Вопрос № 18

Водная часть

Запуск ГТД производится с помощью бортовой системы запуска, обязательным элементом которой является система зажигания.

Система зажигания предназначена для воспламенение топливовоздушной смеси в основной камере сгорания (ОКС) ГТД, а также при необходимости в форсажной камере сгорания (ФКС), если такая имеется на данном типе двигателя.

Воспламенение топливовоздушной смеси в ОКС необходимо производить в трех случаях:

• при запуске двигателя на земле;

• при запуске на режиме авторотации в случае самовыключения двигателя в полете;

• при встречном запуске двигателя в полете.

Авиационные свечи

Основными элементами системы зажигания являются источник высокого напряжения (иногда его называют агрегатом системы зажигания), запальное устройство (рисунок 1), электрические свечи и соединяющие их высоковольтные экранированные провода.

Свеча 3 является частью запального устройства (рисунок 1), в состав которого входит также пусковая форсунка 1 и механизм 2, управляющий подачей топлива, - электромагнитный клапан. Для подпитки кислородом в запальное устройство иногда встраивается специальный дозирующий жиклер. Запальные устройства (воспламенители) устанавливаются в нескольких патрубках между жаровыми трубами камеры сгорания.

При запуске двигателя топливо поступает к пусковой форсунке, которая распыляет его в газовом потоке, набегающем через отверстия искрообразователъной полости. Одновременно (если не производится предварительная тренировка свечей) начинается образование электрического разряда. Возникает пусковой факел пламени, от которого воспламеняется топливо, поступающее в камеру сгорания через рабочие форсунки.

Рис. 1. Запальное устройство камеры сгорания ГТД

Для воспламенения топливовоздушной смеси в ОКС на современных боевых летательных аппаратах применяются системы зажигания исключительно электрического типа.

Воспламенение топливовоздушной смеси в ФКС, входящей в состав ГТД любого сверхзвукового самолета, производится при необходимости перевода двигателя на режим наибольшей – форсажной тяги.

Для запуска ФКС в настоящее время в основном используется тепловой метод зажигания с помощью так называемой «огневой дорожки», берущей начало в ОКС. Реже здесь используются электрические системы зажигания.

Воспламенение топливовоздушной смеси в электрических системах зажигания осуществляется за счет энергии электрических разрядов между электродами специального разрядника, называемого запальной свечой.

Энергия, выделяемая в электрическом разряде на свече, предварительно накапливается либо в электрическом поле специального накопительного конденсатора, либо в электромагнитном поле индукционной катушки. В связи с этим принято системы зажигания по типу используемого накопителя подразделять на:

• емкостные системы зажигания;

• индуктивные системы зажигания;

• комбинированные системы зажигания.

В комбинированных системах зажигания используются совместно как емкостной, так и индуктивный накопители электрической энергии.

Надежность воспламенения топливовоздушной смеси зависит от величины энергии, выделяемой в каждом электрическом разряде, времени выделения этой энергии, т.е. от мощности в электрическом импульсе, и от внешних условий, при которых осуществляется воспламенение топливовоздушной смеси.

Внешние условия в основном определяются такими факторами, как температура и давление, а также скорость газа в ОКС. Эти условия в зависимости от вида запуска весьма различны.

Наиболее благоприятны условия запуска ГТД на земле, когда температура и давление в ОКС мало отличаются от температуры и давления окружающей среды, а скорость воздуха в ОКС не превышает 30…40 м/с. При таких условиях для воспламенения топливовоздушной смеси нормального состава необходимое количество энергии в каждом электрическом разряде на свече не превышает величины 0,01 Дж.

На режиме авторотации температура и давление воздуха в ОКС мало отличаются от его параметров на данной высоте полета. Так на высоте 10 км температура воздуха может не превышать 218 К, а давление – 0,026 ·10⁶ Па.

Такое понижение температуры и давления, а также возможное переобогащение топливовоздушной смеси затрудняют ее воспламенение.

Кроме того, в режиме авторотации двигателя с увеличением высоты полета возрастает скорость движения воздуха в ОКС, что также ухудшает условия воспламенения.

Все эти обстоятельства приводят к тому, что надежное воспламенение топливо-воздушной смеси при запуске двигателя в режиме авторотации требует выделения в каждом электрическом разряде на свече энергии не менее 0,1 Дж.

Наиболее тяжелые условия воспламенения соответствуют встречному запуску двигателя, поскольку при таком запуске давление в ОКС многократно превышает давление в двух ранее рассмотренных условиях запуска, а скорость движения топливовоздушной смеси в ОКС значительно больше, чем при запуске двигателя на земле. Встречный запуск требует выделения энергии в каждом электрическом разряде не менее 1 Дж.

Таким образом, для надежного воспламенения топливовоздушной смеси во всех случаях запуска ГТД необходимо выделение в каждом разряде на свече не менее 1…2 Дж электрической энергии.

