2.3,2 Авиационные свечи.
В системах зажигания ГТД используются три типа свечей: искровые свечи, в которых выделение энергии, необходимо для воспламенения топливовоздушной смеси, происходит между электродами, разделенными газовыми промежутком; свечи поверхностного разряда – полупроводниковые свечи, рабочая поверхность которых обладает полупроводниковыми свойствами; эрозионные свечи – их рабочая поверхность образованна керамическим изолятором, металлизированным за счет эрозии материала электродов.
2,3,3. Электрический пробой газового промежутка между электродами искровой свечи.
Газ, являясь диэлектриком, электрический ток не проводит. В атмосфере при воздействии космического излучения, рентгеновских или ультрафиолетовых лучей в газе наряду с нейтральными молекулами или атомами появляются частицы, несущие электрический заряд
(свободные электроны, положительные и отрицательны ионы ), вследствие чего газ становится проводящим.
Напряжение (пробивное напряжение Uпр ), необходимо для пробоя промежутка между электродами, зависит от целого ряда факторов : длины разрядного промежутка, давления и температуры газа, в котором происходит пробой. Приближенно можно считать, для равномерного поля средне значение напряженности при пробое 30 кВ/см , что
Uпр=1,36 – 30dδ ,
где d – расстояние между электродами, см ;
δ=0,386 P/T – относительная плотность воздуха.
При работе свечи на двигателе благодаря ионизации за счет высоких температур, предшествующих искр и т.п. на расстоянии между электродами свечи 2-3 мм напряжение, необходимое для пробоя промежутка, не превышает 10-12 кВ.
2,3,4 Искровые свечи зажигания.
Свеча состоит из керамического изолятора с центральным электродом , установленным в корпусе свечи из жаропрочной стали. Центральный электрод изготавливается также из специальной жаропрочной стали и укрепляется на резьбе и термоцементе в изоляторе.
Изолятор из электропрочной керамики
устанавливается в корпусе на медную шайбу, на него накладывается шайба, а затем запрессовывается втулка. Кроме того, изолятор в корпусе армируется стеклогерметиком.
Корпус завальцовывается на шайбу. Расстояние между электродами свечи составляет 2 мм.
Свеча обеспечивает нормальное искрообразование при температуре в искровом промежутке до 973 К. В процессе эксплуатации свеча не разбирается и расстояние между электродами не регулируется.
2,3.5 Разряд вдоль поверхности полупроводника.
Образование разряда по поверхности полупроводника нельзя объяснить теорией электрического разряда в газах. Это связано с тем, разряд обусловлен в основном тепловыми явлениями в полупроводнике, протекание которых определяется энергетическими соотношениями. Для получения разряда вдоль поверхности полупроводника можно использовать схему, включающую: полупроводник, электроды, разделительное устройство (газовый разрядник или контактное устройство) и предварительно заряженный конденсатор
В качестве полупроводника обычно применяют керамический материал на основе двуокиси титана, подвергнутого частичному восстановлению в водороде. При замыкании разделительного устройства в толще полупроводника возникает ток. Вследствие неоднородности структуры материала его проводимость, а, следовательно, и плотность тока на различных участках полупроводника неодинаковы. В результате этого и отрицательного температурного коэффициента сопротивление наиболее участок полупроводника нагревается сильнее, что вызывает дальнейшее увеличение его проводимости. При использовании полупроводника в форме усеченного конуса ток протекает в основном по какому-то участку вблизи его верней поверхности.
Максимальная температура, которая может быть достигнута в проводящем канале, зависит от энергии, запасенной в конденсаторе к моменту срабатывания разделительного устройства. Если это количество энергии достаточно велико, то проводящий канал за малый промежуток времени приобретает температуру, при которой происходит испарение материала полупроводника, и на границе паров материала окружающего газа возникает скачок температуры и давления. В результате этого между электродами образуется область, заполненная сильно ионизированными парами материала с пониженной электрической прочностью, в которой при определенных условиях возникает электрический емкостный разряд. Энергия, выделяющаяся в канале разряда, обусловлена количеством энергии, сохранившейся к этому времени в конденсаторе.
Разряд вдоль поверхности полупроводника происходит в две стадии. В течение первой (подготовительной ) образуется токопроводящий канал и нагрев его до некой критической температуры Ткр , при которой наступает испарение материала и ионизация пространства между электродами. Этот процесс сопровождается разрядом конденсатора до некоторого напряжения Uк . часть энергии, запасенная конденсатором до замыкания разделительного устройства, тратится на нагрев полупроводника и теплоотдачу в окружающую среду.
Благодаря скоротечности процесса разряда конденсатора в первом приближении теплоотдачей можно пренебречь и считать, что
(1)
где
U0 - начальное напряжение на конденсаторе;
CН - емкость накопительного конденсатора;
Ст - теплоемкость токопроводящего участка полупроводника;
Т0 - начальная температура полупроводника.
Вторая стадия процесса (емкостный разряд на свече) характеризуется разрядом конденсатора через ионизированный канал в газовой среде у поверхности полупроводника.
Условием возникновения электрического разряда вдоль поверхности полупроводника является наличие между электродами некоторого напряжения Up , которое значительно меньше напряжения, требующегося для пробоя воздушного промежутка, т.е.
(2)
Минимальное значение начального напряжения на конденсаторе, достаточное для образования разряда (двух его стадий) вдоль поверхности полупроводника
(3)
U0min – минимальное напряжение разряда.
При емкости Сн=10 Ммкф и при расстоянии между электродами δ=3 мм минимальное напряжение разряда составляет 300-400 В, в то время как при отсутствии полупроводника пробивное напряжение для такого же промежутка равно примерно 10 кВ. Собственно поэтому системы зажигания с полупроводниковыми свечами и называют низковольтными. В реальных системах емкость Сн составляет 1-3 мкф, при этом напряжение U0min=2-4 кВ.
Первая стадия разряда (подготовительная) характеризуется сравнительно медленным нарастанием разрядного тока и соответственно медленным снижением напряжения. Затем разряд переходит во вторую стадию, сопровождающуюся резким возрастанием тока. При достаточно больших значениях емкости накопительного конденсатора максимальное значение тока достигает 1000 и более ампер.
Особенность разряда вдоль поверхности полупроводника в том, что на его образование практически не влияет плотность окружающего газа, ибо первая стадия низковольтного разряда протекает в материале полупроводника, в то время как обычный разряд в газе определяется процессом ударной ионизации, интенсивность которой существенно зависит от длины свободного пробега электронов, определяемой плотностью газовой среды.
В емкостной части разряда реализуется примерно половина энергии от первоначально запасенной в накопительном конденсаторе. В реальных системах зажигания мощность в импульсе составляет 0,8·106 – 2,0·106 Вт. емкостной разряд вызывает эрозию рабочей поверхности полупроводника, приводящую к ее постепенному разрушению и образованию между электродами характерных “дорожек”.
2,3.6. Полупроводниковые свечи.
Между проводящим стержнем, соединенным с центральным электродом , и боковым электродом расположен керамический изолятор. Боковой электрод выполнен в форме кольца. Полупроводник 6 имеет в поперечном сечении трапецеидальную форму в нижней части изолятора установлено металлическое уплотнительное кольцо . У некоторых свечей полупроводниковый состав наносят тонким слоем на поверхность изолятора . Расстояние между электродами обычно 1 мм. Герметизацию свечи обеспечивает гермоцемент.
В ряде случаев полупроводниковые свечи используются для непосредственного розжига топливовоздушной смеси в камерах сгорания ГТД. При этом свеча подвергается воздействию температуры до 1500 К и давления (10-20)·105 Па.