Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния проблемы и постановка научно-технических задач 10
1.1 Современные системы зажигания газотурбинных двигателей и направления их совершенствования 10
1.2 Подходы к учету нелинейных свойств свечей зажигания 28
1.3 Методы моделирования процессов в системах зажигания 36
1.4 Выводы по результатам анализа и постановка научно-технических задач 41
Глава 2 Моделирование разрядных процессов в импульсно-плазменнои системе зажигания 43
2.1 Разработка базовой схемы импульсно-плазменнои системы зажигания комбинированного разряда 43
2.2 Схемотехническое моделирование разрядных процессов в импульсно-плазменнои системе зажигания 47
2.3 Имитационное моделирование разрядных процессов 52
2.3.1 Имитационная аналитическая модель 52
2.3.2 Имитационная модель без получения аналитических решений 68
2.4 Экспериментальное подтверждение адекватности разработанных моделей 77
Выводы по второй главе 90
Глава 3 Исследование энергетической эффективности разрядных цепей системы зажигания 91
3.1 Теоретическое исследование энергетических характеристик импульсно-плазменнои системы зажигания с помощью разработанных моделей 91
3.2 Экспериментальное исследование разрядных процессов -в импульсно-плазменнои системе зажигания 97
3.2.1 Зависимость энергии разрядов от емкости и начального напряжения накопительного конденсатора при постоянстве накопленной энергии 97
3.2.2 Сравнительное исследование разрядных процессов в импульсной емкостной и импульсно-плазменнои системах зажигания 99
3.3 Методика оценки эффективности импульсно-плазменных систем зажигания 101
Выводы по третьей главе 106
Глава 4 Разработка схемотехнических решений эффективных систем зажигания 107
4.1 Импульсно-плазменная система зажигания повышенной эффективности 107
4.2 Высоковольтная импульсно-плазменная система зажигания 109
4.3 Двухканальная система зажигания с синхронизацией разрядов в свечах 112
Выводы по четвёртой главе 115
Заключение 116
Литература 118
- Современные системы зажигания газотурбинных двигателей и направления их совершенствования
- Разработка базовой схемы импульсно-плазменнои системы зажигания комбинированного разряда
- Теоретическое исследование энергетических характеристик импульсно-плазменнои системы зажигания с помощью разработанных моделей
- Импульсно-плазменная система зажигания повышенной эффективности
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Электрические системы зажигания являются одной из наиболее ответственных частей комплекса электрооборудования двигателей летательных аппаратов. Они используются для воспламенения топливовоздушной смеси при запуске газотурбинных двигателей как на земле, так и в воздухе, и от эффективного действия системы зажигания во многом зависит надежность запуска и работы двигателей.
В настоящее время широкое распространение получили емкостные системы зажигания с полупроводниковыми свечами, обладающие такими достоинствами, как большие энергия и мощность разрядных импульсов в свечах, практическая независимость работы от давления окружающей среды, степени загрязнения свечей, имеют высокую воспламеняющую способность и значительный ресурс работы свечей. Разряд в полупроводниковых свечах емкостных систем зажигания может иметь колебательный или апериодический характер. Системы зажигания апериодического разряда обладают повышенной энергетической эффективностью и широко применяются в зарубежных ГТД.
Значительный рост скоростей и высот полета, увеличение мощности двигателей приводят к усложнению функций, выполняемых летательными аппаратами и ужесточению требований, предъявляемых к силовым установкам, что вызывает необходимость совершенствования электрических систем зажигания и поиска новых решений, направленных на повышение их энергетической эффективности, надежности работы.
Наряду с существующими емкостными системами зажигания, в последнее время ведутся разработки плазменных систем, предполагающих использование специальных мощных источников питания.
Вопросы повышения эффективности авиационных систем зажигания освещены во многих работах отечественных и зарубежных авторов. Среди них
5 следует особо выделить труды И.М. Синдеева, В.А. Балагурова, В.П. Ураева, Р.Ш. Вахитова, Ф.А. Гизатуллина, В.Н. Гладченко, Л.И. Алимбекова, О.А. Попова, А.В. Краснова, А.Н. Мурысева, В.Д. Опескина, А. Лефевра, Дж.Р. Фруса, К.К. Светта и др.
