RU2860503C1 - Способ контроля параметров систем зажигания газотурбинных двигателей - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности, к системам зажигания, и может быть использовано для контроля параметров систем зажигания и оценки их работоспособности, определения фактического значения искрового зазора свечи зажигания. Техническим результатом является обеспечение возможности контроля параметров систем зажигания как с подачей топлива, так и без нее, регистрация объема выделяющейся плазмы, определение видимой световой энергии, выделяющейся от источника и определение текущего (действующего) значения искрового зазора свечи зажигания на данный момент времени. Предложенный способ контроля параметров систем зажигания газотурбинных двигателей заключается в определении наличия плазменного факела, генерируемого свечой, на нормируемом расстоянии от рабочего торца свечи, установленной в адаптер при работе в составе системы зажигания. Измеряют оптическое отображение плазменного факела с торца свечи, фиксируемого фотоэлектрическим датчиком, установленным на заданном расстоянии от рабочего торца свечи, в виде показания падения напряжения, отражающего фототок, который регистрируют цифровым запоминающим осциллографом, шкала которого отградуирована в значениях искрового зазора свечи, сравнивают полученные значения с заданными значениями при производственном выпуске свечей, а также максимальными и предельными значениями в эксплуатации с дальнейшим определением остаточного ресурса и делают вывод о пригодности системы зажигания для дальнейшей эксплуатации. 5 ил.

Description

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к системам зажигания, и может быть использовано для контроля параметров систем зажигания и оценки их работоспособности, определения фактического значения искрового зазора 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 свечой 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.

Также известен способ контроля системы зажигания двигателей [Патент РФ №2338080, МПК F02С 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.

Известен способ контроля системы зажигания двигателей [Патент РФ №2717457, МПК F02С 7/26, опубл. 23.03.2020 г.], заключающийся в определении искрового зазора. Если у свечи величина искрового зазора Δ_lim, то свеча работоспособна, только в ближайший промежуток времени Δt может отказать, т.е. свеча не имеет запаса по ресурсу и для установки на двигатель непригодна. Для дальнейшего использования при анализе технического состояния свечей зажигания принимают нормируемую величину искрового зазора Δ_мах (которая меньше Δ_lim), при котором свеча работоспособна и имеет достаточный запас по ресурсу. При контроле технического состояния свечей зажигания после контроля бесперебойности искрообразования измеряют фактический искровой зазор свечи Δ_св и сравнивают его с принятой нормируемой величиной Δ_мах. В случае если фактический искровой зазор свечи не превышает нормируемую величину (Δ_св ≤ Δ_мах), то эксплуатация такой свечи продолжается или свеча устанавливается на авиационный ГТД после проведения его ремонта, т.к. она с достаточным запасом обеспечит ресурс до первого ремонта или межремонтный ресурс двигателя. В случае если фактический искровой зазор свечи превышает нормируемую величину (Δ_св > Δ_маx), то такую свечу устанавливать на двигатель нельзя, она заменяется на новую свечу или на свечу, имеющую необходимый запас по ресурсу. Однако выработка центрального, бокового электродов, полупроводникового покрытия и керамики носит неравномерный характер, а фактический искровой зазор может не соответствовать минимальному искровому зазору (на определение которого направлены реализации способов, описанных в данных патентах). Проводящая дорожка для прохождения искрового разряда формируется как по поверхности полупроводникового покрытия на керамике, так и по его глубине таким образом, что минимальное электрическое сопротивление движению искрового разряда в его подготовительной фазе может соответствовать максимальному зазору, который данными способами не определяется. В результате чего достоверность контроля может оказаться недостаточной.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля системы зажигания двигателей [Патент РФ №2579435, МПК F02С 7/26, опубл. 10.04.2016 г.], заключающийся в измерении оптического отображения плазменного факела с торца свечи, фиксируемого фотоэлектрическим датчиком, установленным на заданном расстоянии от рабочего торца свечи, показания фототока, напряжения, 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.

Недостатком данного способа является отсутствие привязки объема выделившейся плазмы или регистрируемого значения фототока к конструктивному параметру свечи зажигания такого как действительное значение искрового зазора, определяющего надежность, ресурс, кпд как свечи, так и системы в целом.

Задача изобретения – упрощение процесса контроля параметров систем зажигания, снижение затрат на проведение контроля.

