СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА УСТАНОВИВШИХСЯ И НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ РАБОТЫ Российский патент 2005 года по МПК G01N27/60 G01R29/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для повышения эффективности и оперативности диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их производства, испытаний и эксплуатации.

В последние годы широкое развитие получили нетрадиционные способы диагностики газотурбинных двигателей. К таким способам относится метод бесконтактной диагностики состояния газотурбинных двигателей. В основе способа лежит регистрация заряженных частиц (электронов, ионов, микрочастиц) в авиационных двигательных струях. Эти частицы образуются в камере сгорания в процессе горения топливовоздушной смеси, при эрозии и разрушении элементов двигателя, или попадают в двигатель извне. 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, выявить и спрогнозировать аномалии, имеющиеся в нем. Это повышает безопасность эксплуатации авиационной техники, снижает затраты при ее обслуживании и обеспечивает оперативность принятия решений.

Известен способ регистрации неисправностей двигателей, патент US 5552711 от 03.09.1996 г., на основе анализа частот электромагнитного излучения имеющихся в двигательной струе разного сорта ионов, возникающих как при горении топливовоздушной смеси в камере сгорания так и при появлении (и сгорании) в проточной части газотурбинного двигателя металлических частиц, образующихся при эрозии или разрушении элементов двигателя.

Недостатком данного технического решения является то, что данный способ довольно сложен и трудно применим на практике из-за необходимости точного определения частоты излучения регистрируемых ионов разного сорта, выявления отличий ионов, возникших при неисправности двигателя от ионов, появляющихся в двигательной струе в результате процессов, происходящих в исправном двигателе. Дополнительной сложностью является необходимость учета влияния магнитного поля земли на результаты измерений.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятому за прототип является способ электростатической диагностики, описанный в патенте US 4607337 от 19.08.1986 г. и в статье Couch R.P. Detecting abnormal turbine engine deterioration using electrostatic method, AIAA Paper №1473, 1978 г., которые описывают способы установки электростатических зондов для регистрации заряженных частиц и алгоритмы обработки полученной информации. В процессе работы сигналы с трех зондов, установленных в проточной части двигателя, записываются и анализируются, и на основе установленных критериев делается заключение о наличии и типе отклонений от нормальной работы диагностируемого двигателя.

Недостатками данных способов являются: необходимость специального препарирования двигателя для установки внутри него трех зондов; необходимость достаточно сложного анализа по более чем 10 критериям, значения которых могут зависеть от конкретного диагностируемого двигателя; отсутствие спектрального анализа, который позволяет определить неисправность двигателя по характерным газодинамическим или двигательным частотам регистрируемого сигнала. Все это усложняет принятие решения об исправности или неисправности двигателя.

Технической задачей заявляемого способа является повышение эффективности и оперативности диагностики технического состояния газотурбинных двигателей при их испытаниях и в эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что за срезом сопла, вне двигателя и вне его реактивной газодинамической струи, устанавливают электростатическую антенну для регистрации пульсаций электрического поля, создаваемого заряженными частицами (электронами, ионами, микрочастицами), присутствующими в двигательной струе. Контроль исправности двигателя осуществляют проведением статистического анализа зарегистрированного сигнала, вычисляют дисперсию σ_j по выборке из N точек регистрируемого сигнала в течение времени контроля Т, через заданный промежуток времени τ_р, на заданном интервале времени τ, определяют характерные частоты в спектре зарегистрированного сигнала, сравнивают вычисленную дисперсию σ_j с заданной, заранее определенной, эталонной величиной σ*. При выходе величины σ_j из заданного диапазона и наличии в спектре частот, отличных от эталонных, производят контроль параметров работы двигателя (n_ВД или t_T*) и при достижении их предельных значений выдается сигнал "Неисправность".

На фиг.1 представлена схема электростатической антенны для регистрации заряженных частиц в авиационных двигательных струях.

