DE2806760A1

DE2806760A1 - Erreger fuer treibstoffzuender von strahltriebwerken

Info

Publication number: DE2806760A1
Application number: DE19782806760
Authority: DE
Inventors: Harald Ludwig Witting
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1978-08-24
Also published as: FR2381406A1; JPS53112340A; US4129895A; GB1593325A

Description

Erreger für Treibstoffzünder von Strahltriebwerken

Die Erfindung bezieht sich auf Erregerschaltungen für Treibstoff zünder in Gasturbinentriebwerken. Insbesondere bezieht sieh die Erfindung auf Sehaltungsanordnungen und ein Verfahren zum Verzögern eines Hoehstrom-Zündimpulses, um die Abnutzung und den Abbrand bzw. Erosion von Zündkontakten und Oberflächen zu vermindern.

Strahltriebwerkszünder werden in ähnlicher Weise wie Zündkerzen von Autos dazu verwendet, eine Luft-Treibstoffmisehung in den Brennkammern von Gasturbinentriebwerken zu zünden. Zünder enthalten üblicherweise zwei konzentrische Elektroden, die durch einen Isolator getrennt sind, beispielsweise Aluminiumoxid. An die Mittelelektrode wird eine hohe Spannung angelegt, um eine elektrische Entladung in dem Luft-Treibstoffgemisch zu zünden. Der Strom in der elektrischen Entladung steigt dann an, um ge-

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nügend Energie zum Einleiten einer Zündung der Mischung zu liefern.

Strahltriebwerks zünder von Flugzeugen werden während des Anlaufens des Triebwerkes verwendet und zusätzlich als eine Vorsichtsmaßnahme gegen eine Flammenloschung während des Startens, Landens und bei Schlechtwetterbedingungen betätigt, üblicherweise wird ein Zünder während etwa 10 % der Triebwerks laufzeit betätigt.

Zündeinrichtungen für Triebwerke in großen Strahlflugzeugen arbeiten üblicherweise unter besonders ungünstigen Bedingungen. Beispielsweise liefert in dem CF6-5O Triebwerk der General Electric Company, das die McDonald-Douglas DC 10 antreibt, eine Leistungsversorgung (der Erreger) kurze Hochspannungsimpulse an den Zünder mit einer Impulsenergie im Bereich von 1-2 Joule bei einer Folgefrequenz von zwei Impulsen pro Sekunde. Der Zünder muß über

einem Druckbereich von etwa 0,35 bis über 14 kp/cm (5 bis über 200 psia) bei Manteltemperaturen arbeiten, die bis zu etwa HOO⁰C (2000⁰F) reichen. Häufig werden Zünder unter Kaltstartbedingungen mit flüssigem Treibstoff überzogen. Die Lebensdauer eines Zünders ist deshalb auf etwa 100 Stunden Erregerbetrieb begrenzt.

In bekannten Zündeinrichtungen ist dem Isolator häufig ein Körper aus Halbleitermaterial parallel geschaltet (Shunt), beispielsweise ein dünner Film auf der Isolatoroberfläche. Es ist festgestellt worden, daß derartige mit einem "Shunt" versehene Zündeinrichtungen bei wesentlich niedrigeren Spannungen zünden als Zündeinrichtungen ohne Shunt und somit das Gewicht und die Kosten von zugehörigen Erregerschaltungen senken. Es ist jedoch auch festgestellt worden, daß die hohe Leistung, die für ein zuverlässiges Zünden in großen Strahltriebwerken erforderlich ist, eine schnelle Er__osion des Halbleiterfilmes bewirkt, ein Zustand, der zu einem unsicheren Zündbetrieb führt.

Es sind nun fotographische Hochgeschwindigkeitsstudien von Lichtbogenentladungen auf Zündeinrichtungen von schweren Strahltriebwerken durchgeführt worden und es wurde dabei festgestellt, daß

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die Entladung entlang einer Isolator-Oberfläche beginnt und nach einer Verzögerung von mehreren Mikrosekunden die Neigung hat, sich mit nahezu Schallgeschwindigkeit von der Isolatoroberfläche wegzubewegen. Bei bekannten Erregerschaltungen wird eine beträchtliche Energie in einem kurzen Lichtbogen nahe der Isolatoroberfläche geliefert, die den Keramikkörper des Isolators großen thermischen Beanspruchungen aussetzt.

