СПОСОБ КОНТРОЛЯ РЕЖИМА ГОРЕНИЯ В ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F23N5/00 G01R33/02 

Изобретение относится к авиационной, газовой и электроэнергетической отраслям техники и может быть использовано для контроля пламени и режимов горения в газотурбинных установках электроэнергетических и газоперекачивающих систем, а также режимов горения в авиационных двигателях.

Режимы горения в газотурбинных установках (ГТУ) могут быть установившиеся и неустановившиеся. К установившимся режимам относятся режимы работы ГТУ с фиксированной мощностью, когда основные параметры процесса горения в течение длительного времени практически не меняются. К неустановившимся относятся режимы запуска, останова, регулирования. Высокая энергонапряженность процессов в камере сгорания ГТУ оказывает существенное влияние на протекание неустановившихся режимов горения, на возбуждение в камере сгорания колебательных процессов. Системы контроля режимов горения при измерении параметров в теплонапряженных режимах должны обладать высоким быстродействием для своевременной сигнализации об аварийных ситуациях и работать как в установившихся, так и неустановившихся режимах эксплуатации.

Известны способы контроля режима горения в ГТУ путем измерения температуры высокотемпературного газового потока в газовых трактах. Известен калориметрический способ измерения температуры газового потока с отбором нагретого газа на выходе из камеры сгорания или на входе в турбину турбореактивного двигателя путем измерения температуры охлаждающего воздуха (см. [1], с.18-19, а также пат. США №3769792).

Однако такой способ контроля является косвенным. Калориметрический датчик связан с газовоздушным трактом турбореактивного двигателя через отверстие в корпусе ГТУ, что снижает его конструктивную надежность.

Известен акустический способ измерения температуры в высокотемпературных трактах ГТУ с использованием струйных датчиков (см. [1], с.17-18), в которых используется зависимость частоты непрерывных акустических колебаний объемного резонатора датчика от температуры поступающего через заборник высокотемпературного газа, ответвленного из основного потока ГТУ.

Недостатком способа контроля режима горения в ГТУ с использованием струйного датчика является косвенный контактный характер измерений, при котором часть высокотемпературного газа отводится через заборник (контакт) в резонансную полость струйного датчика и там автономно анализируется независимыми от процесса горения в газовом тракте ГТУ методами. При этом связь параметров акустических колебаний в резонаторе датчика с температурой газового потока в тракте ГТУ является косвенной. Врезка датчика в конструкцию ГТУ снижает ее надежность.

Известно, что в ГТУ при их функционировании возбуждаются акустические колебания, источником которых является процесс горения непосредственно в их камерах сгорания. Поэтому параметры этих колебаний напрямую связаны с процессами горения и характеризуют режим горения в ГТУ, а результаты их измерений могут быть использованы для контроля режима горения в ГТУ (см., например, [2], с.368-370, 464-466 и др.). При этом устройство осуществления способа контроля режима горения в ГТУ может быть выполнено на элементах струйного датчика путем введения пьезоэлектрического преобразователя непосредственно в высокотемпературный газовый тракт ГТУ в области камеры сгорания и последующего использования получаемых сигналов при воздействии акустических колебаний на пьезоэлемент для контроля режима горения в ГТУ.

Однако при этом также используется контактное устройство контроля режима горения. Поэтому струйный датчик является только аналогом заявляемого устройства осуществления способа контроля режима горения, недостатки которого заключаются в конструктивной ненадежности, особенно при его встраивании в высокотемпературные тракты ГТУ и использовании в теплонапряженных режимах. Кроме того, системы контроля, основанные на измерении температуры, инерционны и непригодны для высокочастотных измерений, характерных для высокотемпературных процессов в камере сгорания ГТУ.

Известны более быстродействующие электрофизические способы контроля режимов функционирования РД, которые можно использовать в камерах сгорания ГТУ и которые основаны на регистрации токов эмиссии электрических зарядов и измерении собственных магнитных полей истекающих высокотемпературных газовых струй (см., например, патент США №4587614, кл. G 08 В 29/00, 1986 г., А.с. СССР №538312, кл. G 01 R 33/02, 1975 г., А.с. СССР №1778715, кл. G 01 R 33/02, 1992 г., А.с. СССР №2145718, кл. G 01 R 33/02, 2000 г. и др.)

Из известных способов близким по технической сущности к заявляемому является способ контроля режимов функционирования реактивного двигателя (РД) по авторскому свидетельству А.с. №1778715, кл. G 01 R, 33/02, 1992 г. под названием “Способ измерений токов в плазме” [3].

Известный способ заключается в том, что контроль режима функционирования РД осуществляют путем измерения сигналов электродвижущей силы (ЭДС) индукции, возникающей при взаимодействии электронной компоненты высокотемпературного газового потока двигателя с чувствительным элементом, помещенного на поверхность сопла магнитного зонда, с последующим сравнением измеренных сигналов с эталонными. Измерения проводят с помощью кольцевого магнитного датчика, чувствительный элемент которого при измерении перемещают вдоль оси сопла двигателя, определяя оптимальные условия для обнаружения аномальных режимов, характеризующих разрушение целостности элементов конструкции внутри высокотемпературного газового тракта. Размещение кольцевого магнитного датчика вдали от камеры сгорания двигателя снижает его чувствительность к сигналам, характеризующим режимы горения внутри камеры сгорания, что, однако, исключает возможность эффективного использования этого аналога в заявленном способе контроля режима горения в ГТУ.

