is connected to the contact head of the central electrode of the spark plug, the leg of the ceramic insulator of the spark plug, the coaxial gap between the screen ceramic insulator and the metal screen of the spark plug, the cooling air is ejected from the coaxial gap between the screen ceramic insulator and spark plug metal shield through at least one hole in the spark plug metal shield.

EFFECT: increasing the strength of the termination of the high-voltage wire of the ignition cable of an aircraft gas turbine engine.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей, в частности к электрическим системам зажигания авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), и может использоваться в системах зажигания промышленных газотурбинных установок (ГТУ).The invention relates to the technique of ignition of combustible mixtures, in particular to electrical ignition systems of aircraft gas turbine engines (GTE), and can be used in ignition systems of industrial gas turbine units (GTU).

Для воспламенения топливовоздушной смеси в авиационных двигателях применяют электрические системы зажигания [1 (стр. 263-277)], [2 (стр. 237-247)], [3], [4 (т. 5 стр. 110)]. В состав системы зажигания, как правило, входит свеча зажигания, агрегат зажигания, кабель зажигания, соединяющий агрегат зажигания со свечой зажигания. На двухконтурных авиационных двигателях (ТРДД) агрегат зажигания преимущественно устанавливается на корпусе вентилятора, а кабель зажигания, соединяющий агрегат зажигания со свечой зажигания, частично располагается на корпусе вентилятора и, проходя через стойки, соединяющие корпус вентилятора с корпусом газогенератора, располагается на корпусе газогенератора со стороны компрессора и частично на корпусе камеры сгорания, где соединяется со свечой зажигания [4 (т. 1 стр. 108-118, т. 3 стр. 137-140)]. При работе двигателя корпуса газогенератора и камеры сгорания нагреваются, соответственно нагревается и кабель зажигания, размещающийся на них. Кроме этого, концевая заделка кабеля зажигания, представляющая собой соединение высоковольтного провода зажигания (размещенного внутри экранирующей оболочки кабеля зажигания), с контактом, через который разрядный ток агрегата зажигания и высокое напряжение передается на контактную головку свечи зажигания [5], также подвергается интенсивному нагреву от работающего двигателя. Термостойкость высоковольтных проводов зажигания с фторопластовой изоляцией имеет известные ограничения [6]. Поэтому по мере совершенствования ГТД, перехода к так называемым двигателям 4 и 5 поколения [4 (т. 2 стр. 109-116)] температура газов за компрессором выросла первоначально до (450-500)°С, далее до (550-650)°С, возникла необходимость охлаждения высоковольтных проводов зажигания, размещенных внутри экранирующей оболочки кабеля зажигания.To ignite the air-fuel mixture in aircraft engines, electric ignition systems are used [1 (p. 263-277)], [2 (p. 237-247)], [3], [4 (v. 5 p. 110)]. The ignition system usually includes a spark plug, an ignition unit, an ignition cable connecting the ignition unit to the spark plug. On dual-circuit aircraft engines (turbojet engines), the ignition unit is mainly installed on the fan housing, and the ignition cable connecting the ignition unit to the spark plug is partially located on the fan housing and, passing through the racks connecting the fan housing to the gas generator housing, is located on the gas generator housing from the side compressor and partially on the body of the combustion chamber, where it is connected to the spark plug [4 (vol. 1 pp. 108-118, vol. 3 pp. 137-140)]. When the engine is running, the bodies of the gas generator and the combustion chambers heat up, and the ignition cable located on them heats up accordingly. In addition, the ignition cable termination, which is a connection of a high-voltage ignition wire (placed inside the shielding sheath of the ignition cable), with a contact through which the discharge current of the ignition unit and high voltage is transmitted to the contact head of the spark plug [5], is also subjected to intense heating from running engine. The thermal resistance of high-voltage ignition wires with PTFE insulation has known limitations [6]. Therefore, with the improvement of gas turbine engines, the transition to the so-called engines of the 4th and 5th generation [4 (v. 2 pp. 109-116)], the temperature of the gases behind the compressor increased initially to (450-500) ° C, then to (550-650) °C, it became necessary to cool the high-voltage ignition wires placed inside the shielding of the ignition cable.

