Предварительный нагрев свечи зажигания
Способ зажигания газотурбинного двигателя (11) посредством использования свечи (1) зажигания, содержащей первый электрод, второй электрод и полупроводниковый элемент между первым электродом и вторым электродом. Полупроводниковый элемент имеет открытую поверхность. Способ зажигания содержит этап образования искры рядом с указанной открытой поверхностью посредством приложения разности потенциалов, превышающей первый предварительно заданный порог, между первым электродом и вторым электродом. Перед указанным этапом образования искры он дополнительно содержит этап предварительного нагрева, состоящий в приложении разности потенциалов меньшей, чем второй предварительно заданный порог, между первым электродом и вторым электродом. Указанный второй предварительно заданный порог меньше указанного первого предварительно заданного порога. Достигается высушивание свечи ото льда или воды, покрывающих открытую поверхность полупроводникового элемента, за счет выделяющегося тепла от тока утечки, который течет через полупроводниковый элемент, при подаче низкого напряжения между двумя электродами, не вызывая образования искры. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к свечам зажигания для газотурбинных двигателей. В частности, настоящее изобретение относится к надежности свечей зажигания, которые имеют полупроводниковые элементы между их электродами. Подобные свечи представляют собой, среди прочего, свечи для зажигания в камерах сгорания газотурбинных двигателей.
Известная свеча зажигания одного типа имеет первый электрод и второй электрод, разделенные полупроводниковым элементом. Свеча зажигания данного типа обеспечивает высокую надежность, а также обеспечивает возможность уменьшения габаритов блоков зажигания, которые снабжают свечи энергией. Высоковольтные полупроводниковые материалы, которые используются, можно назвать «металлокерамическими» или «гранулированными» полупроводниковыми материалами, и они образованы из керамического изолятора и гранул проводящего материала. За счет снижения напряжения пробоя данная технология позволяет избежать утечки электрического тока из жгута, с которым соединены свечи, и уменьшить габариты трансформаторов питания.
К сожалению, свечи зажигания данного типа имеют определенные недостатки. В частности, полупроводниковые материалы, которые используются, чувствительны к условиям окружающей среды. В частности, в условиях замораживания или высокой влажности наблюдается быстрое ухудшение состояния свечей. Например, свеча зажигания, имеющая срок службы при нормальных условиях, превышающий 10000 циклов включения-выключения зажигания, может быть почти полностью разрушена после 1200 циклов при наличии постоянной влажности. Кроме того, в условиях высокой влажности или замораживания наблюдается то, что свеча не образует многие из заданных искр. Подобный дефект может привести к задержке запуска газотурбинного двигателя и, таким образом, к ускорению разрушения свечи, поскольку цикл удлиняется. Кроме того, при определенных условиях зажигания газотурбинного двигателя не происходит.
ЗАДАЧИ И КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ зажигания, который не имеет, по меньшей мере, некоторых из недостатков, имеющихся у конструкций по вышеупомянутому предшествующему уровню техники. Частная задача изобретения заключается в избежании быстрого разрушения свечи зажигания.
Для этого в соответствии с изобретением разработан способ зажигания газотурбинного двигателя посредством использования свечи зажигания, содержащей первый электрод, второй электрод и полупроводниковый элемент между первым электродом и вторым электродом, при этом полупроводниковый элемент имеет открытую поверхность, при этом способ зажигания включает этап образования искры рядом с указанной открытой поверхностью посредством приложения разности потенциалов, превышающей первый предварительно заданный порог, между первым электродом и вторым электродом, при этом указанный способ отличается тем, что перед указанным этапом образования искры он дополнительно включает этап предварительного нагрева, состоящий в приложении разности потенциалов меньшей, чем второй предварительно заданный порог значение, между первым электродом и вторым электродом, при этом указанный второй предварительно заданный порог меньше указанного первого предварительно заданного порога.
