СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДВУХКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДВУХКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Научная статья

Гизатуллин Ф.А.^1, *, Заико А.И.², Петунин В.И.³, Габидуллина З.Г.⁴

¹ ORCID: 0000-0003-2282-7546;

⁴ ORCID: 0000-0001-9461-3737;

^{1, 2, 3, 4} Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия

* Корреспондирующий автор (elaint[at]yandex.ru)

Аннотация

Анализируются разрядные процессы в разработанном схемотехническом решении двухканальной системы зажигания с синхронизацией разрядов в свечах и компенсацией обрыва цепи одной из свечей в аварийном режиме. Анализируются процессы в разработанных схемах систем зажигания на основании предложенного метода повышения эффективности с использованием резервных цепей соединения накопительных конденсаторов, анализируются разрядные процессы в разработанной системе зажигания с сочетанием в свече искровых разрядов разной длительности.

Экспериментально доказывается, что разработанная система зажигания с синхронизацией разрядов в свечах обладает повышенной эффективностью по сравнению с серийной двухканальной системой зажигания.

Ключевые слова: системы зажигания, искровой разряд, пусковой воспламенитель, воспламеняющая способность, разрядные процессы.

METHODS FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF TWO-STROKE IGNITION SYSTEMS OF GAS TURBINE ENGINES

Research article

Gizatullin F.A.^1, *, Zaiko A.I.², Petunin V.I.³, Gabidullina Z.G.⁴

¹ ORCID: 0000-0003-2282-7546;

⁴ ORCID: 0000-0001-9461-3737;

^{1, 2, 3, 4} Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia

* Corresponding author (elaint[at]yandex.ru)

Abstract

The current article analyzes the discharge processes in the developed circuit design of a two-stroke ignition system with synchronization of discharges in plugs and compensation of a circuit break of one of the plugs in emergency mode. The study analyzes the processes in the developed schemes of ignition systems on the basis of the proposed method of increasing efficiency using backup circuits for connecting storage capacitors; it also examines the discharge processes in the developed ignition system with a combination of spark discharges of different durations in the spark plug.

The authors experimentally prove that the developed ignition system with synchronization of discharges in spark plugs has increased efficiency compared to the serial two-channel ignition system.

Keywords: ignition systems, spark discharge, starting igniter, igniting ability, discharge processes.

Системы зажигания для маршевых газотурбинных двигателей самолетов выполняются, как правило, двухканальными по схеме общего резервирования с одним резервным каналом, находящимся в нагруженном состоянии. Каждый канал включает в себя преобразователь, цепь заряда накопительного конденсатора и разрядную цепь со свечой зажигания. Оба канала работают независимо друг от друга, электрическая связь между ними отсутствует, каналы связаны только по цепи питания. Обрыв цепи одной из свечей не влияет на энергетические параметры второй свечи, т.е. обрыв цепи одной свечи никак не компенсируется [1], [2].

При косвенном способе розжига топливной смеси в камере сгорания с помощью пусковых воспламенителей свечи в составе двухканальных устройств зажигания могут устанавливаться в одном пусковом воспламенителе, причем торцы свечей, в которых образуются искровые разряды, располагаются близко друг к другу.

В серийных двухканальных устройствах зажигания разряды в свечах не синхронизируются во времени и следуют с определенной частотой независимо друг от друга. Очевидно, что синхронизация искровых разрядов в свечах во времени при расположении торцов свечей близко друг к другу позволит получить практически удвоенный по объему эквивалентный искровой разряд. При этом суммарная энергия разрядов в свечах должна привести к увеличению воспламеняющей способности устройства зажигания. Этот положительный эффект, получаемый при синхронизации искровых разрядов, изложен в патенте США [3], где описана камера сгорания газотурбинного двигателя, имеющая две близко расположенные свечи, которые по отдельности не могут обеспечить запуск двигателя на заданной высоте, и устройство для одновременной работы двух свечей, создающих зоны горения, которые объединяются и делают возможным запуск двигателя на больших высотах.

