СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЕМКОСТНЫХ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
METHOD FOR MONITORING SERVICEABILITY OF HIGH-VOLTAGE CAPACITIVE IGNITION SYSTEMS OF GAS TURBINE ENGINES

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания, и может быть использовано для контроля технического состояния систем зажигания, установленных на двигатель.
Известен способ контроля технического состояния емкостных систем зажигания реактивных двигателей, заключающийся в том, что определяют наличие 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, 21.02.2006].
Известен способ контроля технического состояния емкостных систем зажигания реактивных двигателей, заключающийся в том, что проверяют бесперебойность искрообразования в межэлектродном зазоре свечи, величину искрового зазора между электродами свечи, величину заглубления торцевой поверхности керамического изолятора в искровом зазоре свечей зажигания [патент РФ №2717457, 03.07.2019].
Указанные способы контроля имеют ряд существенных недостатков. При их использовании:
- требуются значительные затраты времени на демонтаж свечи с двигателя, выполнение контрольных операций, повторный монтаж свечей на двигатель в условиях эксплуатации.
- необходим более ранний съем свечей зажигания с эксплуатации, то есть до достижения ими предельного предотказного состояния, т.к. нормируемая величина искрового зазора свечей, величина заглубления торцевой поверхности рабочего изолятора в камеру сгорания двигателя, при достижении которых прекращается эксплуатация свечей, вынужденно устанавливаются с запасом по отношению к предельно допустимой электроэрозионной выработке в связи с различными условиями работы свечей на двигателях одного и того же типа: по температуре, по времени работы на различных режимах, по заглублению свечи в камеру сгорания двигателя (в пределах допуска по КД на свечу и двигатель), по количеству топлива, попадаемого в искровой зазор свечи (связано с настройкой топливной системы, давлением топлива на форсунке, диаметром отверстий в форсунках) и по другим факторам, влияющим на величину электроэрозионной выработки электродов.
- необходим значительный объем статистических данных по оценке величины ионизационного тока плазменного факела, величины искрового зазора свечей, величины выработки торцевой поверхности рабочего изолятора свечей в зависимости от времени их работы в составе двигателя. Возникает необходимость разработки специального измерительного инструмента, обеспечения им технических служб эксплуатирующих организаций.
- за счет более ранней замены свечей увеличиваются затраты на логистику, в части более частой замены свечей зажигания.
- отсутствует контроль частоты следования искровых разрядов на свечах зажигания f, т.е. не идентифицируется факт снижения частоты следования искровых разрядов ниже минимально допустимого значения fmin.
Снижение частоты следования искровых разрядов ниже минимально допустимого значения приводит в ряде случаев к задержкам воспламенения топливовоздушной смеси в камерах сгорания, запускам двигателей со значительным факелением за соплом (выбросом за сопло горящего облака топливовоздушной смеси) при осуществлении наземных запусков, к так называемым «пушечным» запускам [Х.В. Кесаев, Р.С. Трофимов Надежность 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. При использовании систем зажигания совместно с пусковым воспламенителем снижение частоты следования искровых разрядов на свече может привести к уменьшению диапазона розжига камеры сгорания двигателя [В.А. Сосунов, Ю.А. Литвинов. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1975, 216 с. (см. с. 147)], [А.Н. Лефевр. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ.-М.: Мир, 1986. - 566 с. (см. с. 245)].
Кроме этого, при уменьшенной частоте искрообразования на свечах зажигания при осуществлении повторного запуска (воспламенении топливовоздушной смеси) после отсечки подачи топлива при работе противопомпажной системы двигателя (осуществлении противопомпажного запуска) [Авиационный двигатель ПС-90А: А.А. Иноземцев, Е.А. Коняев, В.В. Медведев, А.В. Нерадько, А.Е. Ресов / Под ред. А.А. Иноземцева. М.: Либра-К, 2007,320 с. (см. с. 134)] задержка воспламенения приводит к увеличению времени выхода двигателя из помпажа и восстановлению режима его работы: повторный розжиг камеры сгорания происходит при более низких оборотах турбины, соответственно, увеличивается время на восстановление имевшего место режима работы двигателя. Более позднее воспламенение топливовоздушной смеси в отдельных случаях может привести к срыву противопомпажного запуска двигателя и выключению его в полете.
Это уменьшает надежность эксплуатации газотурбинных двигателей воздушных судов.