Тем не менее, следует отметить, что традиционные методы повышения эффективности систем зажигания практически исчерпаны. Актуален поиск новых возможностей совершенствования систем зажигания.
В известных работах по исследованию воспламеняющей способности искровых разрядов экспериментально доказано, что при некоторых способах организации процессов стабилизации пламени в камерах сгорания и пусковых воспламенителях ГТД целесообразно снижать мощность разрядов в условиях постоянства энергии разрядов; результаты исследований свидетельствуют о том, что снижение скорости подвода энергии к топливовоздушной смеси в условиях постоянства общей накопленной энергии при электроискровом способе стабилизации пламени расширяет пусковую характеристику воспламенителей. Возможности повышения эффективности систем зажигания за счет снижения в определенных пределах мощности разрядных импульсов в свечах в настоящее время не используются в полной мере при разработке новых схемотехнических решений систем зажигания.
Снижение мощности разрядных импульсов в свечах при постоянной энергии может быть достигнуто путем изменения соотношения между емкостью и начальным напряжением накопительного конденсатора. При значительном увеличении емкости разрядный процесс может быть однополярным (апериодическим), что также является положительным фактором, влияющим на эффективность систем зажигания.
Научный и практический интерес представляет создание на основе отмеченного эффекта новых импульсно-плазменных систем зажигания, сочетающих в себе преимущества импульсных емкостных и непрерывных плазменных систем.
Моделирование разрядных процессов в системах зажигания осложняется быстротечностью разрядных процессов, наличием в разрядных контурах нелинейных элементов. Известные в настоящее время модели являются достаточно приближенными, основанными на упрощенном представлении характеристик нелинейных элементов.
В последние годы в связи с развитием информационных технологий актуальны новые подходы к проектированию и оценке эффективности разрабатываемых систем зажигания на основе компьютерного моделирования.
Таким образом, проведение исследований, направленных на разработку новых систем зажигания, основанных на неиспользуемых возможностях повышения эффективности, внедрение информационных технологий в процесс разработки и исследования систем зажигания и создание достоверных методик оценки их эффективности, в настоящее время продолжает оставаться актуальным.
В соответствии с обозначенной проблематикой формулируются цель и задачи настоящей работы.
Цель работы: Разработка и исследование нового класса импульсно-плазменных систем зажигания газотурбинных двигателей, обладающих повышенной энергетической эффективностью.
Задачами диссертации являются:
Математическое и компьютерное моделирование разрядных процессов в импульсно-плазменной системе зажигания.
Исследование разрядных процессов в импульсно-плазменной системе зажигания на основе созданных моделей.
Разработка методики оценки эффективности импульсно-плазменных систем зажигания на основе результатов моделирования и исследования.
Экспериментальное подтверждение адекватности разработанных моделей разрядных процессов.
5. Разработка новых схемотехнических решений на основе результатов моделирования и выполненных исследований.
Методы исследований. При выполнении работы для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, численные методы математики, осциллографический метод экспериментальных исследований. Моделирование на ЭВМ производилось в программных средах Matlab 6.5, Mathcad 2000 Professional, Mathematica.
На защиту выносятся:
Схемотехническая и имитационные модели разрядных процессов в системе зажигания нового класса — импульсно-плазменной системе зажигания.
Результаты исследований разрядных процессов с помощью разработанных моделей.
Методика оценки эффективности импульсно-плазменных систем зажигания ГТД.
Новые схемотехнические решения перспективных систем зажигания, предложенные на основе исследований базовой схемы.
Научная новизна.
Впервые исследована и обоснована эффективность нового класса импульсно-плазменных систем зажигания, занимающих промежуточное положение между импульсными искровыми и непрерывными плазменными; разработаны математическая и компьютерные имитационные модели разрядных процессов в импульсно-плазменной системе зажигания с учётом нелинейных свойств свечи.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разрядных процессов выявлены возможности повышения энергетической эффективности систем зажигания, отличающиеся от известных, в частности, отрицательным влиянием индуктивности разрядной цепи; установлены закономерности изменения коэффициента использования энергии накопительного конденсатора в функции параметров разрядной цепи,
8 установлено, что коэффициент использования энергии в импульсно-плазменных системах зажигания выше в 4-5 раз по сравнению с импульсными емкостными системами зажигания различных типов и составляет 20-НЗО %.
