УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ И ПРОВЕРКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СВЕЧЕЙ ЗАЖИГАНИЯ
DEVICE FOR TESTING AND CHECKING THE PERFORMANCE OF THE SPARK PLUGS

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания авиационных газотурбинных двигателей и может быть использовано для повышения достоверности проведения автономных испытаний свечей зажигания как в процессе проведения опытно-конструкторских работ по их разработке, так и при проведении автономных ресурсных испытаний свечей и систем зажигания в целом в процессе серийного производства при изменении конструкции свечей зажигания, при проведении их определительных и подтверждающий ресурсных испытаний.
Свечи зажигания играют важную роль в процессе инициирования горения в запальных устройствах газотурбинных двигателей. В процессе работы системы зажигания электроды свечей зажигания подвергаются постоянной электроэрозионной выработке (износу). Основными факторами, влияющими на работу свечей зажигания и их ресурсные показатели, являются энергия, выделяющаяся в их искровом промежутке при каждом разряде, температура и давление в зоне искрового зазора свечей зажигания.
Зависимость процесса электроэрозионной выработки (износа) электродов свечи зажигания от энергии, выделяющейся в ее искровом промежутке при каждом разряде, описана в [Процессы в камерах сгорания ГТД, А. Лефевр, М: Мир, 1986, стр. 242]. Каждый искровой разряд оставляет небольшую раковину на электродах в результате их электроэрозионной выработки, что приводит к увеличению величины искрового промежутка свечи. Это в свою очередь приводит к увеличению пробивного напряжения свечи и, соответственно, к дальнейшему увеличению энергии, выделяемой в ее искровом промежутке.
Рост выделяемой на свече зажигания энергии отмечается и в условиях повышенного давления в зоне рабочего торца свечи [Импульсная энергетика и электроника, Г.А. Месяц, М: Наука, 2004, стр. 109], с возрастанием давления в зоне рабочего торца возрастает выделяемая энергия. Из-за этого, выделяемая на свече зажигания энергия в условиях работающего газотурбинного двигателя значительно выше, чем в нормальных условиях. Следовательно, увеличится и электроэрозионная выработка электродов свечи зажигания. При работе системы зажигания в условиях повышенного давления в зоне ее рабочего торца также увеличивается выходное напряжение агрегата зажигания, необходимое для пробоя искрового промежутка свечи зажигания. В результате воздействия повышенного давления происходит ускоренное старение изоляции высоковольтных элементов агрегата зажигания и кабеля зажигания.
При работе свечей зажигания в составе газотурбинных двигателей на электроды свечей также воздействует повышенная температура до 1000°С и выше [Процессы в камерах сгорания ГТД, А. Лефевр, М: Мир, 1986], [Учебник. Основы конструирования авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок. Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства. Под ред. А.А. Иноземцева, М.А. Нихамкина, В.Л. Сандрацкого. М., «Машиностроение», 2008], [Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки»/С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов. М., «Машиностроение», 1989]. В этом случае происходит активное окисление поверхности электродов, в результате чего при искровом разряде уносится не только основной материал электродов, но и образовавшиеся окислы. Это дополнительно ускоряет электрическую эрозию контактов свечи зажигания.
Поэтому для оценки ресурсных показателей свечей зажигания необходимо проводить испытания при комплексном совместном воздействии описанных воздействующих факторов.
Кроме того, при каждом виде запуска двигателя (на земле, на выбеге, при авторотации, высотный, противопомпажный, дежурный), а также в процессе работы двигателя между включениями в зоне искрового промежутка свечи имеют место конкретно известные сочетания давления и температуры. То есть, испытания свечей зажигания должны проводится не только при имитации фиксированных значений давления и температуры в зоне искрового промежутка свечи, но при всех различных их сочетаниях, соответствующих различным видам запуска.
В настоящее время для подтверждения ресурсных показателей свечей зажигания проводят их длительные стендовые испытания в составе газотурбинных двигателей [Двигатели авиационные серийные для воздушных судов. Изготовление, ремонт, приемка и поставка. Общие технические условия ОТУ-2018, М: ФГБУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова», 2018], [Свеча зажигания полупроводниковая СП-92П кл. К2 8Г3.242.244ТУ], [Свеча зажигания полупроводниковая СП-24 ВИ 8Г3.242.152ТУ]. Однако по понятным причинам данные испытания являются очень затратными.
Кроме того, при внесении изменений в конструкцию элементов свечей зажигания, например, при изменении материалов контактов электродов, нормативные документы [ГОСТ 15.309] требуют проведения типовых испытаний, например, в случае внесения изменения конструкции рабочего торца свечи зажигания. Такие типовые испытания, как правило, должны проводиться в составе газотурбинного двигателя, что также является очень затратным мероприятием (высокая трудоемкость обеспечения испытаний двигателя, затраты на топливо и др.).