Таким образом, применение указанных выше способов контроля характеризуется значительными затратами на проверку технического состояния емкостных систем зажигания, при этом достоверность контроля технического состояния емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов остается низкой, что приводит к съему свечей зажигания с эксплуатации до достижения ими предельного предотказного состояния.
Известен способ контроля технического состояния систем зажигания, реализованный в устройстве [Патент Франции №2717534, 17.03.94], содержащем блок детектора, к которому подключены вторичные обмотки двух датчиков тока, блок управления напряжением пробоя коммутирующего устройства, подключенный к преобразователю напряжения и к управляющему электроду коммутирующего устройства.
Данный способ контроля заключается в том, что подают внешний сигнал, например, от специального пульта, снижают напряжение пробоя коммутирующего устройства, при этом контролируют наличие разрядного тока через свечу зажигания. Это позволяет проконтролировать повышение пробивного напряжения свечи зажигания выше контрольного значения и по его превышению заменить свечу зажигания с повышенным пробивным напряжением.
Однако этот способ контроля предусматривает съем свечей после превышения их напряжения пробоя контрольного значения, т.е. еще имеющих остаточный ресурс, в течение которого возможна эксплуатация свечей, т.к. съем свечей осуществляется с запасом.
Частично указанных недостатков, лишены способы контроля емкостных систем зажигания, связанные с контролем частоты следования искровых разрядов на свечах зажигания.
Способ контроля, описанный в [Агрегат зажигания СК-44-3Б. Руководство по технической эксплуатации 8Г3.246.180РЭ], 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 снижения фактической частоты следования искровых разрядов на свечах (частоты искрообразования) ниже минимально допустимого значения частоты искрообразования fmin.
Способ контроля емкостной системы зажигания, описанный в [Патент РФ №2463523, 04.02.2011], заключающийся в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, вызванными коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение энергии, коммутируемой на свечу зажигания, 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.
Способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов, описанный в [Патент РФ №2680724, 14.03.2018], 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 сравнивают с заданным интервалом времени, характеризующим допустимую минимальную частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи. Также измеряют амплитуды первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, по отсутствию превышения разницы амплитуд первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, контрольного значения разности амплитуд первой и второй полуволн судят о работоспособности системы зажигания.
Способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов [Патент РФ №2558751, 07.07.2014], 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, 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.
Способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов, описанный в [Патент РФ №2608888, 14.09.2015 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, в процессе работы системы зажигания измеряют изменение давления окружающей среды в объеме, в котором размещен рабочий торец свечи, обусловленное воздействием на эту среду искрового разряда на рабочем торце свечи, вызванного коммутацией на свечу запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное значение, о работоспособности системы зажигания судят по превышению измеряемого давления установленного контрольного значения.
Однако указанные выше способы контроля технического состояния емкостных систем зажигания, в т.ч. принятый за прототип, связанные с контролем частоты следования искровых разрядов на свечах зажигания, приводят к съему свечей зажигания с эксплуатации до достижения предельного предотказного состояния,
т.к. нормируемая величина минимально допустимой частоты искрообразования fmin, при достижении которой прекращается эксплуатация свечей, вынужденно устанавливается с запасом по отношению к предельно допустимой частоте искрообразования.
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является повышение достоверности контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов в части контроля технического состояния свечей зажигания, что позволит в полном объеме использовать ресурсные возможности свечей зажигания до достижения ими предельного предотказного состояния.
Поставленная задача решается способом контроля работоспособности высоковольтных емкостных систем зажигания газотурбинных двигателей, заключающимся в том, что контролируют время между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора агрегата зажигания на свечу зажигания, при превышении времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора агрегата зажигания на свечу зажигания заданного контрольного его значения судят о работоспособности системы зажигания, при этом дополнительно определяют наличие не менее двух импульсов разрядного тока конденсатора активизатора через первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого включена в разрядную цепь накопительного конденсатора и коммутирующего разрядника, имеющих место перед одним или более импульсами разрядного тока накопительного конденсатора агрегата зажигания на свечи зажигания, по наличию двух и более импульсов разрядного тока конденсатора активизатора через первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого включена в разрядную цепь накопительного конденсатора агрегата зажигания, и коммутирующий разрядник, принимают решение о замене свечи зажигания. Активизатор, состоящий из ограничивающего зарядный ток сопротивления, конденсатора, разрядника, высоковольтного трансформатора, предназначен для предварительного пробоя искрового промежутка свечи [В.А. Балагуров. Агрегаты зажигания, М, Машиностроение, 1968 (см. с. 250)] и широко используется для повышения напряжения в высоковольтных агрегатах зажигания, например, ПВФ-22-20, ГТВФ-22-6С, СКНА-22-2М [8Г3.242.244ТУ, 8Г3.242.257ТУ, 8Г3.242.265ТУ].