3. На основе результатов моделирования разрядных процессов разработан алгоритм расчета энергетических параметров разрядов по заданным характеристикам разрядной цепи, отличающийся от известных видом аппроксимирующего выражения при учете нелинейности свечи.
Практическая значимость.
Разработанные схемотехническая и имитационные модели, подтверждённые экспериментально, позволяют решать задачи исследования, разработки, доводки, оценки эффективности импульсно-плазменных систем зажигания без проведения сложных и трудоёмких стендовых испытаний.
Новые схемотехнические решения являются основой создания и практического применения нового класса систем зажигания, обладающих повышенной энергетической эффективностью по сравнению с известными системами зажигания при том же уровне потребляемой мощности; разработки защищены четырьмя патентами на полезные модели (Патент РФ № 59159, Патент РФ № 59160, Патент РФ № 62664, Патент РФ № 75433).
Получены рекомендации по выбору параметров импульсно-плазменных систем зажигания, обеспечивающие максимальную энергетическую эффективность разрядных цепей.
Предложенная методика оценки эффективности импульсно-плазменных систем зажигания учитывает нелинейные свойства свечи и позволяет с приемлемой точностью определять основные параметры искровых разрядов в свечах.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в учебный процесс в УГАТУ для студентов специальности 140609 "Электрооборудование летательных аппаратов".
9 Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на следующих научно-технических конференциях:
Интеллектуальные системы управления и обработки информации. Уфа, 2003.
От мечты к реальности: научно-техническое творчество создателей авиационной и ракетно-космической техники (к 100-летию со дня рождения СП. Королёва). Уфа, 2006.
Наука. Технологии. Инновации. Новосибирск, 2006.
Актуальные проблемы в науке и технике. Уфа, 2007.
Публикации по теме диссертации. По результатам исследований
опубликовано 14 печатных работ, из них 4 патента РФ, 10 статей и тезисов докладов, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК Рособрнадзора.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Основная часть содержит 129 страниц, 54 рисунка, 3 таблицы. Список литературы включает 111 наименований и занимает 12 страниц.
Современные системы зажигания газотурбинных двигателей и направления их совершенствования
Эволюция систем зажигания тесно связана с развитием двигателестроения. Совершенствование авиационных двигателей предопределило появление новых требований к системам зажигания. Первые авиационные газотурбинные двигатели запускались только на земле и традиционные электрические системы зажигания, такие как индуктивные и емкостные, воспламеняющие топливовоздушную смесь с помощью электрических разрядов в свечах зажигания, обеспечивали их надёжный запуск.
В настоящее время возрастающие требования к пусковым характеристикам камер сгорания, связанные с устойчивой тенденцией роста скоростей и высот полёта, повышением температуры в зоне работы свечей" зажигания, привели к ужесточению требований к системам зажигания. Основные требования предъявляются к показателям энергетической эффективности, износостойкости элементов, стабильности выходных параметров, а также к массогабаритным показателям.
Известно, что с подъёмом на высоту и увеличением скоростей полёта воспламеняемость топливовоздушной смеси ухудшается, поэтому требуется увеличенная энергия искровых разрядов в свечах, в связи с этим в новых разработках предпочтение отдаётся емкостным системам зажигания с полупроводниковыми свечами и плазменным системам зажигания. В полупроводниковых свечах в зазоре между электродами расположен полупроводниковый элемент, обеспечивающий значительное снижение пробивного напряжения свечей. Главным преимуществом полупроводниковых свечей является практическая независимость пробивного напряжения, а, следовательно, и параметров искровых разрядов от давления, температуры, количества жидкой фазы топлива в зоне работы свечей. К преимуществам емкостных систем зажигания с полупроводниковыми свечами относится и возможность значительного увеличения энергии искровых разрядов, высокие воспламеняющая способность, ресурс работы свечей.
Система зажигания работает в режиме заряд — разряд. После пробоя разрядника FV напряжение основного накопительного конденсатора С\ прикладывается к свече F, в которой происходит емкостной разряд, состоящий из двух стадий - подготовительной и искровой. После окончания разряда в свече разрядник восстанавливается и накопительный конденсатор вновь заряжается. Разрядное сопротивление R1 служит для устранения остаточного заряда на основном конденсаторе О по окончании работы системы. Сопротивление гальванической связи R2 служит для заряда дополнительного конденсатора С2, а также предохраняет основной конденсатор С\ от пробоя при работе на открытую цепь, т.е. без свечи.
