Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ВИБРОГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и энергомашиностроения и может найти применение при доводке газотурбинных двигателей, а также для создания систем диагностики.

Для обнаружения неисправностей в работе газотурбинного двигателя в процессе проведения стендовых испытаний производится анализ вибрационных характеристик во временной и спектральной областях в полосе частот контролируемой вибрации.

Известен способ выявления неисправности систем топливопитания газотурбинных установок, основанный на применении узкополосного спектрального анализа, при котором выделяют из полосы частот контролируемого среднеквадратического значения виброскорости сигнал, генерируемый на частоте колебаний в камере сгорания (М.И. Торхов, С.В. Лозня, Н.Б. Налесный. Метод выявления вибрационного горения топлива в камерах сгорания газотурбинных установок. Авиационно-космическая техника и технология, ХАИ, 2006, №10 (36) С. 103-106).

Однако данный способ не позволяет объяснить происхождение идентифицированной в спектре составляющей, установить, чем она вызвана, а тем более установить с его помощью механизм вибрационного горения не представляется возможным.

Известен способ обнаружения режима вибрационного горения в системах топливопитания, при котором предварительно определяют частоты колебаний, характеризующие виброгорение, измеряют вибрацию корпуса камеры сгорания газотурбинного двигателя, по составляющим делают вывод о наличии виброгорения (описание изобретения к патенту №646147, МПК F23N 5/24, опубл. 05.02.1979).

Недостатком является ограниченная область применения способа и низкая надежность диагностики в связи с использованием, только для конкретного вида виброгорения, косвенного измерения параметров колебательного процесса в камере сгорания газотурбинного двигателя путем измерения вибрации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ обнаружения виброгорения в камере сгорания газотурбинного двигателя, при котором предварительно определяют частоты колебаний, характеризующие виброгорение, измеряют вибрацию корпуса камеры сгорания, по составляющим делают вывод о наличии виброгорения (описание изобретения к патенту №2382945, МПК F23N 5/24, опубл. 27.02.2010).

Для обнаружения виброгорения в камере сгорания необходим дополнительный запуск газотурбинного двигателя. Способ диагностики применим только для конкретного типа газотурбинного двигателя, для которого проводят предварительные испытания с целью определения по датчикам пульсаций диапазона частот, характеризующих виброгорение.

Недостатком является ограниченная область применения способа и недостаточная надежность диагностики в связи с тем, что при диагностике конкретного типа газотурбинного двигателя не используется прямое измерение пульсаций в камере сгорания. Диагностика основана только на измерении вибрации, которая характеризует, прежде всего, колебания механического, а не газодинамического происхождения.

Техническим результатом изобретения является расширение области использования способа и повышение надежности диагностики за счет прямого измерения параметров колебательного процесса в камере сгорания газотурбинного двигателя независимо от его типа и вида виброгорения без необходимости выполнения дополнительного запуска двигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе диагностики виброгорения в камере сгорания газотурбинного двигателя, при котором предварительно определяют частоты колебаний, характеризующие виброгорение, измеряют вибрацию корпуса камеры сгорания, по составляющим делают вывод о наличии виброгорения, в отличие от известного, предварительно определяют частоты собственных колебаний деталей камеры сгорания и режимы диагностики, соответствующие резонансным колебаниям, возбуждаемым ротором, одновременно с вибрацией корпуса измеряют пульсации давления в камере сгорания, строят амплитудно-частотные спектры, при появлении в спектрах вибрации и пульсаций на одном из режимов диагностики составляющей на частоте, некратной частоте вращения ротора, причем она размыта у основания, делают вывод о наличии виброгорения в камере сгорания.

Способ поясняется чертежами, на которых изображены:

фиг. 1 - схема элементов камеры сгорания;

фиг. 2 - вверху - тахограмма, в середине - виброграмма, внизу - спектр вибрации при наличии виброгорения;

фиг. 3 - вверху - тахограмма, в середине - график изменения пульсаций во временной области, внизу - спектр пульсаций давления при наличии виброгорения.

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительно перед проведением испытаний определяют частоты собственных колебаний деталей камеры сгорания экспериментальным, например, методом ударного возбуждения и/или расчетным путем, например, с помощью модального анализа. Определяют режимы диагностики, на которых возможны резонансные колебания, возбуждаемые ротором (Диагностика авиационных газотурбинных двигателей / Под ред. д.т.н., проф. И.А. Биргера, д. т.н., проф. Б.Ф. Шорра. – М,: Машиностроение, 1981).

Проводят испытания газотурбинного двигателя, в процессе которых одновременно измеряют вибрацию корпуса камеры сгорания и пульсации давления в ней.

Строят амплитудно-частотные спектры вибрации и пульсаций и наблюдают на режимах диагностики за появлением в них составляющей, выделяющейся на фоне шумов.

