CN101463764B - 燃气轮机高能等离子点火器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种燃气轮机高能等离子点火器。包括点火激励器和配套的等离子发生器；点火激励器的构成包括控制继电器、变压隔离电路、振荡脉冲电路、维弧续流模块以及高压变压器；等离子发生器的构成包括安装座、中轴、绝缘体、阴极、阳极；本发明可以实现在给定的等离子点火能量下，提高了点火效能，同时电极得到了充分的冷却，延长了电极的使用寿命。反之，由于冷却效果的提高，可以加大等离子点火能量，使得可以在更恶劣的条件下点燃如重油等劣质燃料。同时，安装座只需调整螺丝孔位置就可以直接替代原有点火器，由此可见，本发明具有诸多优点，并且更加适于实用。

Description

燃气轮机高能等离子点火器
(一)技术领域
本发明涉及一种热能与动力领域的高能点火设备，特别是涉及一种适用于燃气轮机的高能等离子点火器。
(二)背景技术
现如今燃气轮机由于其功率大、重量尺寸小、效率高等优点，在航空、船舶、发电等诸多领域得到广泛应用和发展。在燃气轮机的启动过程中，点火是关键。点火的成功率将直接关系到整个装置的安全可靠运行。
目前，常用点火的方法有电火花点火和半导体表面放电点火，电火花点火利用张在燃烧室两个电极之间的火花放电或电弧放电来燃烧混合物。此方法一般点火能量较低，点火延时长。半导体表面放电点火是在中心电极和侧电极之间夹装一个半导体材料，利用半导体的热效应放电起弧的点火设备。半导体放电与气体的电弧放电是有本质区别的。虽然这样可以得到较大的点火功率，但由于半导体的寿命问题，直接影响整个点火装置的性能和寿命。
等离子点火是近年来的一种新型点火装置，利用电弧激发高温等离子体引燃燃料。其优点在于可以提高点火的成功率和燃烧的稳定性，其点火功率大，可靠性高。但是存在着一个矛盾的问题：若要求点火能量大，则增加等离子体能量，继而电极烧蚀加剧，寿命减少；而若要保证电极寿命，点火能量则受到限制。
已有一些关于等离子点火的公开报道，例如专利申请号为200620020007.0、名称为“脉冲等离子点火器”的实用新型专利文件中公开的技术方案等。实践证明该技术方案还存在许多需要改进之处。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种点火效能高，使用寿命长的燃气轮机高能等离子点火器。
本发明的目的是这样实现的：
包括点火激励器1和配套的等离子发生器2；点火激励器1的构成包括控制继电器、变压隔离电路、振荡脉冲电路、维弧续流模块以及高压变压器；控制继电器与外部220V交流供电和控制直流供电通过航空接头相连；控制继电器输出端与变压隔离电路输入端连接；变压隔离电路输出端连接振荡脉冲电路与维弧续流模块；振荡脉冲电路输出端接高压变压器；高压变压器输出端的一端接高压点火电缆的内芯输出，另一端连接维弧续流模块输出端的负极；维弧续流模块输出端的正极接点火激励器机箱外壳。等离子发生器2的构成包括安装座8、中轴3、陶瓷绝缘体4、阴极5、阳极7；安装座8是与阳极7紧固安装，二者成同轴环状结构，中间有圆筒形空腔；在安装座侧面开设有油路接口，油路通道与阴极5上的油孔相通；阴极5的头部成尖锥形，尖部开设有喷油孔，在尖锥镶嵌有锆金属材料；安装座8与阴极间装有陶瓷绝缘体4，中轴3与阴极5接在一起，再装入陶瓷绝缘体4中，三者保持同心。点火激励器1通过高压点火电缆与等离子发生器2连接，高压点火电缆的外部金属屏蔽层连接点火激励器1的正极与等离子发生器2安装座；高压点火电缆的内芯连接点火激励器1的负极与等离子发生器2的内极。高压点火电缆的屏蔽层与内芯间有聚四氟乙烯绝缘层，绝缘层平均厚度大于2mm。
本发明还可以包括：
等离子发生器2电极的冷却包括燃油冷却和空气冷却，空气由安装座8与阳极7之间的空腔进入，对阳极7冷却后由阳极7与阴极5之间的间隙喷出，同时对阴极5外表面也产生冷却作用；燃油由阴极5内部喷出对阴极5的内部产生冷却作用。
本发明根据已有技术中存在的问题，采用等离子点火与微油小油枪有机结合的方式，设计了该等离子点火器。该发明经过了多次的设计与改进，并经过多次试验，证明其切实可行并具有实用价值。
本发明可以实现在给定的等离子点火能量下，提高了点火效能，同时电极得到了充分的冷却，延长了电极的使用寿命。反之，由于冷却效果的提高，可以加大等离子点火能量，使得可以在更恶劣的条件下点燃如重油等劣质燃料。同时，安装座8只需调整螺丝孔位置就可以直接替代原有点火器，由此可见，本发明具有诸多优点，并且更加适于实用。
与专利申请号为200620020007.0、名称为“脉冲等离子点火器”的实用新型专利文件中公开的技术方案相比，二者的区别主要体现在：首先原技术方案的等离子发生器本身是不带喷油嘴结构的，而本发明是将等离子发生器2与微油小油枪有机结合，将小油枪的喷油嘴6作为等离子发生器2的阳极5，在点火激励器1停止工作后，该发生器仍可稳定产生小火炬，对燃烧室助燃。其次，冷却方式不同，由于加入了微油回路，本发明对于电极采用的是燃油和空气双重冷却方式，延长了电极寿命的同时，对燃油也存在预热作用，在供给油温较低的情况下，对燃烧稳定具有很大的作用。因此，二者在设计理念，工作原理及实施结构上都截然不同。
(四)附图说明
图1是本发明燃气轮机高能等离子点火器的连接示意图。
图2是本发明燃气轮机高能等离子点火器的点火激励器内部结构模块示意图。
图3是本发明燃气轮机高能等离子点火器的等离子发生器结构示意图。
图4是本发明燃气轮机高能等离子点火器的点火激励器电路原理图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
图1是本发明燃气轮机高能等离子点火器的连接示意图。本发明燃气轮机高能等离子点火器，其主要包括：一个点火激励器1，及配套的等离子发生器2和高压点火电缆。可以根据燃气轮机功率、燃料等因素，确定点火源个数。点火源个数既为等离子发生器2的个数。依据等离子发生器2个数，可以拓展点火激励器1模块，比如设计一台点火激励器1是2路输出，若需要4个点火源，则配备两个点火激励器1与4套等离子发生器2及高压点火电缆。
图2是本发明燃气轮机高能等离子点火器的点火激励器1内部结构模块示意图。点火激励器1采用模块化组成，可以自由选择单路输出和双路输出，在本实施例中采用的是双路输出。控制继电器可根据控制信号大小，选择合适的控制继电器来控制220V交流输入的通断。
变压隔离电路的主要功能是将工作电路与220V电网隔离开，既避免电网杂波对工作电路的干扰，也避免工作电路一旦出现意外故障影响电网。同时，隔离变压器也将220V交流电压提高，增大点火器输出能量。在本实施例中采用的变压器输出电压是400V/50Hz交流。
振荡脉冲电路包括振荡模块与高压谐振模块。振荡模块可采用可控硅或MOSFET管作为开关管，可采用三极管产生振荡脉冲，也可采用专用脉冲发生芯片。高压谐振模块与振荡模块并联工作，将开关管的两端接入高压谐振模块，当开关管导通时，高压谐振模块谐振产生高压输出。
请参阅图3所示，是本发明燃气轮机高能等离子点火器的等离子发生器2结构示意图。中轴3连接高压点火电缆内极与阴极5。在安装座8中部开设有供油通道，外部输油管路经此通道将微量燃油经阴极5上与喷油嘴6相连的开孔输送给喷油嘴6雾化喷出。阴极5由喷油嘴6和镶嵌在其端头表面的保护材料组成，该保护材料可采用锆、铪等耐高温耐烧蚀合金材料，以延长阴极5使用寿命。在中轴3、阴极5与安装座8之间，填充有耐高温绝缘体4以保证绝缘效果，可选用陶瓷材料。在安装座8与阳极7之间，采取双管嵌套方式，将压缩空气由二者之间的环形通道通入，再从阳极7与阴极5之间喷出，起到冷却电极的作用。该等离子发生器2的工作方式是由点火激励器1在阳极7和阴极5之间产生高能电弧，压缩空气由二者间喷出时被电离激发高温等离子体，该等离子体由于空气推动到喷油嘴6前方，喷油嘴6喷出的雾状燃油与空气混合物被此高温等离子体点燃从而形成小油枪。在将热力设备顺利启动后，点火激励器停止工作，而该等离子发生器可继续供给微油以维持小油枪的燃烧对主燃烧室助燃。

