Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 47
Текст из файла (страница 47)
7.1. Таблица 7.! Баланс энергии в стандартной 12-джоулевой системе зажигания высокой энергии 131 рассеянная энергия, дж Элемент системы Сухая свеча Смоченная свеча Конденсатор Межэлектродный промежуток Дроссельная катушка Провода Свеча зажигания Полезная тепловая энергия Неучтенные потери 2,44 1,31 2,44 2,03 2,13 1,31 2,84 1,03 1,44 1,06 2,77 2,33 0,48 11,80 Итого 11,80 Ресурс свечи Ввиду необходимости увеличения срока службы авиационных двигателей требуются такие свечи, которые выдерживали бы полный ресурс двигателя, что позволяет свести к минимуму !6 зал. уз! Эти данные были получены при использовании калориметра 15). Позднее, в работе [б), такое же экспериментальное оборудование было применено для исследования влияния давления и состава окружающего газа на величину энергии, выделяющейся на свече.
Смачивание поверхности свечи топливом может почти удвоить высвобождаемую энергию, но чрезмерное количество топлива уменьшает' энергию искры и гасит пламя при его возникновении. Оптимальные условия для воспламенения получаются при очень тонкой пленке топлива на поверхности свечи. Глава У расходы на ремонт или на незапланированную замену свечей [7]. Если это невозможно, свеча должна хотя бы иметь ресурс, совпадающий с периодами контрольных осмотров двигателя. При этом увеличение срока службы свечи становится оправданным лишь в том случае, если оно не меньше одного периода между контрольными осмотрами. Как показал опыт, ресурс свечи поверхностного разряда определяется отчасти энергией, выделяющейся в искре, а отчасти условиями эксплуатации.
Каждый искровой разряд оставляет небольшую впадину на электродах, вещество которых таким образом постоянно уносится эрозией, пока, наконец, не нарушается контакт между электродами и полупроводником. Ясно, что чем больше энергия искры, тем быстрее идет эрозия. Время службы свечи можно продлить, увеличив диаметр центрального электрода, т. е. увеличив объем металла, подвергающегося эрозии. Но так как очень нежелательно увеличивать аэродинамическое сопротивление свечи, ее наружный диаметр следует оставить неизменным. Таким образом, размер центрального электрода может быть увеличен только за счет уменьшения искрового промежутка. Это в свою очередь уменьшает энергию искры, что также способствует увеличению ресурса свечи.
Таким образом, посредством увеличения диаметра центрального электрода и уменьшения искрового промежутка продолжительность службы свечи может быть значительно увеличена, но только ценой снижения энергии разряда. Испытания показали, что четырехкратным уменьшением энергии искры можно приблизительно в пять раз увеличить срок службы свечи. Для ресурса свечи не менее важны и условия в первичной зоне горения камеры. В двигателях с высокой степенью повышения давления тепловой поток к рабочей поверхности свечи может быть настолько большим, что это может привести к серьезному перегреву электродов.
Любое повышение температуры сверх 600 «С быстро сокращает ресурс свечи. Это происходит вследствие окисления, которое ускоряет эрозию и вызывает нарушение контакта между электродами и полупроводником [7]. Еще одним фактором, влияющим на срок службы полупроводника, является химический состав газа вблизи свечи, В прошлом это обычно была восстановительная среда, и материал полупроводника подбирался соответственно этому. В настоящее время вследствие тенденции к обеднению первичной зоны среда вблизи свечи все чаще оказывается окислительной. Отмеченные выше проблемы могут быть смягчены организацией пленочного течения охлаждающего воздуха над рабочей поверхностью свечи.
Однако это не вполне удовлетворительное решение, так как «захолаживание» ухудшает характеристики зажигания на предельных высотах полета. Были предложены выносные (выводимые из камеры) свечи, но с ними возникает 243 Воспламенение смеси а камере сгорания много чисто механических проблем. Более подходящее решение дает, по-видимому, разработка новых полупроводниковых материалов, способных продолжительное время работать в высокотемпературной окислительной среде. Дальнейшее увеличение ресурса свечей могло бы быть получено снижением требований к величине энергии разряда, а также в результате применения электродов большего объема.