Известен способ охлаждения высоковольтных проводов зажигания, размещенных внутри экранирующей оболочки кабелей зажигания, заключающийся в том, что отбирают часть воздуха из вентиляторного контура двигателя, направляют его на внешнюю поверхность экранирующей оболочки кабеля зажигания в места ее закрепления на корпусе компрессора высокого давления двигателя и корпуса камеры сгорания и соединения со свечой зажигания [7], [8]. Однако рост температур за компрессором высокого давления, вызванный необходимостью повышения эффективности рабочего процесса в двигателях [4 (т. 2 стр. 109-116)], значительный расход воздуха на охлаждение кабеля зажигания при реализации этого способа охлаждения, делает его недостаточно эффективным для обеспечения температур высоковольтных проводов зажигания не более (200-220)°С [15], что необходимо для обеспечения ресурсных характеристик высоковольтных проводов в составе кабелей зажигания. При температурах более 250°С фторопластовая изоляция проводов начинает выделять фтористые соединения и постепенно теряет свои свойства [6 (стр. 14)]. Кроме этого, концевая заделка высоковольтного провода, находясь во внутренней полости свечи зажигания, подвергается воздействию более высоких температур, чем основная часть кабеля зажигания. Практически температуры в этой зоне близки к температуре корпуса двигателя в месте установки в него (пускового воспламенителя при косвенном розжиге и непосредственно в камере сгорания при непосредственном розжиге [4 (т. 2 стр. 109-116)]), то есть для двигателей 4-5 поколений эта температура может достигать значений, превышающих 400°С. Проводящая жила высоковольтных проводов зажигания, выполняемая из медной проволоки, подвергается осевым нагрузкам в месте концевой заделки (как правило, жила провода соединяется с кабельной концевой заделкой пайкой высокотемпературными припоями). Воздействие повышенных температур, знакопеременные осевые нагрузки, вызванные поперечным перемещением оболочки кабеля зажигания, вследствие вибрационного воздействия при работе двигателей, приводят к разрушению места соединения контакта концевой заделки провода с токоведущей жилой провода, нарушению электропрочности кабеля зажигания [акт КС], уменьшают надежность соединения контакта провода концевой заделки и изоляции провода в ее зоне [4 (т. 4 стр. 166-168)], [9], [10].A known method of cooling high-voltage ignition wires placed inside the shielding of the ignition cables, which consists in taking part of the air from the fan circuit of the engine, directing it to the outer surface of the shielding of the ignition cable at the place of its attachment to the housing of the high-pressure compressor of the engine and the housing of the combustion chamber and connections to the spark plug [7], [8]. However, the increase in temperatures behind the high-pressure compressor, caused by the need to improve the efficiency of the working process in engines [4 (vol. 2, pp. 109-116)], the significant air consumption for cooling the ignition cable when implementing this cooling method, makes it insufficiently effective to provide temperatures high-voltage ignition wires are not more than (200-220)°С [15], which is necessary to ensure the resource characteristics of high-voltage wires as part of ignition cables. At temperatures above 250°C, the fluoroplastic wire insulation begins to release fluoride compounds and gradually loses its properties [6 (p. 14)]. In addition, the termination of the high-voltage wire, being in the internal cavity of the spark plug, is exposed to higher temperatures than the main part of the ignition cable. In practice, the temperatures in this zone are close to the temperature of the engine case at the place of installation in it (the starting igniter with indirect ignition and directly in the combustion chamber with direct ignition [4 (vol. 2, pp. 109-116)]), that is, for engines 4- 5 generations, this temperature can reach values exceeding 400°C. The conductive strand of high-voltage ignition wires, made of copper wire, is subjected to axial loads at the termination point (as a rule, the wire strand is connected to the cable termination by high-temperature soldering). The impact of elevated temperatures, alternating axial loads caused by the transverse movement of the ignition cable sheath, due to vibration exposure during engine operation, lead to the destruction of the junction of the wire termination contact with the current-carrying residential wire, the violation of the electrical strength of the ignition cable [COP act], reduce the reliability of the wire contact connection termination and insulation of the wire in its zone [4 (vol. 4 pp. 166-168)], [9], [10].