Изобретение [3] направлено на обнаружение целостности элементов конструкции РД и определение начала разрушения двигателя. Это событие объективно носит случайный характер. Разрушение двигателя в отличие от штатных режимов функционирования, диагностируемых в заявленном техническом решении, может наступить, а может и не наступить. А штатные режимы функционирования РД при выполнении определенных условий наступают всегда, хотя наступление аварийных ситуаций в контролируемых режимах также является случайным событием. Обнаружение нарушения целостности элементов конструкции в [3] основано на существенном отличии потенциалов ионизации характерных частиц газового потока (Е_{о газ} ~ 13,6 эВ) от потенциалов ионизации конструкционных материалов (Е_{о мат} ~ 6,8-7,6 эВ). Появление в потоке частиц конструкционных материалов увеличивает амплитуду измеряемых сигналов, например, в 2 раза, что позволяет надежно контролировать нарушение целостности элементов конструкции двигателя. Кроме того, для регистрации импульсных измерительных сигналов при учете случайности их появления требуется применение в регистрирующей аппаратуре широкополосных (полосовых) усилителей-преобразователей, что обеспечит необходимое превышение полезного сигнала над помехой, в разряд которой попадают также сигналы о штатном функционировании ГТУ, заявляемые согласно данному техническому решению.

Поэтому недостатком аналога-способа является недостаточная чувствительность магнитного зонда к измерению высокочастотных колебаний, возбуждаемых внутри камеры сгорания и характеризующих различные режимы функционирования ГТУ.

Устройство для осуществления способа [3] можно рассматривать как аналог заявляемого устройства для осуществления способа контроля режима горения в ГТУ. В аналоге магнитным зондом в виде измерительного контура охватывают расширяющуюся проточную часть сопла РД и подсоединяют с помощью коммутационной линии к аппаратуре, позволяющей производить анализ измеренных сигналов ЭДС индукции во временной и частотной области. В силу вышеприведенной характеристики формируемых вдали от камеры сгорания (КС) импульсных сигналов усилительно-преобразовательная аппаратура должна быть широкополосной. При этом формирование сигналов вдали от КС позволяет снизить уровень помех от сигналов, обусловленных процессами в высокотемпературном газовом потоке непосредственно в КС, в том числе от сигналов, характеризующих штатные режимы функционирования РД.

Таким образом, способ [3] и устройство для его осуществления как аналоги заявляемых технических решений не могут обеспечить достаточную чувствительность измерения сигналов ЭДС индукции, характеризующих штатные режимы функционирования, и не могут привлекаться для разработки средств и методов контроля режимов горения в ГТУ.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого способа контроля режима горения ГТУ является “Способ диагностики аномальных режимов функционирования реактивных двигателей” [4], основанный на диагностировании режимов функционирования РД измерениями во внешней области с помощью датчиков-антенн локальных значений параметров электрических и магнитных полей внутри высокотемпературного газового потока и на последующем сравнении измеряемых сигналов с эталонными. При этом контролируемое пространство вокруг двигателя разбивают на n(n>1) поперечных или продольных сечений, в каждом сечении вблизи внешней поверхности двигателя устанавливают к(к>1) трехкомпонентных (векторных) датчиков (антенны) и измеряют ими три ортогональных компоненты электрических и три ортогональных компоненты магнитных полей, обусловленные электрическими разрядами и токами в высокотемпературной электропроводной среде реактивной струи. Кроме того, измеряют соответствующие параметры сигналов помехового воздействия и параметры функционирования двигателя.

После этого измерения заканчиваются и начинается обработка результатов измерений стандартной подсистемной обработки сигналов, в состав которой входит персональный компьютер (ПЭВМ). Далее в колонке 10 четвертый абзац (см. [4]) написано: “Обработку данных осуществляют расчетами амплитудных спектров измеряемых сигналов... Расчетные зависимости, хранящиеся в памяти внешнего запоминающего устройства, преобразуют в соответствующие напряжения сигналов, а затем сравнивают с уровнями эталонных сигналов”. Согласно Правилам [7] п.2.2 “Не признаются изобретениями методы выполнения умственных операций, алгоритмы и программы для вычислительных машин”. Следовательно, расчетные операции по определению амплитудных спектров измеряемых сигналов в [4] не могут быть противопоставлены амплитудным спектрам, полученным путем измерений. Проводят расчетный спектральный анализ результатов измерений, определяют взаимные спектральные корреляционные характеристики между компонентами сигналов одинаковой ориентации для каждой пары датчиков двух соседних сечений, а также между компонентами сигналов каждого датчика и сигналами параметров рабочего процесса двигателя. Выявляют спектральные составляющие аномальных (эрозионных) процессов в заданных диапазонах частот для различных режимов и временных интервалов.