Es wurde ferner gefunden, daß die thermische Beanspruchung auf Isolatoren von Zündeinrichtungen durch Verwendung eines Verlaufes des Erregerstromes vermindert werden kann, der eine Entladung bei relativ niedrigen Leistungen beginnen läßt und, nachdem die Entladund sich von der Iso'latoroberflache wegbewegt hat, die Entladungsleistung vergrößert, um eine sichere Treibstoffzündung zu gewährleisten. Die thermische Beanspruchung wird somit gesenkt und die Lebensdauer der Zündeinrichtung durch eine Schaltungsanordnung verlängert, die eine wesentlich zuverlässigere Zündung als bekannte Erregerschaltungen liefert.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Erregerschaltungen zum Verlängern der Lebensdauer von Treibstoffzündern für Strahltriebwerke zu schaffen. Dabei soll die Zuverlässigkeit der Zündeinrichtung vergrößert werden.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen durch eine Erregerschaltung gelöst, die Mittel zum Auslösen eines elektrischen Entladungsimpulses über den Kontakten des Zünders bei einem ausreichenden Anfangsstromwert, um die Entladung zu trennen und sie von einer Oberfläche des Zünders wegzubewegen, und Mittel aufweist zum Vergrößern der Leistung in der Entladung, nachdem sich die Entladung von der Oberfläche getrennt hat, auf eine ausreichende Höhe, um ein Zünden einer Luft-Treibstoffmischung sicherzustellen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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Figur 1 ist eine Stromkurve, die einem Strahltriebwerkszünder durch eine bekannte Erregerschaltung zugeführt wird.

Figuren 2a - 2c sind verbesserte Stromwellenkurven für eine Verwendung bei Strahltriebwerkszündern gemäß der Erfindung.

Figur 3 ist eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen der Stromwelle gemäß Figur 2c.

Figur 1 ist ein Oszillogramm der Wellenform, die durch eine bekannte Erregerschaltung an eine Zündeinrichtung in einem Strahltriebwerk CF6-5O der General Electric geliefert wird. Der Erregerimpuls, der die für eine Treibstoffzündung erforderliche hohe Leistung liefert, ist etwa eine gedämpfte Sinuswelle mit einem Hauptimpuls, der einen Wert von etwa 2000 Ampere innerhalb etwa 8 Mikrosekunden erreicht. Hochgesehwindigkeitsfotographien von Liehtbogenentladungssäulen, die von dieser Erregerwelle in verschiedenen Modellen von Zündeinrichtungen mit und ohne Shunt erzeugt werden, zeigen, daß eine Entladung sich zuerst als ein enger Lichtbogenkanal nahe der Isolatoroberfläche bildet. Während der ersten zwei Mikrosekunden bewegt sich dieser Kanal nicht oder verändert seine Form nicht wesentlich, aber dann expandiert er stark und schießt von der Zünderoberfläche mit nahezu Schallgeschwindigkeit (d. h. etwa 200 m/sek) nach oben wenn der Strom auf 2000 Ampere ansteigt. Bei einigen Zündern konzentriert sich die Entladung wieder nahe der Isolatoroberfläche während der späteren Halbwellen der Entladung.

Die Verschiebung der Entladung von der Oberfläche weg liegt wahrscheinlich teilweise an der Verdampfung und Expansion des Materials nahe der Zünderoberfläche. Die Bewegung kann auch teilweise an der bekannten nach außen gerichteten Kraft liegen, die auf einen Strom in einer gekrümmten Bahn ausgeübt wird, die durch die Wechselwirkung des Stromes mit seinem eigenen Magnetfeld hervorgerufen wird.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Leistungsfähigkeit von Zündeinrichtungen verbessert werden, indem die Erregerschaltung modifiziert wird dahingehend, daß der Hochstromimpuls der

wird
Hauptentladung verzögert^ bis etwa 30 Mikrosekunden einer mittleren Stromentladung (d. h. etwa 500 - 1000 Ampere) vergangen sind. Auf diese Weise wird der Hochstromimpuls zugeführt, nachdem sich die Entladung einige Millimeter von der Zünderoberfläche wegbewegt hat. Das verzögerte Anlegen des Hauptentladungsimpulses sorgt für eine zuverlässigere Zündung, da der Entladungspfad länger ist und sich weiter in die Treibstoff-Luftmischung hinein erstreckt. Dadurch wird auch die Lebensdauer des Zünders verlängert, da die Spitzenleistung weiter weg von der empfindlichen Zünderoberfläche zugeführt wird.