Технический результат – обеспечение возможности контроля параметров систем зажигания, как с подачей топлива, так и без нее, регистрация объема выделяющейся плазмы, определение видимой световой энергии, выделяющейся от источника и определение текущего (действующего) значения искрового зазора свечи зажигания на данный момент времени.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается способом контроля параметров систем зажигания газотурбинных двигателей, заключающимся в определении наличия плазменного факела, генерируемого свечой, на нормируемом расстоянии от рабочего торца свечи, установленной в адаптер при работе в составе системы зажигания, отличающийся тем, что измеряют оптическое отображение плазменного факела с торца свечи, фиксируемого фотоэлектрическим датчиком, установленным на заданном расстоянии от рабочего торца свечи, в виде показания падения напряжения, отражающего фототок, который регистрируют цифровым запоминающим осциллографом, шкала которого отградуирована в значениях искрового зазора свечи, сравнивают полученные значения с заданными значениями при производственном выпуске свечей, а также максимальными и предельными значениями в эксплуатации с дальнейшим определением остаточного ресурса и делают вывод о пригодности системы зажигания для дальнейшей эксплуатации.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего данный способ контроля систем зажигания и измерения искрового зазора, суть которого представлена на фиг.2. При подаче питания на эталонный агрегат зажигания (АЗ) на свече зажигания поверхностного разряда формируются последовательности искровых импульсов, следующих с частотой разрядов, определяемых характеристиками АЗ. Искровые разряды представляют собой сгустки плазмы, сформированные в разрядной камере свечи на искровом зазоре, излучающие электромагнитные волны в виде светового потока. При этом сила света определяется как энергия потока, видимого человеческим глазом:

(1)

Тогда освещенность поверхности фотоприемного устройства, перпендикулярной к направлению распространения света, есть поверхностная плотность светового потока, выражаемая формулой (2).

(2)

В тоже время, фундаментальный закон фотометрии показывает, что освещенность от точечного источника изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности:

(3)

где φ - угол между нормалью к поверхности и направлением распределения света.

В нашем случае, длина движущейся плазмы разряда при постоянном значении накопленной энергии АЗ и постоянстве длины L (длины канала разрядной камеры свечи зажигания) будет определяться величиной искрового зазора и выделившейся на нем энергии. При этом увеличение выделившейся энергии, связанное с увеличением искрового зазора, приведет к уменьшению расстояния от источника излучения до фотоприемного устройства, что приведет к увеличению Е, согласно формулы (3). Тогда сделав преобразование, можно записать:

Для фотоприемных устройств (к примеру, полупроводниковых фотодиодов) их вольтамперная характеристика (ВАХ) связывает параметр Ф с фототоком. В свою очередь увеличение Е приведет к увеличению Ф и как следствие к увеличению фототока, протекающего через фотоприемное устройство (к примеру, фотодиод), которое снимается с шунтирующего сопротивления в виде падения напряжения. Таким образом, можно связать падение напряжения с величиной искрового зазора.

На фиг. 3 и 4 изображены осциллограммы падения напряжений, показывающие изменение фототока в зависимости от величины искрового зазора (1,2; 1,8; 3 мм) при различных значениях энергии на накопительных конденсаторах агрегата зажигания (3 и 9 Дж), где по оси абсцисс показана длительность сигнала в мкс, а по оси ординат – амплитудное значение напряжения в В, отражающее фототок, протекающий через фотоприемное устройство. Из осциллограмм видно, что при увеличении искрового зазора (при фиксированном значении накопленной энергии в АЗ) увеличивается как амплитудное значение регистрируемого падения напряжения, так и его интегральное значение. Для практических целей предпочтительно использовать интегральное значение, поскольку в этом случае повышается чувствительность.

На фиг. 5 показаны зависимости интегральных значений падения напряжений, отражающих фототок, от величины искрового зазора (в мм) при различных значениях накопленной энергии в агрегате зажигания, полученные в результате проведенных исследований.

Устройство содержит эталонный агрегат зажигания 1, свечу поверхностного разряда 2, адаптер 3, соединяющий исследуемый искровой зазор, на котором реализуется искровой разряд 4 и фотоприемник 6, при этом фотоприемник расположен на фиксированном расстоянии от торца свечи посредством адаптера 3, нормирующее устройство 7, интегратор 8, усилитель 9, устройство отображения информации 10.