Образование искры приводит к ионизации газа рядом с открытой поверхностью полупроводникового элемента. Однако в условиях замораживания или высокой влажности лед или вода могут покрывать открытую поверхность полупроводникового элемента и, тем самым, ограничивать количество газа, которое может быть ионизировано. В том случае, если в данной ситуации будет предпринята попытка образовать искру, это приведет к увеличению напряжения пробоя и к концентрации разряда на поверхности полупроводникового материала, что вызывает быструю эрозию полупроводникового элемента и образование трещин в полупроводниковом элементе, при этом указанные трещины ускоряют разрушение указанного элемента.
Этап предварительного нагрева позволяет избежать подобного быстрого разрушения. Подача низкого напряжения между двумя электродами не вызывает никакого образования искры, но приводит к образованию тока утечки, который течет через полупроводниковый элемент. Выделяющееся тепло обеспечивает возможность высушивания свечи. Таким образом, после этапа предварительного нагрева искра может быть образована без льда или воды, покрывающих открытую поверхность полупроводникового элемента.
В одном варианте осуществления указанный этап предварительного нагрева имеет предварительно заданную продолжительность, превышающую 5 секунд. Например, предварительно заданная продолжительность может находиться в диапазоне от 30 секунд до 10 минут.
Первый предварительно заданный порог может превышать 900 вольт (В). Второй предварительно заданный порог может быть меньше 900 В. Например, второй предварительно заданный порог меньше или равен 100 В.
В одном варианте во время этапа предварительного нагрева разность потенциалов, приложенная между первым электродом и вторым электродом, является постоянной.
В другом варианте во время этапа предварительного нагрева разностью потенциалов, приложенной между первым электродом и вторым электродом, управляют посредством регулятора тока.
В соответствии с изобретением также разработан способ запуска газотурбинного двигателя, содержащий этап, на котором заставляют стартерный мотор начать вращение, и этап зажигания газотурбинного двигателя посредством реализации вышеуказанного способа зажигания, при этом этап предварительного нагрева начинается, когда частота вращения газотурбинного двигателя достигает предварительно заданного порога.
В соответствии с изобретением также разработана система зажигания для газотурбинного двигателя, при этом указанная система содержит свечу зажигания и источник питания, соединенный с указанной свечой зажигания, при этом свеча зажигания содержит первый электрод, второй электрод и полупроводниковый элемент между первым электродом и вторым электродом, при этом полупроводниковый элемент имеет открытую поверхность, при этом источник питания содержит средства образования, предназначенные для образования искры рядом с указанной открытой поверхностью, при этом указанные средства пригодны для приложения разности потенциалов, превышающей первый предварительно заданный порог, между первым электродом и вторым электродом, при этом указанная система зажигания отличается тем, что источник питания дополнительно содержит средства предварительного нагрева, выполненные с возможностью приложения разности потенциалов меньшей, чем второй предварительно заданный порог, между первым электродом и вторым электродом, при этом указанный второй предварительно заданный порог меньше указанного первого предварительно заданного порога.
Источник питания может дополнительно содержать входной интерфейс для приема управляющего сигнала и средства включения, пригодные для включения указанных средств образования или указанных средств предварительного нагрева в зависимости от управляющего сигнала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение может быть лучше понято при чтении нижеприведенного описания, приведенного только в качестве неограничивающего указания и со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:
фиг.1 представляет собой схему одного варианта осуществления системы зажигания по изобретению;
фиг.2 представляет собой сечение свечи зажигания, предусмотренной в системе зажигания, показанной на фиг.1;
фиг.3 показывает конец свечи зажигания по фиг.2, покрытый льдом или водой;
фиг.4 представляет собой график, который показывает для множества подвергнутых испытаниям свечей по фиг.2 ток, проходящий через свечу, в зависимости от поданного напряжения; и
фиг.5 представляет собой график, показывающий управляющий сигнал и разность потенциалов, приложенную к электродам свечи по фиг.2, в зависимости от времени.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг.1 показывает систему 10 зажигания для газотурбинного двигателя 11. Система 10 зажигания, как правило, содержит множество свечей зажигания, выполненных с возможностью образования искр для зажигания газотурбинного двигателя 11. Свечи зажигания соединены с блоком 9 питания. Блок 9 питания имеет входной интерфейс 12 для приема управляющего сигнала. Фиг.1 показывает одну свечу 1 зажигания.
