автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электроразрядные процессы в плазменных системах зажигания ГТД

4844367

САЛИХОВ Ренат Мунирович

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕННЫХ СИСТЕМАХ ЗАЖИГАНИЯ ГТД

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2011

4844367

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре электрооборудования летательных аппаратов и наземного транспорта.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гизатуллин Фарит Абдулганеевич

кафедра электрооборудования летательных аппаратов и наземного транспорта Уфимского государственного авиационного технического университета

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воронин Сергей Григорьевич

кафедра электромеханики и электромеханических систем Южно-Уральского государственного университета

доктор технических наук, профессор Рогинская Любовь Эммануиловна кафедра электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета

Ведущее предприятие: ФГУП «Уфимское агрегатное

производственное объединение»

Защита состоится 20 мая 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан 06 апреля 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

В.С. Фетисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования. Значительный рост скоростей и высот полета, увеличение мощности двигателей приводят к усложнению функций, выполняемых летательными аппаратами и ужесточению требований, предъявляемых к силовым установкам, что вызывает необходимость совершенствования электрических систем зажигания и поиска новых решений, направленных на повышение их эффективности.

Вопросы повышения эффективности авиационных систем зажигания освещены во многих работах отечественных и зарубежных авторов. Среди них следует особо выделить труды И.М. Синдеева, В.А. Балагурова, В.П. Ураева, Р.Ш. Вахитова, Ф.А. Гизатуллина, В.Н. Гладченко, Л.И. Алимбекова, O.A. Попова, A.B. Краснова, А.Н. Мурысева, В.Д. Опескина, А. Лефевра, Дж.Р. Фруса, К.К. Света, В.М. Куляпина, В.Х. Абдрахманова, И.Х Байбурина, К.В. Зиновьева, A.B. Лобанова, З.Г. Габидуллиной и др.

В последнее время ведутся разработки плазменных систем зажигания ГТД, предполагающих использование специальных мощных источников питания. 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.

Плазменные системы зажигания в настоящее время считаются перспективными, однако целый ряд вопросов, связанных с эффективностью их применения, остается открытым. К их числу относятся следующие. Устойчивость электроразрядных процессов в силовых цепях в условиях высотного запуска ГТД в полной мере не изучена. Для решения этой задачи необходима, в том числе, разработка специального стенда, имитирующего условия образования дугового разряда в свечах в зависимости от режима запуска двигателей ГТД. Также в известной научно-технической литературе не представлены сведения по исследованию влияния параметров разрядных цепей осцилляторов на устойчивость дугообразования в свечах. Несмотря на широкие возможности совремешшх информационных технологий, при исследовании процессов в плазменных системах зажигания компьютерные модели в полной мере не используются.

Таким образом, проведение исследований, направленных на анализ устойчивости электроразрядных процессов в плазменных свечах, разработку плазменных систем зажигания на основе неиспользуемых возможностей повышения их эффективности, внедрение информационных технологий в процесс разработки, создание экспериментальной установки по исследованию

устойчивости дугообразования в плазменных системах зажигания с имитацией различных режимов запуска ГТД, в настоящее время является актуальным.

Цель диссертационной работы: Исследование закономерностей электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания постоянного тока, развитие теоретических основ проектирования систем зажигания.

Задачами диссертации являются:

1. Разработка алгоритма определения режима работы осциллятора в составе плазменных систем зажигания в напряженных условиях высотного запуска ГТД.

2. Разработка алгоритма определения предельно допустимой скорости плазмообразующего воздуха через плазменную свечу в зависимости от параметров силовой цепи, при которых обеспечивается устойчивость электроразрядных процессов.

3. Моделирование электроразрядных процессов в плазменной системе зажигания, в том числе, с учетом газодинамических параметров в камерах сгорания ГТД.

4. Разработка стенда по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания, экспериментальное подтверждение разработанных моделей.

5. Разработка схемотехнических решений плазменных систем зажигания повышенной эффективности.

Методы исследований. При выполнении работы для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, компьютерного моделирования, осциллографический метод экспериментальных исследований. Моделирование на ЭВМ производилось в программной среде МаНаЬ 6.5, с использованием библиотеки ЗшшНпк и 8ш1Рошег8уз1етз.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм определения режима работы осциллятора в составе плазменных систем зажигания в напряженных условиях высотного запуска ГТД, способствующих гашению дугового разряда в плазменной свече.

2. Алгоритм определения предельно допустимой скорости плазмообразующего воздуха через плазменную свечу в зависимости от параметров силовой цепи, при которых обеспечивается устойчивость электроразрядных процессов.

3. Компьютерные модели плазменной системы зажигания постоянного тока.

4. Результаты разработки экспериментального стенда по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания постоянного тока в зависимости от различных режимов запуска ГТД.

5. Результаты разработки новых схемотехнических решений плазменных систем зажигания, а также комбинированного измерителя динамических и статических пробивных напряжений плазменных свечей.

Научная новизна н достоверность результатов:

1. Впервые разработан алгоритм определения режима работы осциллятора в составе плазменных систем зажигания на основе анализа времени гашения дугового разряда в напряженных условиях высотного запуска ГТД.

2. Впервые разработан алгоритм определения предельно допустимой скорости плазмообразующего воздуха через плазменную свечу, являющийся основой для расчета требуемых параметров плазменных систем зажигания.

3. В разработанной имитационной компьютерной модели плазменной системы зажигания постоянного тока учтены не только электрические процессы, но и газодинамические параметры, определяющие работоспособность плазменной системы зажигания.

4. Достоверность результатов исследований подтверждена экспериментально на разработанном с участием автора стенде по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания с имитацией различных режимов запуска авиационного ГГД.

5. Разработанные схемотехнические решения, являющиеся основой для разработки новых высокоэффективных плазменных систем зажигания, защищены патентами на полезные модели (№. 74667, №86251, №94640, №99829).

Практическая ценность и внедрение результатов.

1. Результаты работы позволяют в первом приближении решать практические задачи исследования, расчета и проектирования плазменных систем зажигания с учетом параметров, характеризующих различные режимы запуска ГТД.

2. Предложенные схемотехнические решения, защищенные патентами, являются основой для разработки новых высокоэффективных плазменных систем зажигания.

3. Разработанные с участием автора электротехнические узлы экспериментального стенда по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания с имитацией различных режимов высотного запуска ГТД внедрены в ФГУП УАПО.

4. Результаты исследований внедрены в учебный процесс в УГАТУ для студентов специальности 140609 "Электрооборудование летательных аппаратов".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на следующих научно-технических конференциях всероссийского уровня:

• Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция. Уфа, 2008

• Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция. Уфа, 2009

• Актуальные проблемы науки и техники. Уфа, 2010.

• Актуальные проблемы науки и техники. Уфа, 2010.

Публикации по теме диссертации. Список публикаций автора по теме диссертации включает 13 научных трудов, в том числе 1 статья в рецензируемом научном журнале из списка ВАК (8 е.); 4 патента на полезные модели; 4 статьи в сборниках научных трудов (21 е.); 4 публикации в трудах конференций всероссийского уровня (10 е.), из них одна публикация выполнена без соавторов (2 е.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Общий объем составляет 142 страницы, 59 рисунков, 3 таблицы. Список литературы включает 109 наименований и занимает 11 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ перспектив совершенствования систем зажигания. Отмечено, что представляет интерес практическое использование ряда новых научно-технических разработок в области совершенствования систем зажигания, в том числе, использование импульсно-плазменных систем зажигания, разработка и внедрение управляемых систем зажигания, в которых выходные параметры зависят от условий высотного запуска двигателей, развитие и совершенствование плазменных систем зажигания (ПСЗ).

Проведен сравнительный анализ схем построения ПСЗ постоянного и переменного тока. На основе анализа возможных схем построения определено, что в качестве источников питания целесообразно использование инверторных источников питания, в том числе, источников питания с резонансными контурами.

