СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЕМКОСТНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2008 года по МПК F02C7/26 

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания, и может быть использовано для контроля и оценки работоспособности системы зажигания, сравнительной оценки воспламеняющей способности емкостных систем зажигания совместно с запальными устройствами, в которые установлены свечи зажигания.

Известен способ контроля искровых свечей зажигания, реализованный в устройстве [1], заключающийся в том, что производят удар по пьезоэлементу, соединенному с искровой свечей, визуально контролируют искрообразование между электродами свечи.

Однако этот способ не позволяет контролировать и сравнивать работоспособность свечей, емкостных систем зажигания по критерию воспламеняющей способности.

Кроме того, он не позволяет контролировать работоспособность низковольтных свечей зажигания поверхностного разряда, т.к. разрядный промежуток в этих свечах (полупроводниковых и эрозионных) [2] имеет сравнительно низкое сопротивление, и напряжение, снимаемое с пьезоэлемента, снижается, т.к. последний имеет высокое выходное сопротивление.

При шунтировании искрового зазора высоковольтных свечей зажигания поверхностного разряда продуктами неполного сгорания топливной смеси рассматриваемый способ также не применим по той же причине.

Известен способ контроля работоспособности емкостных систем зажигания с низковольтными полупроводниковыми свечами зажигания, заключающийся в том, что измеряют падение напряжения на свече зажигания во время протекания подготовительной стадии электрического разряда [3] и по характеру его изменения оценивают (длительность протекания подготовительной стадии разряда не должна превышать заданных значений) работоспособность свечей зажигания, причины ее отказа [3, 4].

Этот способ позволяет контролировать работоспособность систем зажигания непосредственно при их установке на двигатели, в том числе - в процессе работы.

Однако он не позволяет контролировать высоковольтные емкостные системы зажигания с искровыми свечами зажигания, широко применяемые в настоящее время.

В таких системах зажигания характерная для низковольтных емкостных систем зажигания подготовительная стадия электрического разряда на свечах отсутствует и поэтому при электрическом пробое высоковольтного провода или высоковольтной арматуры (ее изоляции), соединяющей этот провод с агрегатом и свечей зажигания, идентифицировать отказ при использовании способа контроля по [3, 4] невозможно.

Кроме того, этот способ контроля не позволяет проводить сравнительную оценку воспламеняющей способности систем зажигания (влияние параметров систем зажигания: величины, длительности и формы разрядного тока на свечах, длины и конструкции высоковольтного кабеля, величины искрового зазора свечи, конструкции рабочего торца свечи, конструктивных особенностей запальных устройств, величины их заглубления в камеру сгорания) - на надежность розжига камер сгорания, их диапазон розжига [5] без проведения дорогостоящих поэтапных сравнительных испытаний на камерах сгорания, в составе двигателей на специальных стендах, в составе двигателей на летательных аппаратах, требующих значительных временных и финансовых затрат.

Частично указанных недостатков лишен способ контроля систем зажигания, заключающийся в том, что измеряют амплитуду разрядного тока накопительного конденсатора системы зажигания на свечу и по его величине оценивают работоспособность системы зажигания.

Данный способ реализован в устройствах контроля и системах зажигания [6, 7]. Однако и он не позволяет проводить сравнительную оценку воспламеняющей способности систем зажигания без проведения дорогостоящих и длительных по времени испытаний в составе камер сгорания, двигателей на специальных установках, испытаний на летательных аппаратах для оценки надежности розжига камер сгорания во всем диапазоне требуемых внешних условий.

Известен также способ контроля систем зажигания [8], заключающийся в измерении разрядного тока накопительного конденсатора агрегата зажигания на свечу зажигания, при одновременном измерении напряжения на свече зажигания (электродах свечи в искровом зазоре), перемножении значений разрядного тока и напряжения на электродах и интегрировании этого произведения, получении значения энергии, выделенной в искровом промежутке свечи, и мощности, выделенной в нем.

