Способ контроля технического состояния свечей зажигания авиационных ГТД

Изобретение относится к авиационному газотурбостроению, в частности к оценке технического состояния свечей зажигания при периодической проверке их технического состояния в процессе эксплуатации или перед повторной установкой на авиационный ГТД после проведения его ремонта.

Известен способ контроля технического состояния свечей зажигания в процессе эксплуатации или перед повторной установкой на авиационный ГТД после проведения его ремонта, реализованный в [Патент США №3793582, опубликовано 19.02.1974; Патент РФ №2338080, опубликовано 10.11.2008; Патент РФ №2579435, опубликовано 10.04.2016; Патент РФ №2558751, опубликовано 10.08.2015; Патент РФ №150819, опубликовано 27.02.2015; А.Н. Мурысев, А.О. Рыбаков, А.Г. Каюмов, Ю.Д. Курдачев. Исследование рабочих процессов в стреляющих свечах зажигания и разработка методов повышения их эффективности.//Тезисы доклада на конференции «Проблемы авиации и космонавтики и роль ученых в их решении»//МинВУЗ РФ, УАИ, 1988. - С. 78-81; Измеритель времени ИВ-3 8Г2.746.018 РЭ УАКБ "Молния" Руководство по эксплуатации; Измеритель амплитудных напряжений ИАН-1 8Г2.746.021 ТО. УАКБ "Молния" Техническое описание; Патент РФ №2463523, опубликовано 10.10.2012; Патент РФ №2608888, опубликовано 26.01.2017; Патент РФ №2614388, опубликовано 27.03.2017; Патент Франции №2717534, опубликовано 17.03.94], заключающийся в том, что контролируется наличие бесперебойного искрообразования в искровом зазоре.

Недостатком указанного способа является то, что он не обеспечивает достоверного прогноза работоспособности свечей зажигания на последующий период эксплуатации по техническому состоянию, период до первого ремонта или межремонтный период работы авиационного газотурбинного двигателя после выполнения его ремонта или на время до следующей проверки технического состояния свечи зажигания. Это связано со следующими причинами. Бесперебойное искрообразование между электродами может обеспечиваться в период времени t₁ и не обеспечиваться в последующий момент времени (t₁+Δt), т.к. в период времени Δt происходит дополнительное увеличение искрового зазора свечи за счет электроэррозионной выработки контактов электродов в процессе работы системы зажигания. В результате этого увеличения искрового зазора пробивное напряжение искрового промежутка свечи U_{пр св} [Физическая энциклопедия. В 5-й томах. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор A.M. Прохоров. 1988] становится выше выходного напряжения агрегата зажигания U_{вых агр}, с которым свечи зажигания совместно используются на авиационном газотурбинном двигателе (U_{пр св} > U_{вых агр}). Таким образом, проведение контроля наличия бесперебойности искрообразования не в достаточной степени обеспечивает достоверную информацию о возможности эксплуатации свечей на весь период времени до следующего ремонта двигателя, т.к. при проведении контроля искрообразования в момент времени t₁ не проверяется фактическая величина искрового зазора, запасы по его величине для обеспечения надежного искрообразования в последующие моменты времени до времени (t₁+Δt).