Высоковольтные емкостные системы зажигания могут работать со всеми типами свечей, т.е. полупроводниковыми, эрозионными и искровыми. Высоковольтность систем зажигания естественным образом ограничивает высотность их работы в связи с тем, что наличие высокого напряжения требует более прочной электрической изоляции, что, в свою очередь, усугубляется понижением пробивных напряжений с подъемом на высоту. Обеспечение необходимой электропрочности изоляции связано в конечном итоге с увеличением массы и габаритов агрегатов зажигания в целом.
Высоковольтные емкостные системы зажигания относятся также к классу комбинированных систем зажигания, в которых осуществляется сочетание двух типов разрядов: высоковольтного маломощного ионизирующего разряда, необходимого для первоначального пробоя искрового промежутка свечи, и основного мощного низковольтного разряда. Высоковольтный ионизирующий импульс создается активизатором, мощный разряд обеспечивается разрядом накопительного конденсатора после пробоя разрядника.
Современные емкостные системы зажигания выполняются со стабилизацией выходных параметров, достигаемой за счёт использования электронных схем управления высоковольтными трёхэлектродными разрядниками [6].
Создание систем зажигания с повышенной стабильностью выходных параметров является одной из основных тенденций развития как отечественных, так и зарубежных емкостных систем зажигания. Помимо надежного воспламенения топливовоздушной смеси в камерах сгорания и пусковых воспламенителях ГТД, это позволяет уменьшить массу и габариты агрегатов зажигания.
Для стабилизации напряжения заряда накопительных конденсаторов в основном применяются управляемые трехэлектродные разрядники со специальными схемами управления, обеспечивающими их принудительный пробой при строго фиксированном напряжении [25], возможно использование тиристорных коммутаторов, имеющих значительно меньшие массу и габариты [74, 76].
На данный момент известно несколько разновидностей схем управления трёхэлектродными разрядниками, например схема с дополнительным поджигающим разрядником, схемы с использованием электронных пороговых устройств.
В настоящее время считаются перспективными емкостные системы зажигания апериодического (однополярного) разряда. Такие системы зажигания широко применяются на многих зарубежных газотурбинных двигателях как обладающие повышенными энергетической эффективностью, воспламеняющей способностью и ресурсом. В этих системах зажигания апериодический разряд обусловлен не определенным сочетанием параметров R, L и С, как в классической схеме емкостной системы зажигания, а искусственно создается в схеме с большой индуктивностью разрядной цепи благодаря подключению дополнительного элемента - высоковольтного диода, шунтирующего катушку индуктивности и свечу зажигания.
При этом, во-первых, снижаются потери энергии накопительного конденсатора, соответственно этому повышается коэффициент использования энергии конденсатора за счет исключения из цепи разряда, начиная с определенного момента, накопительного конденсатора и разрядника. Во-вторых, в результате того, что разрядный ток, а, следовательно, и электродинамическая сила, действующая на канал разряда, не меняют знака, выброс плазмы разряда относительно рабочего торца свечи возрастает, при. этом надежность воспламенения смеси увеличивается. В-третьих, при апериодическом разрядном процессе повышается срок службы накопительного конденсатора, так как напряжение на конденсаторе не меняет знака [25].
Разработка базовой схемы импульсно-плазменнои системы зажигания комбинированного разряда
Известны следующие основные типы систем зажигания ГТД: высоковольтные и низковольтные индуктивные, высоковольтные и низковольтные емкостные и плазменные системы. Широкое применение при непосредственном розжиге смеси в камерах сгорания и при косвенном розжиге в пусковых воспламенителях ГТД нашли: высоковольтные индуктивные системы зажигания с эрозионными свечами, низковольтные и высоковольтные емкостные системы зажигания с полупроводниковыми свечами [35, 48]. Плазменные системы зажигания применяются в основном в ГТД наземного назначения.
Основной недостаток широко применяемых в настоящее время емкостных систем зажигания вытекает из принципа действия и заключается в импульсном характере разрядов в свече, что может явиться причиной уменьшения воспламеняющей способности в случае, если стабилизация пламени в устройствах горения осуществляется не за счет аэродинамических свойств камеры сгорания, а за счет подвода энергии от свечи зажигания. В этом случае система зажигания может не обеспечить требуемой пусковой характеристики камеры сгорания или пускового воспламенителя [27].
