Поиск путей повышения высотности запуска современных и перспективных газотурбинных двигателей на основе совершенствования систем зажигания.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00713

НазваниеПоиск путей повышения высотности запуска современных и перспективных газотурбинных двигателей на основе совершенствования систем зажигания.

Руководитель Гизатуллин Фарит Абдулганеевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» , Республика Башкортостан

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-301 - Электрофизика, электрофизические системы

Ключевые слова Системы зажигания газотурбинных двигателей, полупроводниковые свечи, параметры искровых разрядов, энергетическая эффективность, разрядные цепи.

Код ГРНТИ45.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Увеличение высот и скоростей полета современных и перспективных самолетов приводит к утяжелению условий высотных запусков ГТД. Проблема высотных запусков двигателей имеет много аспектов, в том числе обеспечение устойчивости искрообразования в свечах зажигания, обеспечение надежного воспламенения смеси в камерах сгорания, стабилизации пламени при изменении положения границы циркуляционной зоны в камерах сгорания с подъемом на высоту. Решение проблемы высотных запусков ГТД во многом определяется эффективностью применяемых систем зажигания. Современные системы зажигания, в том числе емкостные, плазменные имеют ограничения по высотности запуска двигателей и не удовлетворяют возрастающим требованиям, связанным с ужесточением условий запуска современных и перспективных двигателей. Для решения проблемы высотных запусков двигателей отечественные и зарубежные разработчики и производители систем зажигания идут по пути увеличения энергии и мощности искровых разрядов в свечах зажигания, увеличения мощности плазменных систем зажигания. Однако, такой путь повышения энергетической эффективности систем зажигания не дает ощутимых результатов, высотность запуска газотурбинных двигателей остается недостаточной даже при использовании кислородной подпитки для интенсификации процессов воспламенения топливовоздушных смесей. Научная новизна исследований состоит в следующем. Будут разработаны новые системы зажигания газотурбинных двигателей, для этого предлагается использовать новые подходы к организации разрядных процессов в свечах зажигания, новые принципы обеспечения повышенной энергетической эффективности и воспламеняющей способности, в том числе: • изменение соотношения между мощностью и длительностью искровых разрядов в полупроводниковых свечах в условиях постоянства накопленной энергии при использовании накопительных конденсаторов большой емкости и низким уровнем напряжения заряда. В этом случае система зажигания будет иметь апериодический разрядный процесс без использования полупроводниковых элементов в разрядной цепи, ограничивающих температурные режимы работы. При этом система зажигания будет обладать преимуществами искровых и плазменных систем; • объединение преимуществ колебательных и апериодических искровых разрядов в полупроводниковых свечах на основе создаваемых впервые систем зажигания пульсирующего разряда; • ступенчатое выделение энергии в полупроводниковых свечах на основе разделения разрядной цепи на несколько составляющих с управляемой последовательностью и длительностью искровых разрядов; • организация «пакетного» режима выделения энергии искровых разрядов в свечах, на основе принципа время-амплитудного сжатия, разделение разрядов на составляющие с изменяющимся соотношением между пиковой мощностью и длительностью в условиях постоянства энергии накопительного конденсатора; • определение параметров новых систем зажигания с учетом газодинамических процессов стабилизации пламени в камерах сгорания газотурбинных двигателей на различных режимах высотных запусков двигателей. Будут теоретически и экспериментально исследованы закономерности быстротекущих импульсных разрядных процессов в полупроводниковых свечах новых систем зажигания; будут выявлены закономерности разрядных процессов, планируется создание методологии проектирования новых систем зажигания с учетом условий наземных и высотных запусков авиационных двигателей; будут установлены зависимости энергетических параметров искровых разрядов в новых системах зажигания от параметров зарядно-разрядных цепей; методы повышения энергетической эффективности новых систем зажигания. Таким образом, в результате решения поставленных задач будут созданы научные и научно-технические основы создания новых и совершенствования существующих систем зажигания, обеспечивающих существенное увеличение высотности запусков современных и перспективных ГТД самолетов различного назначения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гизатуллин Ф.А., Салихов Р.М., Лобанов А.В. Modeling of discharge processes in a new type of pulsed plasma ignition systems with a controlled spark gap Journal of Theoretical and Applied Physics, Volume 17, Issue 3 July and August 2023 (год публикации - 2023)
10.57647/J.JTAP.2023.1703.26

2. Гизатуллин Ф.А., Габидуллина З.Г., Потапчук Н.К. Оценка параметров искровых разрядов и воспламеняющей способности емкостной системы зажигания с однополярными разрядными импульсами Прикладная физика, № 3, с.25-32 (год публикации - 2023)
10.51368/1996-0948-2023-3-25-32