Известен способ охлаждения высоковольтного провода зажигания авиационного газотурбинного двигателя, принятый за прототип, частично лишенный отмеченных выше недостатков, заключающийся в том, что для охлаждения элементов конструкции кабеля зажигания, в том числе проводов зажигания высоковольтных, отбирают воздух от одной из ступеней компрессора двигателя, подают этот воздух во внутреннюю полость экранирующего рукава кабеля зажигания, размещенного на газогенераторе, продувают охлаждающий воздух через внутренний объем кабеля зажигания до его соединения со свечой зажигания, сбрасывают охлаждающий воздух из внутреннего объема кабеля зажигания на внешнюю поверхность свечи зажигания [2 (стр. 32-34)], [11], [12], [13], [14]. Этот способ охлаждения требует меньшего расхода воздуха на охлаждение элементов конструкции кабеля зажигания, прежде всего, высоковольтных проводов зажигания по трассе его размещения на газогенераторе двигателя.A known method of cooling a high-voltage ignition wire of an aircraft gas turbine engine, taken as a prototype, partially devoid of the above disadvantages, which consists in the fact that for cooling the structural elements of the ignition cable, including high-voltage ignition wires, air is taken from one of the stages of the engine compressor, this air into the inner cavity of the shielding sleeve of the ignition cable located on the gas generator, cooling air is blown through the internal volume of the ignition cable until it is connected to the spark plug, cooling air is discharged from the internal volume of the ignition cable to the outer surface of the spark plug [2 (p. 32-34) ], [11], [12], [13], [14]. This cooling method requires less air consumption for cooling the ignition cable structural elements, primarily, high-voltage ignition wires along the route of its placement on the engine gas generator.

Однако в ряде случаев при повышении температуры за компрессором до предельных указанных выше значений температура в зоне концевой заделки высоковольтного провода зажигания достигает (400-450)°С. Охлаждение корпуса свечи продуваемым через кабель зажигания воздухом в этом случае недостаточно, что приводит к перегреву концевой заделки кабеля зажигания, нарушению целостности жилы высоковольтного провода в месте этой заделки (пайки с контактом) в процессе ресурсной наработки.However, in some cases, when the temperature after the compressor rises to the limit values indicated above, the temperature in the zone of the termination of the high-voltage ignition wire reaches (400-450)°C. Cooling the body of the spark plug with air blown through the ignition cable in this case is not enough, which leads to overheating of the ignition cable termination, violation of the integrity of the high-voltage wire core in the place of this termination (soldering with contact) in the process of resource life.

Цель предлагаемого изобретения - повышение прочности концевой заделки высоковольтного провода кабеля зажигания авиационного газотурбинного двигателя.The purpose of the invention is to increase the strength of the termination of the high-voltage wire of the ignition cable of an aircraft gas turbine engine.

Указанная цель достигается тем, что для охлаждения элементов конструкции кабеля зажигания отбирают воздух от одной из ступеней компрессора газотурбинного двигателя, подают этот воздух во внутреннюю полость экранирующего рукава кабеля зажигания, продувают охлаждающий воздух через концевую заделку высоковольтного провода, контакт которой соединен с контактной головкой центрального электрода свечи зажигания, ножку керамического изолятора свечи зажигания, коаксиальный зазор между экранным керамическим изолятором и металлическим экраном свечи зажигания, выбрасывают охлаждающий воздух из коаксиального зазора между экранным керамическим изолятором и металлическим экраном свечи зажигания через как минимум одно отверстие в металлическом экране свечи зажигания.This goal is achieved in that to cool the structural elements of the ignition cable, air is taken from one of the compressor stages of the gas turbine engine, this air is supplied into the internal cavity of the shielding sleeve of the ignition cable, cooling air is blown through the end seal of the high-voltage wire, the contact of which is connected to the contact head of the central electrode The spark plugs, the spark plug ceramic insulator leg, the coaxial gap between the ceramic shield insulator and the spark plug metal shield expel cooling air from the coaxial gap between the ceramic shield insulator and the spark plug metal shield through at least one opening in the spark plug metal shield.