Существенно иное положение складывается при применении плазменных систем зажигания с подводом энергии в виде плазменной струи, обеспечивающей надежное воспламенение смеси даже в случае отсутствия эффективной аэродинамической стабилизации пламени. Однако в настоящее время плазменные системы зажигания не получили широкого применения в авиационных ГТД из-за необходимости использования мощных источников питания, обладающих значительными массой и габаритами, а также из-за низкого ресурса плазменных свечей зажигания [25, 67].
Многие вопросы повышения эффективности систем зажигания различных типов, расчет конструкции элементов и методы оценки отдельных выходных параметров рассмотрены в ряде известных работ [13, 19, 20, 23, 25, 27, 34, 38, 43, 45, 48, 57, 58, 65, 89], где основное внимание уделяется поиску новых конструктивных и схемотехнических решений, направленных на улучшение основных характеристик проектируемых систем.
В настоящее время обосновывается возможность использования емкостных систем зажигания, занимающих промежуточное положение между импульсными искровыми и непрерывными плазменными. Эффект от применения таких систем зажигания основывается на известном экспериментальном результате, описанном в [27]. При электроискровом способе стабилизации пламени в устройствах горения, например, в пусковых воспламенителях, уменьшение скорости подвода энергии к топливовоздушной смеси в условиях постоянства общей накопленной энергии приводит к устойчивому расширению пусковой характеристики. Этот метод реализуется различными способами, например, введением в разрядную цепь катушки индуктивности с высокой добротностью; применением активизаторов — импульсных трансформаторов; снижение мощности разрядов при сохранении уровня накопленной энергии возможно за счет применения низковольтного накопительного конденсатора большой емкости. Эффективность последнего способа доказана в работе [27].
Снижение в определенных пределах мощности разрядов может быть достигнуто путем изменения соотношения между емкостью и начальным напряжением накопительного конденсатора. При этом разрядный процесс становится однополярным (апериодическим), причем, данный эффект достигается параметрически, то есть за счет определенного сочетания параметров элементов разрядной цепи.
На основании данного способа разработано схемное решение системы зажигания с комбинированным разрядом: и с низкой скоростью подвода энергии накопительного конденсатора, представленное на рис. 2.1 [27, 77]. В этой схеме дополнительно с высоковольтным накопительным конденсатором С1 используется низковольтный конденсатор большой емкости С2, причём напряжение заряда конденсатора G2 ниже пробивного напряжения свечи F. Конденсатор О является вспомогательньїМі он необходим для инициирования разряда в свече после пробоя разрядника FV. Таким образом, в свече обеспечивается сочетание двух видов разрядов: мощного короткого за счёт ёмкости О и маломощного длительного за счёт ёмкости С1\ система зажигания; в данном случае относится к классу комбинированных или импульсно-плазменных. Положительное влияние сочетания разрядов разной мощности и длительности доказано и используется при разработке, новых систем зажигания [57,98].
Ймпульсно-плазменная система зажигания работает следующим образом: импульсы высокого напряжения преобразователя 1 через выпрямитель VDV заряжают накопительный конденсатор СТ, одновременно импульсы низкого напряжения дополнительного преобразователя 2 через дополнительный выпрямитель VD3 заряжают дополнительный низковольтный конденсатор С2. После того, как напряжение на накопительном конденсаторе С1 достигнет определённой величины, сработает разрядник FV и всё накопленное напряжение приложится к свече F, вызвав её пробой. После этого предварительно заряженный дополнительный низковольтный конденсатор С2 разряжается через защитный вентиль VD2 на свечу. Таким образом, обеспечивается сочетание двух видов разрядов: мощного короткого и маломощного длительного. Защитный вентиль VD2 ограждает дополнительный низковольтный конденсатор С2 от высокого напряжения, прикладываемого к свече.
По сравнению с классической емкостной системой зажигания данная схема при сопоставимой потребляемой мощности должна обеспечивать достижение следующих положительных эффектов. Во-первых, снижаются потери накопленной энергии по причине отсутствия в основной разрядной цепи коммутирующего элемента, во-вторых, сочетание в свече двух разрядов разной мощности улучшает условия воспламенения топливовоздушной смеси [25], и в-третьих, как отмечалось выше, снижение скорости подвода энергии искровых разрядов в свече ведёт к расширению пусковой характеристики устройства горения при определённых условиях организации процессов стабилизации пламени. Кроме того, разряд основного конденсатора носит апериодический характер, что также является положительным фактором, подтвержденным результатами известных экспериментальных исследований.