Если на одном из режимов диагностики в спектрах вибрации и пульсаций одновременно появилась составляющая, на одной и той же частоте, некратной частоте вращения ротора, которая при этом размыта у основания, делают вывод о наличии виброгорения в камере сгорания.

При наличии виброгорения происходит изменение тональности звуковых колебаний - «поющее пламя» (Афанасьев А.В., Кидин Н.И. Диагностика и управление устойчивостью горения в камерах сгорания энергетических установок. - М.: Физматлит, 2008). При этом даже при работе газотурбинного двигателя на стационарном режиме составляющая спектра динамического сигнала за счет изменения частоты размыта у основания.

Способ был применен при стендовых испытаниях авиационного газотурбинного двигателя.

Камера сгорания (фиг. 1) состояла из корпуса 1, ограничивающего полость непосредственно камеры сгорания, и жаровой трубы с топливными форсунками. Внешнее кольцо жаровой трубы образовано окружным набором внешних 2 панелей в форме цилиндрических секторов. Внутреннее кольцо жаровой трубы образовано окружным набором внутренних 3 панелей в форме конических секторов. Панели обеспечивают компенсацию температурных расширений элементов и ограничивают зону горения топлива.

Определили методом ударного возбуждения частоты собственных колебаний деталей камеры сгорания: внутренних и внешних панелей жаровой трубы, а также корпуса камеры сгорания, которые составили:

- изгибные колебания внешних панелей жаровой трубы на частоте 113 Гц;

- изгибные колебания внутренних панелей жаровой трубы на частоте 184,5 Гц;

- диаметральные формы колебаний корпуса камеры сгорания на частотах более 347 Гц.

Установлено, что частоты собственных колебаний панелей внешних (113 Гц) и внутренних (184,5 Гц) находятся в диапазоне частот вращения ротора газотурбинного двигателя (максимальная частота вращения ротора 12000 об/мин или 200 Гц), а частота корпуса камеры сгорания более 347 Гц выходит за пределы этого диапазона. Определили режимы диагностики, на которых возможно возбуждение резонансных колебаний: 6780 об/мин и 11070 об/мин.

В процессе испытаний синхронно измеряли вибрацию корпуса камеры сгорания и пульсации в камере сгорания и выполняли построение амплитудно-частотного спектра динамических сигналов (спектральный анализ).

На режиме диагностики 11070 об/мин в спектре контролируемой вибрации (фиг. 2) по вибропреобразователям, расположенным на опоре турбин, были обнаружены, соизмеримые по уровню с составляющей оборотной частоты, нероторные составляющие на частотах 113 Гц и 500 Гц, причем составляющая на частоте 500 Гц была размыта у основания (от 489,8 Гц до 505,8 Гц), что свидетельствует о ее газодинамическом происхождении.

На режиме диагностики 11070 об/мин спектральный анализ пульсаций в камере сгорания, записанных в одни моменты времени с вибрациями, также показал наличие составляющих на частотах 113 Гц и 500 Гц (фиг. 3), причем составляющая на частоте 500 Гц размыта у основания и свидетельствует о колебательном процессе в камере сгорания.

При снижении режима работы газотурбинного двигателя на 100-150 об/мин составляющие из спектра пропали.

По информации с вибропреобразователей, расположенных на промежуточном корпусе, эти составляющие не превышали уровня шумов. По датчикам пульсаций, установленным на периферии перед входным направляющим аппаратом, усиления уровня пульсаций также не отмечалось.

Установлено, что частота вращения ротора, на которой зафиксировано наличие интенсивных пульсаций в камее сгорания, совпадает с частотой собственных колебаний внутренних панелей жаровых труб (184,5 Гц), т.е. на этом режиме работы газотурбинного двигателя имело место резонансное возбуждение внутренних секторов жаровых труб частотой вращения ротора, при этом возбуждалась и частота собственных колебаний внешних секторов жаровых труб (113 Гц), которая в спектре вибраций соизмерима с роторной составляющей.

Идентифицирована в спектрах динамических сигналов диагностическая составляющая и объяснена причина ее возникновения: интенсивные пульсации в диффузоре камеры сгорания на частоте 500 Гц в спектре вибраций с вибропреобразователей, расположенных на корпусе турбин, и датчиков пульсаций в камере сгорания, были спровоцированы и поддерживались резонансным возбуждением внутренних секторов жаровых труб ротором.

Отсутствие виброгорения на другом режиме диагностики - на частоте собственных колебаний внешних секторов жаровых труб (113 Гц) - объясняется тем, что режим диагностики, соответствующий частоте вращения 6780 об/мин, являлся переходным режимом работы газотурбинного двигателя.

По результатам испытаний разработаны мероприятия для устранения причин возникновения виброгорения.