СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ПОПАДАНИИ ПОСТОРОННИХ ПРЕДМЕТОВ НА ИХ ВХОД Российский патент 2009 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно 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, в том числе метод электростатической диагностики. В основе метода лежит регистрация заряженных частиц (электронов, ионов, микрочастиц, а также предметов, попадающих на вход двигателя) в авиационных двигательных струях и газодинамическом потоке, текущем по тракту двигателя. 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 нестационарное электростатическое поле, которое регистрируется специальными антеннами. На основе полученных сигналов можно получить информацию о процессах, происходящих в двигателе, выявить и спрогнозировать аномалии, имеющиеся в нем. Причем эти аномалии могут быть как внутридвигательными, так и вызванными попаданием на вход двигателя посторонних предметов. Метод электростатической диагностики повышает безопасность эксплуатации авиационной техники, снижает затраты при ее обслуживании и обеспечивает оперативность принятия решений.

Известен способ контроля посторонних предметов, попадающих на вход двигателя, патент US 4888948 от 22.03.1988 г., который заключается в установке на вход двигателя круговой сегментарной антенны и регистрации антенной сигналов, вызванных пролетом мимо нее заряженных предметов.

Недостатками данного технического решения являются, во-первых, то, что используемая сегментарная антенна несмотря на то, что она охватывает поток, имеет пониженную чувствительность из-за раздельного действия каждого сегмента; во-вторых, требуется переоборудование входного устройства двигателя для крепления антенны; и, наконец, несмотря на установку дополнительной антенны на выходе из двигателя не приводится алгоритм анализа полученных от антенн сигналов, т.е. не указан процесс диагностики.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятым за прототип является способ внутридвигательной электростатической диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы, патент RU 2258923 от 20.08.2005 г., заключающийся в регистрации электростатического поля, создаваемого частицами в реактивной струе двигателя антенной, установленной за срезом сопла двигателя.

Недостатком данного способа является то, что представленный способ не позволяет диагностировать процессы в двигателе, вызванные попаданием посторонних предметы на вход двигателя, и анализировать их опасность для двигателя. Также данный способ не позволяет различать внутридвигательные процессы разрушения и процессы разрушения, вызванные и от попадания на вход двигателя посторонних предметов.

Технической задачей заявляемого способа является повышение эффективности и оперативности диагностики для оценки момента попадания посторонних предметов на вход в газотурбинные двигатели и возникающих при этом последствий.

Технический результат достигается в заявляемом способе диагностики газотурбинных двигателей при попадании посторонних предметов на их вход, заключающемся в том, что бесконтактно с газодинамическим потоком регистрируют электрический сигнал от заряженных объектов - ионов, электронов, частиц, сажи с помощью электростатической антенны, установленной на выходе двигателя, регистрируют пульсации электрического поля, создаваемого ионами, электронами, заряженными микрочастицами, присутствующими в двигательной струе, определяют величину дисперсии зарегистрированного сигнала, при этом, согласно изобретению, дополнительно регистрируют электрический сигнал, генерируемый предметами, попадающими на вход двигателя, при этом сигнал регистрируют электростатической сплошной входной антенной, повторяющей контур воздухозаборника, охватывающей весь поток и установленной в месте сочленения воздухозаборника и двигателя, при этом диагностирование исправности или неисправности двигателя осуществляют проведением дополнительного статистического анализа зарегистрированного электростатического сигнала от электростатической антенны, установленной в воздухозаборнике, вычисляют дисперсию σ_j по выборке из N точек на заданном интервале времени τ регистрируемого электростатического сигнала с входной антенны, сравнивают вычисленное значение дисперсий сигналов входной и выходной антенн с заданными эталонными величинами σ* для входной и выходной антенн, кроме того, определяют текущее значение длительности аномального сигнала входной антенны - параметра k, при выходе величин σ_j для входной или выходной антенны и величины k из заданных диапазонов выдается сигнал о наличии внутридвигательной аномалии или опасного или неопасного для двигателя попадания постороннего предмета на его вход, при этом по значению величины параметра k судят о длительности процесса попадания посторонних предметов на вход двигателя, продолжительное воздействие которого может повредить элементы двигателя.

На фиг.1 представлена схема электростатической сплошной входной антенны для регистрации предметов, попадающих на вход двигателя.

На фиг.2 представлена типичная временная развертка регистрируемого электростатического сигнала при использовании двух антенн - на входе (а) и выходе из двигателя (б).

На фиг.3 представлен алгоритм диагностирования попадания и последствий попадания в газотурбинный двигатель посторонних предметов.