Отмечено, что устойчивость дугообразования в силовых цепях ПСЗ исследована недостаточно, особенно в части согласования внешних характеристик источников и вольтамперных характеристик дугового разряда, с учетом изменения газодинамических параметров в камерах сгорания на различных режимах запуска ГТД.

Проведенный анализ показал, что в научно- технической литературе отсутствуют сведения об оптимизации режимов работы осцилляторов в составе ПСЗ, отсутствует теоретическое обоснование минимально необходимой частоты следования ионизирующих импульсов для повторного зажигания дугового разряда в свече в условиях, приводящих к гашению разряда.

Отмечено, что в ходе разработок, проектирования и исследования ПСЗ возможности современных компьютерных технологий используются не в полной мере, отсутствуют модели, позволяющие обосновывать выбор параметров силовых цепей и осцилляторов на стадиях разработки, проектирования, испытания и доводки ПСЗ.

Эффективность ПСЗ определяется рядом факторов, к которым, кроме воспламеняющей способности, относится устойчивость дугообразования в свечах в напряженных условиях высотного запуска ГТД на режимах авторотации и встречного запуска. Для исследования устойчивости дугообразования необходим специализированный стенд, позволяющий имитировать реальные условия, имеющие место на режимах высотного запуска ГТД.

Проведенный анализ показал, что в применяемых ПСЗ не реализуется известный метод повышения эффективности систем зажигания, основанный на сочетании в свечах маломощного длительного разряда с мощным коротким разрядом емкостного типа.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена моделированию процессов в ПСЗ постоянного тока, разработке схемотехнической и аналитической имитационной компьютерных моделей.

В применяемых ПСЗ для обеспечения устойчивой работы при нестационарном горении дуги, при колебаниях падения напряжения в дуге используется токовая стабилизация, которая реализуется различными способами, однако токовая стабилизация, оправданная при разработке плазменных систем зажигания, ограничивает возможности решения исследовательских задач, направленных на анализ различных режимов работы ПСЗ. Поэтому для исследований в диссертационной работе за основу взята схема, структура которой приведена на рис. 1.

Рисунок 1 - Структурная схема макета плазменной системы зажигания достоянного тока

Данная схема позволяет варьировать в широких пределах все параметры силовой цепи и осциллятора, отвечающие за эффективность процессов в плазменных свечах.

Первая решенная задача направлена на определение режима работы осциллятора, обеспечивающего эффективное повторное зажигание дуги после нарушения устойчивости горения дуги под действием различных дестабилизирующих факторов.

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.

На основе анализа уравнения баланса напряжений в переходном режиме гашения дуги и решения для закона изменения тока получено выражение для времени гашения дугового разряда:

,.Лъ ^ . а)

' л ида)-и0

где Ь,Я - индуктивность и активное сопротивление силовой цепи; (70 -максимальное напряжение на выходе источника питания; 11 ¿(1) - падение напряжения в дуговом разряде.

Падение напряжения IIл (0 можно описать разными способами, в работе для описания падения напряжения используется известное обобщенное уравнение вольт-амперной характеристики воздушной дуги для токов до 30А:

г) = (2)

А

где - расход плазмообразующего воздуха, кг/с; /, и с/, - длина и диаметр дугового канала; р - давление на выходе дугового канала.

Также используется известное эмпирическое выражение:

(3)

где I - ток через дугу; с, в - постоянные коэффициенты; а - показатель степени, характеризующий крутизну вольтамперной характеристики дуги; / = /(£, V) - длина дуги, зависящая, в основном, от междуэлектродного зазора 8 и скорости потока воздуха V в зоне дугового разряда.

В результате моделирования для требуемой мощности осциллятора с целью под держания дугового разряда получено выражение:

^ Си\«(, (4)

ид(')-и0

где С - емкость накопительного конденсатора; их - напряжение пробоя разрядника; 77 - коэффициент, учитывающий потери в зарядной и разрядной цепях; падение напряжения в дуговом разряде Vь(1) определяется на основании выражений (2), или (3) 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 системы зажигания 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 режим работы

осциллятора и напряжение источника питания силовой цепи будут меняться по заданной программе в зависимости от условий запуска двигателей.

Применительно к принципиальной схеме макета ПСЗ постоянного тока (рис. 2) в среде МаЙаЬ разработана схемотехническая модель, показанная на рис. 3.

В ходе схемотехнического моделирования приняты следующие основные допущения:

1. Разрядник представлен в виде идеального ключа.

2. Влияние источника питания на разрядные процессы в осцилляторе не учитывается, так как длительность заряда накопительного конденсатора до момента пробоя разрядника значительно превышает длительность разрядного процесса.

3. Длительность горения дуги не задается в зависимости от условий гашения дуги; для целей исследований важно только время гашения дуги.

4. Свеча заменена линейным резистором.

Рисунок 2 - Принципиальная схема макета плазменной системы зажигания

Полученная модель позволяет анализировать процессы в силовой цепи и осцилляторе в широком диапазоне изменения параметров элементов схемы.

Разработан подход для анализа устойчивости электроразрядных процессов в ПСЗ в зависимости от параметров силовой цепи, скорости

плазмообразующего воздуха через свечу и давления на входе в камеру сгорания.

Для решения, этой задачи принято, что падение напряжения в дуговом разряде состоит из двух составляющих: падения напряжения при нулевой скорости плазмообразующего воздуха и приращения падения напряжения за счет обдува дуги плазмообразующим воздухом. На основе аппроксимации известных экспериментальных данных полное падение напряжения в дуговом разряде для критического режима минимально устойчивого горения дуги имеет вид:

О^р' + АУ^, (5)

«р

где 1кр - ток, соответствующий критическому режиму; А - 7,33 ^^ -

м

постоянный коэффициент; кюах - максимально допустимая скорость плазмообразующего воздуха.

В результате моделирования, с учетом вида внешней характеристики источника питания, получено выражение для определения максимально допустимой скорости плазмообразующего воздуха, соответствующей минимально устойчивому режиму горения дуги в плазменной свече при заданном давлении воздуха в камере сгорания:

и„ -'фр"{а +

-:--^-, (6)

А

где 10 - ток короткого замыкания; а - показатель степени, характеризующий крутизну вольтамперной характеристики дуги.

Разработанный алгоритм определения предельно допустимой скорости плазмообразующего воздуха является основой для анализа устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания в зависимости от параметров силовой цепи системы зажигания и давления на входе в камеру сгорания.

Для разработки аналитической имитационной компьютерной модели применительно к схеме, показанной на рис. 2, составлена система уравнений, на основе которой определена замкнутая система звеньев, описывающая логику работы аналитической имитационной модели, разработанной в среде МаАаЬ, в соответствии с известной технологией моделирования (рис.4).

Кроме того, во второй главе в результате сравнительного исследования эффективности импульсно-плазменной системы зажигания и импульсной емкостной системы зажигания подтверждена возможность использования известного для классических импульсных емкостных систем зажигания показателя воспламеняющей способности для оценки эффективности импульсно-плазменных систем зажигания.

Анализ возможных схем построения импульсно-плазменных систем зажигания показал, что они, в основном, являются низковольтными, что является препятствием для использования свечей зажигания с искровым

промежутком. С участием автора разработана схема импульсно-плазменной системы зажигания повышенной эффективности (патент № 74667).

Рисунок 4 - Аналитическая имитационная модель ПСЗ постоянного тока

Третья глава посвящена исследованию закономерностей электроразрядных процессов в ПСЗ постоянного тока на основе созданных компьютерных моделей, а также разработке оригинальных схем подключения осцилляторов.

Применительно к осциллятору теоретически исследованы зависимости /р (/), Щ/) в широком диапазоне изменения параметров разрядной цепи осциллятора (С1 = 0,1 - 1мкФ, ¿1=5- 26,5 мкГн), по которым определены основные характеристики разрядной цепи: 1т = С), ги = С), где 1т амплитуда разрядного тока, Ги - длительность разрядного импульса. На рис. 5 представлены характерные зависимости /р (/), ¡7с(г), полученные при исследовании компьютерных моделей при С1 = 0,5 мхФ, Ы = 26,5 мкГн.