Однако при одинаковой энергии, выделяемой в искровом зазоре свечи, они могут иметь различную воспламеняющую способность, которая определяется конструкцией запального устройства, в которое она установлена, конструкцией рабочего торца самой свечи, величиной искрового зазора, а для так называемых «стреляющих» свечей [9-13] и размером рабочей разрядной камеры свечи [14].

Упомянутых выше недостатков лишен принятый за прототип способ контроля емкостных систем зажигания [14], заключающийся в оптическом измерении величины плазменного факела, генерируемого свечами, установленными в запальные устройства при работе в составе системы зажигания, сравнении величины плазменного факела (по оси свечи) с заданным значением, по результатам сравнения делают вывод о пригодности систем зажигания. Указанный способ нашел применение в устройствах контроля [15].

Как показали исследования авторов, величина плазменного выброса (его дальнобойность или пространственное распространение) не в полной мере позволяет оценивать воспламеняющую способность систем зажигания, т.к. в зависимости от конструкции запальных устройств и параметров систем зажигания при одной и той же протяженности плазменного факела диапазон розжига одних и тех же камер сгорания двигателей может отличаться.

Поэтому несмотря на относительное уменьшение затрат на сравнительные испытания воспламеняющей способности при использовании способа контроля, принятого за прототип, все же требуется проведение достаточно большого объема работ по проверке диапазона розжига камер сгорания с новой системой зажигания, в т.ч. в составе двигателей на специальных установках и летательных аппаратах.

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является упрощение процесса испытаний, контроля работоспособности емкостных систем зажигания и снижение затрат на проведение испытаний.

Поставленная задача решается способом контроля электрической системы зажигания реактивных двигателей, заключающимся в измерении значения ионизационных токов в плазменном факеле, генерируемом свечей, установленной в запальные устройства, на заданном расстоянии от рабочего торца свечи при работе в составе системы зажигания, сравнении значений ионизационных токов плазменного факела с заданными значениями, по результатам сравнения делают вывод о пригодности системы зажигания.

Новым согласно изобретению является то, что предварительно, до включения системы зажигания, смачивают искровой зазор свечи нормированным количеством жидкого топлива и измеряют ионизационный ток плазменного факела, генерируемого свечей, на нормируемом расстоянии от свечи, сравнивают параметры ионизационного тока: амплитуду, длительность, форму - с эталонными и по результатам сравнения делают вывод о пригодности системы зажигания.

Измерения ионизационных токов в пределах осевой пространственной распространенности плазменного факела, генерируемого установленной в запальное устройство свечей, обеспечивает контроль именно тех его электрофизических параметров (относительное количество ионов в первичном очаге горения), которые ответственны за инициирование воспламенения топливной смеси в камере сгорания, а их регистрация на заданном расстоянии по оси от торца запального устройства свечи зажигания позволяет сравнивать, оценивать их применительно к возможности достижения плазменным факелом зоны обратных токов камеры сгорания, в которой условия для воспламенения наиболее оптимальны [16].

Сравнение параметров ионизационного тока плазменного факела с заданными значениями (например, с имеющимися у базовой системы зажигания) позволяет при их идентичности исключить дорогостоящие и длительные сравнительные испытания новых модифицируемых систем зажигания (например, с меньшими массой, габаритами, за счет новых конструктивно-схемных решений, новых конструкций свечей зажигания и т.д.) по проверке диапазона розжига камер сгорания двигателей, находящихся уже в эксплуатации с приведением всего комплекса испытания (см. выше), что значительно сокращает затраты на выполнение работ по созданию и постановке на производство новых систем зажигания и их элементов (агрегатов, высоковольтных кабелей, свечей), а также доводку запальных устройств.

На чертеже представлены графические пояснения по работе устройства, реализующего данный способ контроля систем зажигания.

Устройство содержит автономный источник питания 1, гальванически не связанный с источником питания агрегата, датчик тока (например, безиндуктивный шунт) 2, электроды 3 и 4, регистратор тока 5 (блок согласования с регистрирующим компьютером).

