Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ФОРСАЖНОЙ КАМЕРЕ

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности авиационного двигателестроения. Для правильного функционирования автоматики авиационного газотурбинного двигателя, контроля за режимами его работы и надежности эксплуатации необходимо иметь объективную информацию о включении или не включении форсажа при подаче летчиком соответствующей команды.

В последние годы широкое развитие получили 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 заряженных частиц (электронов, ионов, микрочастиц), которые образуются в камере сгорания при эрозии и разрушении элементов двигателя или попадают в двигатель извне в авиационных двигательных струях. Заряженные частицы создают в окружающем газодинамическую двигательную струю пространстве нестационарное электростатическое поле, которое регистрируется специальными зондами-антеннами. На основе полученных сигналов можно получить информацию о процессах, происходящих в двигателе. Это повышает безопасность эксплуатации авиационной техники, снижает затраты при ее обслуживании и обеспечивает оперативность принятия решений. Контролировать можно как состояние двигателя в целом, так и конкретные режимы работы двигателя.

Известен "Способ регистрации воспламенения топлива в форсажной камере газотурбинного двигателя", патент RU 2211934 от 10.09.2003 г., основанный на определении производной по времени логарифма величины давления газа в форсажной камере.

Недостатком данного технического решения является установка в тракте двигателя датчиков давления, что усложняет конструкцию газотурбинного двигателя. Также не указано, от каких параметров, кроме числа Маха, может зависеть или не зависеть пороговое значение определяемого параметра.

Наиболее близким техническим решениям к заявляемому и принятым за прототип является "Электростатический детектор определения включения форсированного режима работы", представленный в патенте US 4599568 от 08.07.1986 г., который регистрирует изменение проводимости среды за счет появления в потоке дополнительных заряженных частиц в пламени при воспламенении топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания, регистрируемых специальным датчиком, созданным на основе стабилизатора пламени форсажной камеры сгорания.

Недостатком данного технического решения является необходимость усложнения конструкции форсажной камеры двигателя или доработки уже имеющихся элементов двигателя для превращения их в детектор форсажа. Кроме того, данный способ является контактным и требует обеспечения надежной изоляции чувствительного элемента детектора от корпуса и других элементов двигателя с учетом высокой температуры окружающей сам детектор среды.

Технической задачей заявляемого способа является повышение эффективности и надежности регистрации воспламенения топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания при работе газотурбинных двигателей, при их испытаниях и в эксплуатации.

Технический результат достигается тем, в способе регистрации воспламенения топливовоздушной смеси в форсажной камере двигателя, заключающемся в том, что путем регистрации электрического сигнала от реактивной газодинамической струи двигателя с помощью электростатической антенны регистрируют изменение проводимости среды при воспламенении топливовоздушной смеси в форсажной камере и по результатам статистической обработки сигнала судят о воспламенении топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания, причем регистрацию изменения проводимости среды, обусловленного изменением концентрации электронов, ионов, заряженных микрочастиц в газодинамическом потоке в двигателе, осуществляют электростатической антенной, установленной бесконтактно с двигателем за срезом его сопла и вне его реактивной газодинамической струи, определяют амплитуду сигнала пульсаций электростатического поля, создаваемого электронами, ионами и заряженными микрочастицами, присутствующими в двигательной струе, вычисляют текущую дисперсию σ зарегистрированного сигнала, сравнивают вычисленную дисперсию с заданной эталонной величиной σ^* _ф и, в случае уменьшения вычисленной дисперсии до своего эталонного значения, вырабатывают сигнал воспламенения топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания.

При включении форсированного режима всегда происходит значительное уменьшение амплитуды регистрируемого антенной сигнала. Это объясняется тем, что при воспламенении топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания и повышении температуры в зоне горения в форсажной камере из-за происходящих реакций в потоке появляется дополнительное количество электронов, что приводит к изменению проводимости среды. Присутствующие электроны нейтрализуют избыточный положительный заряд, который образовался в струе при движении от основной камеры сгорания до форсажной камеры и обуславливал сигнал, регистрируемый антенной на бесфорсажных режимах. Образование этого избыточного положительного заряда связано с наличием в струе частиц разной подвижности (электроны, ионы, сажа) и нейтральных поверхностей (стенки двигателя, лопатки), на которых развиваются электрические диффузионные процессы. Таким образом, искомый результат обуславливается появлением в струе, при воспламенении топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания, дополнительного количества отрицательно заряженных частиц (электронов) и уменьшением, вследствие этого, амплитуды зарегистрированного электростатического сигнала

