способ контроля и регистрации охлаждения лопаток турбины турбореактивного двигателя

Формула изобретения

Способ контроля и регистрации дополнительного охлаждения лопаток турбины турбореактивного двигателя, заключающийся в том, что регистрируют изменение электрического заряда в реактивной газодинамической струе двигателя при включении и работе системы охлаждения лопаток турбины, отличающийся тем, что регистрацию изменения электрического заряда осуществляют бесконтактным методом с помощью электростатической антенны, установленной вне двигателя и вне его реактивной газодинамической струи, определяют амплитуду сигнала пульсаций генерируемого струей электростатического поля, вычисляют дисперсию сигнала пульсаций электростатического поля, сравнивают с эталонным значением дисперсии сигнала и в случае уменьшения вычисляемой дисперсии сигнала до эталонного значения при включении дополнительного охлаждения лопаток турбины вырабатывают сигнал о достаточности дополнительного охлаждения лопаток турбины турбореактивного двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности авиационного двигателестроения.

Получение высокого КПД цикла работы реактивного двигателя зависит, в том числе от выбора термодинамического цикла, аэродинамического и механического совершенствования узлов двигателя. Важнейшей характеристикой высокотемпературной турбины двигателя, наряду с ее КПД, надежностью и ресурсом следует считать "адиабатичность", т.е. степень соответствия реальной охлаждаемой турбины той, где совершается адиабатический процесс расширения газа без теплообмена с окружающей средой. Неадиабатичность охлаждаемой турбины приводит к уменьшению КПД термодинамического цикла двигателя из-за необходимости контроля предельно допустимого значения температуры газа перед турбиной и обеспечения охлаждения лопаток турбины во избежание их перегрева и разрушения. Это достигается ценой снижения КПД и удельной тяги двигателя. Так, отбор из-за компрессора 1% воздуха и выброс его на охлаждение турбины снижает КПД двигателя примерно на 2-3%. Поэтому обеспечение контроля и объективной информации о начале и правильности работы системы отбора охлаждающего воздуха является актуальной задачей.

Способ бесконтактной электростатической диагностики двигателей, на котором основана регистрация начала и окончания отбора воздуха на охлаждение лопаток турбины турбореактивного двигателя, относится к нетрадиционным способам контроля. В основе способа лежит регистрация заряженных частиц (электронов, ионов, микрочастиц), имеющихся в авиационных двигательных струях. Заряженные частицы создают в окружающем двигательную струю пространстве нестационарное электростатическое поле, регистрируемое специальными антеннами. На основе зарегистрированных сигналов получается информация о процессах, происходящих в двигателе при отборе воздуха из-за компрессора на охлаждение лопаток турбины. Это повышает безопасность эксплуатации авиационной техники, и обеспечивает оперативность принятия решений в нештатных ситуациях. Контролировать можно как состояние двигателя в целом, так и конкретные режимы работы охлаждаемой турбины турбореактивного двигателя.

Известен способ контроля за охлаждением лопаток турбины по показаниям термопар, установленных в тракте двигателя и измеряющих температуру газового потока (патент US 3574282 от 24.02.1969 г.).

Недостатком данного технического решения является его контактность, т.е. необходимость установки в тракте двигателя термопар, организацию их охлаждения с требованием достаточных прочностных характеристик для выдерживания нагрузок в высокотемпературном скоростном потоке, учет многих факторов, например излучения, влияющих на показания термопар. Кроме того, термопары контролируют температуру потока, а не температуру охлаждаемого объекта - лопатки, что не позволяет контролировать правильность и эффективность работы системы охлаждения.

Наиболее близким техническим решениям к заявляемому и принятым за прототип является бесконтактный по отношению к объекту исследования способ контроля охлаждения лопаток при определении их температуры с помощью пирометра, описанного, например, в патенте RU 1450469 от 04.11.1985 г. Регистрируют излучение в заданном спектральном диапазоне, идущее от поверхности лопатки, и по интенсивности излучения определяют температуру лопатки.

Недостатком данного технического решения является усложнение конструкции двигателя с целью установки элементов пирометра, организации окна в стенках двигателя для регистрации инфракрасного излучения, необходимость точной юстировки и чистоты используемой оптики, наличие информации об излучательной способности объекта исследования, что влияет на точность вычисления его температуры. Кроме того, данный способ является контактным по отношению к двигателю и требует установки на нем дополнительного оборудования.

Технической задачей заявляемого способа контроля и регистрации охлаждения лопаток турбины турбореактивного двигателя является повышение эффективности и надежности контроля работы системы охлаждения лопаток турбины турбореактивного двигателя.

Технический результат достигается тем, что бесконтактно, за срезом сопла вне двигателя и вне его газодинамической струи, устанавливают электростатическую антенну для регистрации электростатического поля, генерируемого заряженными частицами (электронами, ионами, микрочастицами), присутствующими в двигательной струе, а именно, регистрируют изменение электрического заряда в реактивной газодинамической струе двигателя при включении системы охлаждения лопаток турбины, при этом регистрацию изменения электрического заряда осуществляют бесконтактным способом с помощью электростатической антенны, установленной вне двигателя и вне его реактивной газодинамической струи, определяют амплитуду сигнала пульсаций генерируемого струей электростатического поля, вычисляют дисперсию сигнала пульсаций электростатического поля, сравнивают с эталонным значением дисперсии сигнала и, в случае уменьшения вычисляемой дисперсии сигнала до эталонного значения, на определенном режиме работы двигателя, вырабатывают сигнал о начале отбора дополнительного охлаждающего воздуха из-за компрессора и достаточном охлаждении лопаток турбины двигателя.

