СПОСОБ ОЦЕНКИ И ПОДДЕРЖАНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МНОГОРАЗОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ И ОХЛАДИТЕЛЯХ Российский патент 2003 года по МПК B64F5/00 

Изобретение относится к эксплуатации самолетов, например, типа Ту-154, двигателей к ним, например НК-8-2У, также может найти широкое применение при эксплуатации других наземных, авиационных, авиационно-космических и космических транспортных средств и их энергетических установок (ЭУ) многоразового использования (ЭУМИ) на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях.

Известно, что через определенное число циклов самолеты с воздушно-реактивными двигателями (ВРД) подвергают капитальному ремонту, что приводит к большим экономическим потерям из-за простоя летательного аппарата (ЛА). При разборке и ремонте ВРД в заводских условиях обнаруживается, что форсунки (особенно периферийные), форсуночные фильтры и подводящие топливные каналы к ним полностью закоксованы. Конструктивно эти подобные элементы ВРД хорошо показаны в [1].

Процесс осадкообразования является одним из негативных при эксплуатации ЭУМИ на жидких углеводородных горючих [2, 13, 14]. Частичное закупоривание топливоподающих каналов и фильтров приводит к уменьшению тяги, а частичное закупоривание форсунок - к нерасчетному струйному распылу, что может привести к локальному прогару жаровой трубы, к пожару и, как следствие, к возможному взрыву всего ЛА. Полное закупоривание топливной системы приводит к потере и обнулению тяги как ВРД, так и жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Кроме того, в рубашке охлаждения ЖРД из-за образования твердого осадка происходит самопроизвольный быстрый рост температуры стенки, что также приводит к ее прогару, пожару и взрыву ЭУ и всего ЛА. Экспериментально установлено, что процесс осадкообразования существует и в ЭУ, работающих на газообразных углеводородных горючих и охладителях, например на метане.

Процесс осадкообразования [14] особенно опасен в ЭУМИ. К наземным ЭУМИ можно отнести ЖРД, ВРД и другие ЭУ, применяемые в нефтегазовой промышленности (для повышения эффективности нефтеотдачи труднодобываемых битумных слоев, в системах перекачки и транспортировки природного газа и т.д.), в транспортных сухопутных и воздушных средствах, в малой и большой энергетике, в химической и других отраслях промышленности. К авиационным ЭУМИ - ВРД, ЖРД, гибридные и другие ЭУ различного класса и назначения, используемые в ЛА малой, средней и тяжелой авиации. К авиационно-космическим ЭУМИ - ВРД, ЖРД (основные и вспомогательные), гибридные ЭУМИ, используемые в воздушно-космических самолетах (ВКС) различных типов, классов и назначений. К космическим ЭУМИ - основные и вспомогательные ЖРД (ЖРДМТ - ЖРД малой тяги) для вывода ЛА на орбиту, для смены или коррекции орбиты, для обеспечения стыковки, посадки на другие планеты и взлета с них и т.п.; различные газотурбинные установки (ГТУ), применяемые в космических летательных аппаратах (КЛА); ЖРДМТ - для обеспечения стыковки, коррекции и смены орбиты, для обеспечения очистки околоземного космического пространства от космических объектов и мелких частиц путем их разрушения [8].

Процесс осадкообразования - это сложный процесс, происходящий в земных и космических условиях, зависящий от многих факторов:

где δ_OC - толщина твердого осадка на стенке;
Т_СТ - температура стенки;
Т_Ж,Г - температуры жидкого (газообразного) углеводородного горючего (охладителя);
р - давление в топливной системе;
W - скорость прокачки горючего (охладителя);
М - материал стенки;
П - химические присадки;
К_ШЕР - степень шероховатостей поверхности;
К_О2 - насыщенность горючего кислородом;
К_ИН - насыщенность инертными газами;
ТААК_ДАВЛ - термоакустические автоколебания давления;
Е - влияние электрического ветра;
N - число циклов (запусков-остановов) ЭУ;
t - длительность работы ЭУ;
В - вид горючего (охладителя), его физико-химические и др. характеристики.