/р,А

- -л------------------ ЯА

ТТППТ'Т А" "А ь.мкс

/ V/ ^

\1 V , ' 100 МО

1/ ;

(/с, I

А---А..... ------

1 МКС

Т1 - \J-\J~ - «Ом»

а) Схемотехническое моделирование

6) Аналитическое имитационное моделирование

Рисунок 5 - Зависимости /р (г), С/с(г) после пробоя разрядника

Применительно к силовой цепи ПСЗ исследованы зависимости силового тока /¿(0 во время гашения разряда в свече при различных параметрах схемы.

На основании теоретических результатов, связанных с определением режима работы осциллятора, рассчитаны требуемая мощность осциллятора и необходимая частота следования разрядных импульсов при заданных параметрах силовой цепи.

По результатам анализа эффективности традиционной схемы подключения осциллятора в ПСЗ разработаны оригинальные схемы подключения осцилляторов в составе ПСЗ (рис.6), на которые получено два патента на полезные модели.

Патент на полезную модель № 86251 Патент па полезную модель № 94640

Рисунок 6 - Новые схемы подключения осцилляторов в составе ПСЗ

Представленные схемы обеспечивают образование в плазменной свече мощной емкостной стадии разряда, что, как известно, приводит к повышению воспламеняющей способности систем зажигания.

В четвертой главе представлены результаты физического моделирования и исследования процессов в ПСЗ постоянного тока.

Разработанный с участием автора специалистами УГАТУ и ФГУП УАПО экспериментальный стенд предназначен для проверки работоспособности плазменных свечей зажигания, плазменных агрегатов зажигания, для исследования устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания в условиях, приближенных к реальным при запуске ГТД на различных режимах.

Структурная схема экспериментального стенда, включающего электротехническую и газодинамическую части, показана на рис. 7а. На рис.7б представлена фотография экспериментального стенда.

В экспериментальном стенде с определенной степенью приближения имитируются условия работы плазменных свечей в специальной камере без подачи и воспламенения топливовоздушной смеси при запуске ГТД в следующих режимах:

- наземный (стартовый) запуск;

- высотный запуск на режиме авторотации двигателя;

- высотный встречный запуск двигателя.

Специальная камера, в которой располагается плазменная свеча с запальным устройством, представляет собой прямой цилиндрический канал, через который проходит сносящий поток воздуха, с двумя смотровыми

окнами для визуального наблюдения, оптической пирометрии и фоторегистрации плазменного выброса. Плазменная свеча с запальным устройством, через которые проходит плазмообразующий воздух, располагается перпендикулярно оси камеры.

а) Структурная схема экспериментального стенда

б) Фотография экспериментального стенда

Рисунок 7 - Экспериментальный стенд по исследованию эффективности плазменных систем зажигания

Одной из задач при создании универсального экспериментального стенда являлось исследование пробивных напряжений плазменных свечей при изменении рабочих зазоров и давления среды на различных режимах запуска двигателей. Для этой цели разработан комбинированный измеритель динамических и статических пробивных напряжений, схема которого приведена на рис.8.

т

Рисунок 8 - Принципиальная схема комбинированного измерителя пробивных

напряжений

В ходе экспериментальных исследований менялись следующие параметры макета плазменной системы зажигания постоянного тока: частота следования разрядных импульсов осциллятора (0,5 - 40 имп./с); емкость накопительного конденсатора осциллятора (0,1 - 1 мкФ); индуктивность разрядной цепи осциллятора (5 - 26,5 мкГн); активное сопротивление силовой цепи (7,5 - 200 Ом). Максимальное напряжение на выходе источника питания силовой цепи составляло 600 В. Индуктивность силовой цепи - 0,182 Гн. Пробивное напряжение разрядника в цепи осциллятора - 2,8 кВ.

При проведении. экспериментов менялось также давление в специальной камере (7,09*104 - 2,75*105 Па).

Фиксировались следующие зависимости: разрядный ток осциллятора /р(У; напряжение на накопительном конденсаторе ис(0; ток в силовой цепи I/!), соответствующий времени гашения дугового разряда; регистрировалась также частота следования разрядных импульсов осциллятора.

Совмещенные осциллограммы напряжения на накопительном конденсаторе и разрядного тока в цепи осциллятора при С1 = 1,0 мкФ, Ы = 11,2 мкГн,/= 0,55 имп./с показаны на рис. 9а. На рисунке 96 представлены соответствующие осциллограммы, полученные в результате исследований компьютерных моделей при тех же значениях параметров осциллятора.

а) Эксперимент б) Теория

Рисунок 9 - Осциллограммы напряжения на накопительном конденсаторе и разрядного

тока в цепи осциллятора

На рис. 10а приведены полученные в результате обработки экспериментальных данных зависимости 1т = С), Ги = С). На рис. 106 представлены соответствующие зависимости, полученные в результате теоретических исследований аналитической имитационной компьютерной модели при тех же значениях емкости накопительного конденсатора осциллятора.

Сравнение показало, что расхождение между теоретическими и экспериментальными зависимостями не превышает 15%, что подтверждает адекватность разработанных моделей.

1200 800 400 0

г** --С 1=0,1 икФ — ■ ■ С1= 0,3 ыкФ -С 1=1 «сФ

ч

N

- ^

1.1,2

26,5 1.1,МКГН

1200 800 .400 0

--С1-0,1к«ф

N --- 7 Iе 0,5 мкФ

N

N

- -.

11,2 26,5 1.1,МКГн

МКС --С1=0.1мФ ---С 1=0.5»«® -С 1= 1 щф

--

/ у

/

— ^

11.2 26,5 1.1,МКГн

( И, МКС 200 т-160' 120 80 40' О

- СГ1=0,1Ы1Р»

- - С 1- 0.5 »Л

- С1- I «кф

5 11,2 26,5 1.1,МКГН

а) Эксперимент 6) Теория

Рисунок 10 - Зависимости 1т = О.'« С)

На рис. 11а показана характерная осциллограмма тока через серийную плазменную свечу, соответствующая времени гашения разряда при давлении Р = 2,33х105 Па в специальной камере газодинамической части стенда. На рис. 116 представлена соответствующая осциллограмма тока, полученная в результате исследований компьютерных моделей при тех же параметрах силовой цепи.

М. А

а) Эксперимент

б) Теория

Рисунок 11 - Осцишюграммы силового тока через плазменную свечу, соответствующие времени гашения разряда

Экспериментально полученная длительность гашения дуги и длительность гашения, определенная по результатам компьютерного моделирования при прочих равных параметрах отличаются более, чем на 30%; значительное расхождение между теоретическим и экспериментальным

результатами в данном случае является неизбежным, т.к. в ходе теоретических исследований вольт-амперная характеристика электрической дуги может быть представлена только в упрощенном виде с неполным учетом многих дестабилизирующих факторов.

Патент на полезную модель №99829

Рисунок 12 - Управляемая плазменная система зажигания

На основании результатов исследований разработана структурная схема управляемой ПСЗ, в которой осциллятор включается только при рассогласовании вольт-амперной характеристики дуги и внешней характеристики источника питания (рис.12), защищенная патентом на полезную модель.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Впервые разработан алгоритм определения режима работы осциллятора в составе плазменных систем зажигания на основе анализа времени гашения дугового разряда в напряженных условиях высотного запуска ГТД, позволяющий рассчитывать минимальную требуемую мощность осциллятора для обеспечения устойчивого дугообразования в свече.

2. Впервые разработан алгоритм определения предельно допустимой скорости плазмообразующего воздуха через плазменную свечу в зависимости от параметров силовой цепи, при которых обеспечивается устойчивое дугообразование, являющийся основой для расчета требуемых параметров плазменных систем зажигания.

3. Разработаны схемотехническая и аналитическая имитационная компьютерные модели, позволяющие исследовать электроразрядные процессы в силовой цепи и в осцилляторе и определять параметры плазменных систем зажигания постоянного тока на стадиях разработки и проектирования.

