СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЕМКОСТНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
CONTROL OVER AIRCRAFT ENGINE CAPACITIVE IGNITION SYSTEM

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным агрегатам зажигания, и может быть использовано в процессе проектирования систем зажигания (ее составных частей: агрегатов, проводов, свечей зажигания), их испытаний в процессе серийного производства для подтверждения качества изготовления составных частей систем зажигания при проведении их выборочного контроля.
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 [патент РФ №2338080, дата публикации 10.11.2008 г.].
К недостаткам этого способа контроля следует отнести невозможность его применения для контроля (оценки) работоспособности системы зажигания, ее составных частей в условиях пониженного давления окружающей среды при проверке качества их изготовления, выборочных автономных контрольных испытаниях систем зажигания, их составных частей при пониженном атмосферном давлении.
Известен также способ обнаружения неисправности конденсаторной системы зажигания газотурбинного двигателя [авторское свидетельство SU 1083716, дата приоритета 02.02.1983 г.], 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 описанный способ контроля отсутствия отказов в системе зажигания не позволяет оценить соответствие выходных параметров системы зажигания требованиям обеспечения розжига топливной смеси в камере сгорания двигателя в том случае, если в системе зажигания не предусмотрен или невозможен наддув избыточным давлением внутренней полости высоковольтного провода свечей зажигания.
min
min
Для различных типов двигателей летательных аппаратов способность емкостной системы зажигания обеспечивать розжиг топливной смеси в камере сгорания в заданных условиях запуска 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 и минимальной частоте искрообразования на свечах f [В.А. Сосунов, Ю.А. Литвинов. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1975, 216 с. (см. с.147); М.А. Алабин, Б.М. Кац, Ю.А. Литвинов // Запуск авиационных газотурбинных двигателей // М.: Машиностроение, 1968 (см. с.62); А.Н. Лефевр. Измерение минимальной энергии зажигания в струе керосиновоздушной смеси. Combustion and Flame №1, август 1976 г.].
min
min
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 и f.
min
Частично указанных недостатков лишен способ контроля емкостной системы зажигания, описанный в [Агрегат зажигания СК-44-3Б. Руководство по технической эксплуатации 8Г3.246.180 РЭ], 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
Указанный способ реализуется при использовании типовой схемы разрядного контура емкостной системы зажигания, представленной на фиг. 1, содержащей преобразователь напряжения 1, выпрямитель 2, накопительный конденсатор 3, разрядник 4, резистор гальванической связи 5, свечу зажигания 6. Недостатком указанного способа контроля системы зажигания 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.
При уменьшении пробивного напряжения коммутирующих разрядников 4, с помощью которых осуществляется коммутация запасенной на накопительном конденсаторе 3 энергии на свечу зажигания 6 постоянной мощности преобразователя 1, осуществляющего преобразование напряжения питания агрегата зажигания в напряжение, используемое для заряда накопительного конденсатора 3, частота искрообразования на свечах зажигания 6 увеличивается, т.к. частота искрообразования на свечах 6, мощность преобразователя 1, пробивные напряжения коммутирующего разрядника 4 связаны следующим соотношением:
н
где С - емкость накопительного конденсатора системы зажигания;
пр
U - пробивное напряжение коммутирующего разрядника;
2
P - мощность преобразователя;
- запасенная на накопительном конденсаторе энергия Q, коммутируемая на свечу зажигания;
f - частота следования искровых разрядов на свече.
пр
min
При этом уменьшение напряжения U может привести к уменьшению запасенной энергии Q менее Q, 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 [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.; 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 «Двигателя XXI века», часть II, ЦИАМ, Москва, 2000 г.]. 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.
min
min
Кроме того, уменьшение запасенной на накопительном конденсаторе энергии Q менее Q или частоты f менее f 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 [X.В. Кесаев, Р.С. Трофимов. Надежность двигателей летательных аппаратов. - М.: - Машиностроение, 1982 г.] 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 указанный способ контроля, 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.