Поскольку осадкообразование - это очень опасный и негативный процесс, то его необходимо учитывать уже на ранней стадии расчета, проектирования и создания ЭУ, особенно ЭУМИ [13-16].

Кроме того, этот процесс необходимо учитывать при создании и расчете формул - динамики движения, стабилизации и маневрирования ЛА и КЛА многоразового использования, что значительно уменьшит число необходимых циклов двигательной установки (ДУ), время стыковки, смены и корректировки орбиты, а также повысит точность программной динамики полета, экономичность топлива, число возможных запусков ДУ, надежность и безопасность всех процессов, включая посадку на другие планеты и взлет с них [14].

В существующих математических моделях управляемого движения ЛА (КЛА) [3] , в системах ориентации и стабилизации КЛА [4] отсутствует учет негативных последствий процесса осадкообразования. При создании теории и расчете энергосиловых установок ЛА, КЛА и их диагностики авторы [5-7] также не учитывали этого явления, а ограничивались только стандартными факторами отказов и контролируемыми параметрами ЭУ.

Наиболее близким аналогом является изобретение авторов [9], где приведен способ оценки и поддержания надежности самолетов и их силовых установок при эксплуатации авиационной техники по состоянию, раскрывается общий теоретический подход к анализу контролируемых параметров, но так же, как и в предыдущих, отсутствуют данные о негативности процесса осадкообразования, о необходимости его персонального учета и контроля в ЭУ многоразового использования, в частности в ДУ самолета Ту-154.

Автор [10, 11] уделяет процессу осадкообразования в системах контроля и диагностирования авиационных (вертолетных) ГТД весьма большее внимание, чем авторы [5-7] , однако он ограничивается только побочными измерениями (давления в предфорсуночном пространстве, расхода топлива), а не прямыми замерами твердых углеродистых отложений в различных узлах и агрегатах топливных и охлаждающих систем ЭУ. Кроме того, он отводит в интегральной схеме целый канал по регистрации этого негативного явления, даже сравнивает его с банком данных, заложенных в бортовую (наземную) ЭВМ, но все это является только отслеживанием и анализом результатов роста твердого углеродистого осадка. Необходимо отметить, что автор [10, 11] очень узко осветил негативность процесса осадкообразования в ГТД, т.к. не включил в систему контроля и диагностирования, например, заедание и заклинивание (из-за осадка) трущихся деталей топливно-регулирующей аппаратуры и золотников, что приводит к неуправляемости (даже к разносу и разрушению) ГТД, к коррозии деталей и другим негативным последствиям [2, 13, 14].

Можно отметить, что все системы контроля и диагностирования у авторов [10, 11, 6, 7 и др.] только лишь фиксируют наличие твердого углеродистого осадка в ЭУМИ (ГТД, ВРД, ЖРД и др.), но никаких средств борьбы с этим негативным явлением не включают, т.к. их нет, кроме одного - срочный останов двигателя с дальнейшим ремонтом, что не всегда является возможным (как в земных, так и в космических условиях), а иногда уже запоздалым и ненужным (из-за пожара и взрыва ЭУМИ и всего ЛА, КЛА и др. техносистем).

Авторы [10, 11, 6, 7 и др.] применяют постоянный или периодический контроль за изменением рабочих параметров (в том числе и косвенный - за осадкообразованием), хотя возможно (и необходимо) проведение одновременно этих двух видов контроля (иногда совмещая их со средствами борьбы с осадком) [13-15].

В ходе экспериментальных исследований были разработаны следующие системы контроля за процессом осадкообразования [13-15, 17]:
1. Оптико-визуализационные (фотооптические, телеэндоскопические, внешнего осмотра).

2. Электромеханические (конусного типа, объемного замера, пневмогидравические, расходомерные).