Из приведенного неполного перечня из формулы изобретения всех необходимых измерений и сложного последующего расчетного анализа спектральных корреляционных регрессивных зависимостей между интенсивностями аномальных (эрозионных) процессов и параметрами функционирования двигателя следует, что измерения удовлетворяют требованиям научного исследования вероятностных процессов в высокотемпературных газовых трактах двигателя, но являются избыточными и неэффективными для оперативного контроля штатных режимов горения в КС РД и ГТУ, что очевидно из блок-схемы на фиг.1 и фиг.2 и результатов спектрального анализа на фиг.3, представленных в [4]. Информация на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 позволяет установить, что способ диагностики режимов функционирования в [4] наиболее близок по технической сущности и привлекаемым техническим средствам заявляемому способу контроля режима горения в ГТУ и устройству для его осуществления. Поэтому [4] может быть выбран в качестве комплексного прототипа заявляемого технического решения. Действительно, как следует из фиг.1 и фиг.2, магнитные антенны-зонды могут быть установлены вблизи камеры сгорания и могут зарегистрировать сигналы функционирования ГТУ как в штатном, ток и в аварийном режимах. Однако в соответствии с идеологией [4] значительная часть оборудования в заявляемом техническом решении оказывается не востребованной (см. фиг.1 в [4]), а полученные сигналы из-за широкополосной регистрации содержат сумму (“кашу”) из аварийных и нормальных сигналов (см. фиг.3 в [4]), которую можно разобрать только с помощью заявляемого технического решения. Более подробно это представлено в описании устройства прототипа.

Из известных устройств для осуществления бесконтактного способа контроля режима горения в ГТУ наиболее близким по технической сущности является устройство осуществления “Способа диагностики аномальных режимов функционирования реактивных двигателей” по А.с. СССР №145718, кл. G 01 R 33/02 по заявке №991008831/09 от 21.01.1999 г., Бюл. №5 от 20.02.2000 г. [4], которое может быть выбрано в качестве прототипа заявляемого устройства. Устройство-прототип [4] содержит магнитный зонд, чувствительный элемент которого размещен на поверхности корпуса РД и выполнен в виде трехкомпонентного датчика магнитных полей (трехканального магнитного зонда), связанного с системой диагностики, состоящей из подсистемы измерений, подсистемы обработки сигналов и подсистемы аварийной защиты РД. При этом подсистема измерений включает трехкомпонентные датчики (зонды) электрических и магнитных полей, датчики параметра, определяющего рабочий процесс РД, и широкополосные усилители-преобразователи сигналов датчиков. Подсистема обработки сигналов включает в себя аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи сигналов, оперативные и внешние запоминающие устройства, персональный компьютер и др. Обработку данных осуществляют расчетами амплитудных спектров измеряемых сигналов, выявляют спектральные составляющие аномальных (эрозионных) процессов в заданных диапазонах частот для различных режимов функционирования РД. Расчетные зависимости преобразуют в соответствующие напряжения сигналов, а затем сравнивают с уровнем эталонных (прогнозируемых) сигналов и судят об интенсивности и координатах начала возникновения разрушения и об обусловивших это разрушение параметрах и режимах функционирования РД (см. [4] и [7]). В результате в подсистеме аварийной защиты формируют управляющий сигнал в блок управления РД для блокирования аномальных режимов функционирования РД.

Таким образом, подсистема аварийной защиты для обеспечения безаварийного функционирования РД связана с блоками управления режимом РД и подсистемой обработки сигналов. Далее для краткости изложения из системы диагностики выделен трехканальный магнитный зонд, а оставшаяся часть получила обобщающее название - контрольно-испытательная аппаратура (КИА). Такое название известно и используется в других технических решениях (см., например, А.с. СССР №103543; №123905; №150859 и др., используемых в устройствах контроля и испытания электрореактивных двигателей).

Недостатком прототипа - устройства на основе магнитного зонда и сопряженной с магнитным зондом контрольно-испытательной аппаратуры является недостаточная чувствительность к измерению высокочастотных электромагнитных колебаний, возбуждаемых внутри камеры сгорания и характеризующих различные режимы горения.

Действительно, магнитный зонд, используемый в заявляемом техническом решении, в прототипе согласно фиг.1 [4] связан с подсистемой обработки сигналов через полосовые (широкополосные усилители-преобразователи), которые не могут селективно (избирательно) на заданной частоте выделять узкополосные высокочастотные сигналы, характеризующие заданные штатные режимы функционирования ГТУ. Поэтому такие узкополосные сигналы не могут быть обработаны в подсистеме обработки сигналов и использованы в подсистеме аварийной защиты РД, как это предусмотрено в [4]. Поэтому контрольно-испытательная аппаратура в заявляемом техническом решении должна иметь иное функциональное строение.

Задачей изобретения является повышение чувствительности измерения высокочастотных колебаний электропроводной компоненты газового потока для характеристики различных режимов горения в камере сгорания ГТУ.

