CN1782345B - 用于燃气轮机的火花点火器 - Google Patents

Abstract

用于气轮机(3)的点火器(12)。点火器(12)产生等离子体(40)，或者火花，有些类似于汽车的火花塞。在本发明中，提供辅助电极(72)，其植入在固体绝缘体(75)中，且被其覆盖。在工作的初始阶段，没有产生的等离子体(40)的部分接触辅助电极(72)。然而，最终，覆盖绝缘体(75)被等离子体(40)腐蚀，且辅助电极(72)暴露，可以作为等离子体(40)的返回通道。点火器(12)构造为使得当腐蚀出现时，点火器的使用寿命接近其终点。如通过检测辅助地电极(72)中的新的电流检测该腐蚀，表示接近使用寿命的终点。

Description

用于燃气轮机的火花点火器

相关申请的交叉参考

本申请涉及下面专利申请的主题，其为共同的发明人且由此同时提交：

SENSOR FOR DETECTION OF SPARK IN IGNITER IN GAS TURBINEENGINE，SN 10/775,887；

METHOD OF INFORMING PILOT OF AIRCRAFT OF SPARK DETECTED IN GAS TURBINE ENGINE，SN 10/775,864；

PASSIVE，HIGH-TEMPERATURE AMPLIFIER FOR AMPLIFYING SPARK SIGNALS DETECTED IN INGITER IN GAS TURBINE ENGINE，SN 10/775,876；

INGEGRAL SPARK DETECTOR IN FITTING WHICH SUPPORTS IGNITER IN GAS TURBINE ENGINE，SN 10/-,-；以及

DETECTING SPARK IN IGNITER OF GAS TURBINE ENGINE BYDETECTING SIGNALS IN GROUNDED RF SHIELDING，SN 10/775,847。

技术领域

本发明涉及燃气轮机，以及其中的点火器。

背景技术

本背景技术将说明为什么在燃气轮机中使用的点火器的使用寿命中缺乏绝对可靠性会相当大地影响使用该发动机的飞行器的所有者的成本。

图1高度示意性地示出了包含燃烧器6的燃气轮机3。燃料9喷射到燃烧器中。以与汽车中的火花塞大致类似的方式起作用的点火器12产生火花，或者等离子放电(没有显示)，其开始点火喷射燃料。

在初始点火以后，点火器12可以重复地发火花，主要是作为安全措施。也就是，在现代发动机中，在常态环境下，在燃烧器6中特别不可能出现熄火。然而，诸如突然的侧风之类的意外情况会影响燃烧器内的环境，导致熄火。

此外，某些飞行条件使得不可能的熄火情况的可能性稍微大一些。这样，例如，当飞行器进入暴风骤雨或者可能干扰燃烧器6中的稳态条件的其它情况时，可以启动点火器12。

像所有的机械部件一样，点火器12具有使用寿命，其最终会届满，此时，必须更换点火器。然而，该届满和更换会产生飞行器昂贵的情况。

主要原因在于，点火器接近其使用寿命的末端不会被容易检测的事件标记。也就是，在某一点处，点火器完全停止产生等离子体或者火花。然而，在该点以前，点火器可以零星地产生火花。

如上所述，通常不要求发火花来维持燃烧器火焰。因此，只有出现真的熄火，且零星发火花不能有效地引起重新点火的情况下才会注意零星发火花。由于这样的事件组合看起来不可能，所以不容易注意零星发火花。临近点火器的使用寿命的届满同样不被注意。

另一个原因在于，虽然所有的点火器可以构造为尽可能地同样，然而，这些点火器不都拥有相同的使用寿命。所有的点火器也不会在它们的使用寿命期间经历相同的事件。这样，不知道确切地何时给定的点火器会届满。

这样，不知道确切地何时必须更换点火器的时间点。解决该问题的一种方法是通过在点火器仍然起作用时更换点火器来进行预防性的维护。虽然新的点火器和安装它所要求的人力的成本不是很大，但是早更换确实会影响可能相当大的另一种成本。