Известны устройства для проведения автономных испытаний и проверок свечей зажигания, описанные в [Патент США №3793582, опубликовано 19.02.1974], [Патент РФ №2338080, опубликовано 10.11.2008], [Патент РФ №2579435, опубликовано 10.04.2016], [Патент РФ №2558751, опубликовано 10.08.2015], [Патент РФ №150819, опубликовано 27.02.2015], [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, 1988. - С.78-81], [Измеритель времени ИВ-3 8Г2.746.018 РЭ УАКБ "Молния" Руководство по эксплуатации], [Измеритель амплитудных напряжений ИАН-1 8Г2.746.021 ТО. УАКБ "Молния" Техническое описание], [Патент РФ №2463523, опубликовано 10.10.2012], [Патент РФ №2608888, опубликовано 26.01.2017], [Патент РФ №2614388, опубликовано 27.03.2017], [Патент Франции №2717534, опубликовано 17.03.94], содержащие источник питания, агрегат зажигания, высоковольтный кабель, причем источник питания подключен к агрегату зажигания, высоковольтный кабель соединяет агрегат зажигания с испытуемой свечой зажигания.
При проведении автономных ресурсных испытаний и проверок свечей зажигания такие устройства позволяют наиболее просто провести проверку работоспособности свечей зажигания без использования дополнительного оборудования и приспособлений. Описанные устройства для проведения автономных ресурсных испытаний позволяют провести наработку свечей зажигания во включениях в объеме требований технического задания без использования дополнительного оборудования и приспособлений. Такие технические решения удобны для проведения автономных испытаний особенно при проведении автономных проверок системы зажигания при изготовлении перед отгрузкой потребителю.
Однако для проведения автономных ресурсных испытаний они имеют существенные недостатки. В связи с тем, что испытания проводятся без воздействия внешних воздействующих факторов, данные испытания не позволяют достоверно оценить ресурсные показатели свечей зажигания из-за отсутствия влияния повышенных давления и температуры на эрозию электродов свечи зажигания.
Частично указанных недостатков лишено принятое за прототип устройство для проведения автономных испытаний системы зажигания, описанное в [патент РФ №2678872, патент РФ №2368048], содержащее корпус воздушной камеры, штуцер подвода воздуха, установленный на корпусе воздушной камеры, манометр, источник повышенного давления, магистраль повышенного давления, соединяющую штуцер подвода воздуха, манометр и источник повышенного давления, источник питания, подключенный через выключатель питания агрегата зажигания к агрегату зажигания, высоковольтный кабель, соединяющий выход агрегата зажигания с испытуемой свечой зажигания.
Как было сказано выше, включение системы зажигания при повышенном давлении в зоне рабочего торца повышает пробивное напряжение свечи зажиг ания, в результате чего увеличивается напряжение на выходных элементах агрегата зажигания и высоковольтного кабеля зажигания, а также выделяемая в искровом промежутке свечи зажигания энергия. Это повышает достоверность проведения автономных испытаний системы зажигания.
Однако данное устройство для проведения испытаний не учитывает влияние повышенной температуры на эрозию контактов свечей зажигания. Также испытания, как правило, проводятся при фиксированном значении давления в зоне искрового промежутка, что не позволяет объективно воспроизвести электроэрозионное воздействие на контакты электродов при нагружении свечей давлением в процессе различных режимов работы двигателя, так как при работе свечей в составе двигателя на контакты электродов воздействует и повышенное давление.
Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение достоверности воспроизведения в автономных условиях параметров, воздействующих на свечи зажигания внешних воздействующих факторов, имеющих место на газотурбинном двигателе, позволяющее снизить затраты на проведение ресурсных испытаний свечей зажигания.