Устройство работает следующим образом. Подключают эталонный агрегат зажигания 1 к источнику питания (не показан), в момент протекания разрядного тока агрегата зажигания 1 через свечу поверхностного разряда 2 реализуется искровой разряд 4, который выделяет плазму разряда, распространяющуюся световым потоком 5 вдоль адаптера 3 до фотоприемного устройства 6 посредством которого измеряют оптическое отображение плазменного факела с торца свечи, в виде падения напряжения, отражающим фототок (Фиг. 3 и 4), который преобразуется нормирующим устройством 7 в унифицированный сигнал, интегратором 8, производящим операцию интегрирования, усилителем 9, коэффициент усиления которого реализует зависимость величины искрового зазора от интегрального значения падения напряжения (фототока) при стабилизированном значении накопленной энергии АЗ (Фиг. 5), а устройство отображения информации 10 показывает текущее значение величины искрового зазора. Текущее значение величины искрового зазора сравнивают с заданными максимальными значениями искрового зазора, а также предельными (например, с характеристиками эталонной свечи зажигания), по результатам сравнения делают вывод о пригодности свечей зажигания для дальнейшей эксплуатации и определяют остаточный ресурс.

Пример конкретной реализации способа.

К эталонированному 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 располагается на фиксированном расстоянии от торца свечи, реализованном посредством адаптера. Световой поток принимается фотоприемником, на его выходе образуется фототок, который снимается в виде падения напряжения, интегральное значение (или амплитуда) которого пропорционально величине искрового зазора свечи. Характерные осциллограммы, отражающие зависимость регистрируемых фототоков (I _ф) от величины искрового зазора свечи зажигания при различных значениях энергии агрегата зажигания (W) на примере представлены на фиг. 3 (при W=3 Дж) и фиг. 4 (при W=9 Дж), где по оси абсцисс показана длительность сигнала в мкс, а по оси ординат – амплитудное значение напряжения в В, отражающее фототок. Они демонстрируют, что у свечей зажигания с различными искровыми зазорами и агрегатами зажигания с различной накопленной энергией величина фототока различна. Осциллограммы сигналов показали корреляционную взаимосвязь фототока с величиной искрового зазора свечи зажигания в виде зависимости с коэффициентом корреляции (R ²) более 0,98, представленной на Фиг. 5. По зависимостям на фиг.5 определяют величину искрового зазора.

Вариант применения 1: Путем сравнения интегральных или амплитудных значений фототока различных свечей выбирают свечи зажигания с наиболее высоким значением, характеризующим воспламеняющую способность. Чем выше эти показатели, тем лучше характеристики свечи или системы зажигания в целом.

Вариант применения 2: Проводят допусковый контроль искровых зазоров при выпуске свечей зажигания как открытого, полузакрытого и стреляющего типа.

Вариант применения 3: Определяют текущее значение искрового зазора и остаточный ресурс в процессе эксплуатации на изделии (объекте).

Итак, заявляемый способ контроля параметров систем зажигания позволяет осуществлять контроль выработки искрового зазора свечей зажигания с определением его фактического значения как с подачей топлива, так и без нее, позволяет осуществлять допусковый контроль искрового зазора свечи при ее производстве, позволяет определять остаточный ресурс свечи в процессе эксплуатации, что позволит значительно сократить затраты на проведение контроля параметров систем зажигания газотурбинных двигателей.

Claims (1)

1. Способ контроля параметров систем зажигания газотурбинных двигателей, заключающийся в определении наличия плазменного факела, генерируемого свечой, на нормируемом расстоянии от рабочего торца свечи, установленной в адаптер при работе в составе системы зажигания, отличающийся тем, что измеряют оптическое отображение плазменного факела с торца свечи, фиксируемого фотоэлектрическим датчиком, установленным на заданном расстоянии от рабочего торца свечи, в виде показания падения напряжения, отражающего фототок, который регистрируют цифровым запоминающим осциллографом, шкала которого отградуирована в значениях искрового зазора свечи, сравнивают полученные значения с заданными значениями при производственном выпуске свечей, а также максимальными и предельными значениями в эксплуатации с дальнейшим определением остаточного ресурса и делают вывод о пригодности системы зажигания для дальнейшей эксплуатации.