Для решения поставленной технической задачи в способе контроля режима горения в ГТУ, заключающемся в измерении сигналов электродвижущей силы (ЭДС), индукции, возникающей при взаимодействии электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока с чувствительным элементом магнитного зонда, размещенного на поверхности корпуса ГТУ, и сравнении измеряемых сигналов с эталонными, при измерении сигналов ЭДС индукции селективно выделяют компоненты сигнала, обусловленные колебаниями электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока при зажигании газа в камере сгорания (КС) ГТУ и характерные для режима запуска ГТУ, режимов функционирования ГТУ с фиксированной мощностью и для аварийных режимов, проводят их сравнение с эталонными сигналами и устанавливают соответствие контролируемого режима норме. При этом эталонные сигналы аналогично получают путем измерения сигналов ЭДС индукции и селективного выделения компонентов сигнала при функционировании ГТУ в соответствующих режимах в процессе пуско-наладочных испытаний ГТУ и воспроизводят при эксплуатации ГТУ путем их формирования в качестве эталонных сигналов соответственно для контроля режима запуска ГТУ, режимов функционирования ГТУ с фиксированной мощностью и для контроля аварийных режимов функционирования ГТУ.

Дополнительно в способе контроля режима горения в ГТУ при контроле запуска ГТУ определяют момент зажигания газа в КС ГТУ по появлению при выделении характерных компонент сигнала запуска доминирующей компоненты с минимальной частотой f_{пред.мин}, которую определяют при сравнении с эталонным сигналом, полученным в процессе испытания запуска при пуско-наладочных испытаниях ГТУ.

Дополнительно в способе контроля режима горения в ГТУ при контроле различных уровней мощности функционирования ГТУ в процессе пуско-наладочных испытаний устанавливаются фиксированные уровни мощности, для которых путем измерения сигналов ЭДС индукции и последующего селективного выделения определяют соответствующие этим фиксированным мощностям частоты и уровни компонентов сигнала ЭДС индукции, которые используют в качестве эталонных сигналов при установлении и контроле данного режима горения в процессе эксплуатации ГТУ.

Для решения поставленной технической задачи в устройство для осуществления способа контроля режима горения в ГТУ, содержащее размещенный на поверхности корпуса ГТУ магнитный зонд и связанную с блоками запуска и управления ГТУ контрольно-испытательную аппаратуру, дополнительно введены три канала селекции сигналов магнитного зонда и блок анализа, при этом каждый канал селекции состоит из последовательно соединенных блока спектральной селекции, схемы сравнения и блока формирования эталонных сигналов, входы блоков спектральной селекции подключены к соответствующим выходам магнитного зонда, выходы блоков спектральной селекции подключены к первым входам схем сравнения, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих блоков формирования эталонных сигналов, а входы схем сравнения через блок анализа связаны со входами контрольно-испытательной аппаратуры, выходы которой через блок анализа связаны со входами соответствующих блоков формирования эталонных сигналов.

Разработанные бесконтактный способ контроля режимов зажигания и горения в ГТУ на основе измерения параметров электрофизических полей и устройство для его осуществления позволяют с помощью накладных магнитных датчиков (зондов) контролировать режимы функционирования ГТУ, например, при ее использовании в авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) [5]. Известна методика автоматизированной проверки работоспособности ГТД в условиях эксплуатации с учетом того, что работоспособность двигателя может быть охарактеризована параметрами переходных процессов, которые претерпевают значительные изменения в зависимости от наработки. При этом форма переходных процессов и их длительность у одного и того же типа двигателей, установленных на однотипных летательных аппаратах, могут существенно различаться. Поэтому эталонные сигналы, устанавливаемые в предлагаемом способе для сравнения с фактически измеренными сигналами, пригодны для контроля режимов зажигания и горения только при условиях их систематического подтверждения на различных предварительных (предполетных) испытаниях с использованием автоматизированных систем контроля ГТД (АСК) (см. [5], с.179-215).

Сущность способа контроля режима горения в ГТУ и устройства для его осуществления иллюстрирует функциональная блок-схема на фиг.1 и эпюры спектра доминирующих частот сигналов ЭДС индукции магнитного зонда при различных фиксированных режимах ГТУ на фиг.2. При этом на фиг.2 представлены эпюры сигналов ЭДС индукции магнитного зонда после спектрального выделения: по оси Х представлены частоты спектральных составляющих, по оси У - амплитудные составляющие в вольтах (В), стрелками на каждой эпюре показаны уровни мощности ГТУ в киловаттах (кВт).

Согласно фиг.1 устройство для осуществления способа контроля режима горения в ГТУ состоит из ГТУ1, компрессора 2, камеры сгорания 3 со свечами зажигания 4, турбины 5, камеры дожигания 6, выходного сопла 7. Топливо в камере сгорания 3 и дожигания 6 поступает через трубопроводы 8. Магнитный зонд 9 размещен на поверхности корпуса ГТУ в зоне камеры сгорания. К трем выходам магнитного зонда 9 подсоединены соответственно канал селекции сигналов запуска ГТУ (канал - а), канал селекции сигналов магнитного зонда в режиме функционирования ГТУ с фиксированной мощностью (канал - б) и канал селекции сигналов при аварийном режиме функционирования ГТУ (канал - с).

