В данной статье обоснована необходимость создания комплексного стенда для проведения автономных ресурсных испытаний авиационных свечей зажигания, в целях снижения затрат на их ресурсную отработку в составе емкостных систем зажигания при стендовых ресурсных испытаниях газотурбинных двигателей (ГТД). Представлено структурно-функциональное построение разработанного комплексного стенда для проведения автономных ресурсных испытаний.
Ключевые слова: ресурсные испытания, свеча зажигания, испытательный стенд.
Для коммерческой авиации ресурс комплектующих элементов является чрезвычайно важным параметром. Для современных перспективных двигателей ресурс свечей зажигания должен составлять от 12 до 15 тысяч часов наработки в составе двигателя, при этом искровая наработка должна составлять не менее 120 часов. Ресурсные испытания свечей зажигания, как элемента горячего тракта двигателя, в настоящее время проводятся только в составе двигателя, что является достаточно затратной процедурой. В связи с этим, более целесообразно проводить автономные испытания свечей в условиях эквивалентных или максимально близких к условиям их работы в составе двигателя.
Целью данной работы является разработка структурно-функционального построения комплексного стенда для проведения автономных ресурсных испытаний свечей зажигания авиационных ГТД.
Основными внешними воздействующими факторами, оказывающими наибольшее влияние на ресурс свечей зажигания, являются температура, давление в зоне электродов и экранной части, а также выходные параметры агрегата зажигания: частота следования разрядов, энергия, запасенная на накопительном конденсаторе, амплитуда тока и длительность единичного искрового разряда, характер изменения разрядного тока. Диапазон воздействующих на свечи зажигания температур в современных двигателях может достигать 1000 
, давление воздействующее на зону электродов свечей составляет до 50 кгс/см2 [1, с. 74], [2, c. 319], [3, c. 164]. Обеспечение сочетаний вышеуказанных факторов представляется возможным при использовании комплексного стенда для проведения автономных ресурсных испытаний свечей зажигания.
Свеча зажигания должна обеспечивать ресурс при различных видах запусков двигателя. В общем случае это: наземный запуск, высотный запуск с режима авторотации, высотный запуск с подкруткой стартером, высотный встречный запуск (запуск на выбеге роторов), ручные запуски от САУ [4, с. 39], [5, c. 99]. Кроме того, в процессе работы двигателя в условиях турбулентных возмущений требуются включения системы зажигания в режиме длительного функционирования для поддержания горения топлива в камере сгорания [6, с. 4]. При каждом из описанных видов запуска имеются свои различные комбинации температуры и давления. Разработка комплексного стенда для проведения автономных испытаний свечей зажигания, обеспечивающего изменение температуры и давления для каждого вида запуска на различных высотах и при различных условиях, позволит сократить общие затраты на проведение стендовых испытаний свечей зажигания в составе двигателя. Таким образом, появляется необходимость в разработке стенда для проведения испытаний свечей зажигания при определенных сочетаниях температуры (до 1000) и давлении (до 50 атмосфер).
Такой комплексный стенд также позволит, при температурах, близких к реальным, произвести проверку наиболее ответственных высоковольтных элементов кабеля зажигания (высоковольтных соединителей агрегата зажигания и свечей).
Включение в состав стенда термокамеры для испытания агрегатов зажигания должно обеспечить выполнение их проверки при реальных рабочих напряжениях на высоковольтных элементах. Таким образом, данный стенд позволит оценивать не только свечи, но и системы зажигания в целом.
Структурно-функциональная схема стенда приведена на Рисунке 1. Основными структурными элементами стенда являются: испытательная камера, блок управления, рампа с баллонами, пневматическая арматура стенда, блок питания нагревателя, блок реле, персональный компьютер (далее ПК).
Рис. 1. Структурная схема стенда
В испытательную камеру устанавливаются испытуемые свечи зажигания (2 шт.), нагревательный элемент, термопара. Блок управления содержит в себе контролирующие параметры температуры и давления, устройства сопряжения регуляторов с персональным компьютером, блок питания регуляторов, реле времени. Рампа с баллонами содержит баллоны высокого давления со сжатым воздухом и редукторы. Пневматическая арматура стенда содержит впускные и выпускные электроклапаны, жиклеры, механический перепускной клапан, охладитель, вентиль. Блок питания нагревателя содержит защитный автомат, ЛАТР, трансформатор напряжения и вставку плавкую. Блок реле содержит реле, коммутирующее напряжение питания на нагреватель. Для обеспечения включений свечей при проведении испытаний предназначены блок питания, технологический агрегат зажигания и реле времени, встроенное в блок управления.
Стенд работает следующим образом. Испытуемые свечи зажигания устанавливаются в испытательную камеру (далее камеру) к которой подведены арматура повышенного давления, элементы питания нагревательного элемента, соединители датчиков температуры и давления. В качестве источника давления воздуха используется рампа с баллонами. На выходе рампы имеется общий редуктор, с помощью которого устанавливается первоначальное давление в камере. Подача воздуха в камеру осуществляется при помощи электроклапана, который открывается по сигналу с регулятора при снижении давления менее установленного значения. Для предотвращения резкого возрастания давления в камере при открытии впускного электроклапана между ним и камерой установлен жиклер с малым сечением отверстия.
