УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЕМКОСТНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINE CAPACITIVE IGNITION SYSTEM CONTROL DEVICE

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным агрегатам зажигания, и может быть использовано для контроля систем зажигания, установленных на двигатели воздушных судов.
Известно устройство контроля емкостной системы зажигания реактивных двигателей [Патент РФ №2338080, 21.02.2006], содержащее датчик ионизационного тока, электроды, расположенные с двух сторон от искрового промежутка свечи зажигания на нормированном расстоянии, регистратор ионизационного тока. Вывод о работоспособности свечи зажигания осуществляют по результатам оценки параметров ионизационного тока (амплитуда, длительность, форма) и сравнения с эталонными значениями.
К недостаткам этого устройства контроля следует отнести невозможность его применения для контроля емкостных систем зажигания, установленных на двигатель. Также данный способ контроля не позволяет контролировать частоту следования импульсов разрядного тока - частоту искрообразования на свечах зажигания.
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.
Частично указанных недостатков лишено устройство [Патент Франции №2717534, опубликовано 17.03.94], содержащее 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.
Данное устройство контроля позволяет по поступлению внешнего сигнала, например, от специального пульта, снизить напряжение пробоя коммутирующего устройства, контролируя при этом 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 данное устройство также имеет существенные недостатки.
Съем свечей зажигания осуществляют после превышения их напряжения пробоя контрольного значения, тогда как свечи зажигания еще имеют значительный остаточный ресурс, на который возможно продлить их эксплуатацию, что ведет к экономическим потерям.
Проверка свечей зажигания возможна только автономно, без запуска двигателя, так как попытка осуществления запуска двигателя со сниженным выходным напряжением системы зажигания и накопленной в агрегате зажигания энергии может привести к задержкам воспламенения двигателя, в том числе к так называемым «пушечным» запускам, при которых возможно повреждение элементов конструкции двигателя [Х.В. Кесаев, Р.С. Трофимов Надежность летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982 г.] или незапуск двигателя из-за срыва воспламенения топливоздушной смеси.
Кроме этого данное устройство контроля также, как и описанные выше, не позволяет контролировать частоту следования импульсов разрядного тока, которая, как указано выше, во многом определяет надежность воспламенения компонентов топлива в двигателе.
Известны устройства для контроля емкостной системы зажигания двигателей воздушных судов, описанные в [Агрегат зажигания СК-44-3Б. Руководство по технической эксплуатации 8Г3.246.180 РЭ], содержащее датчик разрядного тока, измеритель временного интервала (времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока) и формирователь сигнала контроля.
Данное устройство позволяет осуществить контроль работоспособности емкостной системы зажигания, установленной непосредственно на двигатель, а также проконтролировать частоту следования импульсов разрядного тока.
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения достаточной контролепригодности системы зажигания, т.к. решение о работоспособности системы зажигания принимают только по факту превышения фактической частоты следования искровых разрядов на свечах минимально допустимого значения. Фактически устройство контроля позволяет контролировать только внезапные отказы агрегата зажигания (пробой накопительного конденсатора, отказ преобразователя и др.).
В процессе работы системы зажигания происходит постепенный износ контактов электродов за счет электроэрозионной выработки [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 к дальнейшему увеличению энергии, выделяемой в ее искровом промежутке, что приводит к дальнейшему увеличению электроэрозионной выработки электродов свечи зажигания.
При значительной наработке свечи зажигания наступает предельное состояние износа ее электродов, при котором пробивное напряжение искрового промежутка свечи зажигания становится близким к выходному напряжению агрегата зажигания. Данное выходное напряжения агрегата зажигания определяется пробивным напряжением коммутирующего разрядника, до которого заряжается конденсатор активизатора: при разряде конденсатора активизатора через первичную обмотку высоковольтного трансформатора, на его вторичной обмотке генерируется импульс высокого напряжения, предназначенный для предварительного пробоя искрового промежутка свечи [В.А. Балагуров. Агрегаты зажигания, М., Машиностроение, 1968 (см. с. 250)]. В связи с разбросом пробивного напряжения коммутирующего разрядника, выходное напряжение афегата зажигания также имеет разброс значений.
При нормальной работе агрегата зажигания после пробоя коммутирующего разрядника первоначально на свече зажигания генерируется импульс высокого напряжения, вызванный разрядом конденсатора активизатора через высоковольтный трансформатор, имеющий малую длительность, порядка нескольких десятков наносекунд, который приводит к пробою искрового промежутка свечи зажигания. После этого происходит основной разряд накопительного конденсатора на свечу зажигания.
