СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области двигателестроения, может быть использовано для надежного и своевременного диагностирования вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя и позволяет устранить неустойчивый режим работы двигателя путем оперативного воздействия на различные системы регулирования.

Известен способ обнаружения режима вибрационного горения в системах топливопитания [патент СССР 646147, F02C 5/00, F23N 5/24, F23R 1/12, G01N 1/00, опубл. 05.02.1979], при котором определяют спектры вибраций на режимах вибрационного и невибрационного горения; сравнивают эти спектры, выбирают такую полосу частот при вибрационном горении, в пределах которой отсутствуют вибрации на режимах невибрационного горения, и по вибрации, замеренной в этой полосе частот, судят о режиме вибрационного горения.

Известен способ обнаружения виброгорения в камере сгорания газотурбинного двигателя [патент РФ 2382945, F23N 5/24, опубл. 27.02.2010], заключающийся в измерении посредством датчика, установленного на камере сгорания, динамического параметра, характеризующего наличие виброгорения; в качестве динамического параметра измеряют составляющие вибраций корпуса камеры сгорания в выделенном диапазоне частот, определенном путем построения амплитудно-частотной характеристики измерения уровня пульсаций давления в камере сгорания при испытаниях данного типа двигателей.

Недостатком аналогов является невысокая надежность, обусловленная большим влиянием вибрации конструкции, а также возможным изменением картины широкополосных вибраций двигателя в ходе его эксплуатации и резкими эволюциями летательного аппарата, что может привести к ложным срабатываниям.

Известен способ диагностирования склонности камеры сгорания к гудению и способ управления газовой турбиной [патент РФ 2548233, F23N 5/24, F23R 3/00, опубл. 20.04.2015], при котором осуществляют регистрацию термоакустической величины газового объема камеры сгорания и/или величины колебаний конструкции камеры сгорания в рабочем состоянии и определение параметрической величины по термоакустической величине и/или по величине колебаний; определение спектра параметрической величины в рабочем состоянии в виде ее амплитудной характеристики в зависимости от времени; идентификацию первого и второго резонансов параметрической величины с помощью спектра; определение амплитудного значения первого резонанса и амплитудного значения второго резонанса; расчет параметра стабильности в качестве функции амплитудного значения первого резонанса и амплитудного значения второго резонанса; определение нижнего и/или верхнего значения расстояния, на которое параметр стабильности лежит выше нижнего заданного порогового и/или ниже верхнего заданного порогового значения.

Недостатками аналогов является ограниченные функциональные возможности, так как отсутствует возможность бортового применения.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля вибрационного горения в камере сгорания [патент РФ 2272923 F02C 9, опубл. 27.03.2006], который осуществляют путем регистрации изменения частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в газе и определения наличия или отсутствия 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, за 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.

К недостаткам данного способа относится возможное влияние электростатических помех на анализируемый сигнал, а также снижение радиолокационной заметности летательного аппарата.

Задачей изобретения является повышение надежности работы газотурбинного двигателя.

Техническим результатом является обеспечение надежного обнаружения вибрационного горения для предотвращения нерасчетной работы и поломки двигателя.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе контроля вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя производят регистрацию изменения частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в газе и определение наличия или отсутствия вибрационного горения, согласно изобретению регистрацию изменения частот колебаний параметров газодинамического движения производят датчиком, чувствительным к электромагнитному излучению продуктов горения в камере сгорания, определяют спектральную плотность в спектре мощности временной реализации этого сигнала, сравнивают с эталонным значением спектральной плотности и в случае превышения определяемого параметра заданного эталонною 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.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 - частотный спектр излучения продуктов горения в камере сгорания с выявленным вибрационным горением.

Устройство контроля вибрационного горения состоит из последовательно соединенных оптического объектива 1, световода 2, фоточувствительного элемента 3, управляемого усилителя 4, фильтра низкой частоты 5, аналого-цифрового преобразователя 6 и вычислительного устройства 7, которое соединено с управляемым усилителем 4.

Устройство работает следующим образом.

Излучение продуктов горения в камере сгорания попадает на оптический объектив 1 с широкоугольной линзой, собирающей излучение с большой зоны камеры сгорания и фокусирующей его на торец световода 2. Электронная часть отнесена на безопасное расстояние от тепло- и вибронагруженных элементов двигателя, таких как камера сгорания и турбина. Излучение с малым поглощением в волокне выводится на фоточувствительный элемент 3, преобразуясь в электрический ток. Мощность слабого электрического тока повышается усилителем. Особенностью измерения излучения из камеры сгорания является большой динамический диапазон сигнала, достигающий шести и более порядков, диктующий необходимость в усилителе сигнала 4 с переменным коэффициентом усиления. После того как сигнал усилен, из него фильтром низкой частоты 5 удаляются высокочастотные шумы во избежание элайзинга. Далее сигнал оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе 6 для дальнейшего анализа вычислительным устройством 7. При определении характерных параметров сигнала, соответствующих вибрационному горению, вычислительное устройство отправляет сообщение в систему регулирования двигателя 8 по стандарту ГОСТ18977-79.

Пример конкретной реализации способа.

На объектив устройства, установленного на место штатных эндоскопических лючков кольцевой камеры сгорания, попадает электромагнитное излучение от горящей топливовоздушной смеси. Линза, изготовленная из монокристаллического сапфира Al₂O₃, фокусирует излучение на торце покрытого алюминием оптического металлизированного волокна. Излучение, выводимое из волокна, переносится на фотоприемник S1223, чувствительный в области 0,4 мкм - 1,1 мкм. Ток фотоприемника преобразуется в напряжение усилителем, затем фильтром низкой часты 2-го порядка удаляются гармоники из сигнала выше 25 кГц. Микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем производит оцифровку сигнала с частотой 50 кГц и для избегания искажения сигнала корректирует коэффициент усиления с помощью цифрового потенциометра при достижении сигналом граничных значений на аналого-цифровой преобразователь. Микроконтроллер производит вычисление быстрого преобразования Фурье по 256 точкам 100 раз в секунду. После преобразования происходит дальнейший анализ на основе выходного массива и вычисляются частоты гармоник сигналов. В результате анализа получены следующие гармоники - 78 Гц, 246 Гц, 344 Гц, что свидетельствует о вибрационном горении в камере сгорания.

Преимуществами данного способа является установка объектива системы на место штатных эндоскопических лючков камеры сгорания, а также отсутствие влияния вибрации двигателя на анализируемый сигнал. Преимуществом также является то, что описанный способ применим и для бортового использования на летательном аппарате в жестких условиях эксплуатации. Это позволяет определять вибрационное горение в не моделируемых на стенде условиях работы двигателя, например анализировать влияние воздушных ям на газодинамические процессы в камере сгорания.

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить надежность определения вибрационного горения за счет приема электромагнитного излучения продуктов горения в камере сгорания.