Жидкостные ракетные двигатели (стр. 33 из 36)

На рис.92 показана принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей с помощью высоковольтной искровой свечи. В состав этой системы входят источник питания, преобразователь напряжения и собственно свеча. При включении ключа зажигания 3 источник питания постоянного тока 2 через замкнутые с помощью пружины 7 подвижный 5 и неподвижный контакты 6 питает низковольтную обмотку преобразователя напряжения 4. Образовавшийся при этом магнитный поток замыкается через высоковольтную обмотку 10, которая по сравнению с обмоткой 4 имеет на три порядка больше витков. Образовавшийся от первичной обмотки магнитный поток проходит через якорь 8, как через магнитопровод. В результате якорь притягивается к сердечнику 9, расположенному между обмотками, и разрывает контакты 5 и 6 питания первичной обмотки. При этом магнитный поток резко падает, а вторичная обмотка 10, испытывая это изменение, генерирует импульс электрического тока с напряжением, пропорциональным соотношению обмоточных характеристик катушек 4 и 10. Этот импульс электрического тока с высоковольтной обмотки 10 подается на контакт центрального электрода 12 электрической свечи. Второй полюс обмотки соединен с корпусом свечи 13 (обычно через массу двигателя). Зазор между центральным электродом 16 и боковыми электродами 17 выбирается таким, чтобы был гарантирован искровой разряд (=1-2 мм). Для избежания пробоя между центральным электродом и корпусом свечи вне искрового промежутка центральный электрод защищен керамическим изолятором 15, а корпус — керамическим вкладышем 14.

При исчезновении магнитного потока пружина 7 замыкает контакты 5 я 6, с помощью которых включается питание обмотки 4, и все начинается сначала. Для гашения новообразования при срабатывании контактов 5 и 6 установлен конденсатор 1.

Для увеличения частоты автоколебаний сердечник 9, размещенный между обмотками 4 и 10, выполнен из трансформаторных пластин, что способствует в элементах системы преобразователя напряжений существенному снижению остаточного магнетизма. Параметры обмоточных характеристик катушек 4 и 10 подбираются так, что во вторичном контуре питания свечи реализуется напряжение, приблизительно равное 16000 — 20000 В. В каждом цикле автоколебаний в искровом промежутке свечи происходит электрический разряд, а за время включения контакта 3 реализуется серия электрических разрядов, мгновенная мощность которых способна воспламенить находящиеся в окрестностях электродов свечи компоненты топлива.

Рассмотренная электрическая система высоковольтной свечи имеет два существенных недостатка. Один из них связан с чрезмерно высоким напряжением, которое способствует самопроизвольному отеканию заряда в местах контакта проводника (на катушке 10 и центрального электрода 12 свечи). Особенно заметно самопроизвольное отекание электрического заряда в ионизированной и влажной атмосфере, при которой каждый импульс сопровождается коронным разрядом в контактных соединениях, а между электродами свечи мощность разряда настолько падает, что это может приводить к отказу зажигания топливной смеси. В местах касания проводника высокого напряжения массы двигателя возможен пробой его изоляции.

Второй существенный недостаток заключен в самой свече. При влажной атмосфере окружающей среды центральный и боковые электроды оказываются замкнутыми этой средой и искрообразование становится невозможным. При повторном запуске двигателя, использующего углеводородное горючее, в результате нагарообразования на части корпуса и керамическом изоляторе свечи (обращенных внутрь камеры двигателя или газогенератора) происходит частичное или полное шунтирование центрального и бокового электродов свечи по образовавшемуся нагару, которое вызывает ослабление мощности искрового разряда или полный отказ искрообразования. Несмотря на то, что в системе зажигания для частичной компенсации шунтирования нагаром электродов свечи предусмотрен резистор 11, повторные запуски двигателя, работающего на углеводородных горючих, затруднены (особенно в газогенераторах). Свеча высокого напряжения практически не пригодна для воспламенения топлив с окислителями на основе азотной кислоты, так как попадание окислителя на электроды свечи и особенно на керамический изолятор разрушают последние. Область целесообразного применения высоковольтных свечей вследствие недостатков, собственно касающихся свечей, определяется их применением лишь для воспламенения кислородно-водородных топлив.

Для устранения недостатков высоковольтной системы зажигания разработана и применяется в практике низковольтная свеча поверхностного нагрева.

