Способ испытания и проверки работоспособности свечей зажигания газотурбинных двигателей

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания авиационных газотурбинных двигателей. Техническим результатом является повышение достоверности проведения автономных испытаний систем зажигания при воспроизведении параметров воздействующих факторов, действующих на элементы системы зажигания, сокращение затрат на проведение испытаний свечей зажигания при проведении ресурсных испытаний газотурбинных двигателей. Предложенный способ испытаний и проверки работоспособности свечей зажигания газотурбинных двигателей заключается в том, что свечу зажигания устанавливают в герметичную воздушную камеру, в которую подают воздух с различными значениями давлений, соответствующими значениям рабочего давления в двигателе при включениях системы зажигания при различных видах его запуска, на свечу подают высоковольтные импульсы от агрегата зажигания. Работоспособность свечи подтверждают по наличию бесперебойного искрообразования в ее искровом промежутке, искровой промежуток свечи дополнительно устанавливают в воздушном объеме, теплоизолированном от остальной среды внутри герметичной воздушной камеры, воздух в теплоизолированном воздушном объеме нагревают до значений температур, соответствующих установленным значениям давления по полетному циклу работы двигателя при включении системы зажигания при различных видах запуска. 1 ил.

 

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 подтверждающих 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 постоянному износу. Основными факторами, влияющими на работу свечей зажигания и их ресурсные показатели, являются энергия, выделяющаяся в их искровых промежутках при каждом разряде, температура и давление в зоне искрового зазора свечей зажигания.

Зависимость процесса износа 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 проводиться 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-24ВИ 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 является очень затратно.

Известны способы 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], заключающиеся в том, что на свечи зажигания подают высоковольтные импульсы от агрегата зажигания, работоспособность и техническое состояние свечей подтверждают в процессе ресурсных испытаний и эксплуатации по наличию бесперебойного искрообразования в их искровых промежутках.

Данные способы проведения испытаний позволяют наиболее просто провести проверку работоспособности свечей зажигания без использования дополнительного оборудования и приспособлений. Описанные способы 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 особенно удобны при проведении автономных проверок системы зажигания при изготовлении перед отгрузкой потребителю.

Однако для проведения автономных испытаний они имеет существенный недостаток. 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 лишен принятый за прототип способ проведения автономных испытаний системы зажигания, описанный в [патент РФ №2678872, патент РФ №2368048], заключающийся в том, что на свечу подают высоковольтные импульсы от агрегата зажигания, а в зоне искрового зазора свечи создают среду повышенного давления, значение которого соответствует давлению согласно условиям работы в газотурбинном двигателе при включении системы зажигания, для чего свечи располагают в герметичной воздушной камере, при этом работоспособность свечей подтверждают по наличию бесперебойного искрообразования в их искровом промежутке.

Как было сказано выше, включение системы зажигания при повышенном давлении в зоне рабочего торца повышает пробивное напряжение свечи зажигания, 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 данный способ 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 снижение затрат на проведение ресурсных испытаний свечей зажигания на работоспособность за счет их проведения в автономных условиях при обеспечении высокой степени достоверности воспроизведения параметров, воздействующих на свечи зажигания внешних воздействующих факторов, имеющих место на газотурбинном двигателе.

Поставленная задача решается способом испытаний и проверки работоспособности свечи зажигания газотурбинных двигателей, заключающимся в том, что свечу зажигания устанавливают в герметичную воздушную камеру, в которую подают воздух с различными значениями давлений, соответствующими значениям рабочего давления в двигателе при включениях системы зажигания при различных видах его запуска, на свечу подают высоковольтные импульсы от агрегата зажигания, при этом работоспособность свечи подтверждают по наличию бесперебойного искрообразования в ее искровом промежутке, отличающимся тем, что искровой промежуток свечи дополнительно устанавливают в воздушном объеме, теплоизолированном от остальной среды внутри герметичной воздушной камеры, воздух в теплоизолированном воздушном объеме нагревают до значений температур, соответствующих установленным значениям давления по полетному циклу работы двигателя при включении системы зажигания при различных видах запуска.

Новым в заявленном изобретении является то, что искровой промежуток свечи дополнительно устанавливают в воздушном объеме, теплоизолированном от остальной среды внутри герметичной воздушной камеры, воздух в теплоизолированном воздушном объеме нагревают до значений температур, соответствующих установленным значениям давления по полетному циклу работы двигателя при включении системы зажигания при различных видах запуска.

Включение системы зажигания при различных сочетаниях повышенного давления и повышенной температуры в зоне рабочего торца свечи согласно полетному циклу двигателя при включениях системы зажигания позволяет значимо повысить достоверность проведения автономных ресурсных испытаний свечей и систем зажигания за счет имитации воздействия на свечу зажигания внешних воздействующих факторов, имеющих место при работе свечи зажигания на газотурбинном двигателе.

Теплоизоляция воздушного объема, в который устанавливают искровой промежуток свечи, позволяет с большой скоростью изменять температуру в зоне искрового промежутка свечи в соответствии с полетным циклом работы газотурбинного двигателя, что значимо повышает достоверность проведения испытаний. Кроме этого, теплоизоляция нагретого воздушного объема от стенок воздушной камеры позволяет снизить требования к жаропрочности материала стенок воздушной камеры, повысить безопасность проведения испытаний за счет уменьшения температуры внешней поверхности испытательной установки. Небольшие размеры нагреваемого воздушного объема снижают необходимую для этого электрическую энергию, что дополнительно снижает требования к мощности стендового управляющего и контрольного оборудования.