На рис. 1 представлена принципиальная схема серийной двухканальной системы зажигания, каждый канал которой содержит преобразователь – индукционную катушку с электромагнитным прерывателем и разрядную цепь с коммутирующим искровым разрядником и полупроводниковой свечой. От преобразователя через выпрямитель заряжается накопительный конденсатор. Система зажигания в каждом канале содержит активизатор – импульсный трансформатор с дополнительным конденсатором. Как видно из рис. 1, зарядно-разрядные цепи электрически не связаны, разряды в свечах не синхронизированы, обрыв цепи одной из свечей не вызывает изменений энергии и мощности разрядов в исправной свече [1], [2].

Рис. 1 – Принципиальная схема серийной двухканальной системы зажигания

 

На основе изложенного представляет практический интерес совершенствование серийной двухканальной емкостной системы зажигания путем синхронизации искровых разрядов в двух свечах и экспериментальное доказательство положительного эффекта от синхронизации разрядов с использованием специальной установки для исследования воспламеняющей способности систем зажигания.

В статье решается задача анализа разработанных оригинальных схемотехнических решений для систем зажигания, позволяющих, в том числе, реализовать два способа повышения эффективности и надежности устройств зажигания: синхронизацию искровых разрядов в свечах двухканальных устройств зажигания и способ, состоящий в компенсации обрыва цепи одной из свечей путем увеличения энергии и мощности искровых разрядов в исправной свече. Экспериментально доказывается, что синхронизация искровых разрядов в двух свечах увеличивает воспламеняющую способность двухканальной системы зажигания.

Одна из возможных разработанных схем двухканальных емкостных систем зажигания, в которой реализованы оба названных выше способа повышения эффективности, показана на рис. 2 [4]. В этом решении по сравнению с рис. 1 изменена схема подключения активизаторов с использованием перекрестных связей и вместо двух дополнительных конденсаторов применен один конденсатор. Логика функционирования схемы состоит в следующем.

Рис. 2 – Принципиальная схема разработанной двухканальной системы зажигания

 

От преобразователей – индукционных катушек с электромагнитными прерывателями через выпрямительные диоды VD заряжаются накопительные конденсаторы С₂. Одновременно заряжаются конденсаторы C₃ в цепях активизаторов через первичные обмотки W₃ импульсных трансформаторов Т₂ и резисторы R₂. При достижении на одном из накопительных конденсаторов С₂ пробивного напряжения соответствующего разрядника FV последний пробивается, и конденсатор С₂ начинает разряжаться на свечу F. Через пробитый разрядник конденсатор С₃ разряжается в цепи первичной обмотки импульсного трансформатора противоположного разрядного контура. В результате на вторичной обмотке этого трансформатора возникает высоковольтный импульс, под действием которого принудительно пробивается второй разрядник FV. После этого второй накопительный конденсатор разряжается на вторую свечу F. Таким образом, разряды в свечах синхронизируются.

Особенностью схемы на рис. 2 является то, что в аварийном режиме при обрыве в цепи одной из свечей во второй исправной свече выделяется повышенная энергия. На исправную свечу разряжаются оба накопительных конденсатора, так как общие точки соединения накопительных конденсаторов и разрядников соединены через первичные обмотки импульсных трансформаторов, при этом длительность разрядов конденсаторов будет разной, что в свою очередь является положительным моментом; известно, что сочетание в свече разрядов разной длительности повышает воспламеняющую способность свечи [2].

В итоге, при обрыве в цепи одной из свечей в исправной свече выделяется энергия обоих конденсаторов, то есть практически удвоенная энергия, что компенсирует отказ одной свечи и повышает надежность работы системы зажигания.

