СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЕМКОСТНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2012 года по МПК F23Q23/00 F02P17/00 

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным агрегатам зажигания, и может быть использовано для контроля системы зажигания, установленной на двигатель, в т.ч. в процессе его запуска, а также в перерывах между запусками двигателей летательных аппаратов.

Известен способ контроля емкостной системы зажигания реактивных двигателей, заключающийся в определении наличия плазменного факела, генерируемого свечой, на нормируемом расстоянии от рабочего торца свечи, установленной в запальное устройство при работе в составе системы зажигания, при этом смачивают искровой зазор свечи нормируемым количеством жидкого топлива, измеряют ионизационный ток плазменного факела, генерируемого свечой, сравнивают параметры ионизационного тока с эталонными и по результатам сравнения делают вывод о пригодности системы зажигания [1].

К недостаткам этого способа контроля следует отнести невозможность его применения для контроля емкостных систем зажигания, установленных на двигатель.

Известен также способ обнаружения неисправности конденсаторной системы зажигания газотурбинного двигателя [2], заключающийся в обнаружении неисправности путем продувки газа через внутренние полости свечи и соединительного кабеля, измерении тока разряда накопительного конденсатора и давления внутри этих полостей. В итоге, о неисправности системы зажигания судят по появлению импульсов повышенного давления в течение времени протекания тока разряда конденсатора. Импульсное повышение давления характеризует наличие отказа в системе зажигания. Этот способ контроля позволяет выявить отказ в системе зажигания как в процессе запуска двигателя, так и при проверках работоспособности системы зажигания между запусками двигателя. Однако контроль отсутствия отказов в системе зажигания в описанном способе контроля не позволяет оценить соответствие выходных параметров системы зажигания требованиям обеспечения розжига топливной смеси в камере сгорания двигателя в заданном диапазоне высот и скоростей полета летательного аппарата, давления и температуры окружающей среды.

Для различных типов двигателей летательных аппаратов способность емкостной системы зажигания обеспечивать розжиг топливной смеси в камере сгорания в заданных условиях запуска, например, газотурбинного двигателя (наземный высотный запуск, запуск с режима авторотации, противопомпажный запуск) характеризуется минимальной энергией, запасенной на накопительном конденсаторе агрегата зажигания, которая коммутируется на свечу зажигания, и частотой следования искровых разрядов на свече зажигания, генерируемых при коммутации запасенной на накопительном конденсаторе энергии на свечу зажигания, заданных для каждого типа двигателя по условиям запуска. Эти параметры должны соответствовать определенному минимальному значению запасенной энергии Q_min и минимальной частоте искрообразования на свечах f_min [3-5].

Таким образом, для контроля работоспособности емкостных систем зажигания требуется контролировать факт, что выходные параметры системы зажигания - запасаемая на накопительном конденсаторе энергия Q и фактическая частота следования искровых разрядов на свечах f - превышают минимально допустимые соответственно Q_min и f_min.

Частично указанных недостатков, имеющихся в аналогах, лишен способ контроля емкостной системы зажигания, описанный в [6], заключающийся в том, что при работе емкостной системы зажигания измеряют время между последовательно следующими импульсами разрядного тока, обусловленными периодической коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии на свечу зажигания, по превышению этим временем заданного значения времени судят о работоспособности системы зажигания. Измерение этого промежутка времени между последовательно следующими разрядными токами накопительного конденсатора агрегата зажигания, определяющими частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи зажигания, сравнение его с заданным максимально допустимым интервалом времени позволяет оценить факт превышения фактической частоты следования искровых разрядов на свечах (частоты искрообразования) значения минимально допустимой частоты искрообразования f_min. Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, описанный в [6], принятый за прототип.

Недостатком способа контроля системы зажигания, принятого за прототип, является то, что решение о работоспособности системы зажигания принимают только по факту превышения фактической частоты следования искровых разрядов на свечах над минимально допустимой, т.е. f более f_min. Однако при уменьшении пробивного напряжения коммутирующих разрядников, с помощью которых осуществляется коммутация запасенной на накопительном конденсаторе энергии на свечу зажигания (типовая схема разрядного контура емкостной системы зажигания приведена на фиг.1) постоянной мощности преобразователя, осуществляющего преобразование напряжения питания агрегата зажигания в напряжение, используемое для заряда накопительного конденсатора, частота искрообразования на свечах зажигания увеличивается, т.к. частота искрообразования на свечах, мощность преобразователя, пробивные напряжения коммутирующего разрядника связаны следующим соотношением:

где С_н - емкость накопительного конденсатора системы зажигания;

U_пр - пробивное напряжение коммутирующего разрядника;

P₂ - мощность преобразователя;

- запасенная на накопительном конденсаторе энергия Q, коммутируемая на свечу зажигания;

f - частота следования искровых разрядов на свече.