4. Получены количественные соотношения для основных параметров ионизирующих импульсов осциллятора, позволяющие оценивать разрядные характеристики при различных сочетаниях параметров разрядной цепи в ходе

разработок и проектирования. Установлено, что длительность ионизирующих импульсов осциллятора при прочих равных условиях превышает длительность разрядных процессов в емкостных системах зажигания аналогичных схем построения.

5. С участием автора разработаны и внедрены в ФГУП УАПО электротехнические узлы универсального экспериментального стенда по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания в условиях, имитирующих различные режимы запуска ГТД, включая режимы высотного запуска.

6. Результаты экспериментальных исследований закономерностей разрядных процессов в осцилляторе подтверждают адекватность разработанных компьютерных моделей. Расхождение не превышает 15%. Результаты теоретического определения времени гашения дуги в плазменной свече для выбора режима работы осциллятора подтверждены экспериментально с расхождением в 30 %, что объясняется сложностью выбора аппроксимирующего выражения для реальных вольт-амперных характеристик, на которые влияет множество трудноучитываемых факторов.

7. В результате исследования эффективности импульсно-плазменных систем зажигания подтверждена возможность использования известного для классических импульсных емкостных систем зажигания показателя воспламеняющей способности для оценки эффективности импульсно-плазменных систем зажигания.

8. Разработаны защищенные патентами схемы подключения осцилляторов, обеспечивающие повышение эффективности плазменных систем зажигания, разработана защищенная патентом структурная схема управляемой плазменной системы зажигания, разработан комбинированный измеритель динамических и статических пробивных напряжений плазменных свечей.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах В рецензируемом журнале из списка ВАК

1. К определению режима работы осциллятора в составе плазменной системы зажигания / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов // Вестник УГАТУ: Научный журнал Уфимского государственного авиационного технического университета. 2007. Т. 9, № 6 (24). С. 170-177.

Патенты на полезные модели

2. Комбинированная система зажигания. / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов, A.B. Лобанов // Патент на полезную модель 74667 Рос. Федерация. № 2008105265/22; заявл. 12.02.2008; опубл. 10.07.2008, Бюл. №19.

3. Плазменная система зажигания. / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов, В.А. Чигвинцев, И.Х. Байбурин, A.B. Лобанов // Патент на полезную модель 86251 Рос. Федерация. №. 2009116196/22 заявл. 28.04.2009 опубл. 27.08.2009, Бюл. №24.

4. Плазменная система зажигания. I Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов, В.А. Чигвинцев, И.Х. Байбурин, A.B. Лобанов // Патент на полезную модель 94640 Рос. Федерация. № 2010102469/22 заявл. 25.01.2010 опубл. 27.05.2010, Бюл. №15.

5. Плазменная система зажигания. / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов, A.B. Лобанов, З.Г. Габидуллина // Патент на полезную модель 99829 Рос. Федерация. № 2010127991/06 заявл. 06.07.2010 опубл. 27.11.2010, Бюл. №.33.

6. Оценка эффективности импульсно-плазменной системы зажигания / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. научн. сб. - Уфа: УГАТУ, 2008. С. 187-191.

7. Оценка эффективности импульсно-плазменной системы зажигания / P.M. Салихов // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 2 / Уфимск. гос. Авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2008. С. 35-36.

8. К анализу устойчивости электродуговых процессов в плазменных системах зажигания / Гизатуллин Ф.А., Салихов P.M. // Электроника, автоматика и измерительные системы: Межвуз. науч. сб. - Уфа: УГАТУ, 2009. С. 112-116.

9. Анализ схем построения осцилляторов в составе плазменных систем зажигания / P.M. Салихов, М.Ф. Сайгафаров // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция: / Уфимск. гос. Авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2009. С. 37-38.

10. Плазменная система зажигания / Р.М.Салихов, И.Х. Байбурин, М.Ф. Сайгафаров // Актуальные проблемы науки и техники: Сборник трудов 5-ой Всероссийской зимней школы - семинара аспирантов и молодых ученых т.2 17-20 февраля 2010г. С. 304-306.

11. Обоснование выбора и конструкция датчика для регистрации разрядных токов в цепях осцилляторов / P.M. Салихов, М.Ф. Сайгафаров // Актуальные проблемы науки и техники: Сборник трудов 5-ой Всероссийской зимней школы - семинара аспирантов и молодых ученых т.2 17-20 февраля 2010г. С. 104-106.

12. Перспективы развития систем зажигания авиационных двигателей / Гизатуллин Ф.А., Салихов P.M., Байбурин И.Х., Лобанов А.В.// Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. научн. сб. - Уфа: УГАТУ, 2010. С. 9-16.

13. Об измерении температуры плазменной дуги в свечах зажигания / И.Х. Байбурин, Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. научн. сб. - Уфа: УГАТУ, 2010. С. 214-216.

В других изданиях

Диссертант

Салихов P.M.

CAJMXOB Ренат Мунирович

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕННЫХ СИСТЕМАХ ЗАЖИГАНИЯ ГТД

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 30.03.2011. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офисная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,25. Усл. кр.- отт. 1,0. Уч. - изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 109.

ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа - центр, ул. К.Маркса, 12.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Анализ состояния проблемы и постановка научно-технических задач.

1.1. Перспективы совершенствования систем зажигания ГТД.

1.1.1. Классификация и общая характеристика систем зажигания.

1.1.2. Перспективы развития емкостных систем зажигания.

1.1.3. Сравнительный анализ схем построения плазменных систем зажигания и перспективы их развития.

1.2. Устойчивость электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания.

1.3 Подходы к моделированию электроразрядных процессов в системах зажигания.

1.4 Схемы построения осцилляторов в составе плазменных систем зажигания.

1.5 Выводы по результатам проведенного анализа и постановка научно-технических задач.

ГЛАВА 2 Моделирование электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания.

2.1 Моделирование режима работы осциллятора с учетом времени гашения дугового разряда в свече.

2.2 Разработка компьютерной схемотехнической модели плазменной системы зажигания.

2.3. Устойчивость электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания с учетом параметров среды в зоне свечи.

2.4 Разработка аналитической имитационной модели плазменной системы зажигания.

2.4 Оценка эффективности импульсно-плазменной системы зажигания.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3 Исследование процессов в плазменных системах зажигания на основе разработанных моделей.

3.1 Результаты исследования компьютерной схемотехнической модели плазменной системы зажигания.

3.2 Результаты исследования компьютерной аналитической имитационной модели плазменной системы зажигания.

3.3 Разработка новых схем подключения осцилляторов.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4 физическое моделирование и исследование процессов в плазменной системе зажигания постоянного тока.

4.1. Разработка экспериментального стенда с имитацией параметров среды при различных режимах запуска ГТД.

4.1.1 Возможные задачи исследований с использованием. экспериментального стенда.

4.1.2 Состав макета плазменной системы зажигания постоянного тока.

4.1.3 Разработка комбинированного измерителя динамических и статических пробивных напряжений плазменных свечей зажигания.

4.3 Методика экспериментальных исследований. и полученные результаты.

4.4 Управляемая плазменная система зажигания.

Выводы по четвёртой главе.

Актуальность темы диссертационного исследования.

Электрические системы зажигания являются одной из наиболее ответственных частей комплекса электрооборудования двигателей летательных аппаратов. В камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей и газотурбинных установок используется вынужденное воспламенение топливовоздушной смеси. Для воспламенения и поддержания самораспостраняющегося процесса горения необходимо определенное количество энергии, которое зависит от таких факторов, как химический состав топливовоздушной смеси, давление, температура, равномерность распределения смеси по объему камеры сгорания, турбулентность потока.

Значительный рост скоростей и высот полета, увеличение мощности двигателей приводят к усложнению функций, выполняемых летательными аппаратами и ужесточению требований, предъявляемых к силовым установкам, что вызывает необходимость совершенствования электрических систем зажигания и поиска новых решений, направленных на повышение их эффективности.

