КОНДЕНСАТОРНАЯ СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК F02P3/06 F02C7/266 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для розжига камер сгорания различных силовых и энергетических установок, и может быть использовано в качестве системы зажигания для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).

Известны системы зажигания для ГТД [1] , содержащие преобразователь напряжения (индуктивную катушку), выход которого подключен через диод к накопительному конденсатору, который, в свою очередь, через двухэлектродный разрядник, обмотку трансформатора активизатора подключен к свече зажигания.

Недостатком этой схемы является низкая стабильность энергии разряда на свече в связи с низкой стабильностью пробивного напряжения двухэлектродных разрядников. Это предопределяет низкую энергетическую эффективность и большую массу и габариты таких систем зажигания.

Известна также система зажигания [2], в которой с целью повышения стабильности энергии разряда на свече вместо двухэлектродного применен трехэлектродный управляемый разрядник, управляющий электрод которого через импульсный трансформатор и электронный ключ подключен к пороговому устройству, фиксирующему уровень напряжения на накопительном конденсаторе системы при помощи резистивного делителя.

Недостатком данной системы зажигания является низкая надежность работы и повышенный уровень излучаемых помех в цепь питания в связи с наличием гальванической связи между выходными высоковольтными цепями и цепями управления. Кроме того, включение резистивного делителя к накопительному конденсатору, на котором формируются импульсы высокого напряжения, вызывает необходимость в высоком коэффициенте деления делителя и соответствующем требовании к высокой точности и стабильности резисторов делителя, а также электропрочности верхнего плеча делителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой системе является выбранный в качестве прототипа генератор зажигания для газовых турбин [3], содержащий полупроводниковый преобразователь напряжения с блоком управления, транзисторным ключом, резистором и трансформатором с первичной и дополнительной обмотками и выходной обмоткой, соединенной через диод, накопительный первый конденсатор и обмотку катушки индуктивности с центральным электродом свечи зажигания, а между точкой соединения диода с накопительным конденсатором и боковым электродом свечи подключено разрядное устройство (тиристор), обеспечивающее разряд накопительного конденсатора на свечу зажигания, при этом к управляющему электроду разрядного устройство подключена вторичная обмотка импульсного трансформатора, а его первичная обмотка через электронный ключ подключена к накопительному второму конденсатору, соединенному через резистор с блоком вторичного источника питания, при этом один из концов дополнительной обмотки трансформатора преобразователя соединен с измерительной цепью, выполненной на основе последовательно включенных резистора и третьего конденсатора, подключенного к первому входу блока сравнения, к второму входу которого подключен источник опорного напряжения.

Данная схема позволяет получить достаточно высокую стабильность энергии разряда на свече и обеспечивает гальваническую развязку между измерительными и высоковольтными цепями, исключая необходимость в измерительном резистивном делителе в высоковольтной цепи.

Недостаток рассмотренной схемы, принятой за прототип, заключается в том, что для формирования управляющего импульса на первичной обмотке импульсного трансформатора при помощи электронного луча требуется дополнительный второй накопительный конденсатор, заряжаемый через резистор от специального вторичного источника питания (источника энергии).

Это существенно усложняет схему, снижает ее энергетическую эффективность (КПД), предъявляет жесткие требования в отношении мощностных характеристик электронного ключа, что, в конечном счете, приводит к повышенным массе и габаритам устройства, снижает надежность его работы.

Целью изобретения является снижение массы и габаритов конденсаторной системы зажигания для ГТД, повышение КПД и надежности ее работы.

Для этого в предлагаемой системе исключены из схемы вторичный источник питания и вторичный емкостной накопитель, а управление электронным ключом осуществляют через цепи управления транзисторного преобразователя, причем управляемый импульс подают на первичную обмотку импульсного трансформатора через электронный ключ непосредственно с коллектора транзисторного ключа преобразователя напряжения при его запертом состоянии.