Разработанную систему зажигания целесообразно применять не только для розжига смеси в воспламенителях, но и для непосредственного розжига смеси в камерах сгорания, так как выброс плазмы за электроды свечи под действием электродинамических сил превышает выброс плазмы колебательного разряда в классической емкостной системе зажигания.
На данное схемотехническое решение получен патент на полезную модель № 59159. 2.2 Схемотехническое моделирование разрядных процессов в импульсно-плазменной системе зажигания В разделе решаются задачи схемотехнического моделирования и исследования разрядных процессов в базовой схеме импульсно-плазменной системы зажигания, приведенной на рис. 2.1. В ходе схемотехнического и последующего математического и имитационного моделирования приняты следующие основные допущения: 1. Разрядник представлен в виде идеального ключа. 2. Преобразователи представлены эквивалентными источниками ЭДС. 3. Влияние преобразователей на разрядные процессы не учитывается, так как длительность заряда накопительных конденсаторов до момента пробоя разрядника значительно превышает длительность разрядной стадии. 4. Разрядный ток не зависит от изменения активного сопротивления свечи, так как нелинейное сопротивление пробитой свечи существенно меньше суммарного сопротивления разрядной цепи. 5. Нелинейность свечи при математическом и имитационном моделировании учитывается путём аппроксимации реальных зависимостей падения напряжения в свече во времени.
Теоретическое исследование энергетических характеристик импульсно-плазменнои системы зажигания с помощью разработанных моделей
Вольт-амперные характеристики свечи зажигания Из рис. 3.1 следует, что теоретические В АХ соответствуют в целом известным положениям теории искрового разряда, так как имеют падающий характер. Однако при больших значениях разрядного тока наблюдается незначительный рост уровня падения напряжения в свече, что объясняется особенностями принятой аппроксимации кривой падения напряжения в свече.
Для повышения эффективности систем зажигания в целом с учетом изменения накопленной энергии и частоты следования разрядов в свече необходимо минимизировать интегральный показатель эффективности в виде [30]. Значения К рассчитывались в зависимости от величины накопительной емкости С2 при заданных начальном напряжении /о2 заряда и индуктивности Z2 основной разрядной цепи. При этом также фиксировались средние значения мощности разрядных импульсов в зависимости от емкости накопительного конденсатора.
Следует отметить, что область малых значений накопительной емкости соответствует малым значениям средней мощности разряда; диапазон от минимальной до некой оптимальной величины емкости Сі характеризуется резким изменением величины средней мощности разряда. Величина емкости конденсатора, при которой рост мощности существенно замедляется при заданном уровне начального напряжения заряда, очевидно, является оптимальной.
Из анализа расчетных зависимостей (рис. 3.3) следует, что при увеличении уровня начального напряжения заряда оптимальная величина емкости накопительного конденсатора снижается. Учитывая, что массогабаритные показатели конденсаторов определяются, в основном, уровнем максимального напряжения, при проектировании систем зажигания к выбору параметров накопительных конденсаторов следует приступать исходя из противоречивых требований, основанных на влиянии сочетания параметров Сг и /о2 на минимальные значения К в каждом конкретном случае.
Кроме того, из характера зависимостей (рис. 3.3) вытекает, что для обеспечения меньших значений интегрального показателя эффективности, определяющих максимальную воспламеняющую способность, необходимо предельно снижать индуктивность разрядной цепи.
На рис. 3.4 приведена теоретическая зависимость энергии в свече от индуктивности разрядной цепи. Характер этой зависимости свидетельствует об отрицательном влиянии увеличения индуктивности цепи разряда на уровень энергии, выделяющейся в свече.
С учетом результатов исследования влияния индуктивности разрядной цепи на энергетическую эффективность и воспламеняющую способность емкостных систем зажигания колебательного разряда, приведенных в работах [24, 25], следует отметить, что в импульсно-плазменных системах зажигания влияние индуктивности разрядной цепи является противоположным. В емкостных системах зажигания колебательного разряда увеличение индуктивности разрядной цепи приводит к росту как энергетической эффективности, так и воспламеняющей способности.