Новым в заявляемом изобретении является то, что при контроле работоспособности высоковольтных емкостных систем зажигания газотурбинных двигателей дополнительно определяют наличие не менее двух импульсов разрядного тока конденсатора активизатора через первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого включена в разрядную цепь накопительного конденсатора и коммутирующего разрядника, имеющих место перед одним или более импульсами разрядного тока накопительного конденсатора агрегата зажигания на свечи зажигания, по наличию двух и более импульсов разрядного тока конденсатора активизатора через первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого включена в разрядную цепь накопительного конденсатора агрегата зажигания, и коммутирующий разрядник, принимают решение о замене свечи зажигания.
При приближении износа свечей зажигания к предельному, пробивное напряжение ее искрового промежутка становится близким к выходному напряжению агрегата зажигания или незначительно его превышает. При нормальной работе свечи при пробое коммутирующего разрядника через него протекают ток разряда конденсатора активизатора и ток разряда накопительного конденсатора. При отсутствии пробоя свечи зажигания ток разряда конденсатора активизатора также протекает через коммутирующий разрядник, однако ток разряда накопительного конденсатора отсутствует.
Идентификация наличия не менее двух импульсов разрядного тока конденсатора активизатора через первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого включена в разрядную цепь накопительного конденсатора и коммутирующего разрядника, имеющих место перед одним или более импульсами разрядного тока накопительного конденсатора, таким образом, позволяет выявить фактическое приближение к наступлению износа свечей зажигания, характеризующего предельное предотказное состояние, и принять решение о замене свечи зажигания именно при достижении свечей предельного предотказного состояния.
В таком функциональном состоянии без изменения частоты искрообразования ниже контрольного значения свечи зажигания могут находиться в пределах достаточно большого количества запусков двигателя. Поэтому идентификация этого режима позволит за счет повышения достоверности провести замену таких свечей не в экстренном порядке, а во время ближайших регламентных работах по двигателю.
Устройство, реализующее заявленный способ контроля, изображено на фиг. 1.
Изображенное на фиг.1 устройство содержит транзисторный преобразователь 1, выпрямитель 2, накопительный конденсатор 3, коммутирующий разрядник 4, резистор гальванической связи 5, конденсатор активизатора 6, датчик контроля активизатора 7, высоковольтный трансформатор активизатора 8, датчик контроля разряда 9, свеча зажигания 10, формирователь 11, измеритель интервала времени 12, исполнительный элемент 13, формирователь 14, счетчик 15, исполнительный элемент 16.
Предлагаемый способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов реализуется следующим способом.
Контролируют время между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора 3 при помощи датчика контроля разряда 9, формирователя 11, измерителя интервала времени 12, при не превышении времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора 3 агрегата зажигания на свечу зажигания 10, заданного в измерителе интервала времени 12 контрольного значения, судят о работоспособности системы зажигания, дополнительно при помощи датчика контроля активизатора 7, датчика контроля разряда 9 и счетчика 15 определяют наличие не менее двух импульсов разрядного тока конденсатора активизатора 6 через первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора 8, подключенного параллельно коммутирующему разряднику 4, включенного в разрядную цепь накопительного конденсатора 3 агрегата зажигания на свечу зажигания 10, имеющих место перед одним или более импульсами разрядного тока накопительного конденсатора 3 агрегата зажигания на свечу зажигания 10, по наличию двух и более импульсов разрядного тока конденсатора активизатора 6, подключенного параллельно коммутирующему разряднику 4, имеющих место хотя бы перед одним импульсом разрядного тока накопительного конденсатора 3 агрегата зажигания на свечу зажигания 10, принимают решение о замене свечи зажигания 10.
Контроль отсутствия превышения интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора 3 над контрольным значением позволяет проконтролировать соответствие частоты следования искровых разрядов требованиям к системе зажигания, т.е. определить внезапные отказы агрегата зажигания, например: при пробое высоковольтных цепей, отказе преобразователя и т.д.