При приближении или превышении значения пробивного напряжения искрового промежутка свечи выходного напряжения афегата зажигания перед пробоем искрового промежутка свечи возникают отдельные задержки искрообразования. При этом конденсатор активизатора разряжается через первичную обмотку высоковольтного трансформатора, генерируя на его вторичной обмотке импульс высокого напряжения. Однако величины напряжения этого импульса из-за его разброса недостаточно для пробоя искрового промежутка. В этом случае разряда накопительного конденсатора не произойдет, а коммутирующий разрядник закроется. После повторного заряда конденсатора активизатора коммутирующий разрядник откроется вновь и будет осуществлена еще одна попытка пробоя искрового промежутка свечи зажигания.
При возникновении этого явления пробой искрового промежутка свечи может осуществляться через несколько таких попыток, что приведет к задержке генерации искрового разряда. Устройство контроля [Афегат зажигания СК-44-3Б. Руководство по технической эксплуатации 8Г3.246.180 РЭ] позволит выявить только значительные задержки генерации искровых разрядов, превышающие контрольное значения, при котором эксплуатация свечей зажигания уже невозможна. Это потребует проведения немедленной замены свечей зажигания, что может привести к задержке вылета воздушного судна и финансовым потерям.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство [патент РФ №2614388, 14.09.2015], выбранное за прототип, содержащее датчик разрядного тока, устройство сравнения, задатчик контрольного значения напряжения амплитуды разрядного тока, измеритель временного интервала времени, формирователь сигнала контроля, причем выход датчика разрядного тока соединен с первым входом устройства сравнения, выход задатчика контрольного значения напряжения амплитуды разрядного тока подключен к второму входу устройства сравнения, выход измерителя временного интервала подключен к формирователю сигнала контроля, измерительный преобразователь давления окружающей среды, содержащий последовательно соединенные датчик давления окружающей среды, усилитель, задатчик контрольного напряжения давления окружающей среды, второе устройство сравнения, одновибратор, логическое устройство «И», при этом выход измерительного преобразователя давления окружающей среды подключен к первому входу второго устройства сравнения, выход задатчика контрольного напряжения давления окружающей среды подключен ко второму входу второго устройства сравнения, выход устройства сравнения подключен к входу одновибратора, выход которого, а также выход второго устройства сравнения подключены к логическому устройству «И», выход логического устройства «И» подключен к входу измерителя временного интервала.
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения достаточной контролепригодности системы зажигания, т.к. решение о работоспособности системы зажигания также принимают только по факту превышения фактической частоты следования искровых разрядов на свечах минимально допустимого значения и отсутствует возможность идентификации наступления предельного состояния износа свечи зажигания. Это приводит к необходимости прекращения эксплуатации свечи зажигания и замены ее на новую задолго до наступления ее предельного предотказного состояния.
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является повышение глубины контроля технического состояния емкостных систем зажигания газотурбинных двигателей воздушных судов с целью обеспечения их эксплуатации по техническому состоянию и уменьшению затрат на обеспечение жизненного цикла двигателя на этапе эксплуатации.
Поставленная задача решается устройством контроля емкостной системы зажигания газотурбинных двигателей воздушных судов, содержащим датчик разрядного тока накопительного конденсатора, первый одновибратор, измеритель временного интервала, формирователь сигнала контроля, в котором выход измерителя интервала времени подключен к первому выходу формирователя сигнала контроля, отличающимся тем, что в схему дополнительно введены датчик разрядного тока конденсатора активизатора, второй одновибратор, счетчик, причем датчик разрядного тока конденсатора активизатора включен в цепь конденсатора активизатора, выход датчика разрядного тока накопительного конденсатора подсоединен ко входу первого одновибратора, выход первого одновибратора подключен ко входу измерителя интервала времени и ко входу сброса счетчика, выход датчика разрядного тока конденсатора активизатора подключен ко входу второго одновибратора, выход второго одновибратора подсоединен ко счетному входу счетчика, выход счетчика подсоединен ко второму входу формирователя сигнала контроля.