Благодаря этому существенно упрощается схема управления системы зажигания. Одновременно в связи с тем, что управляющий импульс напряжения, снимаемый с коллектора транзисторного ключа преобразователя, стабильный и достаточно высоковольтный, имеется возможность уменьшить величину тока через электронный ключ и первичную обмотку импульсного трансформатора, что позволяет снизить коэффициент трансформации импульсного трансформатора, а, следовательно, уменьшить его массу и габариты. Кроме того, благодаря принятой схеме снятия управляющего импульса с коллектора транзисторного ключа преобразователя на управляющий переход разрядника в заявляемой системе зажигания в случае несрабатывания разрядника от первого импульса последующие управляющие импульсы приходят со стабильной амплитудой и минимальным временным интервалом, определяемым частотой генерации преобразователя (около 10 кГц, 100 мкс), в связи с чем напряжение на накопительном первом конденсаторе за этот временной промежуток существенно не изменится, а, следовательно, это не отразится на бесперебойности и стабильности энергии разрядов на свече зажигания.

В схеме прототипа этот временной интервал может затянуться на неопределенное время и при определенных обстоятельствах управляющий импульс вообще не сможет сформироваться до требуемой величины, необходимой для надежного управления трехэлектродным разрядником. Это связано с тем, что длительность формирования управляющего импульса на накопительном втором конденсаторе определяется постоянной времени заряда данного конденсатора через резистор от дополнительного вторичного источника питания. При этом длительность формирования управляющего импульса, как правило, значительно выше периода преобразования напряжения, который определяет частоту коммутаций электронного ключа, подключающего накопительный второй конденсатор к первичной обмотке импульсного трансформатора и через него к управляющему электроду разрядника. При таком соотношении между постоянной времени заряда накопительного второго конденсатора и частотой преобразователя напряжения на конденсаторе не успевает нарасти до величины, необходимой для формирования требуемого управляющего импульса на управляющий электрод разрядника. Это может привести к прекращению искрообразования на свече зажигания, недопустимому наросту напряжения на накопительном первом конденсаторе и отказу системы зажигания.

Таким образом, в результате уменьшения количества функциональных узлов в применяющейся системе зажигания, улучшения режима работы ее отдельных элементов и системы в целом, повышаются КПД и надежность работы.

Данный технический эффект достигается за счет того, что в конденсаторной системе зажигания, содержащей полупроводниковый преобразователь напряжения с блоком управления стабилизации, транзисторным первым ключом, опорным резистором и первым трансформатором с первичной, управляющей обмотками и выходной обмоткой, которая через диод подключена к накопительному первому конденсатору, соединенному через управляемый разрядник и обмотку второго трансформатора активизатора со свечой зажигания, а к управляющему электроду разрядника подключена вторичная обмотка импульсного третьего трансформатора, один из концов обмотки управления первого трансформатора (преобразователя) соединен с измерительной цепью, выполненной на основе последовательно включенных резистора и второго конденсатора, который подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока стабилизатора, вход которого подключен к входу (по цепи питания) преобразователя напряжения, а выход устройства сравнения соединен с входом электронного второго ключа, при этом выход электронного второго ключа подключен к блоку управления и стабилизации преобразователя, к которому подключен также один из концов первичной обмотки импульсного третьего трансформатора, а ее второй конец соединен с коллектором транзисторного первого ключа преобразователя.

На чертеже представлена функциональная схема конденсаторной системы зажигания для ГТД.