В разделе проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на установление закономерности изменения величины энергии, выделяющейся в свече, в зависимости от сочетания емкости и начального напряжения накопительного конденсатора при постоянстве уровня накопленной энергии.
На рис. 3.10 и в табл. 3.1 представлены результаты исследования зависимости величины энергии, выделяющейся в свече, от различных сочетаний емкости и начального напряжения накопительного конденсатора. Уровень накопленной энергии при этом сохранялся постоянным и составлял Wo - 1,125 Дж. Результаты исследований, проведенных для двух значений индуктивности разрядной цепи, позволяют судить о возрастании энергии, выделяющейся в свече, при увеличении емкости накопительного конденсатора при одновременном снижении уровня начального напряжения конденсатора в условиях постоянства накопленной энергии.
Следует отметить, что на рис. ЗЛО и в табл. 3.1 приведены также результаты теоретических исследований; сопоставление опытных данных и значений, полученных теоретически при помощи имитационных моделей, лишний раз доказывает адекватность разработанных моделей. PFCB.
Характер зависимостей, приведенных на рис. 3.10 и в табл. 3.1, объясняется следующим. Возрастание емкости накопительного конденсатора приводит к увеличению длительности разрядов. При этом меньшее начальное напряжение конденсатора ведет к снижению амплитуды разрядного тока. В результате влияние возрастающей длительности является преобладающим и величина энергии, выделяющейся в свече, возрастает. 3.2.2 Сравнительное исследование разрядных процессов в импульсной емкостной и импульсно-плазменной системах зажигания
С целью обоснования повышенной эффективности разработанной системы зажигания проведены сравнительные экспериментальные исследования разрядных процессов в классической импульсной емкостной и импульсно-плазменной системах зажигания при фиксированных уровнях суммарной накопленной энергии. Целью исследований являлось сравнение энергий разрядов и коэффициента использования начальной энергии, запасенной в накопительном конденсаторе.
Сравнительные экспериментальные исследования разрядных процессов в импульсной емкостной и в импульсно-плазменной системах зажигания проводились осциллографическим методом на экспериментальных стендах, схемы которых соответственно для импульсной емкостной системы зажигания и импульсно-плазменной системы зажигания показаны на рис. 3.11 и 2.19. Осциллографировались разрядный ток и падения напряжения на свечах. Начальная энергия WQ, входящая в (3.4), рассчитывалась непосредственно по известному выражению, энергия в свече определялась по известному методу графического интегрирования кривой мгновенной мощности.
Как следует из табл. 3.2, коэффициент использования начальной энергии, запасенной в накопительном конденсаторе, для импульсно-плазменнои системы зажигания в 4-5 раз выше, чем для классической системы зажигания, что объясняется снижением потерь энергии накопительного конденсатора за счет исключения из основной цепи разряда коммутирующего элемента (разрядника), а также возрастанием активного сопротивления свечи при снижении разрядного тока.
Достоверные представления о параметрах разрядов в свечах можно получить только в результате натурных испытаний систем зажигания. Однако для того чтобы определить по ним все необходимые величины, характеризующие эффективность системы зажигания, необходимо проведение сложных и трудоемких экспериментов. Оперативная регистрация амплитуды разрядного тока и длительности искровых разрядов может быть осуществлена с использованием специально разработанных для этих целей цифровых измерителей параметров быстротекущих импульсных процессов [41, 42]. Энергия искровых разрядов как основной показатель, определяющий воспламеняющую способность системы зажигания, может быть измерена с помощью соответствующего измерителя только в условиях лабораторий и испытательных стендов. При запуске ГТД энергию разрядов невозможно измерить, не нарушая динамики процессов воспламенения смеси в камере сгорания или пусковом воспламенителе. Это связано с тем, что для измерения энергии разрядов вход одного из измерительных датчиков - делителя напряжения — необходимо подключать непосредственно к электродам по рабочему торцу свечи. При подключении делителя к высоковольтному вводу в свечу измеряется падение напряжения не только в искровом разряде, но и на электродах свечи, что недопустимо снижает точность измерений.