Claims (5)

1.一种燃气轮机高能等离子点火器，包括点火激励器(1)和配套的等离子发生器(2)；其特征是：点火激励器(1)的构成包括控制继电器、变压隔离电路、振荡脉冲电路、维弧续流模块以及高压变压器；控制继电器与外部220V交流供电和控制直流供电通过航空接头相连；控制继电器输出端与变压隔离电路输入端连接；变压隔离电路输出端连接振荡脉冲电路与维弧续流模块；振荡脉冲电路输出端接高压变压器；高压变压器输出端的一端接高压点火电缆的内芯输出，另一端连接维弧续流模块输出端的负极；维弧续流模块输出端的正极接点火激励器机箱外壳；等离子发生器(2)的构成包括安装座(8)、中轴(3)、陶瓷绝缘体(4)、阴极(5)、阳极(7)；安装座(8)是与阳极(7)紧固安装，二者成同轴环状结构，中间有圆筒形空腔；在安装座侧面开设有油路接口，油路通道与阴极(5)上的油孔相通；阴极(5)的头部成尖锥形，尖部开设有喷油孔；安装座(8)与阴极间装有陶瓷绝缘体(4)，中轴(3)与阴极(5)接在一起，再装入陶瓷绝缘体(4)中；点火激励器(1)通过高压点火电缆与等离子发生器(2)连接，高压点火电缆的外部金属屏蔽层连接点火激励器(1)的正极与等离子发生器(2)安装座；高压点火电缆的内芯连接点火激励器(1)的负极与等离子发生器(2)的内极。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机高能等离子点火器，其特征是：等离子发生器(2)电极的冷却包括燃油冷却和空气冷却，空气由安装座(8)与阳极(7)之间的空腔进入，对阳极(7)冷却后由阳极(7)与阴极(5)之间的间隙喷出；燃油由阴极(5)内部喷出。
3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机高能等离子点火器，其特征是：高压点火电缆的屏蔽层与内芯间有聚四氟乙烯绝缘层，绝缘层平均厚度大于2mm。
4.根据权利要求1或2所述的燃气轮机高能等离子点火器，其特征是：阴极(5)的头部的尖锥镶嵌有锆金属材料。
5.根据权利要求3所述的燃气轮机高能等离子点火器，其特征是：阴极(5)的头部的尖锥镶嵌有锆金属材料。
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