При этом уменьшение напряжения U_пр может привести к уменьшению запасенной энергии Q менее Q_min, что в свою очередь приводит к невоспламенению топливной смеси (срыву розжига камеры сгорания) и, как следствие, к незапуску двигателя. Уменьшение пробивного напряжения коммутирующего разрядника может быть вызвано различными причинами: скрытыми дефектами при изготовлении, выявленными только в процессе эксплуатации, воздействием внешних условий (например, воздействие излучения), сбоями в работе схемы управления при использовании управляемых разрядников или твердотельных высоковольтных коммутаторов [7, 8]. При уменьшении пробивного напряжения коммутирующего разрядника частота следования искровых разрядов на свече увеличивается, что будет идентифицироваться как работоспособное состояние системы зажигания, в то время как фактическое значение запасенной энергии не будет обеспечивать воспламенение топлива. Следовательно, при проверках систем зажигания между запусками двигателя и в процессе его запуска может быть получена ложная информация о соответствии выходных параметров системы зажигания заданным, при этом впоследствии при оценке причин невоспламенения топливной смеси не будет получена достоверная информация и о причинах срыва запуска двигателя.

Кроме того, уменьшение запасенной на накопительном конденсаторе энергии Q менее Q_min или частоты f менее f_min может привести не только к незапуску двигателя, но и к его запуску с большой задержкой воспламенения топливной смеси в камере сгорания. Это приводит при больших расходах топлива к так называемым «пушечным» запускам [9] с броском давления в камере сгорания, которое за счет ударного воздействия может повредить элементы двигателя и элементы систем автоматического управления.

Таким образом, использование технического решения, реализующего способ согласно прототипу, не позволяет идентифицировать состояние системы зажигания, при котором необходимо срочно прекратить запуск двигателя в целях исключения повреждения аппаратуры управления и самого двигателя как в условиях эксплуатации, так и в процессе его разработки и стендовой отработки.

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение достоверности контроля работоспособности емкостной системы зажигания двигателя летательных аппаратов.

Поставленная задача решается способом контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов, заключающимся в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, вызванными только коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение энергии, измеренный интервал времени между указанными импульсами разрядного тока накопительного конденсатора сравнивают с заданным интервалом времени, характеризующим допустимую минимальную частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи, по их разнице судят о работоспособности системы зажигания.

Новым согласно изобретению является то, что проводят измерения интервала времени между импульсами разрядного тока накопительного конденсатора, вызванными только коммутацией запасенной на нем энергии, превышающей контрольное значение энергии, которое выбрано по условиям обеспечения надежности запуска.

Измерение интервала времени между импульсами разрядного тока накопительного конденсатора, вызванными только коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей заданные контрольные значения, позволяет оценивать состояние (работоспособность) емкостной системы зажигания не только по частоте следования искровых разрядов, равной

где t_u - интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора, но и по энергии, запасенной на накопительном конденсаторе Q.

Заявляемый способ контроля позволяет измерять только частоту следования искровых разрядов на свечах зажигания с накопленной энергией, превышающей заданное контрольное значение. Таким образом, при его использовании реализуется возможность контроля превышения необходимой энергии в агрегатах зажигания заданного значения Q_min, превышения частоты f следования искровых разрядов на свече, обусловленных коммутацией на свечу запасенной энергии Q более Q_min, значения f_min. В том случае, если за контрольное значение энергии Q_контр и минимальное значение частоты f_min принять соответственно минимальное значение запасенной энергии на накопительном конденсаторе агрегата зажигания Q_min и значение частоты следования искровых разрядов на свече зажигания, обеспечивающих необходимый диапазон розжига камеры сгорания и заданные пусковые характеристики двигателя по давлению и температуре при наземном запуске, высоте и скорости полета при высотном запуске, применение предлагаемого способа контроля позволяет повысить достоверность контроля статуса (работоспособности) системы зажигания. Проверки состояния системы зажигания могут проводиться как в процессе запуска двигателей, так и между их запусками. Применение предлагаемого способа контроля позволяет своевременно выявить параметрические отказы агрегата зажигания, приводящие к выходу запасенной энергии на накопительном конденсаторе, частоты следования искровых разрядов на свечах зажигания за допустимые пределы, исключить так называемые «пушечные» запуски двигателей и связанное с этим нарушение работы аппаратуры систем управления, нарушение целостности двигателей, получить более объективную информацию при исследовании причин срыва запуска двигателей, сократить затраты на их доводку в процессе выполнения работ по отработке запуска двигателей летательных аппаратов на этапе ОКР.