Электростатическая сплошная входная антенна, представленная на фиг.1, состоит из металлического чувствительного элемента 1, закрепленного на изоляторе 2. В изолятор 2 вставляют разъем 3 для подключения чувствительного элемента к вторичной аппаратуре (предусилители, усилители), а также к аппаратуре регистрации, записи и обработки сигнала (не показаны). Антенна устанавливается в месте соединения двигателя с воздухозаборником и охватывает весь воздушный поток, движущийся по воздухозаборнику. При установке двигателя на самолет фиксация антенны осуществляется путем, например, зажима изолятора между двигателем и его воздухозаборником, обеспечивая установку чувствительного элемента "заподлицо" или с небольшим углублением относительно поверхности воздухозаборника. На данной фигуре приведен вариант антенны с круговой формой чувствительного элемента, хотя в общем случае его форма должна повторять контуры воздухозаборника. Такой способ установки антенны не требует переделки воздухозаборника, установки дополнительного крепежа. Кроме того, сплошная форма антенны, относительно сегментарной, увеличивает уровень регистрируемого сигнала (который тем больше, чем больше площадь чувствительного элемента), что снижает вероятность пропуска предметов, попадающих на вход двигателя.

Аналогичная по типу кольцевая сплошная антенна может быть установлена внутри тракта двигателя перед соплом как выходная антенна. Также в качестве выходной антенны может использоваться стержневая антенна, описанная в патенте, взятом за прототип, и закрепленная на корпусе самолета в районе среза сопла двигателя.

Типичная временная развертка сигнала, зарегистрированного с помощью электростатических входной и выходной антенн, показана на фиг.2а и 2б, соответственно. Здесь представлен сигнал при пролете мимо антенны компактного, положительно заряженного металлического предмета. На фигуре хорошо виден сдвиг по времени Δt, соответствующий времени пролета предмета между двумя антеннами.

Анализ данного сигнала осуществляют по алгоритму, схема которого представлена на фиг.3.

Реализацию заявляемого способа диагностики газотурбинных двигателей при попадании посторонних предметов на их вход осуществляют следующим образом:

1. Вводят длительность анализируемого временного интервала τ, регистрируемое число точек N электростатического сигнала. Вводят эталонную характеристику предельной дисперсии регистрируемого сигнала выходной антенны σ*¹=f(n_вд). Назначают предельный допуск дисперсии сигнала входной антенны σ*⁰. Задают предельное значение k* счетчика длительности аномального сигнала входной антенны. Введению характеристик σ*¹=f(n_вд) и назначению величин σ*⁰, k* должны предшествовать испытания данного двигателя. Задают начальную величину счетчика длительности аномального сигнала k=0;

2. На участке длительностью τ обрабатывают N точек электростатического сигнала с входной Ф_i ⁰ и выходной Ф_i ¹ антенны для вычисления текущего значения дисперсии по формуле

где Ф_i ^m - уровень сигнала, i=1...N; m=0; 1 для входной и выходной антенны, соответственно;

3. Сравнивают полученное значение параметров σ_j ⁰≤σ*⁰;

4. Если условие по п.3 выполняется, то происходит обнуление счетчика k и проверка условия σ_j ¹≤σ*¹;

5. Если условие по п.4 выполняется, то происходит регистрация следующего набора точек сигналов;

6. Если условие по п.4 не выполняется, то возможна аномалия внутридвигательного происхождения и происходит ее анализ (в данном патенте не рассматривается);

7. Если условие по п.3 не выполняется, то вычисляются два контрольных значения дисперсии σ^m _j+i и σ^m _j+2, m=0;1;

8. Сравнивают полученное значение параметров σ⁰ _j+1≤σ*⁰σ⁰ _j+2≤σ*⁰;

9. Если условие по п.8 выполняется, то ситуация считается неопасной и производится возврат к п.2;

10. В случае невыполнения двух контрольных условий по п.8 фиксируется "Аномалия на входе в двигатель", значение k увеличивается на 1 и проводят проверку степени опасности аномалии на входе для двигателя в целом путем анализа сигнала выходной антенны;

11. Сравнивают полученное значение параметров σ¹ _j+1≤σ*¹σ¹ _j+2≤σ*¹;

12. Если условие по п.11 не выполняется, то входная аномалия вызвала критическое изменение в состоянии двигателя, производят снижение режима и выявление неисправности;

13. Если условие по п.11 выполняется, то аномалия на входе считается неопасной для двигателя в целом и проводят проверку длительности данной аномалии по значению величины k;

14. Проводят проверку k≤k*;

15. Если условие по п.14 выполняется, то аномалия на входе считается неопасной и производится возврат к п.2;