На фиг.2 представлена типичная временная развертка регистрируемого сигнала.

На фиг.3 представлен алгоритм диагностирования газотурбинного двигателя на установившихся нефорсированных режимах.

Электростатическая антенна, представленная на фиг 1, состоит из чувствительного элемента - металлического стержня 7, окруженного металлическим цилиндрическим экраном 2 с прорезью, обеспечивающим угол обзора антенны 90°. Чувствительный элемент и экран закрепляют в изоляторах и вмонтированы в платформу 3, выполненную также из изоляционного материала. В платформу 3 вставляют стандартный разъем 4 типа СР-50 для подключения предусилителя или аппаратуры регистрации, записи и обработки сигнала, а также пристыковывают металлический корпус 5 для непосредственного крепления антенны к штатным аэродромным устройствам. Фиксацию антенны в месте крепления обеспечивают с помощью стопорного винта 6.

Типичная временная развертка сигнала, зарегистрированного с помощью электростатической антенны, показана на фиг 2. Анализ данного сигнала осуществляют по алгоритму, схема которого представлена на фиг.3.

Реализацию заявляемого способа диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы осуществляют следующим образом.

1. Выбирают время Т контроля, например, длительность наземной гонки Т=20 мин.

2. Для контроля устанавливают длительность любого установившегося режима в течение заданного времени τ_р=1 мин.

3. Вводят эталонную характеристику дисперсии регистрируемого сигнала (σ_n=f(n_ВД) или σ_f=f(t_T*) и назначают предельный допуск дисперсии сигнала σ*. Введению характеристик σ_n=f(n_ВД) или σ_f=f(t_T*) и назначению величины σ* должны предшествовать испытания данного двигателя.

4. Измеряют низкочастотные параметры α_РУД, n_ВД, t_T*.

5. В конце установившегося режима на участке длительностью τ=1с обрабатывают N=2048 точек сигнала для вычисления текущего значения дисперсии по формуле,

где Ф_i - уровень сигнала, i=1...N.

6. Сравнивают полученное значение параметров σ_j≤σ*.

7. Если условие выполняется, то следует режим ожидания в течение τ_р=1 мин.

8. Если условие не выполняется, то без задержки выполняются два контрольных значения дисперсии σ_j+1≤σ*; σ_j+2≤σ*.

9. В случае невыполнения двух контрольных условий производят контроль измерения режима работы двигателя по параметрам n_ВД, t_T ^*.

10. В случае отсутствия предельных значений n_вд и t_T ^* выполняют проверку условия и в дальнейшем производят корректировку параметра σ* к новым n_ВД (t_T ^*) и возврат к режиму ожидания.

11. Если значения параметров по п.9 достигают заданных предельных уровней, то производят снижение режима и выявление неисправности,

где n_ВД - частота вращения ротора высокого давления;

t_T ^* - температура газа за турбиной;

α_руд - угол поворота рычага управления двигателем;

Т - время контроля;

τ_р - длительность установившегося режима;

τ - время регистрации сигнала;

σ_n, σ_f - эталонные значения дисперсии сигнала исправного двигателя;

σ* - предельное допустимое значение дисперсии сигнала;

N - количество точек, по которым производится расчет дисперсии;

Ф_i - уровень сигнала в i-й точке;

σ_j - текущее значение дисперсии сигнала;

n_ВДпред, t*_Тпред, α_{руд max} - предельные значения частоты вращения ротора высокого давления, температуры газа за турбиной и угла поворота рычага управления двигателем.

При этом характерные частоты со в спектре зарегистрированного сигнала по спектру мощности этого сигнала. Частоты сравнивают с характерными частотами σ* для данного режима работы двигателя, а появление в спектре сигнала частот, отличных от эталонных, свидетельствует о наличии неисправности в двигателе.