Рис.93

Принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей с помощью низковольтной свечи поверхностного нагрева:

1 - искрогасящий конденсатор; 2 - источник питания постоянного тока; 3 - ключ зажигания; 4 -низковольтная обмотка преобразователя напряжения; 5 - подвижный контакт, 6 - неподвижный контакт, 7 - пружина якоря; 8 - якорь; 9 - сердечник; 10 - высоковольтная обмотка преобразователя напряжения; 11 - полупроводник; 12 - конденсатор-накопитель заряда; 13 - газоразрядное уст-ройство; 14 - контакт центрального электрода; 15 - центральный электрод; 16 - керамический изолятор; 17 - корпус свечи; 18 - пластинка двуокиси титана

На рис.93 приведена принципиальная схема системы зажигания горючих смесей с помощью свечи поверхностного нагрева. Принцип действия преобразователя напряжения в этой системе остался тем же, что и в рассмотренной выше. Для этой части системы на рис.93 сохранена та же нумерация составляющих эту часть элементов, что и на рис.92 (позиция с 1 по 10).

Существенная разница рассматриваемой системы по отношению к предыдущей начинается с того, что соотношение обмоточных характеристик катушек 4 и 10 преобразователя напряжения выполнено так, что напряжение высоковольтной катушки на порядок меньше, чем в предыдущей системе, и составляет примерно 1500 — 3000 В.

В цепи электрического питания свечи установлен полупроводник 11. конденсатор-накопитель заряда 12 (емкостью примерно 10 мкФ) и газоразрядное устройство 13, которое наполнено парами ртути либо инертным газом (неоном или аргоном). Если в предыдущей системе каждый импульс электрического тока с катушки 10 поступал на свечу, то в рассматриваемой системе этому препятствует газоразрядное устройство, которое может проводить ток только при достижении определенного напряжения (напряжения зажигания газоразрядника U_заж)- Выключение газоразрядного устройства происходит при несколько более низком напряжении, чем его зажигание (напряжении потухания газоразрядника U_nот). Функционально газоразрядник 13 в цепи питания свечи работает как двухпозиционный ключ, пропуская на центральный электрод свечи электрический ток в диапазоне напряжений U_заж>=U>=U_пот. Напряжение, подаваемое в высоковольтную сеть со стороны катушки 10, заведомо меньше напряжения Uзаж и при выключенном газоразряднике через полупроводник 11 питает конденсатор 12. В каждом цикле автоколебаний преобразователя напряжений конденсатор получает электрическую энергию и накапливает в себе электрический потенциал, так как его разряду, с одной стороны, препятствует полупроводник, а с друтой, — газоразрядник. Как только напряжение на

обкладках конденсатора становится равным напряжению U_заж, включается газоразрядное устройство и пропускает ток на свечу. С этого момента свечу питает конденсатор, на котором напряжение начинает падать. Как только оно становится равным напряжению U_пот, газоразрядное устройство перестает проводить ток и конденсатор снова заряжается и весь цикл повторяется сначала. На рис.94 этот процесс показан в виде зависимости напряжения на обкладках конденсатора U_конд времени.

Поскольку конденсатор в цепи активного электрического сопротивления обладает свойством инерционного звена, то нарастание и спад напряжения происходят во времени по экспоненциальной кривой. Из рис. видно, что после некоторого пускового периода в высоковольтной части системы устанавливаются собственные автоколебания напряжения. Их частота определяется соотношением напряжений срабатывания газоразрядника и емкостью конденсатора. В реально выполненных системах частота автоколебаний напряжения в высоковольтном контуре находится в диапазоне 100- 150Гц.

Низковольтная свеча поверхностного нагрева также имеет существенное отличие от высоковольтной искровой свечи, рассмотренной выше. В ее корпусе 17 размещен керамический изолятор 16, внутри которого находится центральный электрод 15. Рабочая часть свечи представляет собой коническую пластинку 18 шириной примерно 2—3 мм, через которую центральный электрод соединен с корпусом. Эта пластинка выполнена из двуокиси титана (ТiO₂).

Рис94

Процесс установления автоколебаний напряжения в высоковольтном контуре свечи поверхностного накаливания

Рис.95

Зависимость электрического сопротивления двуокиси титана от изменения температуры