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ СВЕЧИ Характеристики свечи поверхностного разряда наиболее ча- сто выражают через энергию разряда, отнесенную к энергии, запасенной в накопителе. Однако это может служить только приближенным критерием, так как лишь малая доля энергии разряда участвует непосредственно в процессе воспламенения, причем эта доля изменяется в зависимости от конструкции свечи. Тем не менее, для данной емкости накопителя величина выделяемой в о а искре энергии представляет собой полезный и удобный мас- Рвс. 7.4.
Двв основных типа свечей штаб для того, чтобы охарак- повеРхностного РвзРЯдв. а — свеча полузакрытого типа; б — свеча ТЕРИЗОВать ВОСПЛаМЕНЯЮЩуЮ открытота типа. 1 — центральный электрод: способность свечи. 3 †полупроводн; 3 — изолвтор: 4 в заземленный электрод.
Свечи поверхностного разряда могут быть разделены на два основных типа в соответствии с тем, находится лн полупро- водник заподлицо с электродами (свечи открытого типа) или же несколько утоплен (свеча полузакрытого типа), рис, 7.4. Испы- тания показывают, что энергия разряда возрастает при увели- чении искрового промежутка или при уменьшении глубины, на которую утоплен полупроводник. Таким образом, максимум воспламеняющей способности достигается в случае свечей от- крытого типа, у которых полупроводник выполнен заподлицо с электродами, а ширина искрового промежутка велика. Свечи открытого типа сложнее в изготовлении, чем свечи с утопленным полупроводником, они более дорогие и обладают меньшей механической прочностью.
С другой стороны, они более эффективны (т. е. доля запасенной энергии, используемая для воспламенения, у них выше) и имеют больший срок службы. Еще одним их преимуществом по сравнению со свечами полу- закрытого типа является то, что последние чувствительны к смачиванию топливом. Это особенно важно для многовальных авиационных двухконтурных ГТД, которые характеризуются 16* 244 Глава 7 значительной задержкой во времени между началом запуска двигателя и достижением приемлемых для воспламенения топлива условий в первичной зоне камеры сгорания. В результате разряды свечи могут в течение значительного времени происходить при залитом жидком топливом искровом промежутке.
Вследствие этого в свечах полузакрытого типа разряд локализуется вблизи донной поверхности углубления в торце свечи, и большая часть энергии искры затрачивается на нагрев электродов, а также вызывает значительную их эрозию. Таким образом, смачиваемые топливом свечи полузакрытого типа имеют меньшие воспламеняющую способность и срок службы. Продолжительность разряда Как уже отмечалось выше, только небольшая часть энергии, запасенной в накопителе, используется эффективно, т. е. для нагрева топливовоздушной смеси. Остальная энергия частично теряется в элементах системы зажигания, например в диэлектрике конденсатора, и расходуется на электромагнитное и акустическое излучение от искры. Если продолжительность разряда мала, потери энергии особенно велики. С другой стороны, если разряд длительный, то энергия распределяется по большому объему протекающей через разряд смеси, и создаваемое повышение температуры смеси слишком мало, чтобы вызвать воспламенение.
В работе [81 при исследовании воспламенения движущейся пропановоздушной смеси с помощью емкостного разряда было установлено, что оптимальная продолжительность разряда составляет - 100 мкс. В работе 141 на основе опытов с воспламенением покоящихся топливовоздушных смесей типичной авиационной системой зажигания также рекомендована продолжительность разряда не менее 100 мкс. В исследованиях 191, проводившихся с участием автора, параметры потока смеси поддерживались неизменными, и для нескольких значений продолжительности разряда было измерено наименьшее количество энергии, необходимое для того, чтобы осуществилось воспламенение. Оптимальная продолжительность определялась затем как длительность разряда, соответствующая минимальной измеренной величине энергии воспламенения.
Из анализа потерь тепла от искры за время разряда сделан вывод о том, что (если не считать ударной волны, возникающей в начальный момент) тепло теряется главным образом посредством вынужденной конвекции в поток газа. На основании этих результатов было получено соотношение для вычисления оптимальной продолжительности разряда в зависимости от природы топливовоздушной смеси и параметров потока. В исследованном диапазоне условий оптимальная продолжительность разряда находилась в пределах Воспламенение смеси а камере сгорания газ ~ 77 9 е 7 оь Частота разряда В процессе запуска двигателя на земле расходы воздуха и топлива через него непрерывно увеличиваются, но с неодинаковой скоростью, в результате чего состав топливо- 750 воздушной смеси вблизи свечи изменяется в широком диапазоне. Воспламенение происхо. Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