3. Гизатуллин Ф.А., Юшкова О.А. Инструментарий для исследования некоторых аспектов надежности и ресурса работы полупроводниковых свечей зажигания Изв. вузов. Авиационная техника, № 2. С. 133-138 (год публикации - 2023)

4. Гизатуллин Ф.А., Юшкова О.А. Оценка надежности емкостных систем зажигания с частичным резервированием в нормальном и аварийном режимах Вестник машиностроения (год публикации - 2023)

5. Гизатуллин Ф.А., Габидуллина З.Г. Методы и средства оценки эффективности систем зажигания с полупроводниковыми свечами в составе авиационных двигателей Изв. вузов. Авиационная техника (год публикации - 2023)

6. Гизатуллин Ф.А., Габидуллина З.Г. Новые схемы подключения осцилляторов в составе плазменных систем зажигания газотурбинных двигателей Вестник машиностроения, Т. 102. № 11. С. 883—887. (год публикации - 2023)
10.36652/0042-4633-2023-102-11-883-887

7. Гизатуллин Ф.А., Габидуллина З.Г., Терегулов Т.Р. Способы повышения воспламеняющей способности емкостных систем зажигания в условиях высотных запусков авиационных двигателей Известия вузов. Авиационная техника. КНИТУ-КАИ, Казань. Перевод Russian Aeronautics, «Allerton Press». Springer., Изв. вузов. Авиационная техника. 2024. № 2. с. 104-110. (год публикации - 2024)
10.3103/S1068799824020132

8. Гизатуллин Ф.А., Габидуллина З.Г., Абдрахманов В.Х. Установка для оптической регистрации процессов образования искровых разрядов в полупроводниковых свечах и воспламенения горючих смесей в условиях испытательных стендов Электротехнические и информационные комплексы и системы. ФГБОУ ВО "Уфимский государственный нефтяной технический университет", Уфа, Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2024. № 3. Т. 20. С. 9-16. http:// dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2024-20-3-9-16. (год публикации - 2024)
10.17122/1999-5458-2024-20-3-9-16

9. Гизатуллин Ф.А., Габидуллина З.Г. Моделирование разрядных процессов в емкостной системе зажигания пульсирующего разряда Изв. вузов. Авиационная техника. КНИТУ-КАИ. Казань. (год публикации - 2024)

10. Гизатуллин Ф.А., Габидуллина З.Г. Эффективность емкостных систем зажигания, методы и средства оценки Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024.-162 с., Эффективность емкостных систем зажигания, методы и средства оценки: монография / Ф.А. Гизатуллин, З.Г. Габидуллина. — Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024.-162 с. ISBN 978-5-7477-5959-6 (год публикации - 2024)

11. Гизатуллин Ф.А., Юшкова О.А., Абросов А.В. Допусковый контроль воспламеняющей способности емкостных систем зажигания с полупроводниковыми свечами ИЗВЕСТИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ЭНЕРГЕТИКА Российская академия наук (Москва), Известия Российской академии наук. Энергетика. 2024. № 1. С. 54-62. (год публикации - 2024)
10.31857/S0002331024010071