Каналы селекции сигналов ЭДС индукции (каналы а, б, с) магнитного зонда 9 функционально аналогичны друг другу и состоят в каждом канале из блоков спектральной селекции 10, 11, 12; схем сравнения 13, 14, 15; блоков формирования эталонных сигналов 16, 17, 18. Выходы схем сравнения подключены на входы блока анализа 19, выходы которого по линиям связи а', б', с' подключены к входам контрольно-испытательной аппаратуры 20, выходы которой по линиям управления связаны с блоком анализа 19, а также с блоками запуска и управления ГТУ1: блоком автоматического запуска 21, который, в свою очередь, связан с пусковой установкой 22; блоком электрического зажигания 23 и автоматом дозировки топлива 24. Выходы блоков запуска и управления ГТУ1 связаны (показано стрелками) с приводом запуска компрессора, свечами зажигания 4 и трубопроводами подачи топлива 8.

Способ контроля режимов горения в ГТУ в установившихся и неустановившихся, а также в аварийных режимах согласно фиг.1 осуществляют следующим образом.

Перед началом работы ГТУ1 для контроля режимов ее функционирования магнитный зонд 9 помещают на поверхности корпуса ГТУ в зоне камеры сгорания 3 вблизи критического сечения. Выходы магнитного зонда 9 подключают на вход блока спектральной селекции 10 для контроля режима запуска ГТУ, на вход блока спектральной селекции 11 для контроля установившегося режима функционирования ГТУ с постоянной (фиксированной) мощностью и на вход блока спектральной селекции 13 для контроля аварийных режимов. Функционирование ГТУ1 в этих режимах, особенно при пуско-наладочных работах сопровождается высоким уровнем вибрации отдельных узлов, которые по возможности необходимо выявить и устранить в процессе пуско-наладочных испытаний ГТУ. На этом этапе функционирования ГТУ получают информацию о режиме ее запуска, о режимах функционирования ГТУ в различных штатных режимах функционирования ГТУ в различных штатных режимах мощности, а также в аварийных режимах, в которых проверяется функционирование автоматов защиты ГТУ по сигналам контрольно-испытательной аппаратуры 20, и по сигналам магнитного зонда 9. При этом по каналам селекции сигналов магнитного зонда измеряют доминирующие частоты и уровни (амплитуды) спектральных составляющих сигналов магнитного зонда на его выходе, характеризующих режим запуска ГТУ (канал - а), режимы функционирования ГТУ с фиксированной мощностью (канал - б) и аварийные режимы (канал - с), которые используют для формирования эталонных сигналов в блоках 16, 17, 18 и выявления с их помощью штатных и аварийных режимов при функционировании ГТУ1.

Для экспериментального определения компоненты периодических колебаний сложной формы на выходе магнитного зонда 9 применяются блоки спектральной селекции резонансного или гетеродинного типа. В качестве блоков спектральной селекции 10, 11, 12 можно использовать блоки спектральной селекции с резонансными избирательными контурами. Блок спектральной селекции состоит из входного переменного аттенюатора и избирательного усилителя, настроенного на частоту измеряемой компоненты. Аттенюатор служит переключателем уровней выходного сигнала, поступающего с магнитного зонда 9, которые можно прокалибровать при помощи напряжений известной величины, подводимых к входу от вспомогательного генератора сигнала до начала испытаний ГТУ1, а также выставить с его помощью эталонные сигналы в блоках 16, 17, 18 (см., например [6], с.216).

Избирательный усилитель блока спектральной селекции обычно выполняется резистивно-емкостного типа. Преимущество этой схемы заключается в возможности при использовании отрицательной обратной связи стабилизировать усиление на измеряемой частоте и сделать его существенно независимым в широком диапазоне частот. Поэтому выбранная схема блока спектральной селекции позволяет перекрывать очень большой диапазон частот без применения в резонансных контурах индуктивностей, вносящих погрешности за счет приема энергии от паразитных магнитных полей.

Схемы сравнения 13, 14, 15 анализаторов сложных колебаний на выходах блоков спектральной селекции 10, 11, 12 могут быть выполнены на основе схемы резонансного вольтметра, представленного в [6], с.221 на фиг.160 или на полупроводниковом аналоге такой схемы. При этом на входы соответствующих схем сравнения поступают одновременно сигналы с выходов блоков спектральной селекции 10, 11, 12 и сигналы с выходов блоков формирования эталонных сигналов 16, 17, 18. В этих схемах среднее отклонение резонансного вольтметра определяется только эффективным значением сложного сигнала на его входе. При этом если частота эталонного напряжения отличается от частоты компоненты измеряемого сигнала на выходе блока спектральной селекции на доли Герца, то на выходе резонансного вольтметра накладываются пульсации (биения), которые характеризуют амплитуду на измеряемой частоте компоненты. Эталонные сигналы получают при функционировании ГТУ1 в различных режимах в процессе пуско-наладочных испытаний.

Функционирование устройства осуществления способа контроля режима горения в ГТУ согласно фиг.1 выполняется следующим образом.

Для запуска ГТУ1 из контрольно-испытательной аппаратуры 20 в блок автоматического запуска 21 поступает команда запуска пусковой установки 22, которая осуществляет первоначальную раскрутку компрессора 2 и начальное нагнетание воздуха в камеру сгорания 3. При достижении в камере сгорания определенного давления (контролируется датчиком давления) из блока автоматического запуска 21 в автомат дозировки топлива 24 поступает команда на подачу топлива в камеру сгорания 3, а в блок электрического зажигания 23 - команда на подачу высоковольтных импульсов на свечи зажигания 4. В результате в камере сгорания образуется горючая смесь, которая поджигается электрическими разрядами свеч зажигания 4.