Кроме величины энергии, выделяемой в электрическом разряде, на способность воспламенения топливовоздушной смеси весьма существенно влияет и время выделения этой энергии, т.е. мощность разряда в импульсе. Установлено: чем меньше время выделения одного и того же количества энергии, тем выше воспламеняющая способность разряда. Это объясняется тем, что с уменьшением времени разряда увеличивается концентрация тепла в ограниченном объеме, где происходит воспламенение смеси.

Время разряда зависит от параметров системы зажигания, но всегда в емкостном разряде оно меньше, чем в индуктивном разряде. Так, в емкостном разряде это время измеряется долями или единицами микросекунды, а мощность в импульсе составляет около 1 МВт.

При индуктивном разряде время выделения энергии может быть на три порядка больше времени емкостного разряда, что соответственно снижает мощность в импульсе.

Для осуществления электрического разряда между электродами свечи, иначе говоря – пробоя свечи, к электродам необходимо приложить довольно высокое напряжение.

Напряжение, при котором происходит пробой свечи, называется пробивным напряжением .

Величина существенно зависит от свойств физической среды между электродами свечи, в которой и происходит электрический разряд.

Существует в настоящее время три типа свечей, различающихся по виду среды, в которой происходит пробой:

1) искровые свечи, в которых выделение энергии, необходимой для воспламенения топливовоздушной смеси, происходит между электродами, разделёнными газовым промежутком;

2) свечи поверхностного разряда – полупроводниковые свечи, рабочая поверхность которых обладает полупроводниковыми свойствами;

3) эрозионные свечи – их рабочая поверхность основана керамическим изолятором, металлизированным за счёт эрозии материала электродов.

Искровые свечи зажигания

На рисунке 2 изображена искровая свеча, используемая для воспламенения топливовоздушной смеси при розжиге форсажной камеры ГТД.

Свеча состоит из керамического изолятора 3 с центральным электродом 1, установленным в корпусе свечи из жаропрочной стали. Центральный электрод изготавливается также из специальной жаропрочной стали и укрепляется на резьбе и термоцементе 2 в изоляторе. Изолятор из электропрочной керамики устанавливается в корпусе 8 на медную шайбу 9, на него накладывается шайба 7, а затем запрессовывается втулка 6. Кроме того, изолятор в корпусе армируется стеклогерметиком 5.Корпус завальцовывается на шайбу 4. Расстояние между электродами свечи составляет 2 + 0,2 мм. Свеча обеспечивает нормальное искрообразование при температуре в искровом промежутке до 973 К. В процессе эксплуатации свеча не разбирается и расстояние между электродами не регулируется.

В искровых свечах электрический разряд осуществляется в газовой среде между электродами свечи.

Величина пробивного напряжения свечи зависит от рода газа, его плотности и расстояния между электродами. В соответствии с уравнением состояния идеального газа плотность газа может быть выражена через давление и температуру газа (p и Т), что более удобно для практических расчетов.

Рис. 2. Конструкция искровой свечи

Существует экспериментальная формула (1) для определения в искровых свечах, справедливая для значений параметров, соответствующих условиям работы систем зажигания в ГТД:

(1)

где, – давление воздуха [Па];

– температура воздуха [К];

– расстояние между электродами свечи [м];

– пробивное напряжение [кВ].

В авиационных свечах расстояние между электродами составляет 1…3 мм. Значения параметров и в камере сгорания ГТД могут изменяться в широких пределах. Допустим, что в условиях встречного запуска двигателя =12·10⁵ Па и =1200 К. Тогда в соответствии с (6.4) при пробивное напряжение искровой свечи = 18,7 кВ.

Таким образом, для систем зажигания с искровыми свечами требуется источник высокого напряжения. Таким источником служит индукционная катушка, выходное напряжение которой может составлять 10…20 кВ.

Полупроводниковые свечи зажигания

Конструктивная схема нижней части полупроводниковой свечи изображена на рисунке 3.

Рис. 3. Конструкция нижней части полупроводниковой свечи

Между проводящим стержнем 1, соединенным с центральным электродом 5, и боковым электродом 4 расположен керамический изолятор 2. Боковой электрод выполнен в форме кольца. Полупроводник 6 имеет в поперечном сечении трапецеидальную форму. В нижней части изолятора установлено металлическое уплотнительное кольцо 7. У некоторых свечей полупроводниковый состав наносят тонким слоем на поверхность изолятора 2. Расстояние между электродами обычно 1 мм. Герметизацию свечи обеспечивает гермоцемент 3.

В ряде случаев полупроводниковые свечи используется для непо­средственного розжига топливовоздушной смеси в камерах сгорания ГГД. При этом свеча подвергается воздействию температур до 1500 К и давления (10 - 20)^.10⁵ Па.