Конденсаторная система зажигания для ГТД содержит полупроводниковый преобразователь напряжения (ПН) 1 с блоком управления и стабилизации (БУС) 2, транзисторным ключом 3, опорным резистором 4, трансформатором 5 с обмотками: первичной 6, управляющей 7 и выходной 8. Выходная обмотка 8 через высоковольтный диод (выпрямительный столб) 9 подключена к накопительному конденсатору 10, который через управляемый разрядник 11 и обмотку 14 трансформатора 12 активизатора (АК) 16 подключен к свече зажигания 17. Между точкой соединения разрядника 11 с обмоткой 14 подключен резистор гальванической связи 18, а между той же точкой и точкой соединения накопительного конденсатора 10 с разрядником 11 подключены последовательно соединенные обмотка 13 трансформатора 12 и конденсатор 15 активизатора 16. К управляющему электроду разрядника 11 подключена вторичная обмотка 20 импульсного трансформатора 19, а его первичная обмотка 21 одним концом соединена с БУС 2 ПН 1, а другим - с коллектором транзисторного ключа 3 ПН. При этом один из концов управления обмотки 7 трансформатора 6 ПН соединен с измерительной цепью (ИЦ) 22, выполненной на базе последовательно включенных резистора 23 и конденсатора 24, подключенного к входу блока сравнения (БС) 25, к которому подключен также выход стабилизатора (СТ) 26. Выход БС соединен с входом электрического ключа (ЭК) 27, выход которого подключен к БУС ПН, а вход СТ соединен с входом ПН по цепи источника питания 28.

Система зажигания работает следующим образом.

При подаче напряжения с источника питания 28 на вход ПН и СТ в ПН возникают электрические колебания.

При этом работа тиристорного ключа 3 ПН характеризуется поочередным открытым (режим насыщения) и закрытым (режим отсечки) состояниями, которые обеспечиваются соответствующей взаимной фазировкой первичной обмотки 6 и управляющей обмотки 7 через цепи БУС. Одновременно БУС обеспечивает надежный запуск и функционирование ПН, а также стабилизацию его выходной мощности по уровню тока в первичной обмотке 6 трансформатора 5, измеряемого при помощи опорного резистора 4, что позволяет стабилизировать частоту разрядов накопительного конденсатора 10 на свечу зажигания 17.

При открытом состоянии транзисторного ключа 3 ПН в первичной обмотке 6 трансформатора 5 линейно нарастает ток, при этом напряжение с выходной обмотки 8 прикладывается к диоду 9 в закрывающем направлении и ток в цепи заряда накопительного конденсатора отсутствует. При закрывании транзисторного ключа 3 напряжение на обмотках трансформатора 5 измеряет полярность на противоположную, в связи с чем энергия, запасенная в электромагнитной системе трансформатора 5, через обмотку 8 и диод 9 выделяется в виде зарядного тока накопительного конденсатора 10. При таком режиме работы ПН напряжение на выходной обмотке 8 трансформатора 5 при закрытом состоянии транзисторного ключа 3 равно напряжению на накопительном конденсаторе 10 за вычетом падения напряжения на диоде 9, чем можно пренебречь, а напряжение на первичной обмотке 6 и обмотке управления 7 равно напряжению на накопительном конденсаторе 10, деленному на соответствующий коэффициент трансформации. Причем для выбранного типа трансформатора коэффициенты трансформации между всеми обмотками постоянны. Поэтому напряжение, снимаемое с обмотки управления 7 трансформатора 5 ПН на ИД 22, пропорционально напряжению на накопительном конденсаторе 10.