Вопросы повышения эффективности авиационных систем зажигания освещены во многих работах отечественных и зарубежных авторов. Среди них следует особо выделить труды И.М. Синдеева, В.А. Балагурова, В.П. Ураева, Р.Ш. Вахитова, Ф.А. Гизатуллина, В.Н. Гладченко, Л.И. Алимбекова, O.A. Попова, A.B. Краснова, А.Н. Мурысева, В.Д. Опескина, А. Лефевра, Дж.Р. Фруса, К.К. Света, В.М. Куляпина, В.Х. Абдрахманова, И.Х Байбурина, К.В. Зиновьева, З.Г. Габидуллиной, A.B. Лобанова и др.

В настоящее время широкое распространение получили системы электрического зажигания, которые по принципу действия и виду разряда можно классифицировать следующим образом: искровые (индуктивные, емкостные и т.д.), плазменные, лазерные и другие.

Наряду с совершенствованием емкостных систем зажигания, в последнее время ведутся разработки плазменных систем, предполагающих использование специальных мощных источников питания. Плазменные системы зажигания 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 [27].

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 свече 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 и устойчивое горение дугового разряда.

Принцип действия плазменной системы зажигания заключается в использовании электродугового разряда для разогрева рабочего тела (воздуха) до температур порядка 3000-4000 С0. Низкотемпературная плазма является мощным инициирующим фактором, который позволяет значительно ускорить протекание физико-химических процессов воспламенения и горения топливо-воздушной смеси. Помимо теплового воздействия, плазменный факел ускоряет реакции окисления за счет инициирования достаточно большого количества активных центров — заряженных частиц, атомов, радикалов [91].

Разработкой плазменных систем зажигания занимаются ФГУП УIII111 «Молния», ФГУП УАПО, ООО «Лаборатория энергосистем». Основное направление работ сосредоточено на создание систем зажигания для воспламенения топливовоздушной смеси воздушно-реактивных двигателей пятого поколения. Совместно с «НТЦ Люльки А.» (г. Москва) и «НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) проводятся работы по испытанию плазменной системы на натурной камере сгорания.

Предполагается, что использование подобной системы позволит полностью отказаться от кислородного запуска на высотах от 6000 до 12000 м., что обеспечит более высокие тактико—технические характеристики авиационных систем и упростит техническое обслуживание двигателя. Проведенные испытания показали устойчивый розжиг камеры сгорания на высотах до 8500 м в широком диапазоне скоростей набегающего воздушного потока [87].

За последние годы достигнут значительный прогресс в области создания нового поколения агрегатов зажигания и свечей. Масса агрегатов-зажигания снижена в среднем в 1,5 раза при увеличении вдвое минимальной выходной энергии, вчетверо повышена стабильность выходных параметров, более чем в 2 раза повышен технический ресурс агрегатов.

Новые технические решения уже внедрены в агрегатах зажигания двигателей семейств ПС-90, Д30/ГВ7-117, РД 1700 и др.

Для двигателей самолетов семейства Су-30 разработана и поставляется система зажигания с ресурсом работы свечей в 3 раза большим, чем у Су-27. В целях повышения ресурсов работы свечей зажигания в 2 - 4 раза, снижения стоимости жизненного цикла проводится модернизация серийных агрегатов зажигания, что позволяет применять их на новых типах двигателей.

Двигатели АЛ-31СТ оснащаются системами зажигания плазменного типа, обеспечивающие генерацию непрерывной плазменной струи [89].

Одиннадцатый международный салон "Двигатели 2010" и научно-технический конгресс по двигателестроению НТКД-2010 прошли на ВВЦ с 14 по 17 апреля 2010 г. Организатором салона выступила международная ассоциация "Союз авиационного двигателестроения". На стенде корпорации "Ростехнологии" была представлена продукция двух уфимских предприятий. ФГУП "Уфимское агрегатное производственное объединение" (УАЛО) демонстрировало, в том числе импульсно-плазменные системы зажигания авиационных ГТД и емкостные системы зажигания повышенной энергии, генераторы, электродвигатели и агрегаты авиационной автоматики. Федеральное государственное унитарное предприятие "Уфимское научно-производственное предприятие "Молния" рекламировало свои системы зажигания и электронную аппаратуру управления авиационных ГТД. Сегодня предприятие ведет разработку нового поколения электронной аппаратуры для самолетов Як-130, Ан-148, Бе-200 и Ан-70 [44]. ФГУП "УНПП "Молния", являясь разработчиком электрических систем зажигания авиационных ГТД и космических ЖРД, выступает на рынке и как серийный производитель агрегатов и свечей зажигания для двигателей самолетов Ильюшина, Микояна, Сухого, Туполева, Антонова, модификаций Су-30, вертолетов Ка-62, ряда беспилотных летательных аппаратов, наземных ГТУ [3].

Запуск авиационных двигателей обеспечивают несколько систем, в том числе система воспламенения. Эффективность системы воспламенения может быть оценена пусковой характеристикой воспламенителя или камеры сгорания. Пусковые характеристики определяются множеством факторов, среди которых наиболее значимыми являются средние параметры воздуха на входе в камеру сгорания, физико-химические свойства топлива, состав топливовоздушной смеси, конструктивные параметры камеры сгорания, а также характеристики систем зажигания - параметры электроразрядных процессов в свечах зажигания. При заданных составе и свойствах смеси эффективность системы воспламенения определяется в конечном счете эффективностью применяемой системы зажигания, взаимосогласованностью параметров плазменной струи в свечах с предельными характеристиками потока смеси, при которых должно происходить воспламенение для обеспечения надежного запуска двигателя.

Плазменные системы зажигания в настоящее время считаются перспективными, однако целый ряд вопросов, связанных с эффективностью их применения, остается открытым. К их числу относятся следующие:

1. Устойчивость электроразрядных процессов в силовых цепях в условиях высотного запуска ГТД в полной мере не изучена. Для решения этой задачи, в том числе, необходима разработка специального стенда, имитирующего условия образования дугового разряда в свечах в зависимости от режима запуска двигателей ГТД. Также в известной научно-технической литературе не представлены сведения по исследованию влияния параметров разрядных цепей осцилляторов на устойчивость дугообразования в свечах.

2. Несмотря на широкие возможности современных информационных технологий, при исследовании процессов в плазменных системах зажигания компьютерные модели в полной мере не используются.

Таким образом, проведение исследований, направленных на анализ устойчивости электроразрядных процессов в плазменных свечах, разработку плазменных систем зажигания на основе неиспользуемых возможностей повышения их эффективности, внедрение информационных технологий в процесс разработки, создание экспериментальной установки по исследованию устойчивости дугообразования в плазменных системах зажигания с имитацией различных режимов запуска ГТД, в настоящее время является актуальным.

В соответствии с обозначенной проблематикой формулируются цель и задачи настоящей работы.

Цель работы: Исследование закономерностей электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания постоянного тока, развитие теоретических основ проектирования систем зажигания.

Задачами диссертации являются:

1. Разработка алгоритма определения режима работы осциллятора в составе плазменных систем зажигания в напряженных условиях высотного запуска ГТД.

2. Разработка алгоритма определения предельно допустимой скорости плазмообразующего воздуха через плазменную свечу в зависимости от параметров силовой цепи, при которых обеспечивается устойчивость электроразрядных процессов.

3. Моделирование электроразрядных процессов в плазменной системе зажигания, в том числе, с учетом газодинамических параметров в камерах сгорания ГТД.

4. Разработка стенда по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания, экспериментальное подтверждение разработанных моделей.

5. Разработка схемотехнических решений плазменных систем зажигания повышенной эффективности.

Методы исследований. При выполнении работы для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, компьютерного моделирования, осциллографический метод экспериментальных исследований. Моделирование на ЭВМ производилось в программной среде МайаЬ 6.5, с использованием библиотеки БтиНпк и 8ипРо\уег8у81егп8.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм определения режима работы осциллятора в составе плазменных систем зажигания в напряженных условиях высотного запуска ГТД, способствующих гашению дугового разряда в плазменной свече.