Новым, согласно предложенного изобретения, является то, что охлаждающий воздух продувают через концевую заделку высоковольтного провода, контакт которой соединен с контактной головкой центрального электрода свечи зажигания, ножку керамического изолятора свечи зажигания, коаксиальный зазор между экранным керамическим изолятором и металлическим экраном свечи зажигания, выбрасывают охлаждающий воздух из коаксиального зазора между экранным керамическим изолятором и металлическим экраном свечи зажигания через как минимум одно отверстие в металлическом экране свечи зажигания. Это позволяет более эффективно, чем в прототипе, обеспечить охлаждение концевой заделки кабеля зажигания, и тем самым обеспечить более высокие механические показатели жилы провода, исключить ее термомеханические повреждения, повысить надежность фторопластовой изоляции высоковольтных проводов кабеля зажигания в зоне концевой заделки. Таким образом, предлагаемое изобретение повышает показатели надежности кабеля зажигания. Предлагаемый способ охлаждения высоковольтного провода кабеля зажигания авиационного двигателя реализуется следующим образом.New, according to the proposed invention, is that the cooling air is blown through the end of the high-voltage wire, the contact of which is connected to the contact head of the central electrode of the spark plug, the leg of the ceramic insulator of the spark plug, the coaxial gap between the screen ceramic insulator and the metal screen of the spark plug, the cooling air from the coaxial gap between the ceramic shield insulator and the spark plug metal shield through at least one hole in the spark plug metal shield. This makes it possible to provide cooling of the ignition cable termination more efficiently than in the prototype, and thereby ensure higher mechanical performance of the wire core, exclude its thermomechanical damage, increase the reliability of the fluoroplastic insulation of high-voltage wires of the ignition cable in the termination area. Thus, the present invention improves the reliability of the ignition cable. The proposed method of cooling the high-voltage wire of the aircraft engine ignition cable is implemented as follows.

На фиг. 1 представлена иллюстрация реализации предлагаемого способа охлаждения.In FIG. 1 shows an illustration of the implementation of the proposed cooling method.

Кабель зажигания включает в себя: штуцер поз. 1, для подачи охлаждающего воздуха, герметичный гофрированный рукав в экранирующей оплетке (экранирующий рукав) поз. 2, и входящую во внутренний объем свечи зажигания поз. 3 концевую заделку поз. 4 высоковольтного провода кабеля зажигания, контактирующую с контактной головкой центрального электрода поз. 5. Ножка керамического изолятора поз. 6 свечи зажигания, образует коаксиальный зазор А с экранным керамическим изолятором поз. 7, который установлен с зазором Б относительно металлического экрана поз. 8 свечи зажигания, в корпусе которой имеется как минимум одно отверстие В. В кабеле зажигания имеется резиновое уплотнение поз. 9, исключающее проникновение охлаждающего воздуха в неохлаждаемую часть кабеля зажигания, размещенной, например, на стойке или вентиляторе двигателя.The ignition cable includes: fitting pos. 1, for supplying cooling air, hermetically sealed corrugated sleeve with shielding braid (shielding sleeve) pos. 2, and included in the internal volume of the spark plug pos. 3 end seal pos. 4 high-voltage wires of the ignition cable, in contact with the contact head of the central electrode pos. 5. Leg of the ceramic insulator pos. 6 spark plugs, forms a coaxial gap A with a screen ceramic insulator pos. 7, which is installed with a gap B relative to the metal screen pos. 8 spark plugs, in the body of which there is at least one hole B. The ignition cable has a rubber seal pos. 9, which excludes the penetration of cooling air into the uncooled part of the ignition cable, located, for example, on a rack or engine fan.