Сравнение схемы серийной двухканальной емкостной системы зажигания, показанной на рис. 1, со схемой на рис. 2 позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, в предложенной схеме обеспечивается синхронизация разрядов в обеих свечах, что должно увеличить воспламеняющую способность системы зажигания. Во-вторых, повышается надежность работы, т.к. при обрыве в цепи одной из свечей в исправной свече выделяется удвоенная энергия, причем энергия заряда конденсаторов остается неизменной, она зависит от емкости накопительного конденсатора и напряжения срабатывания разрядника, которые остаются неизменными. В-третьих, при обрыве в цепи одной из свечей в исправной свече сочетается два вида разряда – основной разряд и разряд накопительного конденсатора второго канала, обладающий большей длительностью за счет включения в цепь разряда конденсатора второго канала последовательно соединенных обмоток импульсных трансформаторов. Как правило, разрядные цепи серийных емкостных систем зажигания обладают индуктивностью в 20-140 мкГн в зависимости от конкретного исполнения разрядной цепи. При последовательном включении в цепь разряда двух первичных обмоток импульсных трансформаторов индуктивность может быть увеличена на 15-20% в зависимости от параметров импульсных трансформаторов. Увеличение индуктивности разрядной цепи, как показано в работе [3], приводит к возрастанию энергии искровых разрядов в свече, а, следовательно, и к увеличению воспламеняющей способности.

Для доказательства положительного эффекта от синхронизации работы двух свечей проведены экспериментальные исследования с использованием установки, предназначенной для технологической проверки серийных воспламенителей камер сгорания газотурбинных двигателей. Блок-схема установки приведена на рис. 3.

Рис. 3 – Блок-схема установки

 

Исследовались пусковые характеристики воспламенителя в координатах Р_Т – давление пускового топлива на входе в воспламенитель – ∆Р_В – давление воздуха на входе в воспламенитель. Давление воздуха на выходе воспламенителя считалось равным атмосферному.

В серийный воспламенитель устанавливались две полупроводниковые свечи СП-43. Давление пускового топлива измерялось манометрами типа I кл. 06 ГОСТ 8625-69. Давление воздуха на входе в воспламенитель определялось по показаниям ртутного пьезометра с точностью до 1 мм Hg. Давление в магистрали подачи топлива создавалось топливным насосом; при работе насоса без подачи топлива в воспламенитель осуществлялась циркуляция топлива в цепи: топливный бак – топливный насос – радиатор – топливный бак.

Регистрация пусковых характеристик воспламенителя проводилась следующим образом. Для каждого заданного значения давления воздуха на входе в воспламенитель ∆Р_В определялись нижняя и верхняя границы стабильного воспламенения при изменении давления топлива от минимальных до максимальных значений. Воспламенение воздушной смеси считалось нормальным, если время задержки воспламенения не превышало 3 секунд после включения подачи топлива с последующим ростом температуры факела пламени на выходе воспламенителя.

Для каждого фиксированного значения давления воздуха на входе в воспламенитель нижняя и верхняя границы пусковой характеристики воспламенителя по давлению топлива фиксировались не менее трех раз. В качестве пускового топлива использовался керосин ТС-1.

По приведенной выше методике оценивались пусковые характеристики с помощью серийной системы зажигания, показанной на рис. 1, и разработанной системы зажигания, показанной на рис. 2, т.е. при отсутствии и наличии синхронизации.

Экспериментально полученные пусковые характеристики воспламенителя показаны на рис. 4. Как следует из рис. 4, при синхронизации разрядов площадь пусковой характеристики в рабочей зоне изменения давления топлива увеличивается на 10-15%.

Рис. 4 – Пусковые характеристики воспламенителя: 1 – пусковая характеристика при наличии синхронизации разрядов в свечах; 2 – пусковая характеристика для серийной двухканальной системы зажигания

Анализируя разрядные процессы в разработанной схеме на рис. 3 в аварийном режиме, можно сформулировать общий метод повышения надежности двухканальных устройств зажигания в случаях, когда торцы двух свечей не расположены близко друг к другу и синхронизация разрядов в свечах не имеет смысла. В этом случае для компенсации отказа одной из свечей при обрыве в ее цепи необходимо предусмотреть резервные цепи для разряда обоих накопительных конденсаторов через индуктивный элемент или дополнительный коммутирующий разрядник. Этот способ повышения эффективности двухканальных устройств зажигания реализован в разработанных схемотехнических решениях, защищенных патентами [5], [6], [7].

