СПОСОБ КОНТРОЛЯ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
METHOD OF CONTROLLING GAS TURBINE ENGINE IGNITION SYSTEM

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к системам зажигания, и может быть использовано для контроля систем зажигания и оценки их работоспособности, сравнительной оценки воспламеняющей способности систем зажигания совместно с запальными устройствами, в которые установлены свечи зажигания.
Известен способ контроля систем зажигания [Алимбеков Л.И. Устройства зажигания газотурбинных двигателей и измерительные преобразователи энергии искровых разрядов: Автореферат дис. на соиск. уч. ст. к.т.н., спец-ти 05.13.05, 05.09.03. - Уфа, 1998.], заключающийся в измерении разрядного тока накопительного конденсатора агрегата зажигания на свечу, при одновременном измерении напряжения на свече зажигания (электродах свечи в искровом зазоре), перемножении значений разрядного тока и напряжения на электродах и интегрировании этого произведения, получении значения энергии, выделенной в искровом промежутке свечи, и мощности, выделенной в нем.
Недостатком этого способа являются его ограниченные функциональные возможности, поскольку он предполагает использование двух преобразовательных датчиков - датчика тока и датчика падения напряжения в свече. При одинаковой энергии, выделяемой в искровом зазоре свечей зажигания, они могут иметь различную воспламеняющую способность, которая определяется конструкцией запального устройства, в которое она установлена, конструкцией рабочего торца самой свечи, величиной искрового зазора.
Известен также способ контроля емкостных систем зажигания [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], заключающийся в том, что оптическим путем измеряют величину плазменного факела, генерируемого свечами, установленными в запальные устройства при работе в составе системы зажигания, сравнивают величину плазменного факела (по оси свечи) с заданным значением, по результатам сравнения делают вывод о пригодности систем зажигания.
Недостатком данного способа является то, что величина плазменного факела (его дальнобойность или пространственное распространение) не в полной мере позволяет оценивать воспламеняющую способность систем зажигания, т.к. в зависимости от конструкции запальных устройств и параметров систем зажигания при одной и той же протяженности плазменного факела диапазон розжига одних и тех же камер сгорания двигателей может отличаться.
Также известен способ контроля систем зажигания [Патент РФ №95409, МПК G01R 21/06, опубл. 27.06.2010 г.], реализованный в устройстве-измерителе энергии искровых разрядов в свече зажигания с использованием в качестве датчика мгновенной мощности приемника оптического излучения. Данное устройство включает фокусирующее устройство, приемник оптического излучения, усилитель, два аналоговых ключа, интегратор, аналогово-цифровой преобразователь, блок цифровой индикации, компаратор и два одновибратора, при этом фокусирующее устройство подключено к искровому разряднику в цепи зажигания, а между интегратором и аналогово-цифровым преобразователем включен калибровочный усилитель.
Недостаток данного способа заключается в том, что он применим только для свечей с открытым торцом и не пригоден для плазменных свечей зажигания, поскольку энергия и мощность выделяются только в искровом промежутке. Энергия в искровом промежутке отличается от энергии на рабочем торце свечи, это обусловливает необходимость контролировать энергию и объем плазмы, выделяемые на торце свечи, и их распространение в пространстве.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля системы зажигания двигателей [Патент РФ №2338080, МПК F02C 7/26, опубл. 10.11.2008 г.], 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. Данный способ контроля систем зажигания осуществляют следующим образом. Смачивают искровой зазор свечи нормированным количеством топлива, подключают агрегат зажигания к источнику питания, в момент протекания разрядного тока агрегата зажигания через свечу и генерации ею плазменного факела измеряют ионизационные токи плазменного факела, протекающие между рабочими поверхностями электродов, и устройства контроля в измерительном его контуре, образованном автономным источником питания, датчиком тока сравнивают регистрируемый датчиком ток в регистраторе тока с заданными значениями его параметров: амплитудой, длительностью, временем между началом разрядного тока в агрегате зажигания и началом протекания ионизационного тока плазменного факела и по результатам сравнения делают вывод о пригодности агрегата зажигания.
Недостатком описанного способа является то, что он не позволяет производить контроль систем зажигания без подачи топлива и дает возможность сравнивать между собой только свечи зажигания одного и того же типа.
Задача изобретения - упрощение процесса испытаний и контроля работоспособности систем зажигания, снижение затрат на проведение испытаний.