3. Электронные (бесконтактная диагностика) (двух- и многоигловые (стационарные, подвижные), сетчатого типа (однослойные, двухслойные, многослойные), электростатические зонды).

4. Тепловые (термопарного типа (стационарные, подвижно-регулируемые, сканирующие), термопластины с эффектом "памяти формы" (стационарные, подвижно-регулируемые)).

5. По виду контроля: непрерывного (постоянного), периодического, смешанного (комбинированного).

Данная система контроля позволяет осуществлять не только косвенный, но и прямой контроль за возникновением, ростом, самопроизвольным откалыванием или специальным удалением твердого углеродистого осадка [13-15, 17], а также включение средств предотвращения этого негативного процесса, например, электростатическими полями [16].

Авторы [12] предлагают осуществлять контроль загрязнения газотурбинного тракта ГТД емкостным датчиком с электродами, однако для замера толщины слоя твердых углеродистых отложений он негоден, т.к. процесс осадкообразования - это сложный химико-термический процесс, возникающий при давлении р>0,1 МПа и температуре Г_СТ>450 К в топливно-охлаждающих трактах, механизмах и узлах ЭУМИ до зоны воспламенения и горения, например в предфорсуночном пространстве [13-17] . Все, что происходит с химико-термическим превращением топлива в зоне горения ЭУМИ (в сопле, в жаровой трубе и т.д.) - это уже нагарообразование, сажеобразование, но не осадкообразование, хотя эти процессы и являются также негативными. Автору [12] и другим специалистам и разработчикам необходимо знать, что осадкообразование не может "налепляться" на какие-либо поверхности, оно возникает (зарождается) и растет только на металлических поверхностях как при естественной, так и при вынужденной конвекции жидких (и газообразных) углеводородных горючих и охладителей. В газообразном метане, например, скорость осадкообразования в 10 раз меньше, чем в жидких углеводородных горючих - проверено экспериментально [14]. Автором [2] установлено, что природа осадкообразования носит электрический характер, что подтверждено также многочисленными опытами при до- и сверхкритических параметрах по давлению и температуре в условиях естественной и вынужденной конвекции различных углеводородных горючих и охладителей [13, 14]. Нанесение даже тонкого электроизоляционного слоя на греющую металлическую стенку (поверхность) является одним из способов борьбы (предотвращения) с процессом осадкообразования [13, 14]. Т.е. устройство авторов [12] возможно применять для улавливания загрязняющих (металлических и (или) других) частиц, которые движутся в газодинамическом потоке продуктов сгорания, осаждаясь или "налепляясь" на электродных стенках, образуя какой-либо слой грязи, толщину которого, по их утверждениям, можно измерить. В данном изобретении [12] слой "налепленной" грязи нельзя принимать за слой твердого углеродистого осадка. Кроме того, весьма сомнительным является и работоспособность самого устройства [12] из-за наличия слоя изоляции на одном из электродов. Почему-то авторы [12] не учитывают и скорость всего потока, т.к. существуют определенные границы влияния поперечных электростатических полей на движение (траекторию) различных частиц (металлических и неметаллических). Например, экспериментально обнаружено, что в жидких углеводородных горючих при их скорости прокачки W>6 м/с, а в газообразных (в метане) при массовой скорости прокачки ρW>120 кг/(м²•с) - поперечные электростатические поля уже не влияют на какие-либо перемещения частиц в сторону от оси всего потока, а также на интенсификацию теплообмена и др. процессы [13, 14]. В данном случае [12] может быть было бы достаточным обеспечить, например, крутку всего потока в расширяющейся части канала, а загрязняющие частицы улавливать центробежными силами (по принципу циклона) с дальнейшей их фильтрацией и утилизацией, возможны и др. варианты. В газодинамическом канале ГТД [12] скорее всего при помощи электростатических полей возможно организовать только бесконтактный ионизационный контроль за продуктами сгорания [13, 14], т.к. значения скоростей потока весьма велики.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности, безопасности, эффективности, экономичности и экологичности перспективных ЭУМИ на углеводородных горючих и охладителях в земных и космических условиях.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что:
1. Контроль негативного процесса осадкообразования осуществляется не только косвенными измерениями рабочих параметров (давления и расхода горючего), но и прямыми замерами толщины твердого углеродистого осадка специальными и (или) комбинированными датчиками и системами контроля [13-15, 17].