Предлагаемый способ охлаждения высоковольтного провода кабеля зажигания авиационного газотурбинного двигателя заключается в том, что для охлаждения элементов конструкции кабеля зажигания отбирают воздух от одной из ступеней компрессора газотурбинного двигателя, подают этот воздух (через штуцер поз. 1) во внутреннюю полость экранирующего рукава поз.2 кабеля зажигания, отличающийся тем, что охлаждающий воздух продувают через концевую заделку поз. 4 высоковольтного провода, контакт которой соединен с контактной головкой поз. 5 центрального электрода свечи зажигания поз. 3, ножку керамического изолятора свечи зажигания поз. 6, коаксиальный зазор между экранным керамическим изолятором поз. 7 и металлическим экраном поз. 8 свечи зажигания, выбрасывают охлаждающий воздух из коаксиального зазора Б между экранным керамическим изолятором поз. 7 и металлическим экраном поз. 8 свечи зажигания через как минимум одно отверстие В в металлическом экране свечи зажигания.The proposed method for cooling the high-voltage wire of the ignition cable of an aircraft gas turbine engine is that, in order to cool the structural elements of the ignition cable, air is taken from one of the compressor stages of the gas turbine engine, this air is supplied (through the fitting pos. 1) into the internal cavity of the shielding sleeve pos.2 of the cable ignition, characterized in that the cooling air is blown through the end seal pos. 4 high-voltage wires, the contact of which is connected to the contact head pos. 5 the central electrode of the spark plug pos. 3, the leg of the ceramic insulator of the spark plug pos. 6, coaxial gap between the screen ceramic insulator pos. 7 and metal screen pos. 8 spark plugs, emit cooling air from the coaxial gap B between the screen ceramic insulator pos. 7 and metal screen pos. 8 spark plugs through at least one hole B in the spark plug metal shield.

Очевидно, что подача воздуха от ступени компрессора может осуществляться не только в гибкую часть экранирующего рукава, но и его жесткую часть - угольник, который соединяется с металлическим экраном свечи зажигания (см., например, фиг. 2).Obviously, the air supply from the compressor stage can be carried out not only in the flexible part of the shielding sleeve, but also in its rigid part - the elbow, which is connected to the metal screen of the spark plug (see, for example, Fig. 2).

Локализованное охлаждение концевой заделки воздухом, отбираемым от одной из ступеней компрессора (с температурой воздуха не более 200°С), позволяет малым расходом воздуха обеспечить охлаждение концевой заделки до приемлемых температур для обеспечения прочностных характеристик жилы провода, обеспечивающих ресурсные требования авиационных двигателей. Эффективность предлагаемого способа охлаждения подтверждена результатами испытаний систем зажигания в составе промышленных ГТУ с наработкой значительно превышающей требования к ресурсу авиационных двигателей. Кроме этого, предлагаемый способ охлаждения дополнительно уменьшает температуру узлов герметизации свечи зажигания, которые, обеспечивая герметичность свечи, закрепляют керамический изолятор, в ножке которого закреплена контактная головка свечи зажигания, с которой контактирует контактная заделка провода зажигания.Localized cooling of the end seal with air bled from one of the compressor stages (with an air temperature of no more than 200°C) allows the end seal to be cooled to acceptable temperatures with a low air flow to ensure the strength characteristics of the wire core that meet the resource requirements of aircraft engines. The effectiveness of the proposed method of cooling is confirmed by the results of tests of ignition systems as part of industrial gas turbines with an operating time significantly exceeding the requirements for the resource of aircraft engines. In addition, the proposed method of cooling additionally reduces the temperature of the spark plug sealing units, which, ensuring the tightness of the spark plug, fix the ceramic insulator, in the leg of which the spark plug contact head is fixed, with which the contact seal of the ignition wire contacts.

Результаты испытаний показывают, что изменение температуры в зоне концевой заделки с 320°С до температур менее 220°С позволяет более чем в 3 раза увеличить ресурс работы концевых заделок в кабелях зажигания ГТД и ГТУ.The test results show that changing the temperature in the termination zone from 320°C to temperatures below 220°C allows more than a 3-fold increase in the service life of the terminations in the ignition cables of the GTE and GTU.