После поступления воздуха и горючего в камеру сгорания и поджога горючей смеси давление в камере начинает резко расти. Рост давления приводит к возбуждению в камере сгорания 3 регулярных низкочастотных и флуктуационных высокочастотных колебаний. При возбуждении высокочастотных колебаний источником энергии для их возбуждения и поддержания является процесс горения. Как показали экспериментальные исследования, доминирующие частоты зарегистрированных магнитным зондом сигналов ЭДС индукции связаны с мощностью ГТУ: более высокочастотные моды колебаний соответствуют большим мощностям ГТУ. Зарегистрированные на начальном этапе при зажигании сигналы ЭДС индукции соответствуют меньшим мощностям энерговыделения в камере сгорания и поэтому имеют доминирующие частоты в спектре сигналов ЭДС индукции ~ f_{пред.мин}. Их появление при регистрации сигналов ЭДС индукции характеризует момент зажигания газа в камере сгорания 3 и служит основным признаком при контроле режима зажигания в камере сгорания ГТУ, а также служит основой для формирования эталонного сигнала в блоке формирования эталонных сигналов 16 в процессе пуско-наладочных испытаний ГТУ.

Таким образом, после зажигания горючей смеси в камере сгорания 3 ГТУ1 возбуждаются высокочастотные электромагнитные колебания электропроводной компоненты образовавшейся газовой смеси. С помощью магнитного зонда 9 измеряют сигналы ЭДС индукции и по каналу а селективного выделения сигналов режима запуска ГТУ блоком спектральной селекции 10 выделяют частотную полосу, включающую доминирующую частоту сигнала f_{пред.мин}, характерную для режима зажигания и начала процесса горения в камере сгорания. При этом в блоке эталонных сигналов 16 установлен сигнал с частотой f_{пред.мин}, который наряду с сигналом с частотой f поступает с выхода блока спектральной селекции 10 на схему сравнения 13, которая при выполнении условия f~f_{пред.мин} выдает сигнал в блок анализа 19, который по каналу а' сигнализирует о зажигании газовой смеси в контрольно-испытательную аппаратуру 20. Так осуществляется контроль запуска ГТУ.

Одновременно со второго выхода магнитного зонда 9 по параллельному каналу б осуществляется селекция сигналов ЭДС индукции, характеризующих различные уровни мощности функционирования ГТУ1. При этом в процессе пуско-наладочных испытаний устанавливаются по командам контрольно-испытательной аппаратуры 20 в блоки запуска и управления фиксированные уровни мощности работы ГТУ1 и соответствующие этим уровням амплитуды и частоты доминирующих высокочастотных спектральных компонент сигналов ЭДС индукции магнитных зондов, которые выделяются блоком спектральной селекции 12 из сигналов на выходе магнитного зонда 9. Амплитуды (уровни) и частоты доминирующих высокочастотных спектральных компонент сигналов ЭДС индукции магнитных зондов, установленные в процессе пуско-наладочных испытаний как характерные для определенных режимов функционирования ГТУ, воспроизводятся в блоке формирования эталонных сигналов 17. В дальнейшем при эксплуатации ГТУ по командам, поступающим из контрольно-испытательной аппаратуры 20 через блок 19, в блоке формирования эталонных сигналов 17 формируется эталонный сигнал для контроля выделения сигнала магнитного зонда 9, соответствующего заданной фиксированной мощности функционирования ГТУ, согласно программе его функционирования.

На фиг.2 представлены экспериментальные значения амплитудно-частотных характеристик измеряемых магнитным зондом 9 сигналов при различных уровнях мощности ГТУ, регулируемых подачей топлива. Из представленных эпюр напряжения выходных сигналов U_вых(В) видно, что при уровне мощности 10% доминирующая частота регистрируемого сигнала составляет ~2,1 кГц; при 30% ~2,3 кГц; при 50% ~2,5 кГц; при 70% ~ 2,7 кГц; при 90% ~2,9 кГц; при 100% уровня мощности ГТУ доминирующая частота сигнала составляет ~3 кГц. С ростом уровня мощности растет амплитуда сигнала. Важно, что она превышает фоновый уровень на остальных частотах рассматриваемого диапазона регулирования мощности ГТУ. Эти сигналы были получены по каналу б в результате выделения сигналов в фиксированных режимах функционирования ГТУ, при котором сигнал с магнитного зонда 9 подавался через блок спектральной селекции 11 на один из входов схемы сравнения 14, а на второй вход этой схемы поступал сигнал с блока формирования эталонных сигналов 17. Амплитуда и частота эталонного сигнала формируются по командам блока анализа 19, которые вырабатываются по командам контрольно-испытательной аппаратуры 20. Так осуществляется контроль функционирования ГТУ в режимах с фиксированной мощностью.