2. Алгоритм определения предельно допустимой скорости плазмообразующего воздуха через плазменную свечу в зависимости от параметров силовой цепи, при которых обеспечивается устойчивость электроразрядных процессов.

3. Компьютерные модели плазменной системы зажигания постоянного тока.

4. Результаты разработки экспериментального стенда по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания постоянного тока в зависимости от различных режимов запуска ГТД.

5. Результаты разработки новых схемотехнических решений плазменных систем зажигания, а также комбинированного измерителя динамических и статических пробивных напряжений плазменных свечей.

Научная новизна и достоверность результатов:

1. Впервые разработан алгоритм определения режима работы осциллятора в составе плазменных систем зажигания на основе анализа времени гашения дугового разряда в напряженных условиях высотного запуска ГТД.

2. Впервые разработан алгоритм определения предельно допустимой скорости плазмообразующего воздуха через плазменную свечу, являющийся основой для расчета требуемых параметров плазменных систем зажигания.

3. В разработанной имитационной компьютерной модели плазменной системы зажигания постоянного тока учтены не только электрические процессы, но и газодинамические параметры, определяющие работоспособность плазменной системы зажигания.

4. Достоверность результатов исследований подтверждена экспериментально на разработанном с участием автора стенде по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания с имитацией различных режимов запуска авиационного ГТД.

5. Разработанные схемотехнические решения, являющиеся основой для разработки новых высокоэффективных плазменных систем зажигания, защищены патентами на полезные модели (№. 74667, №86251, №94640, №99829).

Практическая ценность и внедрение результатов.

1. Результаты работы позволяют в первом приближении решать практические задачи исследования, расчета и проектирования плазменных систем зажигания с учетом параметров, характеризующих различные режимы запуска ГТД.

2. Предложенные схемотехнические решения, защищенные патентами, являются основой для разработки новых высокоэффективных плазменных систем зажигания.

3. Разработанные с участием автора электротехнические узлы экспериментального стенда по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания с имитацией различных режимов высотного запуска ГТД внедрены в ФГУП УАПО.

4. Результаты исследований внедрены в учебный процесс в УГАТУ для студентов специальности 140609 "Электрооборудование летательных аппаратов".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на следующих научно-технических конференциях всероссийского уровня:

• Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция. Уфа, 2008

• Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция. Уфа, 2009

• Актуальные проблемы науки и техники. Уфа, 2010.

• Актуальные проблемы науки и техники. Уфа, 2010.

Публикации по теме диссертации. Список публикаций автора по теме диссертации включает 13 научных трудов, в том числе 1 статья в рецензируемом научном журнале из списка ВАК (8 е.); 4 патента на полезные модели; 4 статьи в сборниках научных трудов (21 е.); 4 публикации в трудах конференций всероссийского уровня (10 е.), из них одна публикация выполнена без соавторов (2 е.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Общий объем составляет 142 страницы, 59 рисунков, 3 таблицы. Список литературы включает 109 наименований и занимает 11 страниц.

Основные результаты исследования по теме диссертации опубликованы в работах [12,36-39,82-85,92-95,109].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решены задачи, направленные на исследование закономерностей электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания постоянного тока, развитие теоретических основ проектирования систем зажигания. По результатам исследований получены следующие результаты и выводы:

1. Впервые разработан алгоритм определения режима работы осциллятора в составе плазменных систем зажигания на основе анализа времени гашения дугового разряда в напряженных условиях высотного запуска ГТД, позволяющий рассчитывать минимальную требуемую мощность осциллятора для обеспечения устойчивого дугообразования в свече.

2. Впервые разработан алгоритм определения предельно допустимой скорости плазмообразующего воздуха через плазменную свечу в зависимости от параметров силовой цепи, при которых обеспечивается устойчивое дугообразование, являющийся основой для расчета требуемых параметров плазменных систем зажигания.

3. Разработаны схемотехническая и аналитическая имитационная компьютерные модели, позволяющие исследовать электроразрядные процессы в силовой цепи и в осцилляторе и определять параметры плазменных систем зажигания постоянного тока на стадиях разработки и проектирования.

4. Получены количественные соотношения для основных параметров ионизирующих импульсов осциллятора, позволяющие оценивать разрядные характеристики при различных сочетаниях параметров разрядной цепи в ходе разработок и проектирования. Установлено, что длительность ионизирующих импульсов осциллятора при прочих равных условиях превышает длительность разрядных процессов в емкостных системах зажигания аналогичных схем построения.

5. С участием автора разработаны и внедрены в ФГУП УАПО электротехнические узлы универсального экспериментального стенда по исследованию устойчивости электроразрядных процессов в плазменных системах зажигания в условиях, имитирующих различные режимы запуска ГТД, включая режимы высотного запуска.

6. Результаты экспериментальных исследований закономерностей разрядных процессов в осцилляторе подтверждают адекватность разработанных компьютерных моделей. Расхождение не превышает 15%. Результаты теоретического определения времени гашения дуги в плазменной свече для выбора режима работы осциллятора подтверждены экспериментально с расхождением в 30 %, что объясняется сложностью выбора аппроксимирующего выражения для реальных вольт-амперных характеристик, на которые влияет множество трудноучитываемых факторов.

7. В результате исследования эффективности импульсно-плазменных систем зажигания подтверждена возможность использования известного для классических импульсных емкостных систем зажигания показателя воспламеняющей способности для оценки эффективности импульсно-плазменных систем зажигания.

8. Разработаны защищенные патентами схемы подключения осцилляторов, обеспечивающие повышение эффективности плазменных систем зажигания, разработана защищенная патентом структурная схема управляемой плазменной системы зажигания, разработан комбинированный измеритель динамических и статических пробивных напряжений плазменных свечей.

1. Абдрахманов В.Х. Диагностика систем зажигания авиационных двигателей. / Дисс. канд. техн. наук: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа, 2002. - 135 с.

2. Абросов A.B., Гизатуллин Ф.А. Разрядные процессы в емкостных системах зажигания апериодического разряда // Управление в сложных системах: Межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2001.

3. Агрегаты зажигания газотурбинных двигателей Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.molniya-ufa.rU/prod.html# 11

4. Алимбеков Л.И. Устройства зажигания газотурбинных двигателей и измерительные преобразователи энергии искровых разрядов. / Дисс. канд. техн. наук: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 1998. - 120 с.

5. Антонюк Д. Особенности горения дуги и требования к источникам. Электронный ресурс. http://www.zntu.edu.ua/base/i2/iff/k3/ukr/welding/books/source/061 .htm

6. Ануфриев И.Е. Самоучитель MATLAB 5.3/б.х. СПб.: БВХ -Петербург, 2002. - 736 с.

7. A.c. 1547457 СССР. Емкостная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, В.В. Балавнев, В.И. Зайцев, Л.И. Алимбеков, Ю.Н. Прохорчев // БИ, 1990, № 8.

8. A.c. 1679828 СССР. Емкостная система зажигания / Ф.А.Гизатуллин, И.А. Великжанин, В.Н. Зайцев, А.П. Муратов // БИ, 1989, № 8.

9. A.c. 2106518 СССР. Конденсаторная система зажигания для газотурбинных двигателей / В.Н. Гладченко, A.B. Краснов, Н.Е. Нелюбин, И.Г. Низамов, Ю.Д. Курдачев, В.Б. Рябашев, В.В. Черныш // БИ, 1998, №7.

10. Байбурин И.Х. Разрядные процессы в емкостных системах зажигания газотурбинных двигателей. / Дисс. канд. техн. наук: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 2004. — 143 с.

11. Байбурин И.Х. О классификации и проблемах проектирования систем зажигания. // Электротехнические комплексы и системы: межвуз. науч. сб. Уфа, 2009. - С. 183-187.

12. Байбурин И.Х., Гизатуллин Ф.А., Салихов P.M. Об измерении температуры плазменной дуги в свечах зажигания. // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. научн. сб. Уфа: УГАТУ, 2010. - С. 214-216.