Кроме этого, если система зажигания, в составе которой используются свечи зажигания, применяется в режиме длительного функционирования (или так называемого «дежурного зажигания») [Патент РФ №2494314, опубликовано 27.09.2013; Патент РФ №2463522, опубликовано 10.10.2012; Мухаммедов, Н.А. Обеспечение надежного запуска авиационного ГТД на основе оптимизации характеристик пускового устройства и совершенствования системы управления: диссертация канд. техн. наук: 05.07.05 / Мухаммедов Никита Атамурадович. - Рыбинск, 2016 - 182 с. (28 с, 29 с, 64-65 с); Continious Ignition Selection in Adverse Weater. By Michel Palomeque. Aibus. 10th Performance and Operations Conference (1998); Патент США №2938147, опубликовано 24.05.1960], то кроме контактов электродов значительной эрозионной выработке подвергается поверхность керамического изолятора в искровом зазоре. Это связано со следующими причинами. Режим длительного функционирования системы зажигания обеспечивает бесперебойное искрообразование на свечах зажигания при работе газотурбинного двигателя в сложных условиях полета: взлет и посадка в сложных метеоусловиях (боковой ветер, обледенение, водяные или снежные «заряды»), полет в турбулентной атмосфере и т.д., и предназначен для поддержания горения в камере сгорания. Таким образом, искрообразование в искровом зазоре происходит при полном рабочем давлении в камере сгорания ГТД для соответствующей высоты полета. Воздействие повышенного давления в камере сгорания приводит к поджатию канала искрового разряда к поверхности керамического изолятора в искровом зазоре. Высокая температура искрового канала электрического разряда воздействует на поверхность керамического изолятора в искровом зазоре и приводит к постепенной электроэрозионной выработке этого изолятора. На фиг. 1 представлен рентгеновский снимок искрового зазора свечей зажигания при изготовлении, на фиг. 2 - после работы свечи зажигания только в режимах воспроизведения запуска ГТД, после работы в режиме длительного функционирования с наработкой 1,6 часа (см. фиг. 3) и 5,4 часа (см. фиг. 4). Электроэрозионная выработка керамического изолятора в искровом зазоре приводит к увеличению заглубления торцевой поверхности керамики относительно первоначального заглубления, имевшего место при изготовлении, увеличению искрового зазора по поверхности керамического изолятора.

Увеличение заглубления поверхности керамического изолятора в искровом зазоре приводит к утонению стенок изолятора (см. фиг. 5), что впоследствии приводит к возникновению трещины изолятора, потере электропрочности свечи. В этом случае искровые электрические разряды будут зарождаться не на рабочем торце свечи в искровом зазоре, а внутри свечи по трещине в рабочем изоляторе, что приведет к незапуску авиационного двигателя в наземных условиях, при противопомпажных запусках или отсутствию искрообразования на свече при работе системы зажигания в дежурном режиме в сложных метеоусловиях. Кроме этого, выработка поверхности керамического изолятора приводит к увеличению пробивного напряжения свечи, что снижает ресурсные характеристики свечи. Также увеличение заглубления поверхности керамического изолятора в искровом зазоре фактически уменьшает заглубление источника воспламенения в камеру сгорания и увеличивает расстояние до зоны обратных токов в камере сгорания, тем самым уменьшает ее воспламеняющую способность.

Следовательно, способ контроля технического состояния свечей зажигания заключающийся в том, что контролируют наличие бесперебойного искрообразования в искровом зазоре свечей зажигания путем подачи напряжения питания на агрегат зажигания, без оценки величины искрового зазора свечи в процессе изготовления и после эксплуатации в составе двигателей недостаточно объективен, дает недостоверную оценку технического состояния свечей зажигания, т.е. приводит к возможности установки на двигатель свечей зажигания без достаточного запаса по ресурсу, а также может привести к отсутствию запуска двигателя в условиях эксплуатации, что в свою очередь может привести к тяжелым последствиям или летному происшествию.

Частично указанных недостатков, связанных с влиянием величины искрового зазора свечей зажигания на воспламеняющую способность камеры сгорания авиационного двигателя, лишен способ контроля свечей зажигания, принятый за прототип, реализованный в [Авторское свидетельство СССР №849359, опубликовано 23.07.81; Свеча зажигания полупроводниковая СП-92П кл. К2 8Г3.242.244 ТУ Технические условия, 8Г3.242.244 ГЧ Габаритный чертеж; Aviation Technical Bulletin №96-1 (champion CH38016 igniter), №96-2 (champion CH34659-3 igniter), №97-2 (champion CH37114 igniter), №97-3 (champion CH31815-1 igniter); Service Bulletin Champion Aerospace INC CH34817-74-21-02-001; Патент РФ №2680477, опубликовано 21.02.2019], заключающийся в том, что контролируют наличие бесперебойного искрообразования в искровом зазоре свечей зажигания путем подачи напряжения питания на агрегат зажигания, измеряют фактическую величину искрового зазора контролируемых свечей, проводят сравнение измеренной фактической величины искрового зазора с нормируемой величиной, при наличии бесперебойного искрообразования и отсутствия превышения фактически измеренной величины искрового зазора нормируемого значения, судят о техническом состоянии свечей зажигания.