Для регистрации ионизационных токов электроды 3 и 4 устанавливают таким образом, что их рабочие поверхности 6 размещались параллельно оси свечи 7 или запального устройства 8, которые подключены через высоковольтный провод 9 к высоковольтному выводу агрегата зажигания 10 (А₀ - нормируемое расстояние от рабочего торца свечи зажигания или запального устройства).

При этом электроды 3 и 4 устанавливают на заданном расстоянии А₀ от рабочего торца свечи или запального устройства, в пределах пространственной протяженности генерируемого свечей плазменного факела (А₀ должно быть одинаковым для сравниваемых систем зажигания).

Предлагаемый способ контроля емкостных систем зажигания осуществляют следующим образом.

Смачивают искровой зазор свечи 7 нормированным количеством топлива (например, керосина для авиационных газотурбинных двигателей), подключают агрегат зажигания 10 к источнику питания (не показан), в момент протекания разрядного тока агрегата зажигания 10 через свечу 7 и генерации ею плазменного факела (с воспламененным электрической искрой топливом) измеряют ионизационные токи плазменного факела, протекающие между рабочими поверхностями 6 электродов 3 и 4 устройства контроля в измерительном его контуре, образованном автономным источником питания 1, датчиком тока 2, сравнивают регистрируемый датчиком 2 ток в регистраторе тока 5 с заданными значением его параметров: амплитудой, длительностью, временем между началом разрядного тока в агрегате зажигания и началом протекания ионизационного тока плазменного факела и по результатам сравнения делают вывод о пригодности агрегата зажигания.

Плазменный факел, генерируемый с рабочего торца свечи, установленной в запальное устройство, содержащий воспламененное топливо (например, керосин) является первичным источником воспламенения - очагом воспламенения в камере сгорания.

Дальнобойность - пространственная протяженность этого факела позволяет "донести" ионизированную топливную смесь через зону первичных токов топливовоздушной смеси до зоны обратных токов в камере сгорания с наиболее благоприятными условиями для розжига топлива в ней и распространения пламени по всему ее объему.

Количество заряженных частиц в плазменном факеле на заданном расстоянии А₀, превышающем радиальную величину зоны первичных токов камер сгорания, определяет воспламеняющую способность систем зажигания.

Таким образом, измерение ионизационных токов на расстоянии А₀ в плазменном факеле позволяет оценивать или сравнивать воспламеняющую способность систем зажигания в процессе выполнения работ по разработке систем зажигания повышенной эффективности при изменении параметров разрядного контура агрегата зажигания (таких как, накопленная энергия, длительность протекания разрядного тока, его форма: периодическая или апериодическая), конструкции рабочего торца свечи (формы рабочего торца: открытая свеча или стреляющая свеча, величине искрового зазора и т.д.), величине заглубления свечи в запальном устройстве. Сравнение полученных параметров ионизационного тока с имеющимися на уже применяемой системе зажигания позволяет выбрать более эффективные системы зажигания.

Кроме этого нормирование значений ионизационных токов на заданном расстоянии А_о в технических заданиях на разработку систем зажигания позволяет облегчить разработку систем зажигания повышенной воспламеняющей способности для систем запуска с непосредственным розжигом камер сгорания газотурбинных двигателей.

Предлагаемый способ реализован при разработке свечей зажигания типа СП87ПА Кл. 92, СП-51ПМ, СП87ПН, СП-92П Кл. К2 для модифицированных двигателей типа АЛ-31Ф, РД33, ПС-90А.

Проверка воспламеняющей способности системы зажигания с этими свечами при оценке диапазонов розжига различных камер сгорания подтвердила эффективность применения предлагаемого способа контроля систем зажигания.

