Способ контроля вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности авиационного двигателестроения. Для надежности эксплуатации авиационного газотурбинного двигателя, контроля за режимами его работы, правильного функционирования автоматики двигателя необходимо иметь объективную информацию для недопущения аномальных режимов работы двигателя. Одним из таких режимов является режим вибрационного горения. Технической задачей заявляемого способа является повышение эффективности и надежности определения и предотвращения вибрационного горения на форсированном режиме при работе газотурбинных двигателей при их испытаниях и в эксплуатации. Указанная техническая задача решается в заявляемом способе, где регистрируют изменение частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в газе и определяют наличие или отсутствие вибрационного горения, при этом регистрацию изменения параметров газодинамического движения производят электростатическими антеннами без контакта с двигателем и его газодинамической струей, фиксируют временную реализацию сигнала колебаний электростатического поля, определяют спектральную плотность в спектре мощности временной реализации этого сигнала, сравнивают с эталонным значением спектральной плотности и в случае превышения определяемого параметра заданного эталонного значения, определяют частоту, на которой произошло превышение, сравнивают эту частоту со значениями частот вибрационного горения данной камеры сгорания и вырабатывают сигнал в систему контроля двигателя о наличии вибрационного горения. 4 ил.

 

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности авиационного двигателестроения.

Для надежности эксплуатации авиационного газотурбинного двигателя, контроля за режимами его работы, правильного функционирования автоматики двигателя необходимо иметь объективную информацию для недопущения аномальных режимов работы двигателя. Одним из таких режимов является режим вибрационного горения.

Известен «Способ регулирования форсажной камеры», авторское свидетельство №1809148 от 30.06.1977 г., основанный на регистрации с помощью датчиков пульсаций давления процессов в камере сгорания для дальнейшего регулирования расхода топлива с целью исключения недопустимых явлений.

Недостатком данного технического решения является необходимость установки датчиков давления в высокотемпературной зоне форсажной камеры сгорания для регистрации акустических колебаний, необходимости сложной обработки информации для нахождения эпюр распределения давления.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и взятым за прототип является «Способ измерения частот колебаний в газе с помощью датчиков давления (микрофонов) и с помощью регистрации излучения от радикалов C₂, образующихся при горении топливо-воздушной смеси», материалы из журнала «AIAA Paper 87-0433», G.J.Bloxsidge, A.P.Dowling at al. «Active control of reheat buzz», 1987, pp.1-4. Для этого устанавливается вместе с датчиками давления фотоприемное устройство с фильтром на заданную длину волны, которое регистрирует излучение радикалов С₂, коррелирующее по частоте с акустическими возмущениями в газе.

Недостатком данного технического решения является необходимость специального окна в камере сгорания двигателя, обеспечения передачи излучения от газа на фотоумножитель, юстировка оптических элементов. Кроме того, этот метод является контактным и требует обеспечения надежной термо- и виброизоляции изоляции используемого оборудования.

В настоящее время широко развиваются нетрадиционные способы контроля как состояния, так и режимов работы газотурбинных двигателей. К таким способам относится метод бесконтактной электростатической диагностики газотурбинных двигателей. В основе способа лежит регистрация в авиационных двигательных струях заряженных частиц (электронов, ионов, микрочастиц), которые образуются в камере сгорания, а также при эрозии и разрушении элементов двигателя или попадают в двигатель извне. Заряженные частицы вовлекаются в газодинамическое движение газа по тракту двигателя, создают в пространстве, окружающем газодинамическую двигательную струю, нестационарное электростатическое поле, которое регистрируется специальными зондами-антеннами. На основе полученных сигналов можно получить информацию о режиме работы двигателя и происходящих в нем процессах. Это позволит создать автоматическую систему предотвращения опасного режима вибрационного горения, что повысит безопасность эксплуатации авиационной техники, снизит затраты при обслуживании. Контролировать можно как нормальное состояние двигателя, так и аномальные режимы его работы.

Технической задачей заявляемого способа контроля вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя является повышение эффективности и надежности определения и предотвращения вибрационного горения на форсированном режиме при работе газотурбинных двигателей при их испытаниях и в эксплуатации.

Указанная техническая задача решается в заявляемом способе, где регистрируют изменение частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в газе и определяют наличие или отсутствие вибрационного горения, при этом регистрацию изменения параметров газодинамического движения производят электростатическими антеннами без контакта с двигателем и его газодинамической струей, фиксируют временную реализацию сигнала колебаний электростатического поля, определяют спектральную плотность в спектре мощности временной реализации этого сигнала, сравнивают с эталонным значением спектральной плотности и, в случае превышения определяемого параметра заданного эталонного значения, определяют частоту, на которой произошло превышение, сравнивают эту частоту со значениями частот вибрационного горения данной камеры сгорания и вырабатывают сигнал в систему контроля двигателя о наличии вибрационного горения.

Статистическая обработка позволяет, анализируя величину спектральной плотности в спектре мощности временной реализации процесса, найти характерные частоты зарегистрированного электростатического сигнала и, следовательно, газодинамического движения газа по тракту двигателя. При возникновении режима вибрационного горения в высокочастотной и низкочастотной областях спектра появляются частоты, характерные для данного режима. Контроль заданных спектральных диапазонов электростатического сигнала дает возможность зафиксировать начало появления известных аномальных частот в спектре электростатического сигнала, т.е. начало вибрационного горения, что позволяет заблаговременно изменить режим работы двигателя с помощью системы автоматического управления или рычага управления двигателем. Таким образом, искомый результат обуславливается появлением в газодинамическом движении заряженных частиц и, следовательно, в генерируемом ими электростатическом поле частот, характерных для вибрационного горения.