Контроль воспламенения топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания при установке рычага управления двигателя в положение "Форсаж" осуществляют проведением амплитудного статистического анализа зарегистрированных пульсаций электростатического излучения ионов, электронов, заряженных микрочастиц, при этом определяют амплитуду пульсаций электростатического поля и вычисляют дисперсию σ_j электростатического сигнала по выборке из N точек регистрируемого электростатического сигнала на заданном интервале времени τ и сравнивают вычисленную дисперсию σ_j с заданной эталонной величиной σ^* _ф. При уменьшении величины σ_j до заданной величины σ^* _ф контролируют воспламенение топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания.

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

На фиг.2 представлена временная развертка регистрируемого электростатического сигнала при включении форсированного режима.

На фиг.3 представлен алгоритм регистрации воспламенение топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания.

Схема установки электростатических антенн на самолете для регистрации и контроля воспламенения топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания газотурбинного двигателя на фиг.1 содержит антенны 1 и 2, сопла 3 и 4 двигателей самолета, реактивные струи 5 и 6, причем антенны 1 и 2 устанавливают в районе среза сопел 3 и 4, соответственно, без контакта с соплами двигателей и их реактивными струями 5 и 6, при этом для исключения взаимного влияния электростатических полей реактивных струй 5 и 6 на антенны 1 и 2, при этом каждая антенна экранируется (на фиг.1 не показано).

Типичная временная развертка сигнала, зарегистрированного с помощью электростатической антенны, показана на фиг.2, где представлен электростатический сигнал перехода с нефорсированного на форсированный режим работы газотурбинного двигателя. При воспламенении топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания газотурбинного двигателя всегда происходит уменьшение амплитуды регистрируемого сигнала.

Заявляемый способ регистрации воспламенения топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания газотурбинного двигателя может быть реализован в системе автоматического управления газотурбинного двигателя.

Зарегистрированный электростатический сигнал подается в ЭВМ, где анализ зарегистрированного сигнала производят по алгоритму, схема которого представлена на фиг.3:

1. Вводят эталонную характеристику дисперсии регистрируемого сигнала σ_пф=f(n_вд) или σ_tf=f(t_Τ ^*) и назначают предельный допуск дисперсии сигнала σ^* _ф,

где

σ_пф, σ_tф - эталонные значения дисперсии сигнала исправного двигателя;

n_вд - частота вращения ротора высокого давления;

- температура газа за турбиной;

σ^* _ф - предельно допустимое значение дисперсии сигнала;

2. При установке рычага управления двигателем в положение "Форсаж" (α_руд=α_{рудфорсаж}) и нормальной работе двигателя вводят программу расчета дисперсии электростатического сигнала,

где

α_руд - угол поворота рычага управления двигателем;

3. На участке длительностью τ=1 с обрабатывают N=2048 точек электростатического сигнала для вычисления текущего значения дисперсии по формуле:

и сравнивают с допустимым значением σ^* _ф:σ_j≤σ^* _ф,

где

σ_j - текущее значение дисперсии сигнала;

τ - время регистрации сигнала;

N - количество точек, по которым производится расчет дисперсии;

Ф_i - амплитуда сигнала в i-й точке;

4. Если условие по п.3 выполняется, то обеспечивают сигнал о воспламенении топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания;

5. Если условие по п.3 не выполняется, то выполняют два контрольных расчета дисперсии σ_j+1 и σ_j+2, которые сравнивают с с допустимым значением σ^* _ф: σ_j+1≤σ^* _ф и σ_j+2≤σ^* _ф,

где

σ^* _ф - предельно допустимое значение дисперсии сигнала;

σ_j+1, σ_j+2 - контрольные значения дисперсии сигнала.

6. Если условие по п.5 выполняется, то обеспечивают сигнал о воспламенении топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания;

7. Если условие по п.5 не выполняется, то топливовоздушная смесь в форсажной камере сгорания не воспламенилась.

Предлагаемый способ регистрации воспламенения топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания газотурбинного двигателя позволяет повысить эффективность и надежность контроля за воспламенением топливовоздушной смеси в форсажной камере сгорания, по сравнению с предшествующими методами контроля, повышая тем самым безопасность летной эксплуатации самолетов.