Фиг.2 представляет собой сечение свечи 1 зажигания. Свеча 1 зажигания имеет электрод 2 и электрод 3.
Электрод 2 имеет отверстие 7, которое является в основном круглоцилиндрическим, и электрод 3 вставлен в отверстие 7. С правой стороны фиг.2 конец электрода 3 расположен вровень с концом электрода 2, и полупроводниковый элемент 4 разделяет электроды 2 и 3. Полупроводниковый элемент 4 имеет открытую поверхность 5.
Внутри отверстия 7 электроды 2 и 3 разделены изоляционным материалом 6. В завершение, с левой стороны фиг.2 отверстие 7 расширяется, и конец электрода 3 является свободным для образования соединителя 8, обеспечивающего возможность соединения свечи 1 зажигания с блоком 9 питания.
Таким образом, блок 9 питания может прикладывать большую разность потенциалов между электродами 2 и 3, в результате чего образуется искра 14 перед открытой поверхностью 5 полупроводникового элемента 4, как показано на фиг.2. Однако в условиях замораживания или высокой влажности нарост 13 из льда или скопление воды может закрывать открытую поверхность 5 полупроводникового элемента 4, как показано на фиг.3. Нарост 13 может мешать или препятствовать возникновению искры.
Фиг.4 показывает ток I, проходящий через свечу 1 зажигания, в зависимости от разности Т потенциалов, приложенной между электродами 2 и 3. Кривые 15, 16 и 17 соответствуют соответственно полупроводниковым элементам 4, имеющим разные составы.
При большой разности Т потенциалов, как правило, превышающей 900 В, ток I также является большим. При отсутствии нароста 13 образуется искра 14. Отмеченная окружностью зона 19 соответствует зоне, в которой образуется искра 14.
Напротив, при малой разности Т потенциалов, как правило, менее 900 В, искра не образуется. Тем не менее, свеча 1 зажигания позволяет протекать через нее малому току I утечки, при этом величина тока зависит от приложенной разности потенциалов. Фиг.4 показывает, что ток утечки является относительно стабильным в зоне 18.
Для того чтобы избежать проблем, связанных с разрушением свечи 1 зажигания, вызываемых наличием нароста 13, свечу 1 зажигания предварительно нагревают перед образованием искры 14.
Более точно, во время этапа предварительного нагрева, предшествующего этапу образования искры 14, блок 9 питания прикладывает малую разность потенциалов между электродами 2 и 3, как правило, находящуюся приблизительно в диапазоне от 20 В до 100 В. В одном варианте может быть приложена разность потенциалов вплоть до 900 В, поскольку искра не образуется. Как показано на фиг.4, ток утечки протекает через полупроводниковый элемент 4, который нагревается за счет эффекта Джоуля. Образуемое тепло высушивает свечи 1 зажигания, в результате чего устраняется нарост 13.
Этап предварительного нагрева имеет продолжительность, которая, например, предварительно задана в зависимости от приложенной разности потенциалов и от свечи 1 зажигания. Как правило, предварительно заданная продолжительность может находиться в диапазоне от 30 секунд до 10 минут.
Например, во время испытаний, проведенных на свече 1 зажигания, покрытой льдом при -15°С, были измерены следующие времена высушивания:
6 минут при разности потенциалов 28 В (ток 10 миллиампер (мА));
2,5 минуты при разности потенциалов 50 В (ток 20 мА) и
35 секунд при разности потенциалов 100 В (ток 500 мА).
Во время этапа предварительного нагрева прикладывается разность потенциалов, имеющая постоянную величину. В одном варианте разность потенциалов может задаваться посредством регулятора тока, который поддерживает постоянный ток.
После этапа предварительного нагрева этап образования искры может выполняться обычным образом. Более точно, во время стадии зарядки блок 9 питания накапливает энергию в накопительном элементе. Затем накопленная энергия передается свече 1 зажигания для образования свечи.
Блок 9 питания имеет входной интерфейс 12, обеспечивающий возможность приема управляющего сигнала. Управляющий сигнал указывает блоку 9 питания переключаться между состоянием, в котором он прикладывает низкое напряжение для этапа предварительного нагрева, и состоянием, в котором он прикладывает высокое напряжение для этапа образования искры.