更换点火器的飞行器表示了以每小时数千美元计量的收入源。如果在更换点火器期间飞行器不能工作例如2小时，那么在这段时间期间的收入损失是相当大的。

因此，在燃气涡轮飞行器发动机中的点火器的不确定的使用寿命会影响收入的重大损失。

发明内容

燃气轮机中的点火器的正常工作引起点火器内的绝缘体的腐蚀。在本发明的一种形式中，辅助地电极植入该绝缘体内，腐蚀最终使该辅助电极暴露。点火器设计为使得该暴露出现在应该更换点火器的时刻。

暴露的辅助地电极可以通过这样的事实来检测，即，当火花出现时，小的电流通过辅助地电极。当检测到该电流时，其存在表示暴露。替代地，暴露的辅助地电极可以通过人为观察员来视觉检测，可能通过使用管道镜。

附图说明

图1是燃气轮机的简化的示意图。

图2示出了图1中显示的点火器12。

图3和4是图2中的端部E的放大视图。

图5和6示出了发明人观察到的端部E的几何形状的变化。

图7示出了本发明的一种形式。

图8和9是类似图7中的插图84的视图。

图10是图7的部分的透视图。

图11是本发明的一种形式的透视剖视图。

图12是图11的设备的截面图。

图13是图11的设备的透视图。

图14示出了本发明的一种形式。

图15示出了在本发明的一种形式中出现的事件的顺序。

图16示出了两个距离D9和D10，两个电场在这两个距离上产生。

图17示出了构造图15中的辅助电极72的一种模式。

具体实施方式

图2示出了在现有技术中使用的点火器12。电连接器(没有显示)拧到螺纹21上，且包含与电极27的端部24匹配的电触点(没有显示)。绝缘体30使电极27与点火器12的壳33绝缘。

在图3和4中显示了点火器12的端部E。将给出等离子体发生中包含的物理学的很简单的说明。

在工作中，高电压施加到电极27，从而在图3的点P1和P2之间产生电压差或者电势差V。在该区域中的电场等于电势差V除以点P1和P2之间的距离D。例如，如果电压为20000伏，距离D为10毫米，或者0.01米，那么电场等于20000/0.01，或者每米2百万伏。

电场设计为超过位于点P1和P2之间的材料或者介质的介电击穿强度。该材料为空气加上燃料的混合物。然而，该场不超过绝缘体30的击穿强度，且该强度超过空气-燃料混合物的强度。

当发生击穿时，电场从介质中的原子除去电子，产生带正电荷的离子和自由电子。电场在平行于电场的方向上驱动自由电子。然而，在该运动期间，那些临时自由电子与其它离子碰撞。此外，离子和电子的热运动也使它们一起碰撞。

在碰撞中，电子被离子捕获，且下降到较低能量的状态，以称为等离子体的电弧的形式释放热和光，其在图4中表示为闪电40。只要存在电场，该过程就持续。

发明人已经观察到刚刚描述的工作的一种结果。如图5中所示，绝缘体30从虚线形状50腐蚀到弯曲的形状53。此外，电极27从虚线形状56腐蚀到实线形状59。角部33A也腐蚀。

发明人相信，以下因素中的一个或者多个是腐蚀的原因。一个因素是等离子体的腐蚀性特性：自由电子很有活性，设法结合任何存在的附近的原子或者离子。此外，从空气中存在的氧气产生自由电子，产生了也高度活性的离子化的氧。

第三个因素在于，等离子体产生高温环境。通过定义，高温表示搅动的原子和分子具有高速。当高速原子和分子与目标碰撞时，它们更容易与固定的目标反应。

可能的第四个因素在于这样的事实，即，等离子体产生处于紫外线UV，以及可能进入光谱的X射线区域中的高频光子。UV和X辐射会损坏许多类型的材料是熟知的。

与腐蚀的准确原因无关，在图5中显示的腐蚀最终使得点火器最终停止作用。主要原因在图6中显示。以前，在腐蚀以前，电压施加在图6中的点P1和P2之间。然而，腐蚀以后，点P2有效地移动到点P3。距离D现在变成较长的距离D2。引起离子化，从而产生等离子体的电场现在较弱。

继续上述给定的例子，如果距离D2为20毫米，那么电场变成20000/0.020，或者每米1百万伏，为其原来值的一半。最终，距离D2变得如此大，使得电场不能可靠地超过空气-燃料混合物的介电击穿强度，且离子化停止产生。

