CC BY
48
!55Ы_1992-6502_(Рпп^_
2015. Т. 19, №3 (69).С. 158-162
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.452.3.022:621.317
Измерители пробивных напряжений искровых, плазменных
и полупроводниковых свечей зажигания газотурбинных двигателей
12 3
Ф. А. Гизатуллин , Р. М. Салихов , В. А. Чигвинцев
2 texprom@yandex.ru
1,2 ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ), 3 Обособленное подразделение Центра проектирования г. Уфа АО «Технодинамика» Поступила в редакцию 1 июля 2015 г.
Аннотация. Анализируются возможные схемы измерителей динамических и статических пробивных напряжений свечей зажигания различных типов. Представлены результаты разработки цифрового измерителя динамических пробивных напряжений полупроводниковых свечей и вариантов измерителя динамических и статических пробивных напряжений.
Ключевые слова: динамическое и статическое пробивные напряжения, свечи зажигания.
Задачи контроля эффективности систем зажигания возникают на различных этапах жизненного цикла, включая разработку, производство и эксплуатацию. Контроль эффективности предполагает, в том числе, оценку общей работоспособности систем зажигания и оценку фактических значений основных параметров, главными из которых для свечей зажигания различных типов - искровых, плазменных и полупроводниковых являются динамическое и статическое пробивные напряжения, ток искрового или дугового разряда напряжение в разряде. Под динамическим пробивным напряжением свечей понимается импульсное напряжение пробоя под действием высоковольтного импульса, создаваемого системой зажигания [1].
Задачи контроля пробивных напряжений свечей важны, в том числе, при оценке устойчивости электродуговых процессов в условиях возможных высотных запусков ГТД на режимах авторотации двигателя и на режимах встречного запуска, для которых характерны, соответственно, пониженное и повышенное давление в камерах сгорания [2].
Применительно к плазменным системам зажигания переменного тока, помимо статического пробивного напряжения и импульсного динамического напряжения пробоя под действием осциллятора, важными параметрами яв-
ляются динамические напряжения зажигания и гашения дуги, соответствующие моментам прохождения разрядного тока через ноль. Динамические напряжения зажигания и гашения дуги в течение каждого полупериода изменения разрядного тока могут фиксироваться осцилло-графическим методом с использованием делителя напряжения, подключенного к плазменной свече. Соответственно, переменный ток дуги также легко регистрируется осциллографиче-ским методом с использованием датчика - измерительного трансформатора тока.
Известно, что напряжение пробоя газового промежутка под действием короткого импульса напряжения превышает статическое пробивное напряжение. Это связано с тем, что для электрического пробоя под действием импульса необходим не только определенный уровень напряжения, но и время для формирования канала разряда; если время действия приложенного импульса меньше времени запаздывания разряда, то пробоя не происходит, несмотря на то, что уровень напряжения превышает статическое пробивное напряжение.
Для регистрации статических пробивных напряжений плазменных и искровых свечей возможно использование известной схемы измерений, структура которой показана на рис. 1
Рис. 1. Структурная схема статического измерителя пробивных напряжений
Автотрансформаторное регулирование позволяет плавно изменять напряжение заряда емкостного накопителя до напряжения пробоя свечи, которое фиксируется с помощью вольтметра. Для полупроводниковых свечей зажигания статическое пробивное напряжение не имеет смысла.
Регистрация динамических пробивных напряжений под действием импульсных напряжений возможна разными способами. Один из возможных вариантов заключается в использовании схемы, структура которой отличается от приведенной на рис. 1 тем, что между емкостным накопителем и свечой устанавливается коммутирующий элемент - разрядник, который принудительно пробивается от источника высокого напряжения. В этой схеме емкостной накопитель заряжается до напряжения, близкого к предполагаемому пробивному напряжению. После этого разрядник принудительно пробивается от отдельного источника высокого напряжения. После пробоя разрядника к свече прикладывается напряжение от емкостного накопителя с крутым фронтом нарастания. Если этого напряжения достаточно, происходит пробой свечи. На следующем этапе напряжение заряда накопителя уменьшается и осуществляется следующий принудительный пробой разрядника. Таким образом, определяется минимальное напряжение на накопителе, при котором возможен пробой свечи. Это минимальное напряжение принимается равным пробивному напряжению свечи. Если же при очередном принудительном пробое разрядника свеча не пробивается, напряжение заряда накопителя необходимо увеличить.
Этот способ измерения пробивных напряжений достаточно трудоемок, но является более точным по сравнению со способом, существо которого заключается в следующем.
Емкостной накопитель заряжается от регулируемого источника высокого напряжения до напряжения пробоя разрядника, которое заведомо выше пробивных напряжений искровых и плазменных свечей при всех возможных давлениях и величинах междуэлектродных зазоров. После пробоя разрядника напряжение, прикладываемое к свече, резко нарастает и в момент пробоя фиксируется измерителем амплитудных напряжений. Описанный метод обладает значительной погрешностью, обусловленной особенностями пробоя разрядных промежутков импульсным напряжением; это обстоятельство усугубляется инерционностью измерителя амплитудных напряжений.