16. Если условие по п.14 не выполняется, то аномалия может привести к повреждению элементов двигателя и следует изменить условия его эксплуатации,

где τ - время регистрации сигнала,

N - количество точек, по которым производится расчет дисперсии,

n_вд - частота вращения ротора высокого давления,

σ*⁰ - предельное допустимое значение дисперсии сигнала входной антенны,

σ*¹ - предельное допустимое значение дисперсии сигнала выходной антенны,

k - счетчик длительности аномального сигнала входной антенны,

k* - предельное значение счетчика длительности аномального сигнала входной антенны,

Ф_i ^m - уровень сигнала в i-й точке: m=0 для входной антенны, m=1 - для выходной антенны,

σ_j ^m - текущее значение дисперсии сигнала: m=0 для входной антенны,

m=1 - для выходной антенны.

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

Предлагаемый способ позволяет различать аномалии, вызванные внутридвигательными процессами разрушения и от попадания посторонних предметов на вход двигателя, уменьшить эксплуатационные расходы и время для проведения диагностики, обеспечивает высокую точность регистрации заряженных предметов как попадающих на вход двигателя, так и микрочастиц, присутствующих в авиационных двигательных реактивных струях, повышая тем самым безопасность эксплуатации двигателя.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно для повышения эффективности и оперативности диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их производства, испытаний и эксплуатации. На входе двигателя регистрируют электрический сигнал, генерируемый посторонними предметами, попадающими на вход двигателя. Сигнал регистрируют электростатической сплошной входной антенной, повторяющей контур воздухозаборника, охватывающей весь поток, которая установлена в месте сочленения воздухозаборника и двигателя. Проводят дополнительный статистический анализ зарегистрированного электростатического сигнала от электростатической антенны, установленной в воздухозаборнике, в месте сочленения его и двигателя, вычисляют дисперсию σ_j по выборке из N точек на заданном интервале времени τ регистрируемого электростатического сигнала с входной антенны, сравнивают вычисленное значение дисперсий сигналов входной и выходной антенн с заданными эталонными величинами σ* для входной и выходной антенн. Определяют текущее значение длительности аномального сигнала входной антенны - параметра k. При выходе величин σ_j для входной или выходной антенны и величины k из заданных диапазонов выдается сигнал о наличии опасной или неопасной аномалии, вызванной внутридвигательными процессами разрушения или от попадания на его вход посторонних предметов. По значению величины параметра k судят о длительности процесса попадания на вход двигателя посторонних предметов, продолжительное воздействие которого может повредить элементы двигателя. Техническим результатом является возможность различать аномалии, вызванные внутридвигательными процессами разрушения или от попадания посторонних предметов на вход двигателя, обеспечение высокой точности регистрации заряженных предметов как попадающих на вход двигателя, так и микрочастиц, присутствующих в авиационных двигательных реактивных струях, повышая тем самым безопасность эксплуатации двигателя. 3 ил.

Способ диагностики газотурбинных двигателей при попадании посторонних предметов на их вход, заключающийся в том, что бесконтактно с газодинамическим потоком регистрируют электрический сигнал от заряженных объектов - ионов, электронов, частиц сажи с помощью электростатической антенны, установленной на выходе двигателя, регистрируют пульсации электрического поля, создаваемого ионами, электронами, заряженными микрочастицами, присутствующими в двигательной струе, определяют величину дисперсии зарегистрированного сигнала, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют электрический сигнал, генерируемый предметами, попадающими на вход двигателя, при этом сигнал регистрируют электростатической сплошной входной антенной, повторяющей контур воздухозаборника, охватывающей весь поток, и установленной в месте сочленения воздухозаборника и двигателя, при этом диагностирование исправности или неисправности двигателя осуществляют проведением дополнительного статистического анализа зарегистрированного электростатического сигнала от электростатической антенны, установленной в воздухозаборнике, вычисляют дисперсию σ_j по выборке из N точек на заданном интервале времени τ регистрируемого электростатического сигнала с входной антенны, сравнивают вычисленное значение дисперсий сигналов входной и выходной антенн с заданными эталонными величинами σ* для входной и выходной антенн, кроме того, определяют текущее значение длительности аномального сигнала входной антенны - параметра k, при выходе величин σ_j для входной или выходной антенны и величины k из заданных диапазонов, выдается сигнал о наличии опасной или не опасной аномалии, вызванной внутридвигательными процессами разрушения или от попадания на его вход посторонних предметов, при этом по значению величины параметра k судят о длительности процесса попадания на вход двигателя посторонних предметов, продолжительное воздействие которого может повредить элементы двигателя.