图7示出了本发明的一种形式。辅助电极72植入绝缘体75中。在区域81中，顶端78由绝缘体材料覆盖，如由插图84表示。辅助电极72可以连接到壳33，如在区域90处。

最初，电流进入电极27，如由箭头84所示，通过等离子体85转移到壳33，且通过多个通道，诸如通过其安装螺纹，如由箭头86所示，离开壳33进入发动机。

当发生腐蚀时，绝缘体75偏离由图8中的虚线92表示的其最初形状。辅助电极72的顶端78现在暴露。现在，当高电压施加到点火器时，存在等离子体跟随的两个通道。一个为图9中的通常的通道P5。另一个通道由图9中的P6表示，且从中心电极27通到现在暴露的辅助电极72。其中腐蚀固体绝缘体，以暴露第二端，然后产生主电极和辅助电极之间的第二等离子体，其中辅助电极中的电流伴随第二等离子体。

重申一下，存在对中心电极27的两个电流返回通道。通道P5以通常的方式通到壳33。通道P6通到现在暴露的辅助电极72。

最终，进一步的腐蚀会加长通道P5，且使得沿着该通道的等离子体形成终止。也就是，在图9中的通道P5初始可以由图6中的距离D表示。在足够的腐蚀以后，图9中的通道P5将由图6中的距离D2来表示，且如上所述，当距离D2变得足够大时，将没有等离子体沿着通道P5产生。

然而，辅助等离子体通道P6此时在图9中仍然存在。等离子体仍然可以产生，且增加了点火器的使用寿命。

前述讨论提出了图7中的采用杆形的辅助电极72。图10示出了在透视图中这样的由绝缘体75围绕的杆。

在替代的实施例中，使用圆柱体。图11是一个实施例的剖视图。中心电极27由绝缘体100围绕，绝缘体100本身由传导管或者圆柱体103围绕，传导管或者圆柱体103然后由另一层绝缘体105围绕。图12在截面视图中以类似的标记示出了***。

图13示出了在制造以后或者刚安装以后处于其最初形状的绝缘体100。中心电极27的顶端110暴露，且由绝缘体100的圆锥表面113围绕。圆柱形辅助电极103植入绝缘体100内，且没有顶端或者边缘暴露，如由图12中距离D8表示。

前述讨论表明，辅助电极72可以在图7中的区域90处连接。在另一个实施例中，图14的辅助电极72也连接到地，但是通过检测器150。检测器150寻找辅助电极72中的电流。电流检测器是熟知的。

如果没有检测到电流，那么可以推断辅助电极72仍然植入在绝缘体75内，如图7所示，且与中心电极27电隔离。

相反，如果检测到电流，那么可以推断辅助电极通过腐蚀而暴露，如图9所示。检测的电流是由于等离子体跟随通道P6。当检测到电流时，检测器150发出信号，设置标记，或者另外表示腐蚀已经暴露辅助电极的推断。技术人员在此时，或者此后规定的时间更换点火器。

检测的替代模式是去除点火器，以及视觉检查相应于图2中的端部E的端部。如果看见绝缘体100的平滑表面，如图13可见，那么推断点火器仍然起作用。然而，如果看见辅助电极72，如图8可见，那么推断需要更换。

在另一个实施例中，辅助电极设计为暴露，然后快速腐蚀。从左到右观察，图15首先示出了新安装的点火器160。在使用一段时间以后，点火器165暴露其辅助电极72。现在，等离子体P6延伸到辅助电极72。

然而，如上所述，辅助电极72设计为快速腐蚀。例如，如插图170所示，辅助电极72构成有尖端。等离子体6使得尖端快速腐蚀，如由框170中的小颗粒所示。该操作引起两个事件的特殊顺序。

一个在于，当辅助电极首先暴露时，电流通过辅助电极。电流如由图14中的检测器150检测。接下来，在辅助电极破碎或者腐蚀以后，没有电流通过辅助电极。

该顺序的一个原因在图16中显示。最初，电压V跨越距离D9，产生等于V/D9的电场。在破碎或者腐蚀以后，相同的电压V跨越距离D10。电场等于V/D10，较小的值。后者的电场不足以产生等离子体，而前者的电场可以。