На фиг.1 представлена типовая схема разрядного контура емкостной системы зажигания.

На фиг.2 представлено устройство, поясняющее один из вариантов реализации предлагаемого способа контроля работоспособности емкостных систем зажигания двигателей летательных аппаратов, в котором измерения запасенной энергии на накопительном конденсаторе осуществляют путем измерения амплитуды значения разрядного тока накопительного конденсатора.

Измеренное значение информационного параметра - амплитуды разрядного тока, характеризующего запасенную на конденсаторе энергию, сравнивают со значением эталонного напряжения, соответствующего контрольному значению энергии Q_контр (Q_min).

Устройство, реализующее предлагаемый способ контроля, показанное на фиг.2, содержит датчик 1 разрядного тока (например, трансформатор тока), сравнивающее устройство (компаратор) 2, задатчик контрольного (эталонного) напряжения амплитуды разрядного тока 3, измеритель временного интервала (времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока) 4, исполнительный элемент (например, реле) 5. Кроме того, на фиг.2 показаны преобразователь напряжения 6, преобразующий напряжение бортовой сети в высокое напряжение, используемое для заряда накопительного конденсатора 7, выпрямитель 8, используемый для выпрямления выходного напряжения преобразователя 6, коммутирующий неуправляемый разрядник 9, резистор гальванической связи 10, свеча зажигания 11.

Устройство, реализующее предлагаемый способ контроля емкостной системы зажигания, работает следующим образом. Напряжение питания через преобразователь 6 и выпрямитель 8 заряжает накопительный конденсатор 7, который при достижении на нем напряжения, равного напряжению пробоя коммутирующего разрядника 9, разряжается на свечу зажигания 11. При пробое разрядника 9 происходит коммутация фактически запасенной на накопительном конденсаторе энергии, равной

на свечу зажигания.

При разряде запасенной на накопительном конденсаторе энергии на свечу в ее искровом промежутке генерируется искровой разряд. Процесс заряда-разрядки накопительного конденсатора периодически повторяется с частотой

где P₂ - мощность преобразователя,

Q - запасенная на накопительном конденсаторе энергия.

При разряде накопительного конденсатора 7 на свечу зажигания 11 в разрядном контуре протекает ток в форме затухающей амплитуды [10], амплитудное значение которого равно:

где I_m - амплитудное значение разрядного тока;

U_пр - пробивное напряжение коммутирующего разрядника;

L_p - индуктивность цепи разрядного контура;

R_p - активное сопротивление цепи разрядного контура.

Из представленной формулы следует, что амплитудное значение разрядного тока системы зажигания при фактических параметрах разрядного контура агрегата зажигания определяется емкостью накопительного конденсатора 7 С_н, пробивным напряжением коммутируемого разрядника 9 U_пр. Емкость накопительного конденсатора для каждого конкретного агрегата зажигания имеет определенное значение, которое может изменяться в определенном диапазоне. Разброс значений пробивного напряжения неуправляемых коммутирующих разрядников может составлять значения диапазона напряжения 2,4-3,4 кВ [11].

Для обеспечения надежного розжига топливной смеси в камере сгорания двигателя требуется, чтобы

где Q_контр, равное Q_min, f_min - соответственно контрольное (минимальное) значение энергии, запасенной на накопительном конденсаторе, коммутируемой на свечу зажигания, минимальная частота следования искровых разрядов на свече, достаточные для надежного розжига топливной смеси в камере сгорания во всех условиях запуска двигателя.