Контроль наличия не менее двух импульсов разрядного тока конденсатора активизатора 6 через первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора 8 перед разрядом накопительного конденсатора 3 позволяет идентифицировать наступление состояния свечи зажигания 10, при котором пробивное напряжение свечи зажигания при отдельных импульсах превышает выходное напряжение агрегата зажигания и, соответственно, принять решение о необходимости замены свечи зажигания. При этом идентификация этого события возможна в процессе включений системы зажигания при всех видах запусков двигателя в различных условиях в зоне рабочего торца свечи (по давлению и температуре в камере сгорания, интенсивности заливания искрового зазора свечи жидкой фазой топлива) [High energy. Burland G.N. "Aerospase", 1984, 11, No. 1, pp.24-31, Экспресс информация. Испытательные приборы и стенды, №41, 1984], что выгодно отличает предлагаемый способ от аналогов и прототипа.
При нормальной работе системы зажигания при помощи счетчика 15 контролируют наличие последовательного разряда конденсатора активизатора 6, при котором по сигналу от формирователя 14 счетчик 15 увеличивает свой счет на единицу, и разряда накопительного конденсатора 3, при котором по сигналу от формирователя 11 счетчик 15 обнуляет свой счет. По сохранению выходного сигнала счетчика 15 на прежнем уровне судят о нормальном состоянии свечей зажигания. Одновременно по работе измерителя интервала времени 12 судят о соответствии превышении частоты следования импульсов разрядного тока над минимальным значением.
Наступление предотказного состояния износа электродов свечи зажигания, при котором пробивное напряжение искрового промежутка свечи зажигания становится близким к выходному напряжению агрегата зажигания или незначительно его превышает, контролируют по наличию повторного разряда конденсатора активизатора 6 при отсутствии разряда накопительного конденсатора 3. В этом случае при поступлении первого сигнала от формирователя 14 счетчик 15 увеличит счет, однако из-за отсутствия сигнала от формирователя 11 счетчик 15 не обнулит свой счет. Тогда после поступления второго сигнала от формирователя 14 счетчик 15 переключит свое выходное состояние. По такому сигналу судят о наступлении предотказного состояния износа электродов свечи зажигания.
Данный способ контроля позволяет выявить момент наступления предельного предотказного состояния износа электродов свечи зажигания, при котором пробивное напряжение искрового промежутка свечи зажигания становится близким к выходному напряжению агрегата зажигания или незначительно его превышает. В связи с тем, что выходное напряжение агрегата зажигания имеет разброс за счет разброса пробивного напряжения коммутирующего разрядника 4, при приближении значения пробивного напряжения искрового промежутка свечи к номинальному выходному напряжению агрегата зажигания, пробой может осуществляться через несколько разрядных импульсов конденсатора активизатора 6 через первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора 8. При этом частота следования искровых разрядов может быть выше пороговой, а свечу зажигания следует заменить.
Заявленный способ контроля позволяет выявлять такой режим работы системы зажигания при всех видах запуска двигателя и включениях системы зажигания при различных сочетаниях давления и температуры в зоне рабочего торца свечей зажигания, интенсивности заливания рабочего торца свечи жидкой фазой топлива, оперативно принимать решение о замене свечи зажигания.
Устройство, реализующее заявленный способ контроля, может быть реализовано при помощи других различных функциональных узлов, широко описанных в [В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника и микропроцессорная техника, М.: Высшая школа, 2005].
Эффективность использования заявляемого способа контроля работоспособности емкостных систем зажигания газотурбинных двигателей подтверждена результатами ресурсных испытаний емкостных систем зажигания.
Предлагаемый способ контроля работоспособности высоковольтных емкостных систем зажигания газотурбинных двигателей (может применяться и для контроля работоспособности низковольтных систем зажигания) выгодно отличается от известных аналогов и прототипа повышенной глубиной контроля работоспособности емкостных систем зажигания и позволяет снизить пороговую частоту следования искровых разрядов, при которой производится съем свечи, но не ниже минимально допустимой частоты, необходимой для обеспечения требуемого диапазона розжига камеры сгорания двигателя, выявлять наступление предельного предотказного состояния свечей зажигания, оперативно их заменить. Описанный выше способ контроля позволяет обеспечить эксплуатацию системы зажигания по техническому состоянию.