13. Балагуров В.А. Аппараты зажигания. — М.: Машиностроение, 1968. -352 с.

14. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. — М.: Высшая школа,1973. — 750 с.

15. Буль Б.К. Основы теории электрических аппаратов / Под ред. Г.В. Буткевича. Учеб. пособие: Для вузов М. Высшая школа., 1970 - 600 с.

16. Валиуллина З.Г., Гизатуллин Ф.А. Моделирование разрядных процессов в емкостных системах зажигания колебательного разряда // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. научн. сб. Уфа: УГАТУ, 2008. - С. 23-26.

17. Вахитов Р.Ш. Об искровой стадии разряда по поверхности полупроводника в свече емкостной системы зажигания / Сб. научн. тр. // Уфимск. авиац. ин-т. Уфа, 1974. Вып. 67.

18. Вахитов Р.Ш., Гизатуллин Ф.А. Разрядные процессы в системе зажигания с полупроводниковой свечой при запуске ГТД // Электроника и автоматика: Межвуз. науч. сб. Уфа: УАИ, 1976. Вып.1. - С. 88 - 94.

19. Вахитов Р.Ш., Гизатуллин Ф.А., Комиссаров Г.В. Разрядные процессы в системе зажигания с полупроводниковой свечой при запуске ГТД: Авиационная промышленность. 1979. № 9. — С. 24 — 25.

20. Верлань Л.Ф., Евдокимов В.Ф. Электронное моделирование передаточных функций. Киев, "Техшка", 1971. — 231 с.

21. Витенберг И.М. Программирование аналоговых вычислительных машин: М., "Машиностроение", 1972. — 407 с.

22. Габидуллина З.Г. Исследование разрядных процессов в емкостных системах зажигания / Дисс. канд. техн. наук: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. -Уфа, 2009.- 128 с.

23. Гецкин О.Б., Кудров И.В., Яров В.М. Особенности работы сварочных инверторов от автономных источников электропитания. Электронный ресурс., http ://tehnotron.ru/literature

24. Гизатуллин Ф.А. Влияние индуктивности на энергораспределение в разрядном контуре емкостной системы зажигания // Электроника и автоматика: Межвуз. науч. сб. Уфа / УАИ, 1976. Вып. 1. - С. 84 - 87.

25. Гизатуллин Ф.А. Емкостные системы зажигания / Ф.А. Гизатуллин / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2002. - 249 с.

26. Гизатуллин Ф.А. Контроль эффективности систем зажигания газотурбинных двигателей // Вестник УГАТУ. 2000. - № 2. - С. 121.

27. Гизатуллин Ф.А. Критерий воспламеняющей способности искровых разрядов в свечах емкостных систем зажигания // РЖ Авиационные и ракетные двигатели. 1992. № 9.

28. Гизатуллин Ф.А. К теории искрового воспламенения топливовоздушных смесей // Авиационная промышленность. — 2000. № 1. — с. 56-60.

29. Гизатуллин Ф.А. Методика проектирования емкостных систем зажигания: Учебное пособие / Уфимск. авиац. ин-т. Уфа: УАИ, 1992. - 59 с.

30. Гизатуллин Ф.А. Методы повышения эффективности систем воспламенения топливовоздушных смесей в газотурбинных двигателях: Дисс. докт. техн. наук / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 1994. — 340 с.

31. Гизатуллин Ф.А., Абдрахманов В.Х. Оптимизация параметров емкостных системах зажигания ГТД по критериям воспламеняющей способности // Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2002: Материалы Всероссийской НТК. Пермь: ПГТУ, 2002. - С. 79.

32. Гизатуллин Ф.А., Зиновьев К.В. К вопросу оптимизации параметров емкостной системы зажигания ГТД в режиме генерирования серий разрядных импульсов с высокой частотой следования // Вестник УГАТУ, 2007, Т. 9, № 6 (24), С. 178-186.

33. Гизатуллин Ф.А., Салихов P.M. Оценка эффективности импульсно-плазменной системы зажигания. // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. научн. сб. Уфа: УГАТУ, 2008.-С. 187-191.

34. Гизатуллин Ф.А., Салихов P.M. К анализу устойчивости электродуговых процессов в плазменных системах зажигания. // Электроника, автоматика и измерительные системы: Межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2009. -С. 112-191.

35. Гизатуллин Ф.А., Ccuiuxoe P.M. К определению режима работы осциллятора в составе плазменной системы зажигания // Вестник УГАТУ, 2007, Т. 9, № 6 (24), С. 170-177.

36. Гизатуллин Ф.А., Салихов P.M., Байбурин И.Х., Лобанов A.B. Перспективы развития систем зажигания авиационных двигателей. // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. научн. сб. Уфа: УГАТУ, 2010. - С. 9-16.

37. Гизатуллин Ф.А. Худяев ВН. Моделирование и исследование процессов в плазменной системе зажигания // Вестник УГАТУ, 2007, Т. 9, № 6 (24), С. 170-177.

38. Гулътяев А.К. Визуальное моделирование в среде MATLAB: Учебный курс — СПб.: Питер, 2000. — 432 с.

39. Гулътяев А.К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. — СПб.: КОРОНА принт. — 1999. — 288 с.

40. Даутов Г.Ю., Дзюба В.Л., Карп H.H. Плазмотроны со стабилизированными электрическими дугами. Киев: Наукова думка, 1987.

41. Двигатели 2010: подводя итоги Электронный ресурс. - Режим доступа: http://vpk.name/news/38961 dvigateli 2010 podvodva itogi.html

42. Дьяконов В.П. Simulink 4. Специальный справочник / В. Дьяконов. СПб: Питер, 2002. - 528 с.

43. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6® в математике и моделировании / В.П. Дьяконов; Серия «Библиотека профессионала». М.: СОЛОН - Пресс, 2005. - 576 е.: ил.

44. Егоров В.М., Новиков О.Я. Некоторые задачи устойчивости горения электрической дуги // Теория электрической дуги в условиях вынужденного теплообмена. Новосибирск: Наука, 1977. — С. 163-173.

45. Зайцев В.Н. Измерительные преобразователи системы управления стендовыми испытаниями устройств зажигания ГТД. Дисс. канд. техн. наук / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 1996. - 130 с.

46. Зиновьев K.B. Исследование динамических характеристик емкостных систем зажигания ГТД в высокочастотном режиме генерирования разрядных импульсов / Дисс. канд. техн. наук: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. -Уфа, 2008.-146 с.

47. Гизатуллин Ф.А., Зиновьев КВ. К вопросу оптимизации параметров емкостной системы зажигания ГТД в режиме генерирования серий разрядных импульсов с высокой частотой следования // Вестник УГАТУ, 2007, Т. 9, № 6 (24), С. 178-186.

48. Инфракрасные пирометры компании Raytek Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.tesis.com.ru/equip/nmk/raytek.

49. Коган Б.Я. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования. М.: Физматгиз, 1963. - 510 с.

50. Корн Г., Корн Т. Электронные аналоговые и аналого-цифровые вычислительные машины. М.: Мир, 1967, т. 1, 462 е.; 1968, т. 2. — 311 с.

51. Куляпин В.М. Теоретические основы проектирования электрических систем зажигания. Уфа: Изд-во УАИ, 1985. - 92 с.

52. Куляпин В.М. Электроразрядные устройства систем управления космических аппаратов (Развитие теории, исследование режимов работы. Разработка). Дисс. докт. техн. наук / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 2002. - 299 с.

53. Куляпин В.М., Старцева O.A. Взаимосвязанные процессы в электрических разрядах. Уфа: УАИ, 1989. - 51 с.

54. Левин Л. Методы решения технических задач с использованием аналоговых вычислительных машин. М.: Мир, 1966. — 415 с.

55. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986.566 с.

56. Лобанов A.B. Двухканальная емкостная система зажигания повышенной эффективности // Наука. Технологии. Инновации: Материалы НТК: Новосибирск: НГТУ, 2006. - С. 95-97.