Таким образом, имеется определенное значение минимальной амплитуды разрядного тока, соответствующее Q_контр (Q_min). Контроль превышения фактической амплитуды разрядного тока при каждой коммутации запасенной на накопительном конденсаторе энергии над этим минимально допустимым значением амплитуды разрядного тока позволяет определить соответствие системы зажигания требованиям Q более Q_контр (более Q_min).

При протекании разрядного тока во вторичной обмотке датчика 1 индуктируется напряжение, по форме аналогичное форме разрядного тока, а по величине пропорциональное ему. Следовательно, с датчика 1 на вход устройства сравнения 2 (компаратора) поступает напряжение, пропорциональное разрядному току агрегата зажигания, амплитудное значение которого (амплитуда первой полуволны) пропорционально величине запасенной на накопительном конденсаторе энергии. На второй вход устройства сравнения 2 поступает эталонное напряжение, соответствующее значению запасенной энергии на накопительном конденсаторе

где ΔQ обеспечивает принятый запас по запасенной энергии, обеспечивающей надежное воспламенение топливной смеси и розжиг камеры сгорания в наиболее тяжелых условиях запуска двигателя.

При превышении величины напряжения, снимаемого с датчика 1, над величиной постоянного напряжения, поступающего на устройство сравнения 2 с задатчика контрольного значения амплитуды разрядного тока 3, т.е. при выполнении условия Q более Q_контр (более Q_min), на выходе устройства сравнения 2 возникает импульс напряжения. Последовательно следующие друг за другом разряды накопительного конденсатора, обусловленные коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии Q более Q_контр (более Q_min), создают на выходе устройства сравнения 2 последовательность импульсов напряжения. Измеритель временного интервала обеспечивает сравнение времени между последовательно следующими импульсами напряжения с заданным максимально допустимым временем между этими импульсами , которое обратно пропорционально частоте следования разрядного тока при последовательных коммутациях запасенной энергии на накопительном конденсаторе на свечу 11.

Реализация подобного измерителя интервала времени не представляет сложности и может быть выполнена различными устройствами, например, описанными в [12]. При частоте следования искровых разрядов на свечах (последовательно следующих импульсов разрядного тока накопительного конденсатора при энергии Q более Q_контр (более Q_min)) более установленного значения f_min (интервал времени между импульсами менее ) на выходе измерителя времени 4 появляется выходное напряжение, обеспечивающее срабатывание исполнительного элемента 5, например реле. Появление тока в цепях реле идентифицирует работу системы зажигания в нормальном режиме, обеспечивающем надежный запуск двигателя (Q более Q_контр (более Q_min)), f более f_min). В том случае, если по каким-либо причинам пробивное напряжение коммутирующего разрядника уменьшится, что приведет к невыполнению условия Q более Q_контр (более Q_min)), максимальное значение напряжения с выхода датчика 1 станет менее напряжения, подаваемого на устройство сравнения 2 с задатчика контрольного значения амплитуды разрядного тока 3. В этом случае на выходе устройства сравнения 2 в момент протекания разрядного тока в устройстве не возникает импульс выходного напряжения и соответственно на реле 5 не будет выходного сигнала, свидетельствующего о нормальном режиме работы (статусе) системы зажигания (Q более Q_контр (более Q_min)), f более f_min). Аналогично устройство контроля работает и при уменьшении емкости накопительного конденсатора по каким-либо причинам в условиях эксплуатации до значений, при которых Q менее Q_контр (менее Q_min)). При уменьшении частоты следования искровых разрядов на свечах (частоты следования импульсов разрядного тока накопительного конденсатора, обусловленных коммутацией на свечу запасенной на нем энергии Q более Q_контр (более Q_min) на выходе измерителя временного интервала 4 не появляется напряжение, что исключает срабатывание исполнительного элемента 5. При отсутствии выходного сигнала с исполнительного элемента 5 можно идентифицировать отказ системы зажигания (невыполнение условия Q более Q_контр (более Q_min)), f более f_min). Выходной сигнал исполнительного элемента 5 может использоваться в САУ при запуске двигателей летательных аппаратов в системах их контроля и диагностики, телеметрии.

Представленное описание работы устройства, реализующее предлагаемый способ контроля системы зажигания двигателей летательных аппаратов, иллюстрирует его преимущества над известными аналогами и прототипом:

- большую информативность и достоверность контроля;

- возможность параметрического контроля соответствия выходных параметров системы зажигания: запасенной энергии, частоты следования искровых разрядов на свечах зажигания, требованиям по условиям запуска двигателя.

