Способ бесконтактной ранней диагностики разгара камеры ракетного двигателя по напряжённости собственного магнитного поля продуктов сгорания Российский патент 2018 года по МПК F23N5/24 G01R29/08 G01R33/02 

Изобретение относится к области аэрокосмической техники, в частности ракетно-космического двигателестроения. Одной из широко распространенных причин отказа жидкостных ракетных двигателей является прогар камеры, начало которого сопряжено с появлением множества заряженных твердых частиц в продуктах сгорания.

Из существующего уровня техники известен способ контроля вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя [патент РФ 2618774, F23N 5/24, опубл. 11.05.2017], при котором оптическим методом регистрируется изменение частот электромагнитного излучения от горящей топливовоздушной смеси.

Недостатком аналога является низкая вероятность обнаружения твердых заряженных частиц, появляющихся в потоке продуктов сгорания при начале процесса разрушения, и сложность конструкции специального лючка для установки оптического объектива в стенке камеры ракетного двигателя.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ контроля вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя [патент РФ 2272923, F02C 9/00, опубл. 27.03.2006], который осуществляют путем регистрации изменения частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в газе и определения наличия или отсутствия вибрационного горения, при этом регистрацию изменения параметров газодинамического движения производят электростатическими антеннами без контакта с двигателем и его газодинамической струей, фиксируют временную реализацию сигнала колебаний электростатического поля, определяют спектральную плотность в спектре мощности временной реализации этого сигнала, сравнивают с эталонным значением спектральной плотности и, в случае превышения определяемого параметра заданного эталонного значения, определяют частоту, за которой произошло превышение, сравнивают эту частоту со значениями частот вибрационного горения данной камеры сгорания и вырабатывают сигнал в систему контроля двигателя о наличии вибрационного горения.

Недостатками данного технического решения являются повышенные габариты электростатических антенн и трудности их использования применительно к конструкции ракетного двигателя.

Задачей изобретения является ранняя диагностика прогара элементов проточного тракта ракетного двигателя и предотвращение разрушения материальной части при испытаниях на стенде и эксплуатации.

Техническим результатом является обеспечение надежного обнаружения начала процесса разрушения камеры сгорания и сопла для предотвращения прогара указанных теплонапряженных элементов проточного тракта ракетного двигателя.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе бесконтактной ранней диагностики разгара камеры сгорания и сопла ракетного двигателя регистрируют изменение частот колебаний электромагнитных параметров газодинамического движения высокотемпературных продуктов сгорания, протекающих по камере сгорания и соплу, регистрацию осуществляют высокочувствительным датчиком магнитного поля, восприимчивым к появлению твердых частиц в газовом потоке, предшествующему разрушению, определяют спектральную плотность в спектре мощности реализации напряженности магнитного поля, сравнивают с эталонным значением спектральной плотности и, в случае превышения определяемого параметра заданного эталонного значения, определяют частоту, на которой произошло превышение, сравнивают эту частоту со значениями частот начала прогара для данной камеры и вырабатывают сигнал в систему аварийной защиты двигателя о начале прогара.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная схема системы технической диагностики, реализующая способ при испытании жидкостного ракетного двигателя на стенде:

1 - датчик магнитного поля;

2 - модуль кондиционирования;

3 - преобразователь переменного магнитного поля индукционного типа;

4 - сопло;

5 - газогенератор;

6 - турбина;

7 - турбонасосный агрегат.

На фиг. 2 - частотный спектр сигнала магнитного датчика при появлении первых заряженных частиц металла в продуктах сгорания, что предшествует началу интенсивного разгара внутренней стенки камеры ракетного двигателя.

Заявляемый способ бесконтактной ранней диагностики разгара камеры сгорания и сопла ракетного двигателя осуществляют следующим образом.

Изменение частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в струе регистрируют датчиками магнитного поля 1, сигнал от которых поступает на модуль кондиционирования 2, предназначенный для согласования с преобразователем переменного магнитного поля индукционного типа 3 и усиления принимаемых сигналов до уровней, достаточных для работы модулей оцифровки и ввода в персональный компьютер. Датчики магнитного поля устанавливаются согласно фиг. 1 на наружной стенке сопла 4 в области критического сечения двигателя или на участках трубопроводов от газогенератора 5 до турбины 6 турбонасосного агрегата 7, проводят статистический анализ зарегистрированных пульсаций напряженности (фиг. 2) собственного магнитного поля продуктов сгорания, содержащих ионы, свободные электроны и заряженные частицы металла, а именно проводят преобразование Фурье временной реализации зарегистрированного сигнала x_i и получают амплитудный спектр F_i по формуле

где F_i - амплитудный спектр напряженности магнитного поля, регистрируемой датчиком магнитного поля;

N - количество точек выборки на интервале времени τ=1 с;

x_i - значение сигнала напряженности магнитного поля.

Затем определяют спектральную плотность сигнала напряженности магнитного поля G_i в спектре мощности на частоте f_i согласно выражению

где G_i - спектральная плотность сигнала напряженности магнитного поля;

f_i - частота опроса, задаваемая аппаратно-программным комплексом.

Далее сравнивают спектральную плотность сигнала G_i с заданной эталонной величиной G_0. В случае превышения G_i эталонной величины G₀ проводится выделение частоты f_i, соответствующей частоте начала прогара f_прог.

Применение заявляемого способа бесконтактной ранней диагностики разгара камеры ракетного двигателя по напряженности собственного магнитного поля продуктов сгорания позволит повысить эффективность и надежность системы технической диагностики и аварийной защиты по сравнению с системами, основанными на традиционных методах, повышая тем самым безопасность при испытаниях и летной эксплуатации ракетных двигателей.

Изобретение относится к области аэрокосмической техники, в частности ракетно-космического двигателестроения. Одной из широко распространенных причин отказа жидкостных ракетных двигателей является прогар камеры, начало которого сопряжено с появлением множества заряженных твердых частиц в продуктах сгорания. Технический результат: обеспечение надежного обнаружения начала процесса разрушения камеры сгорания и сопла для предотвращения прогара указанных теплонапряженных элементов проточного тракта ракетного двигателя. Изменения частот колебаний электромагнитных параметров газодинамического движения высокотемпературных продуктов сгорания, протекающих по камере сгорания и соплу, регистрируют высокочувствительным датчиком магнитного поля, восприимчивым к появлению твердых частиц в газовом потоке, предшествующему разрушению, определяют спектральную плотность в спектре мощности реализации этого сигнала, сравнивают с эталонным значением спектральной плотности и в случае превышения определяемого параметра заданного эталонного значения определяют частоту, на которой произошло превышение, сравнивают эту частоту со значениями частот начала прогара для данной камеры и вырабатывают сигнал в систему аварийной защиты двигателя о начале прогара. 2 ил.

Способ бесконтактной ранней диагностики разгара камеры ракетного двигателя по напряженности собственного магнитного поля продуктов сгорания, заключающийся в регистрации изменения частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в газе и определении наличия или отсутствия начала прогара, отличающийся тем, что регистрацию изменения частот колебаний параметров газодинамического движения производят высокочувствительным датчиком магнитного поля, восприимчивым к появлению твердых частиц в газовом потоке, предшествующему разрушению, определяют спектральную плотность в спектре мощности временной реализации этого сигнала, сравнивают с эталонным значением спектральной плотности и в случае превышения определяемого параметра заданного эталонного значения определяют частоту, на которой произошло превышение, сравнивают эту частоту со значениями частот начала прогара для данной камеры и вырабатывают сигнал в систему аварийной защиты двигателя о начале прогара.