Высокой точностью измерений обладает цифровой метод регистрации пробивных напряжений, который может быть реализован по схеме, показанной на рис. 2 [4].
Измеритель работает следующим образом. При замыкании ключа 1 высокое напряжение, выдаваемое преобразователем 2, через резистор 3 и диод 4 заряжает накопительный конденсатор 5 до пробивного напряжения разрядника 6. После пробоя разрядника высокое напряжение прикладывается к свече 8. Напряжение на свече с высокой скоростью нарастает до пробивного. Это напряжение отслеживается устройством выборки-хранения 12 через делитель 10. В момент пробоя свечи ток в цепи резко нарастает. Момент пробоя свечи отслеживается дискриминатором уровня 9, который сравнивает сигнал с датчика тока 7 с уровнем дискриминации.
10 ■"ч т- 14 т-
Рис. 2. Структурная схема цифрового измерителя пробивных напряжений
Рис. 3. Принципиальная схема комбинированного измерителя пробивных напряжений плазменных свечей
На выходе дискриминатора уровня формируется цифровой сигнал, который фронтом запускает первый одновибратор 11. Сигнал с первого одновибратора переводит устройство выборки-хранения в режим хранения и запускает второй одновибратор 13. Импульс с выхода второго одновибратора переводит АЦП 14 в режим измерения. Информация об измеренном значении пробивного напряжения передается в блок цифровой индикации 15.
Данный измеритель может работать в составе комплексного измерителя параметров искровых разрядов, включающего измерители тока через свечу и напряжения в свече [5].
Принципиальная схема одного из вариантов разработанного измерителя для регистрации динамических и статических пробивных напря-
жений искровых, плазменных и полупроводниковых свечей показана на рис. 3.
Принципиальная схема измерителя состоит из двух частей: цепи заряда-разряда конденсатора и цепи коммутации трехэлектродного разрядника в цепи свечи.
Первая часть схемы включает автотрансформатор TV2, повышающий трансформатор TV4, удвоитель напряжения (R2, С3, VD2, R3, C2, VD3), киловольтметр PV, управляемый разрядник FV2, свечу F.
Вторая часть схемы состоит из автотрансформатора TV1, повышающего трансформатора TV3, элементов R1, VD1, C1, разрядника FV1, импульсного трансформатора TV5.
При измерении динамического пробивного напряжения свечи емкостный накопитель C2
заряжается до напряжения, близкого к предполагаемому пробивному напряжению. После этого разрядник FV2 принудительно пробивается при разряде конденсатора C1 через разрядник FV1 на первичную обмотку импульсного трансформатора TV5. Если напряжение на емкости C2 достаточно, происходит пробой свечи. На следующем этапе напряжение заряда накопителя C2 уменьшается и осуществляется следующий принудительный пробой разрядника FV2. Таким образом, определяется минимальное напряжение на конденсаторе C2, при котором возможен пробой свечи. Это минимальное напряжение принимается равным пробивному напряжению свечи. Если же при очередном принудительном пробое разрядника FV2 свеча не пробивается, напряжение заряда накопителя C2 необходимо увеличить.
При измерении статического пробивного напряжения искровых и плазменных свечей схема принудительного пробоя разрядника FV2 не участвует в работе. Для измерения статического пробивного напряжения необходимо за-шунтировать разрядник FV2 и плавно увеличивать напряжение заряда конденсатора C2 до пробоя свечи [6].
Второй вариант разработанного измерителя динамических пробивных напряжений свечей различных типов отличается от приведенного тем, что из цепи коммутации управляемого разрядника исключены двухэлектродный разрядник и импульсный трансформатор [7].
Измеритель динамических и статических пробивных напряжений искровых, плазменных и полупроводниковых свечей по схеме на рис. 3 изготовлен и испытан в составе универсального экспериментального стенда по исследованию устойчивости электродуговых процессов в серийных свечах зажигания в условиях, имитирующих различные режимы запуска авиационных газотурбинных двигателей [8].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гизатуллин Ф. А. Емкостные системы зажигания. Научное издание. Уфа: УГАТУ, 2002. 249 с. [Gizatullin F. A. Capacitive ignition system. Scientific publication. Ufa: Ufimsky. state of aviation. tech. Univ., 2002. 249 p.]
2. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. 566 с.. [Lefebvre A. Processes in combustion chambers of GTE. M.: Mir, 1986. p. 566 .]
3. Схема измерения электрических параметров [Электронный ресурс] URL: http://www.avkenergo.ru/avktech/techop/element15068.php (дата обращения 24.09.2015). [The scheme of measurement of electrical parameters [Electronic resource] URL: http://www.avkenergo.ru/avktech/techop/element15068.php (24.09.2015).]