Поставленная задача решается устройством для испытаний и проверки работоспособности свечей зажигания, содержащим корпус воздушной камеры, штуцер подвода воздуха, установленный на корпусе воздушной камеры, манометр, источник повышенного давления, магистраль повышенного давления, соединяющую штуцер подвода воздуха, манометр и источник повышенного давления, источник питания, подключенный через выключатель питания агрегата зажигания к агрегату зажигания, высоковольтный кабель, соединяющий выход агрегата зажигания с испытуемой свечой зажигания, отличающимся тем, что в устройство дополнительно введены штуцер отвода воздуха, гермоввод термопары, гермоввод питания нагревательного элемента, нагревательный элемент, теплоизоляция, термопара, электромагнитный впускной клапан, электромагнитный выпускной клапан, регулятор давления, регулятор температуры, блок управления испытаниями, причем штуцер отвода воздуха, гермоввод термопары, гермоввод питания нагревательного элемента установлены на корпусе воздушной камеры, электромагнитный впускной клапан расположен в магистрали повышенного давления между источником повышенного давления с одной стороны и манометром и штуцером подвода воздуха с другой стороны, электромагнитный выпускной клапан соединен со штуцером отвода воздуха, к информационному входу регулятора давления подсоединен выход манометра, управляющие выходы регулятор давления подсоединены к электромагнитному впускному и выпускному клапанам, вход регулятора давления подсоединен к одному из выходов блока управления испытаниями, нагревательный элемент установлен внутри корпуса воздушной камеры на испытуемую свечу зажигания, теплоизоляция отделяет нагревательный элемент от остального объема воздуха внугри корпуса воздушной камеры и самого корпуса воздушной камеры, термопара расположена внутри теплоизоляции в непосредственной близости от испытуемой свечи зажигания, провода термопары выведены через гермоввод термопары и подсоединены к информационному входу регулятора температуры, провода от нагревательного элемента выведены через гермоввод питания нагревательного элемента и подсоединены к управляющему выходу регулятора температуры, вход регулятора температуры подсоединен ко второму выходу блока управления испытаниями, управляющий вход выключателя питания агрегата зажигания подсоединен к третьему выходу блока управления испытаниями.
Новым в заявленном изобретении является то, что в устройство дополнительно введены штуцер отвода воздуха, гермоввод термопары, гермоввод питания нагревательного элемента, нагревательный элемент, теплоизоляция, термопара, электромагнитный впускной клапан, электромагнитный выпускной клапан, регулятор давления, регулятор температуры, блок управления испытаниями, причем штуцер отвода воздуха, гермоввод термопары, гермоввод питания нагревательного элемента установлены на корпусе воздушной камеры, электромагнитный впускной клапан расположен в магистрали повышенного давления между источником повышенного давления с одной стороны и манометром и штуцером подвода воздуха с другой стороны, электромагнитный выпускной клапан соединен со штуцером отвода воздуха, к информационному входу регулятора давления подсоединен выход манометра, управляющие выходы регулятор давления подсоединены к электромагнитному впускному и выпускному клапанам, вход регулятора давления подсоединен к одному из выходов блока управления испытаниями, нагревательный элемент установлен внутри корпуса воздушной камеры на испытуемую свечу зажигания, теплоизоляция отделяет нагревательный элемент от остального объема воздуха внутри корпуса воздушной камеры и самого корпуса воздушной камеры, термопара расположена внутри теплоизоляции в непосредственной близости от испытуемой свечи зажигания, провода термопары выведены через гермоввод термопары и подсоединены к информационному входу регулятора температуры, провода от нагревательного элемента выведены через гермоввод питания нагревательного элемента и подсоединены к управляющему выходу регулятора температуры, вход регулятора температуры подсоединен ко второму выходу блока управления испытаниями, управляющий вход выключателя питания агрегата зажигания подсоединен к третьему выходу блока управления испытаниями.
Установка нагревательного элемента внутри корпуса воздушной камеры на испытуемую свечу зажигания, отделение нагревательного элемента от остального объема внутри корпуса воздушной камеры при помощи теплоизоляции, расположение термопары внутри теплоизоляции в непосредственной близости от испытуемой свечи зажигания, наличие штуцера подвода воздуха, электромагнитного впускного клапана, штуцера отвода воздуха, электромагнитного выпускного клапана, манометра, источника повышенного давления, гермоввода термопары, гермоввода питания нагревательного элемента, теплоизоляции позволяет с высокой степенью достоверности воспроизводить параметры воздействующий на свечи зажигания внешний воздействующих факторов, имеющих место на газотурбинном двигателе.
Наличие единого блока управления испытаниями, регуляторов температуры и регулятора давления позволяет с высокой скоростью изменять температуру и давление в зоне искрового промежутка испытуемой свечи зажигания по заданной программе в соответствии с полетным циклом двигателя. А управление включениями агрегата зажигания от блока управления испытаниями позволяет провести имитацию всех видов включений системы зажигания на двигателе: холодный запуск, противопомпажный запуск, запуск с авторотации, дежурное зажигания и т.д.
На фиг. 1 приведено устройство для испытаний и проверки работоспособности свечей зажигания, содержащее корпус воздушной камеры 1, штуцер подвода воздуха 2, штуцер отвода воздуха 3, магистраль повышенного давления 4, источник повышенного давления 5, манометр 6, электромагнитный впускной клапан 7, электромагнитный выпускной клапан 8, источник питания 9, агрегат зажигания 10, высоковольтный кабель 11, гермоввод термопары 12, гермоввод питания нагревательного элемента 13, нагревательный элемент 14, теплоизоляция 15, термопару 16, регулятор давления 17, регулятор температуры 18, блок управления испытаниями 19, выключатель питания агрегата зажигания 20. На фиг. 1 дополнительно обозначена испытуемая свеча зажигания 21.