1
2
-1
Кроме этого описанный способ контроля также не обеспечивает возможность контроля работоспособности систем зажигания и ее составных частей в условиях пониженного давления окружающей среды при проверке качества их изготовления, выборочных автономных контрольных испытаниях систем зажигания, их составных частей при пониженном атмосферном давлении. Так, например, при помещении системы зажигания в условия пониженного давления одновременно с протеканием искрового разряда на рабочем торце свечи зажигания возможен и электрический разряд - пробой по поверхности электрических изоляторов свечи или концевой заделки провода зажигания (по ножке керамического изолятора L свечи или керамического изолятора L контактного устройства провода зажигания (см. фиг. 2)). Уменьшение электрической прочности по поверхности электрических изоляторов свечи и концевой заделки высоковольтного провода в условиях пониженного давления окружающей среды связано с тем, что с уменьшением давления окружающей среды согласно закону Пашена [Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. - Новосибирск: Наука, 1982 г. (см. с.66)] изменяется и пробивное напряжение между поверхностями, имеющими различный электрический потенциал. При давлениях окружающей среды (воздуха) от 10 мм рт.ст. до 10 мм рт.ст. пробивное напряжение достигает минимальных значений.
При пониженном давлении окружающей систему зажигания среды и увеличенном давлении в зоне искрового промежутка свечи, обусловленном подачей компонентов топлива, пробивное напряжение искрового промежутка свечи может превысить электропрочность (пробивное напряжение) электрической изоляции свечи и провода зажигания в зоне его концевой заделки в свече зажигания. В этом случае электрический пробой будет локализоваться только по изоляции свечи и провода зажигания.
-1
При дальнейшем понижении давления - ниже 10 мм рт.ст. - электропрочность изоляции начинает возрастать. Однако в этих условиях значительное влияние на процессы пробоя электрической изоляции по поверхности диэлектрика оказывает локальная местная напряженность электрического поля, используемые материалы для изоляторов, состояние их поверхности. Эти процессы также могут приводить к пробою изоляции свечи и провода зажигания. Поэтому при использовании указанного способа контроля достоверно проконтролировать работоспособность системы зажигания и ее составных частей в условиях пониженного давления не представляется возможным, так как контроль наличия и периодичности разряда (времени между разрядами) накопительного конденсатора не дает достоверной оценки о том, где локализован искровой разряд - в искровом промежутке свечи зажигания или он реализуется в виде пробоя электрической изоляции свечи или провода зажигания. Пробой изоляции может привести также к задержке воспламенения компонентов топлива за счет искрообразования в искровом промежутке свечи с перебоями или к полному отсутствию искрообразования в искровом промежутке свечи и, соответственно, к указанным выше «пушечным» запускам двигателя и невоспламенению компонентов топлива.
Частично указанных недостатков лишен способ контроля емкостной системы зажигания [патент РФ №2463523, дата публикации 10.10.2012 г.], принятый за прототип, заключающийся 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.
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
u
где t - интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора, но и по энергии, запасенной на накопительном конденсаторе Q.
min
min
min
контр
min
min
Способ контроля, принятый за прототип, 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, превышения частоты f следования искровых разрядов на свече, обусловленных коммутацией на свечу запасенной энергии Q более Q, значения f. В том случае, если за контрольное значение энергии Q и минимальное значение частоты f принять соответственно минимальное значения запасенной энергии на накопительном конденсаторе агрегата зажигания Q 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.