2. Контроль негативного процесса осадкообразования осуществляется в постоянном и периодическом режимах. Примером может служить периодический контроль осадка в канале распылителя форсунки при помощи контрольной осевой иглы 1 (см. рис. 11 [13]), в период постоянного контроля за осадком на входных отверстиях форсунки при помощи радиальных контрольных игл 1, 2, 3, 4, 5, 6 (см. рис.10 (а, б) [13, 17]), или в период постоянного контроля за осадком в системах, приведенных на рис.4, 7 (а, б) [13] и др., или в период постоянного контроля за осадком путем замера температуры стенки Т_СТ сопла (или жаровой трубы) для обнаружения локальной зоны перегрева в связи со струйным нерасчетным распылом горючего из-за частичного закоксования (закупоривания) одной форсунки (или нескольких форсунок сразу) [13].

3. Рабочие органы контрольных датчиков могут (при необходимости) выполнять роль рабочих органов систем борьбы (удаления) с осадком. Примером может служить контрольная осевая игла 1 (рис.11 [13]), имеющая жало в виде кольцевого ножа, которым можно выдавить (вырезать) твердый осадок из канала распылителя форсунки, если он будет там обнаружен [13]. Другим примером может служить игла 6 (рис.11 [13]), которая также может вести контроль за осадком и вдавить его внутрь форсунки, если, например, откажет игла 1 (рис. 11 [13] ). А гофрированные каналы из металла с "памятью форм" самостоятельно (при определенном нагреве и увеличении температуры стенки выше нормы из-за осадка) начинают выпрямляться (или сжиматься), разрушая при этом твердый слой углеродистого осадка, т. е. здесь одновременно совмещены и датчик контроля за Т_СТ и осадком, и система борьбы с осадком (система удаления осадка).

4. Сигнал об осадкообразовании идет не только в систему статистического учета и анализа, но и в систему борьбы с осадкообразованием (фиг.1), состоящей из системы предотвращения и системы удаления осадка, включение которых может осуществляться в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах (наземным оператором, летчиком, космонавтом). Система предотвращения осадка - это использование электростатических полей, создание электроизоляционного поверхностного слоя, создание оребренной поверхности, обеспечение усиленного режима охлаждения опасных зон и др. [13, 14, 16]. Система удаления осадка - это искусственное создание режима термоакустических автоколебаний давления (ТААК давления) в топливно-охлаждающих каналах ЭУМИ, использование рабочих осевых игл, использование гофрированных каналов из металлов с "памятью форм" и (или) с возможностью механического воздействия внешними силами, применение конструктивных схем с заменяемыми элементами (например, форсуночными фильтрами и т.д.) и др. [13, 14]. Система борьбы с осадкообразованием является новой, т.к. ее нет ни в одной блок-схеме управления ЛА, КЛА, ЭУМИ, даже в системе управления (контроля, диагностирования) РН "Энергия" - ВКС "Буран", а также в диагностическом комплексе, например "Град" и др. системах [13, 14].

5. Информация об осадкообразовании поступает не только в системы статистического учета и анализа борьбы с осадкообразованием, но и на специальное табло наземного оператора, летчика, космонавта, содержащее оперативные сведения, как показано в таблице, в постоянном режиме (например, в период работы ЭУМИ, до- и после включения систем борьбы с осадкообразованием), а также в периодическом (например, в период молчания ЭУМИ на Земле - при подготовке ЭУМИ к запуску или профилактических работах, или в космосе - на орбите). Данное табло является новым и раскрывает практически всю реальную картину процесса осадкообразования в ЭУМИ в любой момент времени, позволяет оценить оперативную обстановку: время до полного выхода из строя форсунок, каналов; рабочий ресурс ЭУМИ; возможное число включений базовых и вспомогательных ЭУМИ; реальную тягу каждого двигателя в условиях процесса осадкообразования; результаты работы системы борьбы с осадкообразованием и др. [13, 14].