Системы зажигания с полупроводниковыми свечами не требуют такого высокого напряжения питания, как системы с искровыми свечами. Рабочее напряжение их существенно ниже и лежит в пределах 2…3 кВ.

В полупроводниковой свече разряд происходит вдоль поверхности полупроводника, помещенного между двумя металлическими электродами. В качестве полупроводника обычно используется керамический материал на основе двуокиси титана, подвергнутого частичному восстановлению в водороде.

Такой полупроводник обладает электронной проводимостью, отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и характеризуется значительной неоднородностью электропроводности различных участков.

Получение разряда вдоль поверхности полупроводника можно пояснить с помощью схемы (рисунок 4).

К моменту замыкания разделительного устройства накопительный конденсатор заряжен до напряжения и содержит энергию, равную:

При замыкании разделительного устройства, которым обычно является газовый разрядник, в толще проводника возникает токовая дорожка.

Тело проводника выполнено в форме усеченного конуса, сужающегося к торцу свечи. Внешняя поверхность токовой дорожки, т.е. та, которая ближе к торцу свечи, в силу большей здесь плотности тока нагревается сильнее, чем ее противоположная поверхность. С увеличением нагрева электрическое сопротивление «внешней» поверхности дополнительно уменьшается, что приводит к дальнейшему увеличению тока и нагреву.

Рис. 4. Принципиальная схема образования разряда вдоль поверхности полупроводника

В результате этого процесса токовая дорожка становится все более интенсивной и «всплывает» на торцевую поверхность полупроводника, где происходит частичное испарение материала полупроводника. На границе паров полупроводника и окружающего газа возникает скачок температуры и давления. В результате между электродами свечи образуется область, заполненная сильно ионизированными парами материала с пониженной электрической прочностью, в которой и возникает электрический емкостной разряд. Энергия, выделяющаяся при разряде, определяется количеством энергии, сохранившейся к этому моменту времени в накопительном конденсаторе.

Характерным и весьма положительным обстоятельством в работе полупроводниковой свечи является независимость возникновения электрического разряда от условий внешней среды.

Эрозионные свечи зажигания

Кроме искровых и полупроводниковых свечей в системах зажигания ГТД используются так называемые эрозионные свечи.

На рисунке 6.9 приведена конструктивная схема эрозионной свечи.

Рис. 5. Конструкция нижней части эрозионной свечи

В корпусе 1, выполненном из нержавеющей жаростойкой стали, укреплён керамический изолятор 3. Между корпусом и изолятором размещён боковой серебряный электрод 4, а между центральный стержнем 2 и изолятором - центральный серебряный электрод 5. Электроды выполнены в виде конических колец. Рабочей поверхностью А свечи является кольцевая поверхность между двумя концентрически расположенными серебряными электродами. Такая форма поверхности позволяет стабилизировать характеристики разряда. Разрядный промежуток по рабочей поверхности керамики составляет 0,7 - 1,1 ми.

Система зажигания с эрозионными свечами при запуске двигателя всегда включается раньше, чем подается топливо, с целью обеспечения предварительной тренировки свечей - напыления достаточного количества частиц металла.

В эрозионной свече серебряные электроды разделены керамическим изолятором, на поверхности которого напылены мельчайшие частицы серебра.

При подводе напряжения к электродам свечи происходит пробой между отдельными частицами серебра, что значительно снижает величину общего напряжения пробоя .

В разряде по поверхности металлизированного изолятора существуют две стадии:

• стадия емкостного разряда;

• стадия индуктивного разряда.

В процессе емкостного разряда происходит выгорание частиц серебра с рабочей поверхности свечи, а в процессе индуктивного разряда происходит обратный процесс – процесс металлизации.

Для нормальной работы эрозионной свечи должно соблюдаться динамическое равновесие между процессами выгорания и напыления металлизированных частиц серебра, что обеспечивается соответствующим выбором параметров системы зажигания.

В противном случае, если происходит преобладание процесса напыления, свеча шунтируется и перестает работать. Если же преобладает процесс выгорания частиц, то при малом их числе требуемое пробивное напряжение становится слишком большим и не обеспечивается системой зажигания. Вследствие этого работа свечи также прекращается.

Напряжение пробоя эрозионных свеч, как правило, ниже, чем у полупроводниковых свечей, но физические свойства эрозионного слоя менее стабильны, чем у полупроводниковой керамики.

Таким образом, существует вторая классификация систем зажигания ГТД - классификация по виду используемых свечей и уровню рабочего напряжения:

• высоковольтные системы зажигания с искровыми свечами и с рабочим напряжением 10…20 кВ;

• низковольтные системы зажигания с полупроводниковыми свечами и рабочим напряжением 2…3 кВ;

• низковольтные системы зажигания с эрозионными свечами и с рабочим напряжением 0,5…1,5 кВ.