Способ определения резонансных частот камеры сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению и теплоэнергетике, а более конкретно к методам испытаний и диагностики камер сгорания энергетических установок, в частности, авиационных и ракетных двигателей. Целью изобретения является повышение достоверности определения резонансных акустических характеристик камеры сгорания в области высоких частот. Это достигается тем, что в процессе определения резонансных частот камеры сгорания путем регистрации характеристики отклика камеры на генерируемые амплитудно - модулированным электрическим разрядом гармонические колебания с изменяющейся частотой, характеристику отклика регистрируют на частоте, равной удвоенной частоте модуляции электрического разряда, а резонансные частоты камеры определяют по частотам максимумов характеристики отклика. 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению и теплоэнергетике, а более конкретно к методам испытаний и диагностики камер сгорания энергетических установок, в частности авиационных и ракетных двигателей.

Для определения резонансных частот камеры сгорания применяются методы диагностики, основанные на исследованиях отклика камеры сгорания на вводимые возмущения (импульсные или гармонические). Например, применяются методы создания импульсных возмущений давления с помощью взрыва в камере сгорания навески взрывчатого вещества (ВВУ и ВИУ) или специальные пиропатроны и сирены для создания гармонических возмущений [1].

Однако недостатком этих методов является наличие потоков продуктов взрыва и потоков рабочего газа, используемые в сиренах, нарушающих процесс горения в камере. Это затрудняет получение достоверных данных по устойчивости горения и резонансным характеристикам камеры сгорания.

Известен способ диагностики неустойчивого горения в ракетных двигателях генерированием в камере сгорания акустических колебаний с помощью частично ионизованных газов [2]. По этому способу в камере сгорания устанавливаются два электрода, связанных с источниками постоянного и переменного тока.

В процессе работы двигателя производится изменение частоты переменного тока, а соответственно и частоты акустических колебаний, генерируемых межэлектродным промежутком (амплитудно модулированным электрическим разрядом). Если частота модуляции совпадает с частотой колебаний неустойчивого горения, то возникает резонанс на данной частоте, по которому судят о неустойчивости процесса горения.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является определение резонансных частот камеры сгорания по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ) отклика камеры на гармонические возмущения, создаваемые модулированным электрическим разрядом с последовательным изменением в звуковом диапазоне частоты модуляции [3]. Для получения АЧХ отклика регистрируют амплитуду колебаний давления в камере на частоте модуляции электрического разряда при изменении частоты со временем по определенному (например, логарифмическому) закону. При этом работа генератора, задающего частоту модуляции электрического разряда и узкополосного фильтра с перестраиваемой центральной частотой согласовывается с помощью управляющего напряжения, генерируемого самописцем уровня акустических сигналов. По частотам максимумов на АЧХ отклика зарегистрированной самописцем уровня, определяют резонансные частоты камеры.

Недостаток известного способа состоит в том, что он не позволяет эффективно определять резонансные характеристики камер сгорания энергетических установок в области высоких частот, характерных для акустической (высокочастотной) неустойчивости.

Целью изобретения является повышение достоверности определения резонансных акустических характеристик камеры сгорания в области высоких частот.

Это достигается тем, что в процессе определения резонансных частот камеры сгорания путем регистрации характеристики отклика камеры на генерируемые амплитудно-модулированным электрическим разрядом гармонические колебания с изменяющейся частотой, характеристику отклика регистрируют на частоте, равной удвоенной частоте модуляции электрического разряда, а резонансные частоты камеры определяют по частотам максимумов характеристик отклика.

На фиг.1 приведена общая схема установки для экспериментального определения резонансных характеристик камеры сгорания по отклику на гармонические возмущения, генерируемые модулированным электрическим разрядом; на фиг.2 - типичные спектры акустического излучения модулированного плазмотрона в открытое пространство; на фиг.3 и 4 - результаты экспериментальной проверки предлагаемого способа определения резонансных характеристик камер сгорания.

Экспериментальная установка (фиг.1) состоит из камеры сгорания с системой запуска, источника гармонических возмущений с системой электропитания, системы регистрации и измерений. Цилиндрическая камера сгорания 1 длиной 0,5 м и диаметром 0,125 м имеет плоскую форсуночную головку и профилированное сопло с критическим диаметром 50 мм. Форсуночная головка имеет отверстия для подачи топлива (пропан) и окислителя (воздух), а также технологическое отверстие (22х1,5) для соединения камеры с источником гармонических возмущений.