Однако способ контроля емкостной системы зажигания, принятый за прототип, как и аналоги, не обеспечивает контроля работоспособности системы зажигания при ее использовании в условиях пониженного давления окружающей среды. Так, в процессе проведения ОКР для подтверждения правильности выбора длины электрических перекрытий, определяющих электропрочность изоляции свечи и провода зажигания, конструкции свечи и концевой заделки провода зажигания для работы в условиях пониженного давления (при воздействии на искровой промежуток на рабочем торце свечи давления компонентов топлива или имитации их воздействия на рабочий торец), система зажигания должна подвергаться соответствующим испытаниям в условиях пониженного давления. При возникновении пробоя электрической изоляции свечи или концевой заделки провода зажигания (см. фиг. 2) использование способа контроля, принятого за прототип, не выявит такого отказа и может быть принято решение о достаточности длины электрических перекрытий изоляции свечи и провода зажигания, то есть для серийного производства будет принята система зажигания (ее составные части), не обеспечивающая надежную работу в заданных условиях эксплуатации - при пониженном давлении окружающей среды.
Использование способа контроля работоспособности, принятого за прототип, по этим причинам может не дать достоверной оценки работоспособности системы зажигания, ее составных частей в условиях пониженного давления окружающей среды и при проверке качества изготовления системы зажигания на этапе серийного производства при выборочных автономных контрольных испытаниях системы зажигания, ее составных частей.
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является повышение достоверности контроля работоспособности емкостной системы зажигания двигателей 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, одновременно через щель, выполненную в корпусе свечи параллельно ее оси, в процессе работы системы зажигания контролируют отсутствие свечения внешней поверхности экранного коаксиального керамического изолятора свечи, по отсутствию свечения керамического коаксиального изолятора и разнице между измеренным интервалом времени и заданным интервалом времени, характеризующим минимально допустимую частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи, судят о работоспособности системы зажигания.
min
Выполнение одновременно с контролем разницы между измеренным интервалом времени и заданным интервалом времени, характеризующим минимальную частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи, контроля отсутствия свечения внешней поверхности коаксиального керамического изолятора через щель в корпусе свечи при испытаниях системы зажигания в условиях пониженного давления позволяет не только контролировать создание системой зажигания импульсов разрядного тока, вызванных разрядом накопительного конденсатора агрегата зажигания, запасенной энергией Q более минимально допустимого Q, обеспечивающего воспламенение компонентов топлива в заданных условиях запуска двигателя, но и отсутствие электрического пробоя электрической изоляции свечи и провода зажигания и, таким образом, обеспечение искровых разрядов в искровом промежутке свечи.
2
3
2
Свечение внешней поверхности коаксиального керамического изолятора в щели корпуса свечи свидетельствует о наличии электрического пробоя по поверхности ножки изолятора свечи или изолятора контактного устройства концевой заделки провода зажигания, так как материал коаксиального изолятора свечи - высокоглиноземистая керамика, содержащая, например, (90-94)% AlO, (4-4,4)% SiO, (1-1,6)% СаО в массовом отношении - как показывают проведенные экспериментальные исследования, обеспечивает пропускание через себя излучения электрического разряда в широком диапазоне видимой части спектра. Это позволяет как визуально, так и инструментально, например, с помощью фотодиодов или фотоэлектронных умножителей идентифицировать наличие пробоя по поверхности изоляторов свечи зажигания и концевой заделки провода зажигания.
Отсутствие свечения внешней поверхности коаксиального керамического изолятора в щели корпуса свидетельствует соответственно о сохранении электропрочности электрическими перекрытиями изоляции свечи - ножкой изолятора и изолятором контактного устройства концевой заделки провода зажигания - что подтверждает наличие в искровом промежутке свечи необходимой для воспламенения компонентов топлива доли энергии, запасенной на накопительном конденсаторе. Таким образом, подтверждается работоспособность системы зажигания при заданном пониженном давлении окружающей среды (в зоне расположения агрегата зажигания, провода зажигания, части свечи, выступающей из камеры сгорания двигателя).
Следовательно, предлагаемый способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов имеет большую достоверность по сравнению с известными аналогами и прототипом.
Предлагаемый способ может применяться как в процессе ОКР при выборе размеров ножки изолятора свечи, длины изолятора контактного устройства, других размеров и формы конструктивных элементов свечи и провода зажигания в месте их соединения, так и для выборочного контроля качества изготовления свечи зажигания в составе системы зажигания при автономных испытаниях в условиях серийного производства.