Это позволяет проводить автономные испытания свечей зажигания в условиях, максимально близких к условиям их применения в составе газотурбинного двигателя, что значительно сокращает объем необходимых испытаний свечей зажигания за счет сокращения времени ресурсных испытаний в составе газотурбинного двигателя, а также позволяет проводить периодические испытания свечей зажигания автономно. Такой подход к проведению испытаний существенно сокращает затраты на проведение испытаний в составе газотурбинного двигателя, в том числе на обеспечение испытаний топливом, ускоряет время проведения испытаний как минимум на порядок.

Совокупность преимуществ заявляемого способа над известными способами проведения испытаний и проверок свечей зажигания позволяет за счет воспроизведения в автономных условиях параметров воздействующих факторов, воздействующих на свечу зажигания при работе на газотурбинном двигателе при различных видах запуска двигателя, сократить затраты на проведение испытаний свечей зажигания при проведении ресурсных испытаний газотурбинного двигателя.

Пример устройства, реализующего заявленный способ проведения автономных испытаний, показан на фиг. 1.

Изображенное на фиг. 1 устройство содержит крышку воздушной камеры 1, корпус воздушной камеры 2, испытуемую свечу зажигания 3, теплоизоляцию 4, искровой промежуток свечи 5, электронагреватель 6, гермоввод термопары 7, гермоввод питания электронагревателя 8, термопару 9, штуцер подачи сжатого воздуха 10 и штуцер отвода сжатого воздуха 11, впускной клапан 12, выпускной клапан 13, манометр 14, баллон сжатого воздуха 15, регулятор давления 16, регулятор температуры 17, агрегат зажигания 18, кабель зажигания 19, блок управления испытаниями 20.

Испытуемую свечу зажигания 3 устанавливают в корпус воздушной камеры 2. Сверху на часть свечи зажигания, находящуюся внутри воздушной камеры устанавливают теплоизоляцию 4, внутри которой установлен электронагреватель 6, места стыков теплоизоляции 4 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 впускного 12 и выпускного 13 клапанов с использованием сжатого воздуха из баллона 15. Контроль давления в устройстве осуществляют манометром 14, управление давлением осуществляют регулятором давления 16.

Температуру в устройстве устанавливают в соответствии с полетным циклом газотурбинного двигателя при работе системы зажигания при помощи электронагревателя 6. Контроль температуры в зоне искрового промежутка осуществляют при помощи термопары 9, управление температурой осуществляют регулятором температуры 17. Напряжение питания на электронагреватель подают через гермоввод питания электронагревателя 8, контроль температуры воздуха в зоне искрового промежутка свечи 5 контролируют при помощи термопары 9, провода которой выводятся наружу воздушной камеры через гермоввод термопары 7.

Управление уставками регуляторов давления 16 и температуры 17, а также включениями агрегата зажигания 18 осуществляется блоком управления испытаниями 20, в памяти которого зафиксирована циклограмма работы системы зажигания по полетному циклу двигателя при различных запусках.

Высоковольтные импульсы, генерируемые агрегатом зажигания 18, подают на свечу зажигания 3 через кабель зажигания 19.

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.

Крышка воздушной камеры 1, установленная на болтах, позволяет при проведении операций внутри воздушной камеры получить доступ ко всем элементам, расположенным в ней. Установка электронагревателя 6 непосредственно на рабочий торец свечи зажигания 3 и контроль температуры в непосредственной близости от него позволяют создать требуемую испытательную температуру только локально в ограниченном объеме. Наличие двух штуцеров подачи 10 и отвода 11 воздуха позволяет при помощи внешних регуляторов устанавливать внутри воздушной камеры 2 требуемое значение давления.

В результате такого технического решения снижается температура корпуса воздушной камеры 2. За счет этого снижается нагрузка на корпус воздушной камеры, снижается опасность его разрушения, а также снижаются требования к жаропрочности материала корпуса воздушной камеры.

Заявленный способ испытаний и проверок может быть осуществлен при помощи других конструкционных узлов. В случае проведения испытаний двухканальной системы зажигания может быть использовано две воздушные камеры, в каждую из которых устанавливается по одной свече зажигания.

Эффективность использования заявленного способа 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 установки, изображенной на фиг. 1.

Таким образом, предлагаемый способ испытаний и проверок позволяет повысить достоверность проведения автономных испытаний систем 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.

Способ испытаний и проверки работоспособности свечей зажигания газотурбинных двигателей, заключающийся в том, что свечу зажигания устанавливают в герметичную воздушную камеру, в которую подают воздух с различными значениями давлений, соответствующими значениям рабочего давления в двигателе при включениях системы зажигания при различных видах его запуска, на свечу подают высоковольтные импульсы от агрегата зажигания, при этом работоспособность свечи подтверждают по наличию бесперебойного искрообразования в ее искровом промежутке, отличающийся тем, что искровой промежуток свечи дополнительно устанавливают в воздушном объеме, теплоизолированном от остальной среды внутри герметичной воздушной камеры, воздух в теплоизолированном воздушном объеме нагревают до значений температур, соответствующих установленным значениям давления по полетному циклу работы двигателя при включении системы зажигания при различных видах запуска.