Новым согласно заявленному изобретению является то, что в схему дополнительно введены датчик разрядного тока конденсатора активизатора, второй одновибратор, счетчик, причем датчик разрядного тока конденсатора активизатора включен в цепь конденсатора активизатора, выход датчика разрядного тока накопительного конденсатора подсоединен ко входу первого одновибратора, выход первого одновибратора подключен ко входу измерителя интервала времени и ко входу сброса счетчика, выход датчика разрядного тока конденсатора активизатора подключен ко входу второго одновибратора, выход второго одновибратора подсоединен ко счетному входу счетчика, выход счетчика подсоединен ко второму входу формирователя сигнала контроля.
При приближении износа свечей зажигания к предельному пробивное напряжение ее искрового промежутка становится близким к выходному напряжению агрегата зажигания. 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.
Одновременный контроль количества импульсов разряда конденсатора активизатора, предназначенного совместно с высоковольтным трансформатором для предварительного пробоя искрового промежутка свечи, при помощи второго одновибратора и счетчика и контроль интервала времени между импульсами разрядного тока накопительного конденсатора при помощи первого одновибратора и измерителя временного интервала позволяют идентифицировать нормальную работу афегата зажигания и выявить приближение выработки электродов свечи зажигания к предельной, при котором пробивное напряжение искрового промежутка свечи зажигания становится близким к выходному напряжению афегата зажигания. Заявленное устройство позволяет выявлять такой режим работы системы зажигания и оперативно заменить свечу зажигания при ближайшем техническом обслуживании воздушного судна без приостановки его эксплуатации.
Кроме того, заявленный устройство контроля позволяет осуществить проверку состояния свечей зажигания на всех видах запуска двигателя при различных условиях в зоне искрового промежутка свечи зажигания по давлению и температуре. Это обеспечивает повышенную контролепригодность устройства контроля.
На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства конфоля емкостной системы зажигания двигателей воздушных судов.
Устройство конфоля емкостной системы зажигания содержит первый датчик тока 9, второй датчик тока 7, первый одновибратор 11, измеритель интервала времени 12, формирователь сигнала конфоля 13, второй одновибратор 14, счетчик 15.
На фиг. 1 также показаны элементы системы зажигания: фанзисторный преобразователь 1, выпрямитель 2, накопительный конденсатор 3, разрядник 4, резистор гальванической связи 5, конденсатор активизатора 6, высоковольтный фансформатор 8, свеча зажигания 10.
Устройство работает следующим образом.
При работе системы зажигания транзисторный преобразователь 1 преобразует напряжение питания в импульсы высокого напряжения, которые через выпрямитель 2 заряжают накопительный конденсатор 3 и через резистор гальванической связи 5 конденсатор активизатора 6. При достижении на накопительном конденсаторе 3 и конденсаторе активизатора 6 напряжения, равного напряжению пробоя разрядника 4, последний открывается, и начинается процесс разряда конденсаторов. Так как емкость конденсатора активизатора 6 много меньше емкости накопительного конденсатора 3, его разряд происходит значительно быстрее, порядка десятков наносекунд. При прохождении разрядного тока конденсатора активизатора через первичную обмотку высоковольтного трансформатора 8, на его вторичной обмотке генерируется высоковольтный импульс напряжения, который складывается с напряжением накопительного конденсатора. Указанный импульс высокого напряжения позволяет инициировать первоначальный пробой свечи зажигания 10, по каналу носителей зарядов от которого происходит уже пробой накопительного конденсатора.
При прохождении импульса разрядного тока конденсатора активизатора 6 через первичную обмотку второго датчика тока 7, на его вторичной обмотке формируется импульс напряжения, по поступлению которого второй одновибратор 14 формирует прямоугольный импульс, который поступает на счетный вход счетчика 15, счет счетчика при этом увеличивается на единицу.
При прохождении импульса разрядного тока накопительного конденсатора 3 через первичную обмотку первого датчика тока 9, на его вторичной обмотке формируется импульс напряжения, по поступлению которого первый одновибратор 11 формирует прямоугольный импульс, который поступает на вход измерителя интервала времени 12 и вход сброса счетчика 15. Измеритель интервала времени 12, выполненный, например, на основе RC цепи, контролирует не превышение интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока контрольного значения, что показывает превышение фактической частоты следования разрядным импульсов над контрольным значением.
При нормальной работе системы зажигания, когда ресурс свечей еще далек от предельного, сброс счета счетчика происходит каждый раз при прохождении импульса разрядного тока накопительного конденсатора 3, и счетчик не завершает счет.