При использовании ГТУ в турбореактивных авиационных двигателях каналы селекции сигналов ЭДС индукции (каналы а, б, с) используются для обеспечения эффективного взаимодействия ГТУ и реактивного двигателя с целью увеличения тяги. Для этого за турбиной 5 помещают вторую камеру сгорания (камеру дожигания 6), в которой газовый поток дополнительно нагревается и тяга двигателя существенно возрастает. При этом камера сгорания 3 используется как газогенератор для турбины 5, служащей приводом для компрессора 2. Нагнетаемый компрессором воздух подается в камеру дожигания 6, где догорает используемое в камере сгорания 3 топливо, а также сжигается дополнительное топливо, поступающее из автомата дозировки топлива 24 через трубопровод 8.

Однако при экспериментальной отработке таких турбинных систем необходимо предусмотреть контроль и селекцию аномальных режимов, что обеспечивается предлагаемой бесконтактной системой контроля, в которой блок спектральной селекции 12 канала с селекции сигналов магнитного зонда 9 при функционировании систем производит анализ амплитуд на отдельных частотах, характерных для работы наиболее важных агрегатов и узлов ГТУ в низкочастотных аварийных режимах функционирования.

Для примера на фиг.1 для канала с приведена схема выделения аварийного сигнала, характерного для аварийного режима функционирования компрессора. При этом в ГТУ возбуждается (усиливается) характерная для компрессора механическая частота колебаний конструкции, которая возбуждает низкочастотные колебания электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока, вызывающие при взаимодействии с чувствительным элементом магнитного зонда генерацию сигналов ЭДС индукции. При этом из общего сигнала при помощи блока фильтров (на схеме не показан) выделяется заданная для контроля аварийного режима функционирования компрессора частота и огибающая случайных колебаний сигнала на заданной частоте. Сигнал на выходе блока спектральной селекции 12 с помощью схемы сравнения 15 сопоставляется с эталонным сигналом на выходе блока формирования эталонных сигналов 18, установленным с помощью блока анализа 19 по команде контрольно-испытательной аппаратуры 20. Например, повышенная вибрация компрессора вносит в прокачиваемый воздух заряженные компоненты, обусловленные повышенной эрозией вращающихся элементов компрессора, которые дополнительно модулируют флуктуационный сигнал, фиксируемый магнитным зондом 9 и, соответственно, селектируемый блоком спектральной селекции 12, на выходе которого контролируемый сигнал может превысить эталонный уровень максимально допустимой мощности. Решение об этом формируется в блоке анализа 19 в результате сопоставления сигналов блока спектральной селекции 12 и блока формирования эталонных сигналов 18 схемой сравнения 15. Сигнал-рекомендация блока анализа 19 по линии с поступает в контрольно-испытательную аппаратуру 20, которая через блок автоматического запуска 21 и связанные с ним пусковую установку 22, блок электрического зажигания 23 и автомат дозировки топлива 24 регулирует мощность функционирования или при превышении выключает ГТУ1 для предотвращения аварии. Так осуществляется контроль аварийных режимов функционирования ГТУ1 при испытаниях и эксплуатации в авиационных системах, в частности контроль аварийного режима функционирования компрессора 2.

Разработанные бесконтактный способ контроля режимов зажигания и горения в газотурбинной установке на основе измерения параметров компонент сигналов ЭДС индукции на выходе магнитного зонда и устройство для его осуществления позволяют с помощью накладных магнитных датчиков контролировать процессы запуска, воспламенения и горения газа при фиксированных мощностях функционирования ГТУ и формировать сигналы отклонения от фиксированного режима для контрольно-испытательной аппаратуры. Система контроля на основе измерения компонент сигналов ЭДС индукции магнитного зонда позволит в случае возникновения предотвращать развитие аварийной ситуации, например, при запуске ГТУ при подаче горючего газа и отсутствии зажигания. Такие случаи имели место в практике эксплуатации ГТУ газоперекачивающих станций (ГПС), где ГТУ в значительном количестве применяются в настоящее время. Их оснащение предлагаемой системой не требует нарушения целостности корпуса ГТУ. Альтернативная оптико-волоконная система контроля пламени фирмы “Боинг” может быть использована только с нарушением целостности корпуса ГТУ, что практически при эксплуатации ГТУ осуществить невозможно. Кроме того, стоимость системы контроля фирмы “Боинг” составляет 15 тыс.$, что в 3 раза дороже предлагаемой системы.

Литература.

1. В.М.Ильинский. “Системы контроля авиационных силовых установок”, М.: “Транспорт”, 1980 г., с.88.

2. В.Е.Алемасов, А.Ф.Дрегалин, А.П.Тишин. “Теория ракетных двигателей”, М.: “Машиностроение”, 1980 г., с.536.

3. В.А.Соловьев. “Способ измерения токов в плазме”. Заявка №4906432/28 от 28.01.1991 г. А.с. №1778715, опубл. 30.11.1992 г., Бюл. №44.

4. Ю.П.Щуров, Н.М.Пушкин. “Способ диагностики аномальных режимов функционирования реактивных двигателей” А.с. №2145718, опубл. 20.02.2000 г., Бюл. №5.

5. Г.П.Шибанов, Р.И.Адгамов, С.В.Дмитриев и др. “Автоматизация испытаний и контроля авиационных ГТД”, М.: “Машиностроение”, 1977 г., с.280.

6. Ф.Термен, Дж.Петтит. “Измерительная техника в электронике”, Издательство иностранной литературы, М.: 1955 г., с.604.