Указанный способ контроля, принятый за прототип, реализуется следующим образом. По результатам накопления статистических данных, полученных при исследовании свечей зажигания, поступивших от потребителя после испытаний и опытной эксплуатации в составе двигателей определяют предельную величину искрового зазора Δ_lim, при которой пробивное напряжение свечи начинает превышать выходное напряжение агрегата зажигания U_{пр св} > U_{вых агр}. Если у свечи величина искрового зазора Δ_lim, то свеча работоспособна, только в ближайший промежуток времени Δt может отказать, т.е. свеча не имеет запаса по ресурсу и для установки на двигатель непригодна. Для дальнейшего использования при анализе технического состояния свечей зажигания принимают нормируемую величину искрового зазора Δ_мах (которая меньше Δ_lim), при котором свеча работоспособна и имеет достаточный запас по ресурсу. При контроле технического состояния свечей зажигания после контроля бесперебойности искрообразования измеряют фактический искровой зазор свечи Δ_св и сравнивают его с принятой нормируемой величиной Δ_мах. В случае если фактический искровой зазор свечи не превышает нормируемую величину (Δ_св ≤ Δ_мах), то эксплуатация такой свечи продолжается или свеча устанавливается на авиационный ГТД после проведения его ремонта, т.к. она с достаточным запасом обеспечит ресурс до первого ремонта или межремонтный ресурс двигателя. В случае если фактический искровой зазор свечи превышает нормируемую величину (Δ_св > Δ_маx), то такую свечу устанавливать на двигатель нельзя, она заменяется на новую свечу или на свечу, имеющую необходимый запас по ресурсу. Следовательно, проверка бесперебойности искрообразования и сравнение фактического искрового зазора с нормируемой величиной повышает достоверность прогноза работоспособности свечей зажигания на последующий до первого ремонта или межремонтный период работы авиационного газотурбинного двигателя после выполнения его ремонта, относительно способа контроля, заключающегося только в проверке бесперебойности искрообразования.

В процессе эксплуатации свечей в составе авиационных двигателей в течение установленного ресурса происходит выработка не только бокового и центрального электродов свечи, но и рабочего керамического изолятора, т.к. искрообразование на рабочем торце свечи может выполняться и в режиме дежурного зажигания - режиме длительного функционирования (см. выше).

Увеличение заглубления поверхности керамического изолятора в искровом зазоре, которое имеет место при работе свечи в длительном режиме, фактически уменьшает заглубление источника воспламенения в камеру сгорания и увеличивает расстояние до зоны обратных токов в камере сгорания, тем самым уменьшает ее воспламеняющую способность. Также увеличение заглубления поверхности керамического изолятора в искровом зазоре приводит к увеличению пробивного напряжения свечи, что снижает ресурсные характеристики свечи. Кроме этого, выработка поверхности керамического изолятора приводит к утонению стенок изолятора (см. фиг. 5), что впоследствии может привести к возникновению трещины изолятора, потере электропрочности свечи. В этом случае искровые электрические разряды будут зарождаться не на рабочем торце свечи в искровом зазоре, а внутри свечи по трещине в рабочем изоляторе, что приводит к незапуску авиационного двигателя в наземных условиях, при противопомпажных запусках или отсутствию искрообразования в искровом зазоре свечи при работе системы зажигания в дежурном режиме в сложных метеоусловиях.

В процессе эксплуатации свечей зажигания в составе авиационных двигателей учет количества и продолжительности включений в длительном дежурном режиме, как правило, не производится. Даже в случае выполнения контроля количества длительных включений, скорость выработки рабочего изолятора свечи оценить невозможно, т.к. включения свечей в дежурном режиме бывают разной длительности и выполняются на различных высотах полета, на различных режимах работы двигателя, при различных температурах окружающего воздуха, т.е. при различных значениях давления и температуры в зоне рабочего торца свечи, которые оказывают значительное влияние на выработку керамического изолятора свечи. Учитывая изложенное, спрогнозировать величину выработки керамического изолятора, которая определяет остаточный ресурс свечи, не представляется возможным.

Задачей, решаемой заявленным изобретением, является повышение достоверности оценки технического состояния свечей зажигания в процессе эксплуатации или перед повторной установкой на авиационный ГТД после проведения его ремонта для продолжения эксплуатации свечи.