在一个实施例中，刚描述的两个事件的发生在点火器的使用寿命终止以前发生。这样，该终止由通过辅助电极72出现电流，然后电流终止来发信号。电流的开始表示接近使用寿命的终止，但是还有时间来操作发动机。随后的电流终止表示剩余较少的时间，且更换点火器变得更加重要。

图17示出了辅助电极72的一个实施例。设置颈部，或者凹槽190，其有利于破损，在图15的插图170中示意性地显示。凹槽190是有意地嵌入辅助电极72的机械脆弱的区域。在图8中所示的腐蚀以前，该脆弱不重要，因为由绝缘体75提供电极的机械支撑。

上述讨论表明，高电压施加到电极27。施加到电极27的低电压可以实现产生等离子体的相同功能也是可能的。在不偏离本发明的真正精神和范围的情况下，可以进行许多替代和修

改。需要由专利保护的是在后附的权利要求书中限定的本发明。

部件名称、标记

燃烧器6(2)

燃料9(2)

点火器12(2)

螺纹21(6)

端部24(6)

电极27(6)

绝缘体30(6)

壳33(6)

端部E(6)

电势差V(7)

点P1(7)

点P2(7)

距离D(7)

闪电40(7)

虚线形状50(8)

弯曲的形状53(8)

虚线形状56(8)

实线形状59(8)

角部33A(8)

距离D2(9)

辅助电极72(9)

绝缘体75(9)

顶端78(9)

区域81(9)

插图84(9)

区域90(9)

等离子体85(9)

箭头86(9)

虚线92(9)

通道P5(9)

通道P6(9)

中心电极27(9)

通道P5(10)

绝缘体100(10)

圆柱体103(10)

绝缘体105(10)

顶端110(10)

圆锥面113(11)

辅助电极103(11)

距离D8(11)

区域90(11)

检测器150(11)

点火器165(12)

等离子体P6(12)

插图170(12)

电压V(12)

距离D9(12)

距离D10(12)

凹槽190(13)

Claims (8)

1.操作燃气轮机中的燃料点火器(12)的方法，其包括：

a)在主电极(27)的第一端附近产生第一等离子体(85)；

b)维持具有第二端(78)的辅助电极(72)；

c)初始用固体绝缘体(75)围绕第二端(78)；以及

d)第一等离子体(85)腐蚀固体绝缘体(75)，以暴露第二端(78)，然后产生主电极(27)和辅助电极(72)之间的第二等离子体(P6)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一等离子体(85)在介质中产生，且固体绝缘体(75)具有比介质高的击穿强度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在辅助电极(72)与主电极(27)之间存在电流返回通道，该方法还包括：

e)检测辅助电极(72)中的电流，以及响应于检测的电流发出信号。

4.操作燃气轮机中的燃料点火器(12)的方法，其包括：

a)在主电极(27)的第一端附近产生第一等离子体(85)；

b)维持具有第二端(78)的辅助电极(72)；

c)初始用固体绝缘体(75)围绕第二端(78)；

d)第一等离子体(85)腐蚀固体绝缘体(75)，以暴露第二端，然后产生主电极(27)和辅助电极(72)之间的第二等离子体(P6)，其中在辅助电极(72)与主电极(27)之间存在电流返回通道；

e)检测辅助电极(72)中的电流，以及响应于检测的电流发出信号；

f)响应于该信号用一个替代燃料点火器来替代所述燃料点火器(12)。

5.一种用于燃气轮机(3)的点火器(12)，其包括：

a)具有顶端的主电极(27)；

b)与顶端合作以产生等离子体(85)的壳电极(33)；以及

c)辅助电极(72)，其当点火器(12)新安装时为不暴露的，但是在工作一段时期以后变为暴露的，并且在所述主电极和辅助电极之间产生等离子体。

6.根据权利要求5所述的点火器，还包括：

d)围绕主电极(27)的绝缘体(75)。

7.根据权利要求6所述的点火器，其中所述壳电极围绕所述绝缘体。

8.根据权利要求7所述的点火器，还包括一个连接于所述辅助电极(72)的检测器(150)，用于检测辅助电极(72)中的电流。

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