Для снижения температуры выходящего из камеры воздуха предназначен охладитель.
В стенде предусмотрены два режима поддержания требуемого расхода воздуха через испытательную камеру: ручной и автоматический. При этом в автоматическом режиме возможно осуществление двух способов обеспечения расхода воздуха: поддержание постоянного расхода воздуха и обеспечение периодического обновления объема воздуха внутри камеры. Для аварийного сброса воздуха из камеры, при превышении давления в ней критичного значения, предназначен механический перепускной клапан. Давление в камере контролируется при помощи датчика давления.
Нагрев воздуха в камере осуществляется при помощи размещенного в ней нагревательного элемента. Питание нагревательного элемента осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В промышленной частоты. Переменное напряжение первоначально подается на ЛАТР, а затем на трансформатор. Трансформатор предназначен для обеспечения безопасной работы нагревательного элемента: он обеспечивает снижение сетевого напряжения до напряжения, несколько выше требуемого значения (для обеспечения запаса по мощности). Таким образом, даже при случайной подаче на выход трансформатора сетевого напряжения, напряжение на нагревательном элементе будет в пределах допустимых значений для его безопасной работы. ЛАТР позволяет регулировать напряжение на первичной обмотке трансформатора, в результате чего изменяется напряжение на его вторичной обмотке, а, следовательно, и мощность, выделяемая на нагревательном элементе. Коммутация напряжения питания на нагревательный элемент осуществляется при помощи реле, которое срабатывает по сигналу управления от регулятора. Для защиты цепей питания от короткого замыкания в первичных цепях блока питания предусмотрен защитный автомат. Для защиты цепей питания нагревательного элемента — вставка плавкая. Постоянное напряжение питания клапанов, датчика давления и реле блока реле обеспечивается блоком питания, встроенным в блок управления.
Управление и контроль параметров стенда осуществляется при помощи двух регуляторов, питание которых осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В промышленной частоты. Для того, чтобы регуляторы не вошли в автоколебательный процесс при регулировании температуры и давления, задание параметров осуществляется с указанием ширины зоны гистерезиса.
Регуляторы оснащены интерфейсом RS-485. Для удобства работы с регуляторами применен преобразователь USB/RS-485, при помощи которого осуществляется связь регуляторов с персональным компьютером, для осуществления контроля и записи параметров (температуры, давления) в камере, а также установление значения параметров, относительно которых осуществляется регулирование.
Включения свечей зажигания обеспечиваются при помощи технологического агрегата зажигания и блока питания. Технологический агрегат должен быть того типа, с которым непосредственно работают свечи на конкретном двигателе. При этом обеспечена возможность проведения включений по заранее заданному циклу при помощи реле времени, встроенного в блок управления или при помощи ПК.
Аналогичные установки для оценки ресурса свечей зажигания создаются и за рубежом [7, с. 3]. В России подобная установка создана для плазменно-струйных систем зажигания [8, с. 141]. Таким образом, для широко используемых емкостных систем зажигания появляется необходимость создания подобной установки с целью соответствия международному техническому уровню и обеспечению оценки ресурса без испытаний свечей зажигания в составе двигателя.
Создание данного стенда для проведения автономных ресурсных испытаний свечей зажигания путем обеспечения изменения температуры и давления для каждого вида запуска на различных высотах и при различных условиях снижает финансовую и временную нагрузку на работы по установлению и повышению их ресурс, и позволит выбрать наиболее объективные критерии для перевода свечей зажигания на эксплуатацию по техническому состоянию.
Литература:
- В. А. Зрелов. Отечественные газотурбинные двигатели. Основные параметры и конструктивные схемы: Учебное пособие. М.: ОАО Издательство «Машиностроение», 2005.
- Иностранные авиационные двигатели. Справочник ЦИАМ, XIII издание, М.: издательство «Авиамир», 2000.
- А. А. Иноземцев, М. А. Нихамкин, В. Л. Сандрацкий, Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок, Том 2., М.:Машиностроение, 2008.
- В. А. Сосунов, В. Ю. Литвинов. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей.М.: Машиностроение, 1975.
- М. А. Алабин, Б. М. Кац, Ю. А. Литвинов. Запуск авиационных газотурбинных двигателей.М.: Машиностроение, 1968.
- GE Business & General Aviation: Lighting That Fire. The proper use of continuous ignition.
- Проспект AUBURN, Turbine engine igniter application and service manual.
- Ф. А. Гизатуллин, Ф. Г. Бакиров, И. З. Полещук, Р. М. Салихов, А. В. Лобанов, Р. А. Каримов, В. А. Чигвинцев. Универсальный экспериментальны стенд по исследованию устойчивости дугообразования в плазменных системах зажигания. Вестник Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета. 2013. Т. 17. № 1 (54).