В случае использования индуктивного элемента – катушки индуктивности, в нормальном режиме работы обеих свечей уравнительный ток между накопительными конденсаторами не будет существенным образом менять динамику разрядных процессов в свечах; в аварийном режиме работы при обрыве в цепи одной из свечей оба накопительных конденсатора будут разряжаться на исправную свечу, образуя суммарно разряды разной длительности. В случае использования дополнительного коммутирующего разрядника, соединяющего общие точки соединения накопительных конденсаторов и основных разрядников, конденсатор в цепи отказавшей свечи будет заряжаться до суммы пробивных напряжений основного и дополнительного разрядников. При этом накопленная в конденсаторе энергия увеличится, что явится основанием для более эффективной компенсации обрыва цепи одной из свечей.

Следует отметить, что синхронизация разрядов двух накопительных конденсаторов имеет смысл не только в двухканальных устройствах зажигания; синхронизация может дать положительный эффект при наличии двух конденсаторов, работающих на одну свечу. На основании этого принципа разработано схемотехническое решение устройства зажигания, подтвержденное патентом [8]. Схема этой системы зажигания показана на рис 5. Логика процессов такова. От преобразователя заряжаются оба конденсатора C₁ и С₂, причем разность потенциалов между электродами разрядника FV₂ будет равна нулю до пробоя разрядника FV₁. После пробоя разрядника FV₁ напряжение на конденсаторе C₁ будет меняться по закону, показанному на рис. 6 (кривая 1) и соответствующем известной формуле [9]:

где  U₀ – напряжение пробоя разрядника; L – индуктивность разрядной цепи; R – эквивалентное активное сопротивление разрядной цепи.

Рис. 5 – Емкостная система зажигания

Рис. 6 – Напряжение на конденсаторе C₁

 

В момент времени t₁, когда напряжение на конденсаторе C₁ в течение первой четверти периода упадет до нуля, появится разность потенциалов между электродами разрядника FV₂. Он пробьется, и конденсатор C₂ будет разряжаться на свечу, обеспечивая более длительный разряд на свечу за счет наличия индуктивности L (кривая 2).

Таким образом, в свече F будут образовываться разряды разной длительности, что, как было отмечено выше, обеспечит повышенную воспламеняющую способность свечи F.

Работоспособность всех разработанных схем систем зажигания подтверждена экспериментально.

Выводы

Проведен анализ эффективности разработанного схемотехнического решения для двухканальной емкостной системы зажигания авиационных двигателей, экспериментально с использованием специальной установки для исследования пусковых характеристик воспламенителей камер сгорания доказано, что синхронизация искровых разрядов в двух свечах позволяет увеличить на 10-15% площадь пусковой характеристики воспламенителя по сравнению с серийной двухканальной емкостной системой зажигания.