Введение сигнала с антенны при выявлении предельных уровней n_ВД или ω* (возможно добавление параметра "Предельные вибрации") позволяет по параметру σ* выявлять неисправности, связанные с эрозией, разрушением элементов конструкции двигателя, ухудшением горения в основной камере сгорания.

Поведение сигнала, связанное с ростом до максимального уровня и последующим снижением его амплитуды на неустановившихся режимах, не следует считать аномальным режимом. В процессе приемистости, как показали исследования, происходит достаточно быстрая перестройка временной развертки и спектра электрического сигнала. В отличие от изменения газодинамических параметров в течение времени Δt, которое происходит монотонно, изменение сигнала оказывается немонотонным и характеризуется наличием резких максимумов. Следует отметить, что постоянное увеличение уровня сигнала до максимального значения происходит при дозировании избытка расхода топлива в основной камере сгорания автоматом приемистости системы автоматического управления двигателем.

Введение предельного сигнала наряду с появлением сигнала с уровнями n_ВД=n_ВДпред или t_T ^*=t^* _Tпред повышает достоверность выявления неисправности и эффективность контроля технического состояния газотурбинных двигателей, так как наличие предельных параметров n_ВДпред и t^* _Tпред может быть вызвано и другими факторами, например изменениями условий окружающей среды, например, высокой температурой воздуха на входе в двигатель, порывами ветра, погрешностями или отказами САУ, а появление сигнала "Предельные вибрации" - отказами аппаратуры измерения вибраций.

При диагностике газотурбинных двигателей на установившихся режимах необходимо корректно выбирать временные участки для контроля и учитывать при анализе σ* особенность изменения сигнала на неустановившихся режимах работы двигателя при расчете параметров σ_j+1 и σ_j+2.

Предлагаемый способ бесконтактной диагностики газотурбинных двигателей на штатных установившихся и неустановившихся режимах его работы позволяет, при его использовании, уменьшить эксплуатационные расходы и время для проведения диагностики как в ходе предполетной так и межполетной подготовки двигателя, обеспечивает высокую точность регистрации заряженных частиц в авиационных двигательных реактивных струях, повышая тем самым безопасности его летной эксплуатации.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их производства, испытаний и эксплуатации. Технический результат: повышение эффективности и оперативности диагностики технического состояния газотурбинных двигателей. Сущность: за срезом сопла, вне двигателя и вне его реактивной газодинамической струи, устанавливают электростатическую антенну для регистрации пульсации электрического поля, создаваемого заряженными частицами (электронами, ионами, микрочастицами), присутствующими в двигательной струе. Вычисляют дисперсию σ_j по выборке из N точек регистрируемого сигнала в течение времени контроля через заданный промежуток времени на заданном интервале времени. Определяют характерные частоты в спектре зарегистрированного сигнала, сравнивают вычисленную дисперсию σ_j с заданной, заранее определенной, эталонной величиной σ*. При выходе величины σ_j из заданного диапазона и наличии в спектре частот, отличных от эталонных, судят о наличии неисправности. 3 ил.

Способ диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы, заключающийся в том, что регистрируют электрический сигнал от реактивной газодинамической струи двигателя с помощью электростатической антенны и по результатам статистической обработки сигнала диагностируют неисправность двигателя, отличающийся тем, что электростатическую антенну устанавливают за срезом сопла двигателя вне его реактивной газодинамической струи, регистрируют пульсации электрического поля, создаваемого электронами, ионами и заряженными микрочастицами, присутствующими в двигательной струе, определяют величину дисперсии зарегистрированного сигнала по формуле

где σ - значение дисперсии сигнала;

Ф_i - уровень сигнала в i-й точке;

N - количество точек, по которым производят расчет дисперсии,

определяют карьерные частоты в спектре мощности зарегистрированного антенной сигнала, сравнивают вычисленную дисперсию σ с заданной эталонной величиной σ* и при превышении вычисленной дисперсией своего эталонного значения и появлении в спектре мощности частот, отличных от эталонных, судят о наличии неисправности в двигателе.