Вопрос 2. Авиационные свечи

 

Основными элементами системы зажигания являются источник высокого напряжения (иногда его называют агрегатом системы зажигания), запальное устройство (рис. 4), электрические свечи и соединяющие их высоковольтные экранированные провода.

Свеча 3 является частью запального устройства (рис. 4), 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. 4. 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 разделять системы зажигания по типу используемого накопителя подразделять на:

- емкостные системы зажигания, обеспечивают создание индуктивных разрядов на свечах;

- индуктивные системы зажигания, обеспечивают создание емкостных разрядов на свечах;

- комбинированные системы зажигания, обеспечивают создание индуктивных и емкостных разрядов на одних и тех же свечах.

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 топливовоздушной 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, что 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 U_пр

Величина U_пр 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 5 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 U_пр 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. 5. 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], Т – 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 (1) при пробивное напряжение искровой свечи U_пр = 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.