Устройство работает следующим образом.
Испытуемую свечу зажигания 21 устанавливают в корпус воздушной камеры 1. Сверху на часть свечи зажигания, находящуюся внутри воздушной камеры устанавливают теплоизоляцию 15, внутри которой установлен нагревательный элемент 14, места стыков теплоизоляции 15 с корпусом воздушной камеры герметизируют при помощи негорючего материала, например, высокотемпературного гипса.
Давление в устройстве устанавливают в соответствии с полетным циклом газотурбинного двигателя при работе системы зажигания при помощи электромагнитного впускного 7 и выпускного 8 клапанов с использованием сжатого воздуха из источника повышенного давления 5. Контроль давления в устройстве осуществляют манометром 6, управление давлением осуществляют регулятором давления 17.
Температуру в устройстве устанавливают в соответствии с полетным циклом газотурбинного двигателя при работе системы зажигания при помощи нагревательного элемента 14. Контроль температуры в зоне искрового промежутка осуществляют при помощи термопары 16, управление температурой осуществляют регулятором температуры 18. Напряжение питания на нагревательный элемент подают через гермоввод питания нагревательного элемента 13, контроль температуры воздуха в зоне искрового промежутка испытуемой свечи контролируют при помощи термопары 16, провода которой выводятся наружу воздушной камеры через гермоввод термопары 12.
Управление уставками регуляторов давления 17 и температуры 18, осуществляется блоком управления испытаниями 19, в памяти которого зафиксирована циклограмма работы системы зажигания по полетному циклу двигателя при различных запусках.
Высоковольтные импульсы, генерируемые агрегатом зажигания 10, подают на испытуемую свечу зажигания через высоковольтный кабель 11, питание агрегата зажигания осуществляют от источника питания 9 через выключатель напряжения агрегата зажигания 20. Включения агрегата зажигания 10 осуществляют при помощи выключателя питания агрегата зажигания 20 по команде от блока управления испытаниями 19 по заданной программе.
Испытания проводят путем проведения включений последовательно при различных сочетаниях повышенных давлений и температур в зоне искрового промежутка свечи в соответствии с полетным циклом работы двигателя, что позволяет сымитировать все виды включений системы зажигания на двигателе: холодный запуск, противопомпажный запуск, запуск с авторотации, дежурное зажигания и т.д.
Установка нагревательного элемента 14 непосредственно на рабочий торец испытуемой свечи зажигания 20, разделение нагревательного элемента 14 и остального объема внутри корпуса воздушной камеры 1 теплоизоляцией 15 и контроль температуры в непосредственной близости от него позволяют создать требуемую испытательную температуру только локально в ограниченном объеме.
В результате такого технического решения снижается температура корпуса воздушной камеры 1. За счет этого снижается нагрузка на корпус воздушной камеры, снижается опасность его разрушения, а также снижаются требования к жаропрочности материала корпуса воздушной камеры.
Наличие двух штуцеров подачи 2 и отвода 3 воздуха, электромагнитных впускного 7 и выпускного 8 клапанов, манометра 6 позволяет при помощи внешних регуляторов устанавливать внутри воздушной камеры 1 требуемое значение давления.
Эффективность использования заявленного устройства для испытаний и проверок свечей зажигания по критерию идентичности электрической выработки контактов электродов и поверхности керамического изолятора в искровом промежутке свечи подтверждена при сравнении результатов испытаний свечей зажигания, прошедших стендовые испытания в составе современных газотурбинных двигателей, и свечей зажигания, прошедших эквивалентные испытания в составе макета установки, реализованного по примеру устройства, изображенного на фиг. 1.
Кроме этого, размещение агрегата зажигания с частью высоковольтного кабеля в термобарокамере позволит наиболее полно воспроизвести работу всей системы зажигания на двигателе при воздействии фактически имеющих место значений высокого напряжения на высоковольтные элементы агрегата зажигания и кабель зажигания.
Таким образом, предлагаемое устройство для испытаний и проверок позволяет повысить достоверность проведения автономных испытаний не только свечей зажигания, но и кабеля и агрегата зажигания, проводить автономные испытания системы зажигания при воспроизведении параметров воздействующих факторов, действующих на элементы системы зажигания, сократить затраты на проведение испытаний свечей зажигания при проведении ресурсных испытаний газотурбинных двигателей.