В ИЦ осуществляется формирование при помощи последовательно соединенных резисторов 23 и конденсатора 24 измеряемого импульса напряжения, пропорционального напряжению на накопительном конденсаторе, который подается на вход БС 25, куда поступает также стабилизированное напряжение с СТ 26, обеспечивающее в БС питание его цепей и формирование регулируемого опорного напряжения. Причем уровень опорного напряжения устанавливают таким, чтобы он был равен уровню импульса напряжения, снимаемого с конденсатора 10 ИЦ, и соответствовал заданному уровню напряжения на накопительном конденсаторе 10 после очередного цикла работы ПН. Как только это равенство достигается при работе ПН, БС переключается и вырабатывает управляющий импульс на ЭК 27, который через цепи БУС подключает коллектор транзисторного ключа 3 ПН, находящегося в закрытом состоянии, к первичной обмотке 21 импульсного трансформатора 19. При этом импульс напряжения на коллекторе транзисторного ключа 3, равный сумме напряжений источника питания и напряжения на обмотке 6 трансформатора 5, трансформируется в повышенное напряжение выходной обмотки 20 импульсного трансформатора 19, подключенной к управляющему электроду управляемого разрядника 11, вызывая пробой рабочего промежутка разрядника. В этот момент происходит разряд конденсатора 15 (АК) 16, заряженного через резистор гальванической связи 18 до уровня напряжения на накопительном конденсаторе 10, через обмотку 13 трансформатора 12, трансформируя в обмотку 14 высоковольтный импульс напряжения. Данный импульс, суммируясь с напряжением на накопительном конденсаторе 10, через рабочий промежуток разрядника 11 прикладывается к свече зажигания 17 и пробивает ее, после чего происходит разряд накопительного конденсатора на свечу зажигания с выделением энергии на ее рабочем промежутке в виде искрового разряда. Далее описанный процесс формирования искровых разрядов на свече зажигания повторяется.

Благодаря предложенной схеме измерения напряжения на накопительном конденсаторе 11 в схеме снятия управляющего сигнала на управляемый разрядник 11 заявляемая система зажигания имеет высокие эксплуатационные и энергетические характеристики, что подтверждено испытаниями опытных образцов системы зажигания.

Использование: конденсаторная система зажигания для газотурбинных двигателей (ГТД) относится к устройствам, предназначенным для розжига камер сгорания различных силовых и энергетических установок, и может быть использована в качестве системы зажигания для авиационных ГТД. Сущность изобретения: система зажигания содержит полупроводниковый преобразователь напряжения с блоком управления и стабилизации, транзисторным первым ключом, опорным резистором и первым трансформатором с первичной, управляющей и выходной обмотками. Выходная обмотка через высоковольтный диод подключена к накопительному первому конденсатору, который через управляемый разрядник и обмотку второго трансформатора активизатора подключен к свече зажигания. К управляющему электроду разрядника подключена вторичная обмотка импульсного третьего трансформатора, при этом один из концов обмотки управления первого трансформатора преобразователя соединен с измерительной цепью, выполненной на основе последовательно включенных резистора и второго конденсатора, который подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока стабилизатора, выход которого подключен к входу (по цепи питания) преобразователя напряжения, а выход устройства сравнения соединен с входом электронного второго ключа. В схеме системы зажигания предлагается выход второго ключа соединить с блоком управления и стабилизации преобразователя, к которому подключают один из концов первичной обмотки импульсного третьего трансформатора, а ее второй конец соединяют с коллектором транзисторного первого ключа преобразователя. 1 ил.

Конденсаторная система зажигания для газотурбинных двигателей, содержащая полупроводниковый преобразователь напряжения с блоком управления и стабилизации, транзисторным первым ключом, опорным резистором и первым трансформатором с первичной, управляющей обмотками и выходной обмоткой, которая через диод подключена к накопительному первому конденсатору, соединенному через разрядник и обмотку второго трансформатора активизатора со свечой зажигания, а к управляющему электроду разрядника подключена вторичная обмотка импульсного третьего трансформатора, при этом один из концов обмотки управления первого трансформатора соединен с измерительной цепью, выполненной на основе последовательно включенных резистора и второго конденсатора, который подключен к первому входу блока сравнения, а к второму его входу подключен выход блока стабилизатора, вход которого соединен с входом (по цепи питания) преобразователя, а выход устройства сравнения соединен с входом электронного второго ключа, отличающаяся тем, что выход электронного второго ключа подключен к блоку управления и стабилизации преобразователя, к которому подключен также один из концов обмотки импульсного третьего трансформатора, а ее второй конец соединен с коллектором первого транзисторного ключа преобразователя.