CC BY
110
ЭНЕРГЕТИКА, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ • ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ...
УДК 621.452.3
Ф. А. ГИЗАТУЛЛИН, Р. М. САЛИХОВ
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ РЕЖИМА РАБОТЫ ОСЦИЛЛЯТОРА В СОСТАВЕ ПЛАЗМЕННОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ
Предложен подход к определению режима работы осциллятора в составе плазменных систем зажигания авиационных ГТД. Требуемая мощность осциллятора находится на основе условия нарушения устойчивости элек-тродуговых процессов в плазменных свечах в напряженных условиях запуска ГТД, когда происходит рассогласование внешней характеристики источника питания и вольт-амперной характеристики дугового разряда. Плазменная система зажигания; осциллятор; дуговой разряд; вольт-амперная характеристика; устойчивость дугового разряда
Среди электрических систем зажигания наиболее перспективными считаются плазменные системы зажигания, которые подразделяются на собственно плазменные, плазмохимические, импульсные плазменные. Плазменные системы зажигания менее критичны к месту установки свечи по сравнению с традиционными емкостными и индуктивными системами, так как плазменная струя проникает на значительные расстояния и обладает большей площадью поверхности контакта с горючей смесью. Плазменная система зажигания может быть особо эффективной при необходимости обеспечения запуска ГТД без кислородной подпитки, при необходимости расширения пусковых характеристик камер сгорания в сложных условиях эксплуатации, особенно при запуске ГТД на больших высотах и скоростях полета [1].
Плазменная система зажигания представляет собой генератор плазменной струи постоянного или переменного тока. В состав этой системы входит осциллятор - устройство, создающее последовательность высоковольтных импульсов, инициирующих образование электрической дуги низкого напряжения в плазменной свече. В плазменной системе зажигания с воздушным искровым зазором, в отличие от емкостных систем зажигания с полупроводниковыми свечами, образование дугового разряда критично к параметрам среды, для надежного запуска двигателя в напряженных условиях полета, например на больших высотах или при высоких скоростях, необходимым условием является образование в плазменной свече устойчивого дугового разряда.
Контактная информация: (347) 272-36-25
Наиболее неблагоприятные условия с точки зрения обеспечения устойчивости дугового разряда создаются в высотных условиях запуска ГТД, когда граница циркуляционной зоны в камере сгорания меняет свое положение относительно свечи и свеча оказывается в зоне высоких скоростей потока. В этом случае падение напряжения в дуговом разряде возрастает в силу увеличения длины дуги, условие устойчивости дуги может нарушиться.
Известным способом повышения степени устойчивости дуги является увеличение напряжения источника питания, однако это сопряжено с ростом потребляемой мощности.
В критических условиях при нарушении устойчивости горения дугового разряда происходит гашение дуги, ток через дугу падает до нуля. Дуговой промежуток в плазменной свече зажигания деионизируется, электрическая прочность междуэлектродного промежутка восстанавливается. Возможна ситуация, когда повторное образование дуги под действием ионизирующих импульсов осциллятора может не произойти. Очевидно, что действие осциллятора будет эффективным в том случае, когда при нарушении устойчивости дугового разряда ионизирующий импульс осциллятора возникает в промежутке времени гашения дуги, когда еще не происходит полной деионизации дугового промежутка.
В статье решается задача определения режима работы осциллятора, обеспечивающего эффективное повторное зажигание дуги после нарушения устойчивости горения дуги под действием параметров среды.
Для решения задачи проведем анализ устойчивости дуги в плазменной системе зажигания с учетом нелинейности дугового разряда.
Силовая цепь плазменной системы зажигания постоянного тока содержит подключенные к напряжению и0 последовательно соединенные активное сопротивление Я, индуктивность Ь и плазменную свечу с падением напряжения ид(/). Уравнение баланса напряжений в переходном режиме имеет вид:
—0 = Яі + Ь — + —д (і).
(1)
Известно, что устойчивое горение дуги постоянного тока обеспечивается согласованием внешней характеристики источника питания и вольт-амперной характеристики электрической дуги, эти характеристики должны иметь, по крайней мере, одну точку пересечения. В общем случае, при наличии источника постоянного напряжения и падающей нелинейной вольт-амперной характеристики дуги возможны две точки пересечения внешней характеристики источника и ВАХ дуги. Эти точки являются точками равновесия, поскольку в них ЬЛі / Л = = 0. На рис. 1 показано взаиморасположение вольт-амперной характеристики дуги и реостатной характеристики — = и0 - іЯ, соответствующее наличию точек равновесия 1 и 2. В одной точке пересечения равновесие устойчивое, в другой неустойчивое; вид равновесия зависит от того, какая величина является большей -балластное сопротивление силовой цепи, определяющее крутизну реостатной характеристики, или абсолютная величина динамического сопротивления дуги. В точке устойчивого равновесия (точка 1 на рис. 1) балластное активное сопротивление цепи превышает абсолютную величину динамического сопротивления дуги, т. е. внешняя характеристика источника является более круто падающей по сравнению с ВАХ дуги [2].
Рис. 1. Внешняя характеристика источника питания и ВАХ дуги
Следует отметить, что в реальных плазменных системах зажигания предусматривается токовая стабилизация, осуществляемая различными способами, внешняя характеристика ис-
точника питания в этом случае является нелинейной, однако это обстоятельство не нарушает в целом ход дальнейшего анализа. Примем, что условием нарушения устойчивости дуги является условие ид(/) >и0, решение для переходного тока при гашении дуги имеет вид:
и и - -
і = — - (——)(1 - е т ) . Я Я
(2)
где т = Ь/Я - постоянная времени.