Импульсно-плазменная система зажигания повышенной эффективности
По результатам разработки и исследования базовой схемы нового класса импульсно-плазменных систем зажигания показано, что существующие схемотехнические решения нуждаются в дальнейшем совершенствовании. Решение научно-технических задач, обозначенных в диссертации, позволяет разработать оригинальные схемы, которые могут быть эффективными при эксплуатации систем зажигания в жёстких условиях.
На основе экспериментальных исследований разработанной базовой схемы импульсно-плазменной системы зажигания в целях её совершенствования предлагается ряд схемотехнических решений.
К недостаткам базовой схемы импульсно-плазменной системы зажигания следует отнести сравнительно невысокий коэффициент использования энергии высоковольтного накопительного конденсатора. Это связано с тем, что после пробоя свечи зажигания ток разряда высоковольтного накопительного конденсатора имеет колебательный характер, при этом после каждого очередного изменения полярности напряжения на обкладках конденсатора разрядный ток может замыкаться через цепи заряда обоих накопительных конденсаторов, когда первый и второй выпрямители не препятствуют этому процессу. Таким образом, не весь разрядный ток от высоковольтного накопительного конденсатора протекает через свечу зажигания, что снижает коэффициент использования энергии конденсатора.
В цепи заряда высоковольтного и основного низковольтного накопительных конденсаторов С\ и С2 введены дополнительно последовательно включённые катушки индуктивности L1 и L2, позволяющие увеличить энергетическую эффективность системы зажигания за счет повышения коэффициента использования энергии высоковольтного конденсатора С\.
После того, как полярность напряжения на высоковольтном накопительном конденсаторе О изменится вследствие колебательного характера разрядного процесса, дополнительные катушки индуктивности Ы и L2 снизят величину тока, который может протекать через цепи заряда высоковольтного и низковольтного накопительных конденсаторов О и С2.
На данное схемотехническое решение получен патент на полезную модель № 75433. Основной недостаток описанных выше схем связан с общей низковольтностью, такие системы зажигания рассчитаны на использование свечей с невысоким пробивным напряжением.
Для повышения эффективности и расширения функциональных возможностей данных схем, предлагается усовершенствованная схема, представленная на рис. 4.2 [79].
Динамика работы данной схемы заключается в следующем. После заряда накопительного конденсатора высоковольтного зарядного контура до напряжения пробоя первого разрядника, он разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора пробивает второй разрядник и высоковольтным импульсом ионизирует искровой промежуток свечи.
После пробоя свечи предварительно заряженный низковольтный конденсатор второго контура начинает разряжаться на свечу. Разряд носит апериодический характер, что обусловлено большой ёмкостью низковольтного конденсатора. Таким образом, разряд в свече состоит из двух стадий: высоковольтной быстротечной стадии колебательного характера длительностью порядка единиц микросекунд, и низковольтной длительной порядка единиц миллисекунд. Второй разрядник в данной схеме необходим для предотвращения разряда низковольтного накопительного конденсатора на вторичную обмотку трансформатора. Защитный вентиль - для предотвращения влияния разряда первого накопительного конденсатора на второй зарядно-разрядный контур.
Особенностью приведенной схемы является повышенное напряжение, прикладываемое к свече. Накопительный конденсатор О разряжается через первичную обмотку высоковольтного трансформатора TV. Под действием высоковольтного импульса на вторичной обмотке трансформатора TV происходит пробой дополнительного коммутирующего элемента FV2 и свечи зажигания F. Наличие высокого напряжения со стороны высоковольтного трансформатора TV повышает надёжность искрообразования в свече, при этом расширяются функциональные возможности системы зажигания, в качестве свечи могут быть использованы все типы авиационных свечей зажигания, в том числе с увеличенным разрядным промежутком. Коммутирующий элемент FV2 предотвращает разряд конденсатора С2 до пробоя свечи F.
Описанное техническое решение защищено патентом на полезную модель № 62664. Как показано в 1 главе диссертации, в целях повышения надежности искрообразования и увеличения воспламеняющей способности, системы зажигания могут выполняться двухканальными, в том числе, с синхронизацией разрядов в свечах и компенсацией отказа одной из свечей путём увеличения энергии разряда в другой. Синхронизация разрядов актуальна в случае, когда рабочие торцы свечей в пусковом воспламенителе расположены близко друг к другу (рис. 4.3). При этом создается удвоенное ядро пламени при воспламенении, что позволяет существенно повысить воспламеняющую способность системы зажигания [5].