На фиг. 2 представлено конструктивное исполнение типовой свечи зажигания в соединении с проводом зажигания.
На фиг. 3 представлено конструктивное исполнение свечи зажигания, используемой при работе системы зажигания - пояснение к предлагаемому способу контроля.
Способ контроля реализуется при использовании свечи зажигания, представленной на фиг. 3, содержащей трубчатый металлический корпус 7, экранный керамический изолятор 8, расположенный коаксиально трубчатому металлическому корпусу 7, керамический изолятор 9, герметично закрепленный в трубчатом металлическом корпусе 7, центральный электрод 10, герметично закрепленный в керамическом изоляторе 9, при этом в трубчатом металлическом корпусе 7 параллельно оси свечи зажигания выполнена щель 11, которая локализована в месте расположения экранного керамического изолятора 8 и протяженность которой равна или более длины экранного керамического изолятора 8.
Способ осуществляют следующим образом. Свечу зажигания со щелью в трубчатом металлическом корпусе подключают к агрегату зажигания с помощью провода зажигания и помещают в вакуумную камеру, при этом свечу располагают так, чтобы щель в ее трубчатом металлическом корпусе наблюдалась через окно вакуумной камеры. При достижении необходимого пониженного давления в вакуумной камере на агрегат зажигания подают напряжение питания. Затем измеряют интервал между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, вызванными только коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение энергии, сравнивают измеренный интервал времени с заданным интервалом времени, характеризующим допустимую минимальную частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи. По наличию/отсутствию свечения внутри вакуумной камеры и по разнице между измеренным интервалом времени и заданным интервалом времени, характеризующим минимально допустимую частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи, судят о работоспособности системы зажигания: в случае внутреннего электрического пробоя свечи зажигания в щели трубчатого металлического корпуса свечи зажигания через смотровое окно вакуумной камеры наблюдают свечение внешней поверхности экранного керамического изолятора, что свидетельствует о неработоспособности системы зажигания.
Контроль отсутствия свечения внешней поверхности коаксиального керамического изолятора через щель в корпусе свечи может осуществляться органолептическим методом - визуально через окно в затемненной вакуумной камере, в которую установлена система зажигания или с помощью фотоэлектронных умножителей или фотодиодов, установленных в вакуумной камере.
На этапе ОКР свечи зажигания для выбора геометрических параметров их электрических перекрытий должны изготавливаться специально со щелью в корпусе. Для выборочного контроля качества изготовления системы зажигания в условиях серийного производства щель в корпусе свечи выполняется непосредственно перед проведением специальных испытаний отобранной для них системы зажигания при пониженном давлении. При этом длина щели выполняется равной длине коаксиального керамического изолятора свечи, что обеспечивает контроль всей длины электрического перекрытия (изоляции) соединенных свечи и провода зажигания.
Представленное описание использования предлагаемого способа контроля емкостной системы зажигания иллюстрирует его преимущества перед известными аналогами и прототипом:
- большую информативность и достоверность контроля;
- возможность в процессе ОКР и серийного производства контролировать качество и стабильность выходных параметров системы зажигания в условиях эксплуатации.
Кроме этого предлагаемый способ контроля может быть применен и для контроля емкостной системы зажигания в составе двигателя в условиях его испытаний и эксплуатации. Очевидно, что в этом случае контроль отсутствия свечения в щели в корпусе свечи осуществляется аппаратно с использованием фотоприемников. При этом наличие сигнала с фотоприемников свидетельствует об имеющих место электрических пробоях изоляции соединения свечи и провода зажигания.
Заявляемый способ контроля успешно апробирован в процессе создания систем зажигания для двигателей летательных аппаратов и позволяет уменьшить затраты на выполнение ОКР и контроль качества выпускаемых систем зажигания и их составных частей.