57. Лобанов A.B. Импульсно-плазменные системы зажигания авиационных двигателей. Дисс. канд. техн. наук / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т.-Уфа, 2009.- 129 с.

58. Лобанов A.B. Методы моделирования процессов в системах зажигания // Электротехнические комплексы и системы: межвуз. науч. сб. -Уфа, 2009.-С. 183-187.

59. Лобанов A.B. Схемотехническая модель комбинированной системы зажигания // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. научн. сб. Уфа: УГАТУ, 2007. - С. 197-201.

60. Лобанов A.B., Гизатуллин Ф.А. Перспективы совершенствования плазменных систем зажигания // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. науч. сб. Уфа, 2006. - С. 248-253.

61. Натан A.A., Смушкович В.М. Физика разрядных процессов и основные характеристики низковольтной системы зажигания с полупроводниковой запальной свечой: Труды / Центр, ин-т моторостроения. -М., 1957. №317.-23 с.

62. Нейман Л.Р., Демирчян КС. Теоретические основы электротехники. М. - Л.: Энергия, 1981, т.1. — 522 с.

63. Онищик И. И., Христофоров И. Л. Организация рабочего процесса и выбор параметров камер сгорания TP Д. М.: МЭИ. 1982.

64. Патент №922471США, МКИ F02C 7/264 20060101 F02C007/264 / Dual ignition system for a gas turbine engine / Mehrer; Michael E. August 20, 2004

65. Патент Ns5 367 871 США, МКИ H05B 039/03; F026G 003/00; F02C007/ Aircraft engine ignition system / John C. Scott November 29, 1994

66. Патент № 5 561 350 США, МКИ H05B 039/03; F026G 003/00; F02C007 / Ignition System for a turbine engine / John R. Frus, Frederic B. Sontag, 1996.

67. Патент № 5 587 630 США, МКИ H05B 039/03; F026G 003/00; F02C 007 / Continuous plasma ignition system / Кевин А. Дули, 1996.

68. Патент № 20070200352 США, Application Number: 11/706967 / Ignition system for a gas turbine engine / Arguello, Gustavo 08/30/2007

69. Патент 5F 02 C7/266 Франция от 19.12.1990г. Генератор зажигания для газовых турбин.

70. Патент на полезную модель № 32204. Емкостная система зажигания апериодического разряда / Ф.А. Гизатуллин, К.В. Зиновьев. Опубл. 10.09.2003. Бюл. №25.

71. Патент на полезную модель № 55435. Емкостная система зажигания апериодического разряда / Ф.А. Гизатуллин, З.Г. Валиуллина (Габидуллина); опубл. 10.08.2006, Бюл. № 22

72. Патент на полезную модель N259159. Комбинированная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, А.В. Лобанов; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34.

73. Патент на полезную модель № 59160. Система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, А.В. Лобанов; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34.

74. Патент на полезную модель № 60640. Емкостная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, З.Г. Валиуллина; опубл. 27.01.2007, Бюл. № 3.

75. Патент на полезную модель № 62664. Комбинированная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, А.В. Лобанов, Ш.Б. Нурыев; опубл. 27.04.2007, Бюл. № 12.

76. Патент на полезную модель № 64295. Емкостная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, М.Н. Андреев; опубл. 27.06,2007, Бюл. № 18.

77. Патент на полезную модель № 74667. Комбинированная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов, A.B. Лобанов; № 2008105265/22; заявл. 12.02.2008; опубл. 10.07.2008, Бюл. №19.

78. Патент на полезную модель № 75433. Комбинированная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов, A.B. Лобанов; опубл. 10.08.2008, Бюл. №22.

79. Патент на полезную модель № 86251. Плазменная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов, A.B. Лобанов, В.А. Чигвинцев, И.Х. Байбурин; №. 2009116196/22 заявл. 28.04.2009 опубл. 27.08.2009, Бюл. №24.

80. Патент на полезную модель № 94640. Плазменная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов, A.B. Лобанов, В.А. Чигвинцев, И.Х. Байбурин; № 2010102469/22 заявл. 25.01.2010 опубл. 27.05.2010, Бюл. №15.

81. Пирометры — приборы для измерения температуры по инфракрасному излучению бесконтактным методом. Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.diagnost.ni/part6.html#M77 и М78

82. Плазменные и дуговые системы зажигания ГТД Электронный ресурс. Режим доступа: http://power-lab.info/gtd.php

83. Прохоров В.А. Исследование рабочего процесса в емкостных системах зажигания с полупроводниковыми свечами зажигания и разработка методов их контроля: Дисс. канд. техн. наук / Моск. энерг. ин-т. М., 1974. -187 с.

84. Распопов Е., Краснов A.B., Юсупов Р. Агрегаты для двигателей от "Молнии" оптимальное решение Электронный ресурс. - Режим доступа: http://engine.aviaport.ru/issues/28/pagel8.html

85. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учеб. руководство: Для вузов 2 е изд, перераб. и доп. - М. Наука. Гл. ред. физ. мат. лит., 1992 - 536 с.

86. Романовский Г.Ф., Матвеев И.Б., Сербии С.И. Плазменные системы газоперекачивающих агрегатов. СПб.: Недра, 1992. - 142 е.: ил.

87. Салихов P.M. Оценка эффективности импульсно-плазменной системы зажигания. Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 2 / Уфимск. гос. Авиац. техн. ун-т. -Уфа: УГАТУ, 2008. С. 35-36

88. Салихов P.M., Сайгафаров М.Ф. Анализ схем построения осцилляторов в составе плазменных систем зажигания. Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция: / Уфимск. гос. Авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2009. - С. 37-38.

89. Салихов P.M., Байбурин И.Х., Сайгафаров М.Ф. Плазменная система зажигания // Актуальные проблемы науки и техники: Сборник трудов 5-ой Всероссийской зимней школы семинара аспирантов и молодых ученых т.2 17-20 февраля 2010г. - С. 304-306.

90. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов — 3-е юд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2001. — 343 с: ил.

91. Синдеев И.М. Электрооборудование летательных аппаратов. М.: Изд-во ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1972. 442 с.

92. ТаевИ.С. Электрические аппараты. Общая теория. М.: Энергия, mi.-212 с.

93. Таев КС., Буль Б.К., Годжелло А.Г. и др. Основы теории электрических аппаратов: Учеб. для вузов по специальности «Электрические аппараты»; Под ред. И.С. Таева. — М.: Высш. шк., 1987. — 352 с: ил.

94. Тетелъбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для ABM. М.: Энергия, 1978. - 248 е., ил.

95. Тетельбаум И.М. Электрическое моделирование. М.: Физматгиз, 1959. —319 с.

96. Урмаев A.C. Основы моделирования на аналоговых вычислительных машинах. М.: Наука, 1974. — 320 с.

97. Фандрова Л.П. Полупроводниковые комплексы для индукционного нагрева (анализ и компьютерное моделирование). Дисс. канд. техн. наук, Уфа, 2003 г.

98. Формирование внешних характеристик специализированных источников питания плазмотронов / И.В. Волков, М.Н. Александров, В.Н. Губаревич и др. // Тез. докл. IX Всесоюз. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Фрунзе: Илим, 1983. - С. 418-419.

99. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. СПб.: Питер, 2008. - 288 с.

100. Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах/ под ред. С.А. Грузкова. Том 2. Элементы и системы электрооборудования. приемники электрической энергии. — М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - 552 с.

101. Ясько О.И. Электрическая дуга в плазмотроне / Под ред. Л.И. Киселевского — Минск : Наука и техника, 1977. — 150 с.

102. Р-26 Разрядник коммутационный неуправляемый. Паспорт ЩФ3.393.014 ПС

103. Патент на полезную модель № 99829. Плазменная система зажигания / Ф.А. Гизатуллин, P.M. Салихов, A.B. Лобанов, З.Г. Габидуллина; № 2010127991/06 заявл. 06.07.2010 опубл. 27.11.2010, Бюл. №.33.1. УТВЕРЖДАЮj) • 7 /