Технический результат - возможность проверки общей работоспособности систем зажигания, как с подачей топлива, так и без нее, сравнение систем зажигания, прогнозирование наиболее характерных отказов на стадиях разработки, доводки и эксплуатации, регистрация объема выделяющейся плазмы, определение видимой световой энергии, выделяющейся от источника, оценка дальнобойности свечи зажигания (длины выброса пламени), осуществление допускового контроля систем зажигания.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается способом контроля систем зажигания газотурбинных двигателей, заключающимся 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 измеряют оптическое отображение плазменного факела с торца свечи, фиксируемого фотоэлектрическим датчиком, установленным на заданном расстоянии от рабочего торца свечи, показания тока, напряжения, фототока регистрируют цифровым запоминающим осциллографом с датчиков тока, напряжения и фотодатчика, сравнивают значения протекающего фототока с заданными значениями и по результатам сравнения делают вывод о пригодности системы зажигания.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего данный способ контроля систем зажигания.
Устройство содержит агрегат зажигания 1, блок 2, соединяющий исследуемый искровой промежуток, например, свечу поверхностного разряда 3 и фотоприемник 4, при этом фотоприемник расположен на фиксированном расстоянии от торца свечи; преобразователь сигнала 5, устройство регистрации сигналов - цифровой осциллограф 6, аналогово-цифровой преобразователь 8, устройство обработки сигналов - ЭВМ с программным обеспечением 9, устройство отображения информации 10. Агрегат зажигания 1, блок 2, преобразователь сигнала 5 и цифровой осциллограф 6 последовательно соединены в блок 7, выход которого соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя 8, подключенного к ЭВМ 9 с устройством отображения информации 10.
Устройство работает следующим образом. Подключают агрегат зажигания 1 к источнику питания (не показан), в момент протекания разрядного тока агрегата зажигания 1 через свечу поверхностного разряда 3 измеряют оптическое отображение плазменного факела с торца свечи, фиксируемого фотоприемником 4, сравнивают регистрируемые цифровым осциллографом 6 показания тока, напряжения и фототока с заданными значениями (например, с характеристиками эталонной свечи зажигания), по результатам сравнения делают вывод о пригодности системы зажигания.
Пример конкретной реализации способа.
ф
2
К агрегату зажигания с нормированными параметрами последовательно подключают свечи зажигания с различными искровыми зазорами. При включении агрегата зажигания происходит искрообразование на рабочем торце свечи с выделением плазменного разряда. Фотоприемник располагают на фиксированном расстоянии от торца свечи. Световой поток принимается фотоприемником, на его выходе образуется фототок, амплитуда которого пропорциональна длине выброса плазмы с торца свечи, при этом интегральное значение фототока пропорционально объему выделившейся плазмы. Величину плазменного факела на срезе сопла свечи фиксируют визуально при помощи измерительной линейки, а также фото и видеокамеры с последующей раскадровкой изображений, при этом точность измерения выброса плазмы разряда составляет 0,05 мм. Фиксируют время жизни плазмы, амплитудные значения фототока и его интегральные значения за период, т.е. пространственно-временное распространение плазмы, которое определяет воспламеняющую способность свечи зажигания. Чем больше максимальные амплитудные значения фототока и его интегральные значения за период, тем выше воспламеняющая способность как свечи зажигания, так и системы зажигания в целом. Характерные осциллограммы, отражающие зависимость регистрируемых фототоков (I) от энергии агрегата зажигания (W) на примере свечи зажигания с искровым зазором 1,2 мм, представлены на фиг. 2 (при W=3 Дж) и фиг. 3 (при W=9 Дж), где по оси абсцисс показана длительность сигнала в мс, а по оси ординат - амплитудное значение напряжения в B. Они демонстрируют, что у агрегатов зажигания с разной энергией величина фототока различна. Осциллограммы сигналов, а также регистрируемые значения объема и длительности выброса плазмы разряда показали корреляционную взаимосвязь фототока и объема выброса плазмы разряда в виде линейной зависимости с коэффициентом корреляции (R) более 0,98, представленной на фиг. 4. Путем сравнения интегральных и амплитудных значений фототока различных свечей выбирают свечи зажигания с наиболее высокой воспламеняющей способностью. Чем выше эти показатели, тем лучше характеристики свечи или системы зажигания в целом.
Итак, заявляемый способ контроля систем зажигания позволяет регистрировать объем выделяющейся плазмы и определять видимую световую энергию, выделяющуюся от источника. Кроме того, он позволяет осуществлять контроль систем зажигания, как с подачей топлива, так и без нее, оценивать дальнобойность свечи (длину выброса пламени), проводить сравнение систем зажигания и может быть применен для их допускового контроля. Это позволит значительно сократить затраты на проведение испытаний систем зажигания камер сгорания газотурбинных двигателей.