Поставленная задача решается применением способа контроля технического состояния свечей зажигания в процессе эксплуатации или перед повторной установкой на авиационный ГТД после проведения его ремонта, заключающегося в том, что контролируют наличие бесперебойного искрообразования в искровом зазоре свечей зажигания путем подачи напряжения питания на агрегат зажигания, измеряют фактическую величину искрового зазора свечей зажигания, проводят сравнение измеренной фактической величины искрового зазора с нормируемой величиной, при наличии бесперебойного искрообразования и отсутствии превышения фактически измеренной величины искрового зазора нормируемого значения судят о техническом состоянии свечей зажигания, отличающийся тем, что дополнительно контролируют величину заглубления торцевой поверхности керамического изолятора в искровом зазоре свечей зажигания, при этом работоспособность свечей зажигания окончательно оценивают по отсутствию превышения измеренной величины заглубления торцевой поверхности керамического изолятора относительно нормируемого значения этого заглубления.

Новым, согласно изобретению, является то, что при выполнении контроля технического состояния свечей зажигания авиационных ГТД дополнительно контролируют величину заглубления торцевой поверхности керамического изолятора в искровом зазоре свечей зажигания, при этом работоспособность свечей зажигания окончательно оценивают по отсутствию превышения измеренной величины заглубления торцевой поверхности керамического изолятора относительно нормируемого значения этого заглубления, принятого по результатам анализа статистических данных, полученных при исследованиях значений заглубления свечей зажигания этого типа, прошедших ресурсные испытания в составе двигателей.

Выполнение периодического сравнения фактической величины заглубления торцевой поверхности керамического изолятора в процессе эксплуатации или перед повторной установкой на авиационный ГТД после проведения его ремонта с нормируемым значением этого заглубления на заданном диаметре (см. фиг. 7) позволяет обеспечить достоверный прогноз работоспособности свечей зажигания в пределах установленного периода эксплуатации по техническому состоянию, на последующий до первого ремонта или межремонтный период работы авиационного газотурбинного двигателя после выполнения его ремонта. Это исключает снятие с двигателя свечей, которые не в полном объеме выработали свой ресурс и с достаточным запасом обеспечат ресурс до первого ремонта или межремонтный ресурс двигателя, а также снижает количество замен свечей в процессе эксплуатации. Следовательно, предлагаемый способ контроля технического состояния свечей значительно уменьшает затраты на логистику эксплуатации свечей зажигания.

Предлагаемый способ контроля технического состояния свечей зажигания в процессе эксплуатации или перед повторной установкой на авиационный ГТД после проведения его ремонта осуществляется следующим образом: выполняют контроль наличия бесперебойного искрообразования в искровом зазоре свечей зажигания путем подачи напряжения питания на агрегат зажигания, измеряют фактическую величину искрового зазора и проводят сравнение измеренной фактической величины искрового зазора с нормируемой величиной, оценивают величину заглубления торцевой поверхности керамического изолятора на заданном диаметре путем сравнения с нормируемым значением этого заглубления, при наличии бесперебойного искрообразования, отсутствии превышения фактически измеренной величины искрового зазора значения нормируемого, отсутствии превышения величины заглубления торцевой поверхности керамического изолятора максимально допустимой величины, судят о техническом состоянии свечей зажигания.

Ниже приведен пример реализации предлагаемого способа контроля технического состояния свечей зажигания.