На основании (2) определяется время гашения дугового разряда:
ид (0
С = — 1п-
(3)
Я ид (0 - и0
Это выражение является основой для выбора режима работы осциллятора, обеспечивающего образование в междуэлектродном промежутке плазменной свечи хотя бы одного ионизирующего импульса за время гашения дуги, когда еще не происходит полного восстановления электропрочности дугового промежутка.
Падение напряжения в дуговом разряде ид(/), входящее в (3), может быть описано различным образом, например в зависимости от конструкции плазмотрона или особенностей среды в зоне образования дугового разряда. Для ГТД наземного применения наибольшее распространение в настоящее время получили плазмотроны, питаемые постоянным током [3]. Применительно к плазмотронам ГТД, используемым в составе газоперекачивающих агрегатов, зависимость падения напряжения в дуговом разряде от тока и расхода плазмообразующего воздуха описывается обобщенным уравнением вольт-амперной характеристики воздуш-ной дуги для токов до 30 А [3, 4]:
12 )-0,12 ( ^вп )0,08 Л
'ад V V
где Gвп - расход плазмообразующего воздуха через плазмотрон; 11 и й1 - длина и диаметр дугового канала; р - давление в конце электроду-говой камеры. Формула (4) справедлива для соотношений 11/ё1 = 1,5-3,75. Схема дугового канала плазмотрона для этого случая показана на рис. 2 [3].
Для авиационных ГТД с высотным запуском, когда рабочий торец плазменной свечи располагается в пристеночной области камеры сгорания в зоне высоких скоростей потока, возможно использование известной эмпирической формулы для токов до 20 А [5]:
—д (і) = 305(—-----)-0,12(—)008 (—~)0,56(р^)0,20, (4)
С1
5 \т
—д (і) = (10 Р)
(5)
где I - ток; С, m - постоянные коэффициенты; p - давление, Па; п - показатель степени, характеризующий крутизну вольт-амперной характеристики дуги; I = Д5,Р) - длина дуги, зависящая, в основном, от междуэлектродного зазора 5 и скорости потока V в зоне дугового разряда.
б '
/1
Рис. 2. Схема дугового канала плазмотрона
Следует отметить, что зависимость длины дуги от скорости потока является определяющей; при высотном запуске ГТД граница циркуляционной зоны в камере сгорания меняет свое положение и плазменная свеча оказывается в зоне высоких скоростей потока в отличие от запуска двигателя в наземных условиях, когда рабочий торец свечи располагается вблизи границы циркуляционной зоны, где скорость потока невысока и условия воспламенения смеси являются достаточно комфортными. Для определения предельного режима работы осциллятора в составе плазменной системы зажигания для обеспечения повторного зажигания дугового разряда после возможного при запуске ГТД в высотных условиях нарушения устойчивости дугового разряда используем условие:
Т < ^ (6)
где Т - период следования высоковольтных импульсов осциллятора.
В плазменной системе зажигания принцип действия осциллятора основан на создании высоковольтных импульсов при разряде накопительного конденсатора на первичную обмотку импульсного трансформатора после пробоя коммутирующего разрядника. В этом случае мощность, потребляемая осциллятором, равна:
Р-
(7)
С—!2 /
2Ц ,
где С - емкость накопительного конденсатора; —1 - напряжение пробоя разрядника; п - коэффициент, учитывающий потери в зарядной и разрядной цепях; / = 1/Т - частота следования высоковольтных импульсов.
С учетом (3) и (6) для требуемой мощности осциллятора запишем:
с—2 я
р >-
2^Ь 1п
—д (і)
(8)
где падение напряжения в дуговом разряде ид(г) определяется на основании выражений (4) или (5) в зависимости от назначения ГТД и условий в камерах сгорания.
Предлагаемый подход к определению режима работы осциллятора с учетом времени гашения дуги в напряженных условиях работы камер сгорания при высотном запуске ГТД может привести к завышенным значениям потребляемой осциллятором мощности, которая будет избыточной при наземном запуске двигателя, когда устойчивость дуговых процессов является высокой. Данное обстоятельство является достаточным основанием для создания управляемых систем зажигания, в которых режимы работы осцилляторов и напряжения источников питания силовых цепей будут меняться по заданной программе в зависимости от условий запуска двигателей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гизатуллин Ф. А. Емкостные системы зажигания. Уфа: УГАТУ, 2002. 249 с.
2. Таев И. С. Электрические аппараты. М.: Энергия, 1977. 272 с.
3. Плазменные системы газоперекачивающих агрегатов / Г. Ф. Романовский [и др.]. СПб.: Недра, 1992. 142 с.
4. Гизатуллин Ф. А., Худяев В. Н. Моделирование и исследование процессов в плазменной системе зажигания // Вестник УГАТУ. 2007. Т. 9, № 6 (24). С. 170-177
5. Основы теории электрических аппаратов / И. С. Таев [и др.]. М.: Высшая школа, 1987. 352 с.
ОБ АВТОРАХ
Гизатуллин Фарит Абдулга-неевич, проф., зав. каф. элек-трооборуд. ЛА и наземн. транспорта. Дипл. инж.-электромех. (УАИ, 1972). Д-р техн. наук по тепл. двиг. ЛА, эл-там и уст-вам выч. техники и систем упр-я (УГАТУ, 1994). Иссл. в обл. систем зажигания двигателей ЛА.
Салихов Ренат Мунирович,
мл. науч. сотр., зав. лаб. той же каф. Дипл. инж. по электрооборудованию ЛА (УГАТУ, 1997). Иссл. в обл. плазменных систем зажигания двигателей ЛА.
—д (і) - — 0