При значительной наработке свечи зажигания наступает ее предельное состояние износа (предотказное состояние), при котором пробивное напряжение искрового промежутка свечи зажигания 10 становится близким к величине импульса с высоковольтного трансформатора 8. В связи с тем, что выходное напряжение агрегата зажигания имеет разброс за счет разброса пробивного напряжения разрядника 4, при приближении значения пробивного напряжения искрового промежутка свечи 10 к величине импульса с высоковольтного трансформатора 8 пробой может осуществляться через несколько разрядных импульсов конденсатора активизатора 6 через первичную обмотку импульсного высоковольтного трансформатора 8. В этом случае по поступлению нескольких импульсов от второго одновибратора 14 (в зависимости от модуля счета выбранного счетчика) счетчик 15 завершит счет и выдаст на формирователь сигнала контроля соответствующий сигнал.
Формирователь сигнала контроля 13, который, например, может быть выполнен в виде дешифратора на микросхеме К176ИД3, в зависимости от поступления сигналов от измерителя интервала времени 12 и счетчика 15 на входы А0 и А1 выдает на выходе код, который может быть использован системой управления двигателя для идентификации состояния системы зажигания. Устройство контроля с использованием дешифратора может выдать различные сигналы контроля в зависимости от состояния входов:
- на входах А0 и А1 логические нули, логическая единица на выходе Y0 дешифратора: «Частота следования разрядных импульсов менее контрольного значения, повторные разряды конденсатора активизатора отсутствуют». При этом необходимо прекратить эксплуатацию системы зажигания, выявить отказавшую составную часть (наиболее вероятно агрегат зажигания) и заменить ее;
- на входе А0 логическая единица, на входе А1 логический ноль, логическая единица на выходе Y1 дешифратора: «Частота следования разрядных импульсов менее контрольного значения, обнаружены повторные разряды конденсатора активизатора». Соответствует полной выработке ресурса свечей зажигания, при котором из-за задержки пробоя свечи зажигания интервал времени между последовательными импульсами разрядного тока становится менее контрольного значения. Необходимо прекратить эксплуатацию системы зажигания и заменить свечу зажигания;
- на входе А0 логический ноль, на входе А1 логическая единица, логическая единица на выходе Y2 дешифратора: «Частота следования разрядных импульсов соответствует требованиям, повторные разряды конденсатора активизатора отсутствуют». Данный сигнал соответствует нормальной работе системы зажигания;
- на входах А0 и А1 логические единицы, логическая единица на выходе Y3 дешифратора: «Частота следования разрядных импульсов соответствует требованиям, обнаружены повторные разряды конденсатора активизатора». Соответствует приближению износа электродов свечей зажигания к предельному, частота следования импульсов разрядного тока соответствует требованиям. Возможно продолжить эксплуатацию свечи зажигания с необходимостью ее замены при ближайшем техническом обслуживании воздушного судна.
Очевидно, что описанное устройство контроля может быть использовано и для контроля работы низковольтной емкостной системы зажигания, не содержащей высоковольтный трансформатор, например, для контроля низковольтной системы зажигания с полупроводниковыми свечами зажигания [В.А. Балагуров. Агрегаты зажигания, М., Машиностроение, 1968 (см. с. 263)], показанной на фиг. 2.
Конкретное описание схемной реализации функциональных узлов устройства контроля не требует более подробных пояснений, т.к. они могут быть реализованы с использованием различных известных типовых аппаратно-схемных построений, например, описанных в [В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев Электроника и микропроцессорная техника – М.: Высшая школа, 2005 - 790 с.].
Таким образом, применение устройства контроля позволяет выявить наступление предельного состояния контактов электродов свечей зажигания при всех видах запуска двигателя непосредственно в условиях эксплуатации (при различных сочетаниях давления, температуры в зоне рабочего торца свечи зажигания, интенсивности заливания их искровых зазоров жидкой фазой топлива), что выгодно отличает предлагаемое устройство контроля от известных аналогов и прототипа.
Заявленное устройство позволяет повысить глубину контроля технического состояния емкостных систем зажигания газотурбинных двигателей воздушных судов, что позволяет обеспечить эксплуатацию свечей зажигания по техническому состоянию, снизить затраты на обеспечение жизненного цикла двигателя на этапе эксплуатации, уменьшить время простоя воздушного судна за счет замены свечей зажигания до наступления их отказного состояния.