На фиг.1 представлена схема установки электростатической антенны на самолете.

На фиг.2 представлена временная развертка регистрируемого электростатического сигнала при наличии вибрационного горения.

На фиг.3 представлена спектральная реализация сигнала при наличии вибрационного горения в форсажной камере сгорания газотурбинного двигателя.

На фиг.4 представлен алгоритм анализа электростатического сигнала для выявления режима вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя.

На фиг.1, где показана схема установки электростатической антенны на самолете, антенну 1 устанавливают в районе среза сопла 2 газотурбинного двигателя без контакта с двигателем и его газодинамической реактивной струей 3.

Типичная временная развертка сигнала, зарегистрированного с помощью электростатической антенны, показана на фиг.2, где представлен электростатический сигнал, зарегистрированный на форсированном режиме работы двигателя и на временной развертке показан промежуток времени, в ходе которого наблюдалось вибрационное горение.

На фиг.3 представлена спектральная реализация участка вибрационного горения, который показан на фиг.2. В спектре отчетливо заметна частота (470 Гц), соответствующая одной из мод вибрационного горения.

Заявляемый способ контроля вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя осуществляют следующим образом.

Изменение частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в струе регистрируют электростатической антенной 1, которая установлена согласно фиг.1 в районе среза сопла 2 газотурбинного двигателя без контакта с двигателем и его газодинамической струей 3, проводят статистический анализ зарегистрированных пульсаций (фиг.2) электростатического излучения ионов, электронов, заряженных микрочастиц, а именно проводят преобразование Фурье временной реализации зарегистрированного электростатического сигнала по выборке из N точек на заданном интервале времени τ, определяют спектральную плотность (фиг.3) сигнала S_i в спектре мощности на частоте ω_i и сравнивают спектральную плотность сигнала S_i с заданной эталонной величиной S^*. В случае превышения S_i эталонной величины S^* проводится выделение частоты ω_i, соответствующей частоте вибрационного горения ω_jвг.

Анализ электростатического сигнала для выявления режима вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя осуществляют по схеме, представленной на фиг.4, где:

1. Проверяют наличие параметров системы автоматического управления двигателя, свидетельствующих о включении форсажа или наличии пламени в форсажной камере.

2. При отсутствии указанных сигналов программа не загружается (нефорсированный режим работы двигателя).

3. При наличии команды системы автоматического управления на включение форсажной камеры (α_руд в зоне форсированных режимов и присутствует сигнал о наличии пламени в форсажной камере) вводится программа контроля спектра электростатического сигнала. Вводят эталонную величину максимально допустимой спектральной плотности S* и значения частот вибрационного горения ω_jвг для данного типа двигателя.

4. Производят ввод электростатического сигнала для вычисления его спектра. С заданной частотой ввода N точек в секунду на участке времени с заданной длительностью τ.

5. Выполняют вычисление спектра по быстрому преобразованию Фурье и для каждой частоты ω_i=i·Δω определяют спектральную плотность S_i, где i=1...N/2; Δω - частота сканирования спектра.

6. Производят сравнение значений S_i с пороговым уровнем спектральной плотности сигнала S^*.

7. Если S_i<S^*, то, по завершению сканирования всего спектрального диапазона, вводят следующие значения сигнала согласно п.4.

8. В случае превышения S_i>S^* выполняют выделение частоты, на которой было зафиксировано превышение значения сигнала.

9. Если значение частоты, на которой произошло превышение значения сигнала по п.7, совпадает с одной или несколькими частотами вибрационного горения ω_jвг, то идентифицируют процесс вибрационного горения,

при этом n_вд - частота вращения ротора высокого давления;

t_т ^* - температура газа за турбиной;

α_руд - угол поворота рычага управления двигателем;

τ - время регистрации сигнала;

S^* - допустимое значение спектральной плотности сигнала;

ω_jвг - частоты вибрационного горения для данного типа двигателя;

N - количество точек, по которым производится расчет спектра;

Ф_i - амплитуда сигнала в i-й точке;

S_i - величина спектральной плотности на частоте ω_i.

Применение заявляемого способа контроля вибрационного горения в камере сгорания газотурбинных двигателей позволит повысить эффективность и надежность контроля начала вибрационного горения по сравнению с предшествующими методами контроля, повышая тем самым безопасность при испытаниях и летной эксплуатации газотурбинных двигателей.

Способ контроля вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя, заключающийся в том, что регистрируют изменение частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в газе и определяют наличие или отсутствие вибрационного горения, отличающийся тем, что регистрацию изменения параметров газодинамического движения производят электростатическими антеннами без контакта с двигателем и его газодинамической струей, фиксируют временную реализацию сигнала колебаний электростатического поля, определяют спектральную плотность в спектре мощности временной реализации этого сигнала, сравнивают с эталонным значением спектральной плотности и в случае превышения определяемого параметра заданного эталонного значения определяют частоту, на которой произошло превышение, сравнивают эту частоту со значениями частот вибрационного горения данной камеры сгорания и вырабатывают сигнал в систему контроля двигателя о наличии вибрационного горения.