Figuren 2a - 2c sind Wellenformen von verbesserten Stromimpulsen gemäß der vorliegenden Erfindung. In allen Fällen wird die Zufuhr des Hochstromimpulses für etwa 30 Mikrosekunden nach dem Zünden der Entladung verzögert.

Figur 3 stellt eine Erregerschaltung zur Lieferung einer Stromwellenform der in Figur 2c gezeigten Art dar. Ein Zünder 10 ist mit einem Hochspannungs-Impulskondensator 12, einer getriggerten Funkenstrecke Ik und einer otrombegrenzungsdrossel 18 in Reihe geschaltet. Ein zweiter Impulskondensator 20, der ein größeres Energiespeicherungsvermögen als der erste Kondensator 12 haben sollte und eine kleinere Nennspannung als der erste Kondensator haben kann, ist mit einer zweiten triggerbaren Funkenstrecke in Reihe direkt dem Zünder 10 parallel geschaltet. Eine Hochspannungs-Ladeschaltung 16, die irgendeinen der verschiedenen Aufbauten von Ladeschaltungen haben kann, wie sie in Kondensatorentladungsschaltungen verwendet werden, ist mit dem Kondensator 12 verbunden, während eine zweite Ladeschaltung 24, die eine kleinere Nennspannung als die Ladeschaltung 16 haben kann, mit dem Kondensator 20 verbunden ist. Ein Triggereingangssignal 26, das von einer üblichen Erreger-Triggerschaltung geliefert werden kann, wird zunächst der Funkenstrecke 14 zugeführt, die mit dem Hochspannungskondensator 12 in Reihe geschaltet ist. Das

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Triggersignal 26 wird ferner der Funkenstrecke 22 über eine Verzögerungsschaltung 28 zugeführt, die typischerweise für eine Verzögerung von etwa 30 MikroSekunden sorgt.

Der Hochspannungskondensator 12 liefert einen Impuls, der die Funkenstrecke des Zünders 10 überschlagen läßt, und liefert dann eine mittlere Stromentladung über den Zünder, die durch die Reihendrossel 18 begrenzt ist. Nach einer geeigneten Verzögerung, die eine Trennung der Entladung von der Zünderoberfläche gestattet, liefert der zweite Kondensator 20 einen größeren Hauptstromimpuls bei einer viel kleineren Spannung an den Zündern. Die in Figur 3 dargestellte Zündschaltung kann auf Wunsch modifiziert werden durch Spannungsdopplerschaltungen, Ausgangstransformatoren und anderes Schaltungszubehör, das allgemein bekannt ist und auch in bekannten Erregerschaltungen verwendet wird.

Die Größenverhältnisse des Stromimpulses, der in dem ersten Abschnitt der Welle zugeführt und der während des Hauptstromimpulses zugeführt wird, werden selbstverständlich durch die Erfordernisse des jeweilig benutzten Zünders und des Triebwerksaufbaues bestimmt. Der kleine Stromimpuls zu Beginn der Welle sollte typischerweise eine Amplitude von etwa 10 % bis etwa 50 % des Hauptstromimpulses haben. Für das CF6-5O Triebwerk und die Zündeinrichtungen wird eine Verzögerung von 20 bis 40 MikroSekunden angegeben. Wenn die Verzögerung zu kurz ist, trennt sich die Entladung nicht genügend von der Isolatoroberfläche, während, wenn die Verzögerung zu lang ist, die Entladung zu einem kürzeren Pfad zurückkehren kann.

Die Schaltungsanordnungen und Arbeitsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sorgen für eine größere Zündzuverlässigkeit in Gasturbinen und Strahltriebwerken und verlängern die Lebensdauer von Zündeinrichtungen, die mit Impulsen hoher Energie arbeiten.