Таким образом, предлагаемый способ охлаждения кабеля зажигания системы зажигания авиационных ГТД и промышленных ГТУ отличается повышенной эффективностью при его использовании.Thus, the proposed method for cooling the ignition cable of the ignition system of aircraft gas turbine engines and industrial gas turbines is characterized by increased efficiency when using it.

Источники информацииSources of information

1. В.А. Балагуров. Аппараты зажигания. М. «Машиностроение», 1968.1. V.A. Balagurov. Ignition devices. M. "Engineering", 1968.

2. А. Лефевр. Процессы в камерах сгорания ГТД. М. «Мир», 1986.2. A. Lefevre. Processes in the combustion chambers of gas turbine engines. M. Mir, 1986.

3. AIR784C. - INTERRELATION OF ENGINE DESIGN AND BURNER CONFIGURATION WITH SELECTION AND PERFORMANCE OF ELECTRICAL IGNITION SISTEMS FOR GAS TURBINE ENGINES. - 1995. - 33 p.3.AIR784C. - INTERRELATION OF ENGINE DESIGN AND BURNER CONFIGURATION WITH SELECTION AND PERFORMANCE OF ELECTRICAL IGNITION SISTEMS FOR GAS TURBINE ENGINES. - 1995. - 33 p.

4. A.A. Иноземцев, M.A. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок, т. 1, т 2, т 3 т . М. «Машиностроение», 2008.4.A.A. Foreigners, M.A. Nikhhamkin, V.L. Sandratsky. Fundamentals of designing aircraft engines and power plants, vol. 1, vol. 2, vol. 3 vol. M. "Engineering", 2008.

5. ARP 670 AEROSPACE RECOMMENDED PRACTICE.5. ARP 670 AEROSPACE RECOMMENDED PRACTICE.

6. ГОСТ 14906-77. Фторопласт - 4Д. Технические условия.6. GOST 14906-77. Fluoroplast - 4D. Specifications.

7. ПМ RU178111 U. МПК Н01В 7/16.7. PM RU178111 U. MPK H01V 7/16.

8. Патент US 6358072 (В1) МПК H01R 13/44.8. Patent US 6358072 (B1) IPC H01R 13/44.

9. Акт исследования №ИС-2017/109. АО УНПП «Молния».9. Research report No. IS-2017/109. JSC UNPP "Molniya".

10. Акт исследования №ИС-2019/56. АО УНПП «Молния».10. Research act No. IS-2019/56. JSC UNPP "Molniya".

11. CN 1991143 (А) МПК F02C 7/266.11. CN 1991143 (A) IPC F02C 7/266.

12. US 7637094 (В2) МПК F02C 7/264, F02G 1/055.12. US 7637094 (B2) IPC F02C 7/264, F02G 1/055.

13. ЕР 1798398 (А2) МПК F02C 7/266.13. EP 1798398 (A2) IPC F02C 7/266.

14. US 6483022 (В2) МПК Н01 В 9/06, H01R 4/00.14. US 6483022 (B2) IPC H01 B 9/06, H01R 4/00.

15. ОСТ 100777-75. Трубки фторопластовые. Технические условия.15. OST 100777-75. Fluoroplastic tubes. Specifications.

Claims

A method for cooling the high-voltage wire of the ignition cable of an aircraft gas turbine engine, which consists in the fact that in order to cool the structural elements of the ignition cable, air is taken from one of the compressor stages of the gas turbine engine, this air is supplied into the internal cavity of the shielding sleeve of the ignition cable, characterized in that the cooling air is blown through high-voltage wire termination, the contact of which is connected to the contact head of the center electrode of the spark plug, the leg of the spark plug ceramic insulator, the coaxial gap between the ceramic shield insulator and the spark plug metal shield, exhaust cooling air from the coaxial gap between the ceramic shield insulator and the spark plug metal shield through at least one hole in the metal screen of the spark plug.