Применение предлагаемого способа контроля также позволяет исключить запуск двигателя с большей задержкой воспламенения топлива в камере сгорания («пушечный» запуск), тем самым исключить повреждения аппаратуры управления двигателя и самого двигателя при имеющих место бросках давления, ударных нагрузках на конструкцию двигателя летательного аппарата.

Очевидно, что возможны и другие схемные решения, реализующие предлагаемый способ контроля емкостной системы зажигания, например, с использованием прямого измерения напряжения на накопительном конденсаторе для оценки превышения накопляемой энергии над заданным значением Q_контр (Q_min) или путем контроля величины напряжения обмотки обратной связи при использовании обратноходовых электронных преобразователей напряжения для заряда накопительного конденсатора, по аналогии с использованием напряжения этой обмотки для стабилизации и управления значением пробивного напряжения управляемых разрядников [13].

Предлагаемый способ контроля может быть с успехом применен для перевода систем зажигания на эксплуатацию по техническому состоянию, т.к. позволяет выявлять момент времени, при котором начинаются процессы изменения основных параметров, определяющих надежность запуска камеры сгорания двигателя, исключить досрочный съем агрегатов и свечей зажигания по выработке установленного времени работы по запускам (включениям, часам наработки) с выполнением этого по фактическому состоянию системы зажигания. Заявляемый способ позволяет уменьшить затраты на логистику двигателя летательных аппаратов в эксплуатации в части используемых систем зажигания, что отвечает требованиям рынка комплектующих летательные аппараты изделий.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение №2338080, 10.11.2008 г.

2. Авторское свидетельство №1083716, дата приоритета 02.02.1983 г.

3. В.А.Сосунов, Ю.А.Литвинов. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1975, 216 с. (см. с.147).

4. М.А.Алабин, Б.М.Кац, Ю.А.Литвинов // Запуск авиационных газотурбинных двигателей // М.: Машиностроение, 1968 (см. с.62).

5. А.Н.Лефевр. Измерение минимальной энергии зажигания в струе керосиновоздушной смеси. Combustion and Flame №1, август 1976.

6. Агрегат зажигания СК-44-3Б. Руководство по технической эксплуатации 8Г3.246.180 РЭ.

7. А.В.Краснов, А.Н.Мурысев. Емкостные системы зажигания нового поколения для современных и перспективных ГТД. Авиационно-космическая техника и технология: сб. научных трудов. Выпуск 19. Тепловые двигатели и энергоустановки. - Харьков; гос. аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2000 г.

8. А.В.Краснов, И.Г.Низамов, В.Н.Гладченко, А.Н.Мурысев, О.А.Попов, Ф.А.Гизатуллин. Емкостные системы зажигания для современных и перспективных ГТД. Тезисы докладов международной научной конференции «Двигатели XXI века», часть II, ЦИАМ, Москва, 2000 г.

9. X.В.Кесаев, Р.С.Трофимов. Надежность двигателей летательных аппаратов. - М.: - Машиностроение, 1982 г.

10. В.А.Балагуров. Агрегаты зажигания. М.: Машиностроение, 1968 (см. с.259).

11. Разрядник Р26 ТУ11-ОДО.339.365ТУ-85.

12. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982, 512 с. (см. с.34, рис.18.38).

13. Патент РФ на изобретение №2106518, 10.03.1998 г.

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным агрегатам зажигания, и может быть использовано для контроля системы зажигания, установленной на двигатель, в т.ч. в процессе его запуска, а также в перерывах между запусками двигателей летательных аппаратов. Способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов, заключается в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, по превышению этого времени интервала заданного значения судят о работоспособности системы зажигания, при этом измеряют интервал времени между импульсами разрядного тока, вызванными только коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей контрольное значение. Изобретение позволяет повысить достоверность контроля работоспособности емкостной системы зажигания двигателя летательных аппаратов, перевести систему зажигания на эксплуатацию по техническому состоянию. 2 ил.

Способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов, заключающийся в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, по превышению этим временем интервала заданного значения судят о работоспособности системы зажигания, отличающийся тем, что измеряют интервал времени между импульсами разрядного тока, вызванными только коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей контрольное значение.