4. Гизатуллин Ф. А., Великжанин И. А., Валитов Р. Р.
Авторское свидетельство СССР № 1804211. Измеритель пробивного напряжения разрядных устройств. 1992. [Gizatullin F. A., Velikzhanin I. A., Valitov R. R. Copyright certificate of the USSR No. 1804211. Measuring the breakdown voltage of the discharge devices. 1992.]
5. Гизатуллин Ф. А., Попов О. А. Измерительный комплекс для контроля параметров систем зажигания газотурбинных двигателей. // Изв. Вузов. Авиационная техника. №1. 1999. [Gizatullin F. A., Popov O. A. A measurement system for monitoring parameters of ignition systems ha-turbinnyh engines. // Izv. Universities. Aviation technical, No. 1. 1999.]
6. Гизатуллин Ф. А., Салихов Р. М., Чигвинцев В. А., Лобанов А. В. Комбинированный измеритель пробивных напряжений плазменных свечей зажигания газотурбинных двигателей. // Электротехнические и информационные комплексы и системы, УГУЭС, Уфа. № 2. Т. 9. 2013. С. 5- 8. [Gizatullin F. A., Salikhov R. M., Chigvintsev V. A., Lobanov A. V. Measuring the combined breakdown voltages of the plasma spark plugs for gas turbine engines. Information and electrical complexes and systems, UGUES, Ufa. No. 2. vol. 9. 2013. pp. 5-8.]
7. Гизатуллин Ф. А., Салихов Р. М., Барабанов А. Ю., Захарова О. С. Патент на полезную модель №142876, МПК G01R 21/06 опубл. 10.07.2014, Бюл. №19. Измеритель динамических пробивных напряжений разрядных устройств. [Gizatullin F. A., Salikhov R. M., Barabanov A. Yu., Zakharova O. S. Patent for useful model No. 142876, IPC G01R 21/06, publ. 10.07.2014, bull. No. 19. Measuring dinamic breakdown voltages of the discharge devices.]
8. Гизатуллин Ф. А., Бакиров Ф. Г., Полещук И. З., Салихов Р. М., Лобанов А. В., Каримов Р. А., Чигвинцев В. А. Универсальный экспериментальный стенд по исследованию устойчивости дугообразования в плазменных системах зажигания. // Вестник УГАТУ. 2013. Т. 17. №1 (54). Уфа, С. 141-145. [Gizatullin F. A., Bakirov F. G., Poleshchuk I. Z., Salikhov R. M., Lobanov A. V., Karimov R. A., Chigvintsev A. V. Universal experimental stand for research the study of stability of arcing at plasma ignition systems. Vestnik UGATU. 2013. Vol. 17. No. 1 (54). Ufa. pp. 141-145.]
ОБ АВТОРАХ
ГИЗАТУЛЛИН Фарит Абдулганеевич, д-р техн. наук, проф., каф. электромеханики УГАТУ. Иссл. в обл. систем зажигания двигателей летательных аппаратов.
САЛИХОВ Ренат Мунирович, канд. техн. наук, доц. каф. электромеханики УГАТУ. Иссл. в обл. систем зажигания двигателей летательных аппаратов.
ЧИГВИНЦЕВ Вадим Алексеевич, дир. Обособленного подразделения Центра проектирования г. Уфа АО «Техно-динамика». Иссл. в обл. электрооборудования летательных аппаратов.
METADATA
Title: Measuring the breakdown voltage of the spark, plasma and semiconductors satellite spark plugs for gas turbine engines.
Authors: F. A. Gizatullin1, R. M. Salikhov2, V. A. Chigvintsev3.
Affiliation:
3 Separate subdivision Design Center Ufa JSC
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), subdivision "Technodynamics", Russia.
Email: 2 texprom@yandex.ru.
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of UfaStateAviationTechnicalUniversity), vol. 19, no. 3 (69), pp. 158-162, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 19926502 (Print).
Abstract: Analyzes possible schemes of measuring static and dynamic breakdown voltages of spark plugs of various types. Results of the development of the digital meter dynamic breakdown voltages of semiconductor candlesticks and options of measuring dynamic and static breakdown voltage.
Key words: Dynamic and static breakdown voltage, spark plugs.
About authors:
GIZATULLIN, Farit Abdulganeevich, doctor of technical Sciences, Professor, Prof., DEP. electromechanics USATU. Studies in the region of the ignition systems of aircraft engines.
SALIKHOV, Renat Munirovich, PhD, associate Professor, DEP. elektromechanics USATU. Studies in the region of ignition systems aircraft engines.
CHIGVINTSEV, Vadim Alekseevich, the Director set Asidetion subdivision design center Ufa JSC "Technodinamica". Studies in the region of electrical equipment in aircraft engines.