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Claims

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General Electric Company

Ansprüche

'Ij Erreger zum Speisen eines Treibstoffzünders, gekennzeichnet durch Mittel (12, 28) zum Einleiten eines elektrischen Entladungsimpulses über den Kontakten des Zünders (10) bei einem Anfangsstrom ausreichender Größe, um die Entladung von einer Oberfläche des Zünders zu trennen und von dieser wegzubewegen, und durch Mittel (20) zum Erhöhen der Leistung in der Entladung zu Zeiten, zu denen sich die Entladung von der Oberfläche getrennt hat, auf einen zum sicheren Zünden eines Treibstoff-Luftgemisches ausreichenden Wert.
2. Erreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel (20) zum Erhöhen der Leistung den Strom in der Entladung auf einen Wert vergrößern, der zwischen etwa dem doppelten und etwa 10-fachen Anfangsstrom liegt.
3. Erreger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel (20) zum Erhöhen der Leistung den Strom in der Entladung auf etwa 2000 Ampere vergrößern.
4. Erreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel (20) zum Erhöhen der Leistung den Entladestrom nach einer Zeitverzögerung zwischen etwa 20 und 40 Mikrosekunden nach dem Anfang der Entladung vergrößern.
5. Erreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünder (10) in einem Gasturbinentriebwerk angeordnet ist.
6. Erreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Anfangsstrom ein Wechselstrom ist.

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INSPECTED
7. Erreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsstrom ein Gleichstrom ist.
8. Erreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einleiten einer elektrischen Entladung und die Mittel zum Erhöhen der Leistung Kondensatoren umfassen, die mit triggerbaren Funkenstrecken (14, 22) in Reihe geschaltet sind.
9. Erreger nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, gekennzeichnet durch einen ersten Kondensator (12), eine erste triggerbare Funkenstrecke (14), die mit dem ersten Kondensator in Reihe geschaltet ist, eine Strombegrenzungsdrossel (18), die mit dem ersten Kondensator der ersten Funkenstrecke in Reihe geschaltet ist, wobei der erste Kondensator, die erste triggerbare Funkenstrecke und die Strombegrenzungsdrossel mit den Kontakten des Zünders (10) in Reihe geschaltet sind, ferner durch einen zweiten Kondensator (20), eine zweite triggerbare Funkenstrecke (22), die mit dem zweiten Kondensator in Reihe geschaltet ist, wobei der zweite Kondensator und die zweite triggerbare Funkenstrecke den Kontakten des Zünders (10) parallel geschaltet sind, und durch Mittel (16, 24) zum Laden des ersten und zweiten Kondensators und Mittel (26) zum Triggern der ersten triggerbaren Funkenstrecke (14), wodurch eine Entladung über den Kontakten des Zünders (10) eingeleitet wird, und zum Triggern der zweiten Funkenstrecke (22) zu einer Zeit nach dem Einleiten der Entladung, wodurch der Stromfluß zwischen den Kontakten des Erregers vergrößert ist.
10. Erreger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Funkenstrecke (22) zu einer Zeit zwischen etwa 20 und 40 MikroSekunden nach der Einleitung der Entladung getriggert ist.

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11. Erreger nach Anspruch 9₃ dadurch gekennzeichnet , daß der erste Kondensator (12) auf eine höhere Spannung als der zweite Kondensator (20) aufgeladen ist.
12. Verfahren zum Betätigen eines Treibstoffzünders, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander ein Hochspannungsimpuls an den Zünder angelegt wird, um zwischen dessen Kontakten eine Entladung einzuleiten, daß ein Stromfluß zwischen den Kontakten des Zünders mit einer ausreichenden Größe aufrechterhalten wird, damit sich die Entladung von einer Oberfläche des Zünders trennt und sich von dieser weg bewegt, und daß der Stromfluß zwischen den Kontakten des Zünders zu solchen Zeiten vergrößert wird, zu denen sieh die Entladung von der Oberfläche des Zünders trennt, auf einen ausreichenden Stromwert, um die Zündung des Treibstoff-Luftgemisches sicherzustellen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Stromfluß nach einer Zeitverzögerung zwischen etwa 20 und 40 MikrοSekunden nach dem Einleiten der Entladung vergrößert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Stromfluß zum Zünden des Treibst off-Luftgemisches etwa 2000 Ampere beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Anfangsstrom zwischen etwa 10 und 50 % des Stromes zum Zünden des Treibstoff-Luftgemisches beträgt.