Предлагаемый способ контроля электрических систем зажигания выгодно отличается от ранее известных, т.к. позволяет контролировать конечный результат работы систем зажигания - электрофизические параметры генерируемого системой зажигания плазменного факела, являющегося первичным очагом пламени, который и обеспечивает розжиг камер сгорания. При этом обеспечивается контроль требуемых электрофизических параметров плазменного факела на расстоянии, соответствующем достижению им зоны обратных токов камеры сгорания.

Это позволит значительно сократить затраты на специальные виды испытаний систем испытания камер сгорания, двигателей.

Источники информации

1. Патент США №3793582, НКИ 324-15, 1974.

2. В.А.Балагуров. Аппараты зажигания. М.: Машиностроение, 1968, 352 с.

3. Измеритель времени ИВ-3.8Г2.746.018РЭ. УАКБ «Молния».

4. УАКБ «Молния». УЗЭТИ // Техническая справка №ЛС-88-54Т, ЛС-88-134.

5. В.А.Сосунов, Ю.А.Литвинов. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1975.

6. Измеритель амплитудных напряжений ИАН-1.8Г2.746.021ТО. УАКБ «Молния».

7. Патент США №5065073, Н05В 037/02, Н05В 039/04, 1991.

8. Ф.А.Гизатуллин, В.Н.Зайцев, Л.И.Алимбеков // Измеритель энергии искровых разрядов в полупроводниковых свечах зажигания. (Информационный листок о НТД 91-23). БашЦНТИ, 1991.

9. Патент РФ №2029196, МПК F02P 17/00.

10. Положительное решение по заявке на полезную модель 2005126512/22 от 22.08.2005 г.

11. Положительное решение по заявке на полезную модель 2005126317/22 от 18.08.2005 г.

12. Патент Великобритании №2195398, Н01T 13/52, 13/32, 1988 г.

13. Патент Великобритании №1322303, Н01T 13/52, 13/32, 1973 г.

14. А.Н.Мурысев, А.О.Рыбаков, А.Г.Каюмов, Ю.Д.Курдачев. Исследование рабочих процессов в стреляющих свечах зажигания и разработка методов повышения их эффективности. // Тезисы доклада на конференции «Проблемы авиации и космонавтики и роль ученых в их решении» // МинВУЗ РФ, УАИ, 1998.

15. Стенд СИПВ-1.8Г1.859.007ТО. УАКБ «Молния».

16. М.А.Алабин, Б.М.Кац, Ю.А.Литвинов // Запуск авиационных газотурбинных двигателей // М.: Машиностроение, 1968, с.228.

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания, и может быть использовано для контроля и оценки работоспособности системы зажигания, сравнительной оценки воспламеняющей способности емкостной системы зажигания совместно с запальными устройствами, в которые установлены свечи зажигания. Заявляемое изобретение решает задачу упрощения процесса испытаний, контроля работоспособности емкостных систем зажигания и снижения затрат на проведение испытаний. Поставленная задача решается способом контроля емкостной системы зажигания реактивных двигателей, заключающимся в определении наличия плазменного факела, генерируемого свечей, на нормируемом расстоянии от рабочего торца свечи, установленной в запальное устройство, при работе в составе системы зажигания, в котором предварительно смачивают искровой зазор свечи нормированным количеством жидкого топлива, измеряют ионизационный ток плазменного факела, генерируемого свечей, на нормируемом расстоянии от торца свечи, сравнивают параметры ионизационного тока с эталонными, по результатам сравнения делают вывод о пригодности системы зажигания. 1 ил.

Способ контроля емкостной системы зажигания реактивных двигателей, заключающийся в определении наличия плазменного факела, генерируемого свечей, на нормируемом расстоянии от рабочего торца свечи, установленной в запальное устройство при работе в составе системы зажигания, отличающийся тем, что предварительно смачивают искровой зазор свечи нормированным количеством жидкого топлива, измеряют ионизационный ток плазменного факела, генерируемого свечей, на нормируемом расстоянии от торца свечи, сравнивают параметры ионизационного тока с эталонными, и по результатам сравнения делают вывод о пригодности системы зажигания.