7. “Правила составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение”. Москва, 2001 г. Информационно-издательский центр Росагентства по патентам и товарным знакам.

Изобретение относится к авиационной, газовой и электроэнергетической отраслям техники и может быть использовано для контроля пламени и режимов горения в газотурбинных установках (ГТУ) газоперекачивающих станций и в авиационных двигателях. Способ контроля режима горения в ГТУ заключается в измерении сигналов ЭДС индукции, возникающей при взаимодействии электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока с чувствительным элементом магнитного зонда, размещенного на поверхности корпуса ГТУ непосредственно в зоне, прилегающей к камере сгорания ГТУ, и сравнении результатов измерения с эталонными сигналами, измеренными при запуске ГТУ, при испытаниях ГТУ в режимах с фиксированной мощностью и при аварийных режимах горения в камере сгорания ГТУ. Устройство для осуществления способа контроля режима горения в ГТУ содержит размещенный на поверхности корпуса ГТУ магнитный зонд и подключенную к блокам запуска и управления ГТУ контрольно-испытательную аппаратуру, в которую дополнительно введены три канала селекции магнитного зонда и блок анализа. При этом каждый канал селекции состоит из последовательно соединенных блока спектральной селекции, схемы сравнения и блока формирования эталонных сигналов. Блоки спектральной селекции по входу подключены к выходам схем сравнения, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих блоков формирования эталонных сигналов. При этом выходы схем сравнения через блок анализа связаны со входами контрольно-испытательной аппаратуры, выходы которой через блок анализа связаны со входами блоков формирования эталонных сигналов. Изобретение позволяет контролировать запуск ГТУ, штатные режимы функционирования, а также позволяют выявлять и при необходимости блокировать аварийные режимы работы. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля режима горения в газотурбинной установке (ГТУ), заключающийся в измерении сигналов электродвижущейся силы (ЭДС) индукции, возникающей при взаимодействии электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока с чувствительным элементом магнитного зонда, размещенного на поверхности корпуса ГТУ, и сравнении измеряемых сигналов с эталонными, отличающийся тем, что при измерении сигналов ЭДС индукции селективно выделяют компоненты сигнала, обусловленные колебаниями электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока при зажигании и горении газа в камере сгорания (КС) ГТУ и характерные для режима запуска ГТУ, режимов функционирования ГТУ с фиксированной мощностью и для аварийных режимов, проводят их сравнение с эталонными сигналами и устанавливают соответствие контролируемого режима норме, при этом эталонные сигналы аналогично получают путем измерения сигналов ЭДС индукции и селективного выделения компонентов сигнала при функционировании ГТУ в соответствующих режимах в процессе пуско-наладочных испытаний ГТУ и воспроизводят при эксплуатации ГТУ путем их формирования в качестве эталонных сигналов соответственно для контроля режима запуска ГТУ, режимов функционирования ГТУ с фиксированной мощностью и для контроля аварийных режимов функционирования ГТУ.2. Способ контроля режима горения в ГТУ по п.1, отличающийся тем, что при контроле запуска ГТУ дополнительно определяют момент зажигания газа в камере сгорания ГТУ по выявлению при выделении характерных компонент сигнала запуска доминирующей компоненты с минимальной частотой f_{пред.мин.}, которую определяют при сравнении с эталонным сигналом, полученным в процессе испытания запуска при пуско-наладочных испытаниях ГТУ.3. Способ контроля режима горения в ГТУ по п.1, отличающийся тем, что при контроле различных уровней мощности функционирования ГТУ в процессе пуско-наладочных испытаний устанавливают фиксированные уровни мощности, для которых путем измерения сигналов ЭДС индукции и последующего селективного выделения определяют соответствующие этим фиксированным мощностям частоты и уровни компонентов сигнала ЭДС индукции, которые используют в качестве эталонных сигналов при установлении и контроле данного режима горения в процессе эксплуатации ГТУ.4. Способ контроля режима горения в ГТ по п.1, отличающийся тем, что при измерении сигналов ЭДС индукции при пуско-наладочных испытаниях ГТУ в режимах с фиксированной мощностью селективно выделяют характерные для максимально допустимого режима мощности доминирующие спектральные компоненты сигнала, которые используют при формировании эталонных сигналов для сигнализации об аварийном режиме функционирования ГТУ.5. Устройство для осуществления способа контроля режима горения в газотурбинной установке (ГТУ), содержащее размещенный на поверхности корпуса ГТУ магнитный зонд и подключенную к блокам запуска и управления ГТУ контрольно-испытательную аппаратуру, отличающееся тем, что в него дополнительно введены три канала селекции сигналов магнитного зонда и блок анализа, при этом каждый канал селекции состоит из последовательно соединенных блока спектральной селекции, схемы сравнения и блока формирования эталонных сигналов, блоки спектральной селекции по входу подключены к выходам магнитного зонда, а по выходу - к первым входам схем сравнения, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих блоков формирования эталонных сигналов, при этом выходы схем сравнения через блок анализа связаны со входами контрольно-испытательной аппаратуры, выходы которой через блок анализа связаны со входами блоков формирования эталонных сигналов.