У свечи зажигания в процессе эксплуатации периодически или перед повторной установкой на авиационный ГТД после проведения его ремонта в первую очередь проверяют бесперебойность искрообразования при работе от агрегата зажигания, с которым свечи используются в составе двигателя. Контролируемую свечу подключают при помощи высоковольтного провода к агрегату зажигания, агрегат в свою очередь подключают к источнику питания и подают на него напряжение питания. Если после включения агрегата на рабочем торце свечи между боковым и центральным электродами свечи наблюдается бесперебойное следование искровых разрядов, то такая свеча пригодна для проведения следующего этапа проверки ее технического состояния. Контроль искрообразования может быть выполнен одним из известных методов [Патент США №3793582, опубликовано 19.02.1974; Патент РФ №2338080, опубликовано 10.11.2008; Патент РФ №2579435, опубликовано 10.04.2016; Патент РФ №2558751, опубликовано 10.08.2015; Патент РФ №150819, опубликовано 27.02.2015; А.Н. Мурысев, А.О. Рыбаков, А.Г. Каюмов, Ю.Д. Курдачев. Исследование рабочих процессов в стреляющих свечах зажигания и разработка методов повышения их эффективности.//Тезисы доклада на конференции «Проблемы авиации и космонавтики и роль ученых в их решении»//МинВУЗ РФ, УАИ, 1988. - С. 78-81; Измеритель времени ИВ-3 8Г2.746.018 РЭ УАКБ "Молния" Руководство по эксплуатации; Измеритель амплитудных напряжений ИАН-1 8Г2.746.021 ТО. УАКБ "Молния" Техническое описание; Патент РФ №2463523, опубликовано 10.10.2012; Патент РФ №2608888, опубликовано 26.01.2017; Патент РФ №2614388, опубликовано 27.03.2017; Патент Франции №2717534, опубликовано 17.03.94]. На следующем этапе проверки измеряют специальным или универсальным мерительным инструментом фактический искровой зазор свечи Δ_св и сравнивают его с принятой по результатам накопления статистических данных, полученных при исследовании свечей зажигания, поступивших от потребителя после испытаний и эксплуатации в составе двигателей, нормируемой величиной Δ_мах. В случае если фактический искровой зазор свечи превышает нормируемую величину (Δ_св > Δ_мах), то такую свечу устанавливать на двигатель нельзя, ее заменяют на новую свечу или свечу, имеющую необходимый запас по ресурсу (см. фиг. 6). В случае если фактический искровой зазор свечи не превышает нормируемую величину (Δ_св ≤ Δ_мах), то такая свеча пригодна для проведения следующего этапа проверки ее технического состояния.

На следующем этапе проверки измеряют специальным мерительным инструментом фактическую величину выработки изолятора А_из на заданном диаметре D и сравнивают ее с принятой по результатам накопления статистических данных, полученных при исследовании свечей зажигания, поступивших от потребителя после испытаний и эксплуатации в составе двигателей, нормируемой величиной А_мах (см. фиг. 7, фиг. 8). В случае если фактическая величина выработки изолятора свечи превышает нормируемую величину

(А_из > А_мах), то такую свечу устанавливать на двигатель нельзя, ее заменяют на новую свечу или свечу, имеющую необходимый запас по ресурсу. В случае если фактическая величина выработки изолятора свечи не превышает нормируемую величину (А_из ≤ А_маx), считают свечу пригодной для эксплуатации с наработкой до следующей периодической проверки ее технического состояния.

Если по результатам проведения контроля технического состояния свечи в процессе эксплуатации или перед повторной установкой на авиационный ГТД после проведения его ремонта, между боковым и центральным электродами свечи наблюдается бесперебойное следование искровых разрядов, фактический искровой зазор свечи Δ_св не превышает нормируемую величину Δ_мах (см. фиг. 6), и отклонение фактической величины заглубления торцевой поверхности керамического изолятора от величины этого заглубления при изготовлении свечи не превышает максимально допустимую величину (см. фиг. 7, фиг. 8), то допускают дальнейшее использование такой свечи, ее устанавливают на авиационный ГТД для эксплуатации до следующей проверки ее технического состояния.

Таким образом, способ контроля технического состояния свечей зажигания, заключающийся в том, что контролируют наличие бесперебойного искрообразования в искровом зазоре свечей зажигания путем подачи напряжения питания на агрегат зажигания, измеряют фактическую величину искрового зазора и проводят сравнение измеренной фактической величины искрового зазора с нормируемой величиной, контролируют величину заглубления торцевой поверхности керамического изолятора в искровом зазоре свечей зажигания и сравнивают с нормируемым значением этого заглубления, судят о техническом состоянии свечей зажигания, позволяет обеспечить достоверный прогноз работоспособности свечей зажигания на последующий до первого ремонта или межремонтный период работы авиационного газотурбинного двигателя после выполнения его ремонта, а также значительно уменьшает затраты на логистику эксплуатации свечей зажигания.

Предлагаемое изобретение выгодно отличается от известных аналогов и прототипа повышенной достоверностью периодического контроля технического состояния свечей зажигания в процессе их эксплуатации или при проверке их технического состояния свечей перед повторной установкой на авиационный ГТД после проведения его ремонта, исключает снятие с двигателя свечей, которые не в полном объеме выработали свой ресурс и с достаточным запасом обеспечат ресурс до первого ремонта или межремонтный ресурс двигателя, а также снижает количество замен свечей в процессе эксплуатации. Эффективность предлагаемого способа контроля технического состояния свечей зажигания подтверждена результатами испытаний.