Поскольку автор [10] больше других авторов [3-9, 12] уделяет внимание проблеме осадкообразования в ЭУМИ на углеводородных горючих и охладителях, хотя и осуществляет только косвенный контроль за этим негативным процессом (по давлению в предфорсуночном пространстве и расходу топлива), то его материал можно принять за аналог-прототип предлагаемого изобретения: "Способ оценки и поддержания надежности энергетических установок многоразового использования на углеводородных горючих и охладителях, включающий статистический учет и системный анализ изменения контролируемых параметров, в котором ведут контроль постоянный или периодический, результаты которого сравнивают с теоретико-экспериментальными и расчетными значениями, заложенными заранее в банк данных наземной и (или) бортовой ЭВМ".

Предлагаемое изобретение отличается тем, что:
1. Осуществляют прямой контроль за негативным процессом осадкообразования в постоянном или периодическом режимах, результаты оперативного контроля поступают в блок оценки эффективности тяги, на табло наземного оператора (летчика, космонавта), после анализа, выбора и задействования средств борьбы с осадком срабатывает блок выбора двигательных установок и времени работы, а сигнал на включение командного блока запуска двигательных установок после принятия окончательного решения поступает от оператора (летчика, космонавта).

2. Табло оператора (летчика, космонавта) содержит всю информацию о процессе осадкообразования во всех двигательных установках, их топливо-подающих и охлаждающих системах, о новых (предполагаемых) значениях тяг, о времени возможной работы и числе запусков двигательных установок до начала аварийной ситуации, о результатах принятия экстренных мер и контроле их выполнения в автоматическом или ручном режимах.

Применение данного изобретения будет способствовать повышению ресурса, надежности, безопасности, эффективности, экономичности и экологичности наземных, авиационных, аэрокосмических и космических ЭУМИ на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях.

Источники информации
1. Кузнецов Н.Д., Радченко В.Д., Татаринов В.В. и др. //Авторское свидетельство СССР 240391, кл. F 23 С 7/00, F 23 D 11/26; F 23 D 11/40, 1983.

2. Большаков Г. Ф. Химия и технология ракетного топлива. Л.: Химия. - 1983. - 320 с.

3. Математические методы моделирования в космических исследованиях //Сб. научн.-техн. статей. М.: Наука. - 1971. - С.177-188.

4. Бебеник Г. Г. , Скребушевский B.C., Соколов Г.А. Системы управления полетом космических аппаратов. М.: Машиностроение. - 1978. - С.72-201.

5. Квасников Л.А., Латышев Л.А., Севрук Д.Д., Тихонов В.Б. Теория и расчет энергосиловых установок космических летательных аппаратов //Учебник для авиационных специальностей вузов. М.: Машиностроение. - 1984. - 332 с.

6. Косточкин В.В. Надежность авиационных двигателей и силовых установок. М.: Машиностроение. - 1988. - 272 с.

7. Гафуров Р. А., Соловьев В.В. Диагностика внутрикамерных процессов в энергетических установках. М.: Машиностроение. - 1991. - 272 с.

8. Корягин Ю. В. , Долгих В.Н., Севин В.И. и др. Способ очистки околоземного космического пространства от космических объектов и мелких частиц путем их разрушения и устройство для его осуществления //Патент Российской Федерации 2092409, кл. В 64 G 9/00, 1997.

9. Шенгердт А.С., Автоманов А.И., Аристархов Г.Г. и др. Способ оценки и поддержания надежности самолетов и их силовых установок при эксплуатации авиационной техники по состоянию //Патент Российской Федерации 2038991, кл. В 64 F 5/00, 1995.

10. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Транспорт. - 1980. - С.54-60. - Рис.17 (интегральная диагностическая система).

11. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Транспорт. - 1980. - С.119-120.

12. SU 1170274, кл. G 01 D 5-56, 30.07.1985.

13. Алтунин В.А. Методика создания систем контроля аномальных процессов в аэрокосмических энергоустановках многоразового использования на углеводородных горючих и охладителях //Труды XXXVI Чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского (Калуга, 18-20 сентября 2001 г.). Секция: "Проблемы ракетной и космической техники". Казань: Изд-во "Унипресс". - 2002. - С.91-103.

14. Алтунин В. А. Особенности теплоотдачи к углеводородным горючим в энергоустановках аэрокосмических систем многоразового использования //Изв. вузов. Авиационная техника. - 2001. - 4. - С.38-41.

15. Алтунин В.А. Способ обнаружения процесса осадкообразования в энергетических установках на углеводородных горючих и охладителях //Патент РФ на изобретение 2194974, кл. G 01 N 25/72, G 01 К 7/02 с приоритетом от 04.08.1998 (бюл. 35 от 20.12.2002).

16. Алтунин В.А. Форсунка //Патент РФ на изобретение 2155910 с приоритетом от 3.08.1998 (бюл. 25 от 10.09.2000).

17. Алтунин В.А. Устройство по обнаружению и замеру твердых углеродистых отложений в энергетических установках одно- и многоразового использования //Заявка на изобретение (патент) РФ 98115091 с приоритетом от l7.08.1998.

Изобретение относится к области эксплуатации самолетов и их двигательных установок, может также применяться и в других (наземных, космических) энергетических установках многоразового использования (ЭУМИ) на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях. Сущность изобретения заключается в том, что негативный процесс осадкообразования в ЭУМИ контролируется не только косвенными измерениями (давления и расхода горючего в предфорсуночном пространстве ЭУМИ), но и прямыми замерами толщины твердого углеродистого осадка специальными и (или) комбинированными датчиками и системами контроля в постоянном и периодическом режимах, где рабочие органы контрольных датчиков могут выполнять роль и рабочих органов новой системы борьбы с осадком, состоящей из системы предотвращения и системы удаления осадка, включение которых может осуществляться в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах (наземным оператором, летчиком, космонавтом), а вся информация об осадке и возможных негативных последствиях (потере тяги, пожаре, взрыве ЭУМИ и др.) выводится на новое специальное табло в постоянном и периодическом режимах. Изобретение позволяет своевременно предотвратить аварийные ситуации, повысить ресурс, надежность, эффективность и экологичность наземных, авиационных, аэрокосмических и космических ЭУМИ на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ оценки и поддержания надежности энергетических установок многоразового использования на углеводородных горючих и охладителях, включающий статистический учет и системный анализ изменения контролируемых параметров, в котором ведут контроль постоянный или периодический, результаты которого сравнивают с теоретико-экспериментальными и расчетными значениями, заложенными заранее в банк данных наземной и(или) бортовой ЭВМ, отличающийся тем, что осуществляют прямой контроль за негативным процессом осадкообразования в постоянном или периодическом режимах, результаты оперативного контроля поступают в блок оценки эффективности тяги, на табло наземного оператора (летчика, космонавта), после анализа, выбора и задействования средств борьбы с осадком срабатывает блок выбора двигательных установок и времени работы, а сигнал на включение командного блока запуска двигательных установок после принятия окончательного решения поступает от оператора (летчика, космонавта). 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что табло оператора (летчика, космонавта) содержит всю информацию о процессе осадкообразования во всех двигательных установках, их топливоподающих и охлаждающих системах, о новых (предполагаемых) значениях тяг, о времени возможной работы и числе запусков двигательных установок до начала аварийной ситуации, о результатах принятия экстренных мер и контроле их выполнения в автоматическом или ручном режимах.