Например, управляющий сигнал содержит импульс малой продолжительности для запроса этапа предварительного нагрева и импульс большей продолжительности для запроса этапа образования искры. Данный пример показан на фиг.5. На фиг.5 кривая 20 показывает зависимость приложенной разности Т потенциалов от времени t и кривая 21 показывает зависимость управляющего сигнала S от времени.
Запуск газотурбинного двигателя 11 начинается известным образом с того, что заставляют газотурбинный двигатель 11 начинать вращаться посредством стартерного мотора. Частота вращения газотурбинного двигателя 11 постепенно увеличивается. Когда частота вращения достигнет определенного уровня, осуществляется образование искр для зажигания газотурбинного двигателя 11. Принимая во внимание изменение частоты вращения газотурбинного двигателя 11 и предварительно заданную продолжительность этапа предварительного нагрева свечи 1 зажигания, можно выбрать порог частоты вращения для начала этапа предварительного нагрева.
1. Способ зажигания газотурбинного двигателя (11) посредством использования свечи (1) зажигания, содержащей первый электрод (2), второй электрод (3) и полупроводниковый элемент (4) между первым электродом и вторым электродом, при этом полупроводниковый элемент имеет открытую поверхность (5), при этом способ зажигания содержит этап образования искры (14) рядом с указанной открытой поверхностью посредством приложения разности потенциалов, превышающей первый предварительно заданный порог, между первым электродом и вторым электродом, при этом указанный способ отличается тем, что перед указанным этапом образования искры он дополнительно содержит этап предварительного нагрева, состоящий в приложении разности потенциалов меньшей, чем второй предварительно заданный порог, между первым электродом и вторым электродом, при этом указанный второй предварительно заданный порог меньше указанного первого предварительно заданного порога.
2. Способ зажигания по п.1, в котором указанный этап предварительного нагрева имеет предварительно заданную продолжительность, превышающую 5 с.
3. Способ зажигания по п.1, в котором указанный первый предварительно заданный порог превышает 900 В.
4. Способ зажигания по п.1, в котором указанный второй предварительно заданный порог меньше 900 В.
5. Способ зажигания по п.4, в котором указанный второй предварительно заданный порог меньше или равен 100 В.
6. Способ зажигания по п.1, в котором во время этапа предварительного нагрева разность потенциалов, приложенная между первым электродом и вторым электродом, является постоянной.
7. Способ зажигания по п.1, в котором во время этапа предварительного нагрева разностью потенциалов, приложенной между первым электродом и вторым электродом, управляют посредством регулятора тока.
8. Способ запуска газотурбинного двигателя (11), содержащий этап, на котором заставляют стартерный мотор начать вращение газотурбинного двигателя, и этап зажигания газотурбинного двигателя посредством реализации способа зажигания по п.1, в котором этап предварительного нагрева начинается, когда частота вращения газотурбинного двигателя достигает предварительно заданного порога.
9. Система зажигания для газотурбинного двигателя (11), при этом указанная система содержит свечу (1) зажигания и источник (9) питания, соединенный с указанной свечой зажигания, при этом свеча зажигания содержит первый электрод (2), второй электрод (3) и полупроводниковый элемент (4) между первым электродом и вторым электродом, при этом полупроводниковый элемент имеет открытую поверхность (5), при этом источник питания содержит средства образования, предназначенные для образования искры (14) рядом с указанной открытой поверхностью, при этом указанные средства выполнены с возможностью приложения разности потенциалов, превышающей первый предварительно заданный порог, между первым электродом и вторым электродом, при этом указанная система зажигания отличается тем, что источник питания дополнительно содержит средства предварительного нагрева, выполненные с возможностью приложения разности потенциалов меньшей, чем второй предварительно заданный порог, между первым электродом и вторым электродом, при этом указанный второй предварительно заданный порог меньше указанного первого предварительно заданного порога.
10. Система зажигания по п.9, в которой указанный источник питания дополнительно содержит входной интерфейс (12) для приема управляющего сигнала и средства включения, выполненные с возможностью включения указанных средств образования или указанных средств предварительного нагрева в зависимости от управляющего сигнала.