В качестве источника гармонических возмущений используют модулированный электрический разряд между электродами коаксиального плазмотрона 3, который создается по комбинированной схеме при подаче на электроды плазмотрона напряжения звуковой частоты от НЧ-усилителя 5 типа УПВ-15, мощностью 15 кВт, с созданием дежурной ВЧ-дуги (440 кГц) от ВЧ-генератора 4. Дежурная ВЧ-дуга обеспечивает устойчивое горение дуги переменного тока между электродами плазмотрона. Высокотемпературные сгустки плазмы, возникающие при модулированном электрическом разряде, периодически выносятся рабочим газом в диагностируемую камеру сгорания и, адиабатически расширяясь, генерируют акустические возмущения.

Отклик камеры сгорания на вводимые гармонические возмущения регистрируется датчиком 2 акустического давления типа ЛХ-610, устанавливаемым заподлицо с внутренней поверхностью камеры сгорания. Сигнал с датчика поступает на акустический измерительный стенд фирмы "Роботрон" и записывается на магнитографе ЕАМ-500 фирмы "Тесла" 11.

Акустический стенд состоит из анализатора 6 спектра в реальном масштабе времени, шумомера 7, узкополосного фильтра 8, самописца 9 уровня и звукового генератора 10.

Работа звукового генератора 10 и узкополосного фильтра 8 с перестраиваемой частотой согласовывается с помощью управляющего напряжения, генерируемого самописцем 9 уровня. Стенд позволяет получать АЧХ отклика камеры сгорания на основной частоте и удвоенной частоте модуляции как в ходе эксперимента, так и при обработке магнитных записей с датчика давления, путем установки соответствующего управляющего напряжения, подаваемого на узкополосный фильтр, при известном законе сканирования частоты.

На фиг.2 показаны типичные спектры акустического излучения модулированного ВЧ-плазмотрона в открытое пространство при частотах модуляции 1 (кривая 1) и 2 кГц (кривая 2). Как видно из графиков, в спектре кроме пика на частоте модуляции f_м имеется пик на удвоенной частоте 2f_м, причем амплитуда пика на удвоенной частоте превышает значение пика на частоте модуляции.

На фиг.3 приведены АЧХ отклика камеры при горении пропановоздушной смеси, полученные на частоте вводимых гармонических возмущений (1) и на удвоенной частоте (2) при изменении частоты от 0,1 до 5 кГц. Характеристики получены при значении НЧ-напряжения, подаваемого на плазмотрон 300 В (фиг. 3) и 125 В (фиг.4). АЧХ отклика камеры сгорания на гармонические возмущения, генерируемые модулированным плазмотроном, имеют пики на частотах 0,2, 0,8, 1,6, 2,4, 3 и 4 кГц, соответствующие резонансным частотам камеры при данных условиях горения.

Причем (см. фиг.3), на АЧХ отклика на удвоенной частоте (2) пики, соответствующие высокочастотным модам колебаний (f>0,5 кГц), существенно выше (в среднем на 10-15 дБ) и носят более выраженный характер, чем на АЧХ отклика камеры на частоте модуляции плазмотрона (1). При уменьшении НЧ-напряжения, подаваемого на плазмотрон, до определенного значения, на АЧХ отклика на частоте модуляции плазмотрона отсутствуют пики, соответствующие высокочастотным модам колебаний (кривая 1 на фиг.4). В этом случае АЧХ отклика по своему виду близка к собственному спектру колебаний в камере при горении без внешних возмущений. А при регистрации АЧХ отклика камеры на удвоенной частоте (кривая 2 на фиг.4) при том же значении НЧ-напряжения, пики, соответствующие высокочастотным резонансным колебания, имеют четко выраженный характер, позволяющий определить резонансные частоты камеры.

Способ позволяет повысить достоверность экспериментального определения резонансных характеристик камер в области высоких частот, на которых при соответствующих условиях может возникнуть неустойчивое горение. Он может применяться в различных областях машиностроения и теплоэнергетики для диагностики неустойчивого горения в высокофорсированных промышленных энергетических установках, а также при диагностике и доводочных испытаниях авиационных и ракетных двигателей, что позволит повысить надежность и безаварийность работы энергетической или двигательной установки.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ, заключающийся в том, что в диагностируемой камере сгорания создают гармонические колебания с изменяющейся частотой амплитудно-модулированным электрическим разрядом, регистрируют характеристику отклика камеры сгорания, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения резонансных характеристик в области высоких частот, характеристику отклика камеры сгорания регистрируют на частоте, равной удвоенной частоте модуляции электрического разряда, а резонансные частоты камеры сгорания определяют по частотам максимумов ее характеристики отклика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4