Показано, что в аварийном режиме при отказе одной из свечей в исправной свече выделяется удвоенная энергия. Сформулирован общий метод повышения надежности двухканальных систем зажигания, состоящий в применении резервных цепей соединения накопительных конденсаторов, приведены примеры использования данного метода в новых схемотехнических решениях. На основе метода синхронизации разрядов в свечах выполнен анализ разрядных процессов в новой схеме системы зажигания повышенной эффективности с сочетанием в свече разрядов разной длительности.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Ноздрин Б.М. Низковольтный агрегат системы зажигания емкостного разряда СКНА-22-2А. Техническое описание и инструкция по эксплуатации / Ноздрин Б.М., Поляк Х.А. М.: Машиностроение. – 47 с.
2. Котенко П.С. Перспективы совершенствования электрооборудования летательных аппаратов, общие вопросы эксплуатации и ремонта: учебное пособие / Котенко П.С., Гизатуллин Ф.А. Уфа: РИК УГАТУ, 2018. – 295 с.
3. US Patent 3,264,825, IC F02C 7/26 (20060101); F02C 7/266 (20060101). Gas turbine jet propulsion engine igniter / A. Halls Etal. 09.08.1966.
4. Пат. 59160 Российская Федерация, МПК F 02 P 3/06. Система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, А.В. Лобанов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - № 2006126383/22; заявл. 07.2006; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34.
5. Пат. 75700 Российская Федерация, МПК F 02 P 3/06. Система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, Д.Р. Газизов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - № 2008109481/22; заявл. 03.2008; опубл. 20.08.2008, Бюл. № 23.
6. Пат. 129160 Российская Федерация, МПК F 02 P 3/06. Емкостная система зажигания с одним преобразователем на две свечи / Ф.А. Гизатуллин, Р.М. Салихов, Т.М. Ищейкина, Е.Ю. Покатаева, А.Ю. Барабанов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - № 2012157588/07; заявл. 12.2012; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.
7. Пат. 132498 Российская Федерация, МПК F 02 P 3/06. Емкостная система зажигания с одним преобразователем на две свечи / Ф.А. Гизатуллин, Р.М. Салихов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - № 2013105875/07; заявл. 02.2013; опубл. 20.09.2013, Бюл. № 26.
8. Пат. 64295 Российская Федерация, МПК F 02 P 3/06. Емкостная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, М.Н. Андреев; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - № 2006145655/22; заявл. 12.2006; опубл. 27.06.2007, Бюл. № 18.
9. Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники / Нейман Л.Р., Демирчян К.С. – М. – Л.: Энергия, 1981, т.1 – 522 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Nosdrin B.M. Nizkovol'tnyj agregat sistemy zazhiganiya emkostnogo razryada SKNA-22-2A. Tekhnicheskoe opisanie i instrukciya po ekspluatacii [Low-voltage ignition system LVCA-22-2A. Technical description and operating instructions] / Nozdrin B.M., Polak H.A. M.: Mechanical engineering. 1968. - 47 p. [in Russian].
2. Kotenko P.S. Perspektivy sovershenstvovaniya elektrooborudovaniya letatel'nykh apparatov, obshchiye voprosy ekspluatatsii i remonta: uchebnoe posobie [Prospects for improvement of aircraft electrical equipment, general maintenance and repair issues: manual] / Kotenko P.S., Gizatullin F.A. Ufa: RIC USATU, 2018 – 295 p. [in Russian].
3. US Patent 3,264,825, IC F02C 7/26 (20060101); F02C 7/266 (20060101). Gas turbine jet propulsion engine igniter / A. Halls Etal. 09.08.1966.
4. 59160 Russian Federation, МПК F 02 P 3/06. Sistema zazhiganiya [Ignition system] / F.A. Gizatullin, A.V. Lobanov; the applicant and the patentee Ufa State Aviation Technical University - № 2006126383/22; appl. 20.07.2006; publ. 10.12.2006, Bul. Number 34.
5. 75700 Russian Federation, МПК F 02 P 3/06. Sistema zazhiganiya [Ignition system] / F.A. Gizatullin, D.R. Gazizov; the applicant and the patentee Ufa State Aviation Technical University. - № 2008109481/22; appl. 12.03.2008; publ. 20.08.2008, Bul. Number 23.
6. 129160 Russian Federation, МПК F 02 P 3/06. Yemkostnaya sistema zazhiganiya s odnim preobrazovatelem na dve svechi [Capacitive ignition system with one converter for two candles] / F.A. Gizatullin, R.M. Salikhov, T.M. Ishcheykina, Ye.Yu. Pokatayeva , А.Yu. Barabanov; the applicant and the patentee Ufa State Aviation Technical University. - № 2012157588/07; appl. 26.12.2012; publ. 20.06.2013, Bul. Number 17.
7. 132498 Russian Federation, МПК F 02 P 3/06. Yemkostnaya sistema zazhiganiya s odnim preobrazovatelem na dve svechi [Capacitive ignition system with one converter for two candles] / F.A. Gizatullin, R.M. Salikhov; the applicant and the patentee Ufa State Aviation Technical University. - № 2013105875/07; appl. 12.02.2013; publ. 20.09.2013, Bul. Number 26.
8. 64295 Russian Federation, МПК F 02 P 3/06. Yemkostnaya sistema zazhiganiya [Capacitive ignition system] / F.A. Gizatullin, М.N. Andreyev; the applicant and the patentee Ufa State Aviation Technical University. - № 2006145655/22; appl. 21.12.2006; publ. 27.06.2007, Bul. Number 18.
9. Neumann L.R. Teoreticheskiye osnovy elektrotekhniki [Theoretical Fundamentals of Electrical Engineering]/ Neumann L.R., Demirchyan K.S.– М. – L.: Energiya, 1981, v.1 – 522 p. [in Russian].