12. Гизатуллин Ф.А., Лобанов А.В. Программный комплекс для теоретической оценки воспламеняющей способности емкостных систем зажигания «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления», Пермь. (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработаны математические и компьютерные модели разрядных процессов в новых системах зажигания – импульсно-плазменной, пульсирующего разряда и системы зажигания с последовательными разрядами. Получены зависимости во времени разрядных токов и напряжений, получены расчетные выражения для параметров искровых разрядов в полупроводниковых свечах – энергии, длительности разрядов, максимальных значений разрядных токов и критерия воспламеняющей способности разрядов в виде функции энергетических параметров для всех новых систем зажигания. На основе полученных результатов математического моделирования разработаны компьютерные аналитические модели всех новых систем зажигания. Модели воспроизводят временные зависимости для разрядных токов, напряжений в разряде и напряжения на накопительном конденсаторе. Полученные зависимости близки к реальным экспериментальным с погрешностями, не превышающими 5 – 7%. В рамках математического моделирования решена также задача разработки алгоритма расчетного определения параметров искровых разрядов на основании диагностирования двух напряжений на накопительном конденсаторе емкостной системы зажигания. Систематизированы также способы повышения воспламеняющей способности емкостных систем зажигания в условиях высотных запусков авиационных двигателей. Результаты моделирования изложены в статьях, направленных в редакции журналов: «Известия РАН. Энергетика», «Известия вузов. Авиационная техника», «Вестник машиностроения», «Journal of Theoretical and Applied Physics». По выявленным в результате моделирования дополнительным возможностям совершенствования емкостных систем зажигания поданы заявки на полезные модели, получено пять патентов. На основе полученных временных зависимостей для разрядных токов и напряжений выполнена теоретическая оценка энергетических параметров искровых разрядов в свечах: энергии разрядов, длительности разрядов, максимального значения разрядных токов; получено аппроксимирующее выражение, связывающее радиус начального ядра пламени, создаваемого искровым разрядом в свече, с величиной критерия воспламеняющей способности искровых разрядов и характеризующее протяженность плазменного выброса из разрядных камер полупроводниковых свечей различных конструктивных исполнений. Разработаны алгоритмы расчетного определения основных параметров разрядов в свечах. Разработана эскизная техническая документация на изготовленные макетные образцы новых систем зажигания ГТД, включающая для каждого из трех макетных образцов сборочный чертеж со спецификацией. Проведено уточнение параметров макетных образцов новых систем зажигания с учетом результатов моделирования и экспериментальных исследований. Проведены экспериментальные исследования разрядных процессов в макетных образцах новых систем зажигания. Для всех макетных образцов проведено осциллографирование разрядных токов в полупроводниковых свечах, разрядных напряжений в искровых разрядах, напряжений на накопительных конденсаторах при изменении параметров разрядных цепей. По осциллограммам токов и напряжений расчетным путем определены энергии искровых разрядов методом графического перемножения токов и напряжений с последующим графическим интегрированием построенных кривых мгновенных мощностей. Оценивалась также протяженность плазменных выбросов в свечах путем высокоскоростной фотосъемки искровых разрядов. По результатам исследований определены оптимальные значения параметров разрядных цепей, обеспечивающие максимальную энергетическую эффективность и воспламеняющую способность. Проведено также сравнение энергетической эффективности и воспламеняющей способности новых систем зажигания по сравнению с существующими емкостными системам зажигания колебательного и апериодического разряда. Разработана компьютерная программа, позволяющая по заданным параметрам разрядных цепей проектируемых систем зажигания расчетным путем определять геометрические размеры плазменного выброса из разрядных камер полупроводниковых свечей с использованием вольтамперных характеристик серийных свечей зажигания. К полученным основным научным результатам относятся: Выявлены зависимости разрядных токов и напряжений в новых системах зажигания от характеристик разрядных цепей: от уровня накопленной энергии, емкостей накопительных конденсаторов, индуктивностей, активных сопротивлений и напряжений заряда накопительных конденсаторов. На основе созданных моделей разработана методология определения энергетических параметров искровых разрядов в свечах: получены расчетные выражения для параметров разрядов – энергии, длительности, максимального значения разрядного тока; получены выражения для критериев воспламеняющей способности новых систем зажигания, позволяющие определять перечисленные параметры по заданным характеристикам разрядных цепей. Решена также задача разработки методики допускового контроля воспламеняющей способности емкостных систем зажигания. По результатам экспериментальных исследований новых систем зажигания определены оптимальные параметры разрядных цепей, обеспечивающие максимальную энергетическую эффективность и воспламеняющую способность искровых разрядов в полупроводниковых свечах, оцениваемую протяженностью плазменного выброса из разрядных камер свечей. По выявленным в результате исследований дополнительным возможностям совершенствования емкостных систем зажигания разработано пять новых схемотехнических решений, получено пять патентов на полезные модели. Установлено, что все три макетных образца систем зажигания превосходят или не уступают по воспламеняющей способности известным емкостным системам зажигания в условиях постоянства потребляемой мощности. Установлено, что воспламеняющая способность новой импульсно-плазменной системы зажигания существенно превосходит воспламеняющую способность системы зажигания пульсирующего разряда, системы зажигания с последовательными разрядами и классических систем зажигания колебательного и апериодического разряда. Протяженность плазменного выброса в импульсно-плазменной системе зажигания на 20-30 % выше по сравнению с другими системами зажигания в условиях постоянства потребляемой мощности. На основании изложенного сделан вывод, что импульсно-плазменная система зажигания обеспечит повышенную высотность запусков газотурбинных двигателей по сравнению с другими новыми и применяемыми системами зажигания. Разработанная компьютерная программа позволяет определять геометрические размеры плазменного выброса в полупроводниковых свечах по заданным параметрам разрядных цепей и вольтамперным характеристикам серийных свечей, что обеспечит сокращение времени и средств на оценку эффективности проектируемых систем зажигания.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Выработаны практические рекомендации по использованию полученных результатов в реальном секторе экономики, разработаны технические задания на проведение опытно-конструкторских работ по созданию всех трёх новых систем зажигания – импульсно-плазменной, пульсирующего разряда и системы зажигания с последовательными разрядами.