При включении дополнительного охлаждения лопаток турбины происходит уменьшение амплитуды регистрируемого антенной сигнала.

Объяснение этого эффекта состоит в следующем. Если, например, имеется электрически квазинейтральный газодинамический поток, обтекающий металлическую поверхность (лопатку турбины), то из-за электрических диффузионных процессов в окрестности поверхности лопатки на поверхность текут потоки электронов и ионов. Так как коэффициент диффузии электронов намного больше, чем ионов, то суммарный уходящий в поверхность электрический ток является отрицательным и в потоке остается избыточный положительный заряд, который движется вместе с газом, выходит вместе с реактивной газодинамической струей двигателя из сопла и обуславливает регистрируемый электростатической антенной сигнал.

При включении системы охлаждения и уменьшении в пристеночном слое температуры газа происходит прилипание электронов к нейтральным молекулам и образование отрицательных ионов, коэффициент диффузии которых намного меньше коэффициента диффузии свободных электронов. Вследствие этого диффузионный поток отрицательно заряженных компонент (электронов и отрицательных ионов) на поверхность лопатки уменьшается, а следовательно, величина нескомпенсированного положительного заряда, и регистрируемого антенной сигнала также уменьшается.

Таким образом, искомый результат обуславливается уменьшением в струе, при включении системы охлаждения лопаток турбины, свободных электронов, уменьшением величины нескомпенсированного положительного заряда и падением, вследствие этого, амплитуды зарегистрированного электростатического сигнала.

Контроль и регистрация эффекта охлаждения турбины осуществляют проведением амплитудного статистического анализа зарегистрированных пульсаций электростатического излучения ионов, электронов, определяют амплитуду пульсаций электростатического поля и вычисляют дисперсию _j электростатического сигнала по выборке из N точек регистрируемого электростатического сигнала на заданном интервале времени и сравнивают вычисленную дисперсию _j с заданной эталонной величиной на режиме работы двигателя, когда начинается отбор дополнительного охлаждающего воздуха. При уменьшении величины _j до заданной величины регистрируют, что охлаждение достаточно для нормальной работы турбины.

На фиг.1 представлена схема установки электростатической антенны на самолете.

На фиг.2 представлено изменение по времени регистрируемого электростатического сигнала с антенны (а), его относительной дисперсии (б) и показан момент включения отбора дополнительного охлаждающего воздуха.

На фиг.3 представлен алгоритм регистрации охлаждения лопаток турбины.

На фиг.1 показана схема установки электростатических антенн на самолете. Антенны 1 и 2 устанавливаются в районе среза сопла для регистрации охлаждения лопаток турбин двигателей 3 и 4 соответственно без контакта с двигателем и их реактивными струями 5 и 6. Каждая антенна экранируется для исключения взаимного влияния электростатических полей двигателя на антенны.

На фиг.2 показана временная зависимость зарегистрированного электростатического сигнала и его дисперсии, отнесенной к ее максимальному значению, при включении дополнительного охлаждения лопаток турбины двигателя при заданных оборотах в момент времени t=7c. При этом происходит уменьшение амплитуды регистрируемого сигнала и падение величины его дисперсии почти в 6 раз.

Анализ электростатического сигнала при включении системы охлаждения лопаток турбины осуществляют по алгоритму, схема которого представлена на фиг.3.

1. Вводят величину длительности участка, на котором рассчитывают дисперсию сигнала электростатической антенны, количество точек электростатического сигнала для вычисления дисперсии. Назначают предельный допуск дисперсии сигнала .

2. При достижении двигателем режима работы, при котором включается система дополнительного отбора воздуха на охлаждение лопаток турбины, вводят программу расчета дисперсии электростатического сигнала. Данный момент определяют по положению рычага управления двигателем

_{РУД текущее}= _{РУД охл} или n_{ВД текущее} =n_{ВД охл},

где n_ВД - частота вращения ротора высокого давления;

_РУД - угол поворота рычага управления двигателем.

3. На участке длительностью т обрабатывают N точек сигнала антенны для вычисления текущего значения дисперсии _j по формуле

и сравнивают с допустимым значением

где - время регистрации сигнала;

- предельное допустимое значение дисперсии сигнала;

N - количество точек, по которым производится расчет дисперсии;

Ф_i - амплитуда сигнала в i-й точке;

_j - текущее значение дисперсии сигнала.

4. Если условие по п.3 выполняется, то обеспечивают сигнал о нормальной работе системы охлаждения.

5. Если условие по п.3 не выполняется, то выполняют два контрольных расчета дисперсии _j+1 и _j+2, которые сравнивают с допустимым значением и

6. Если условие по п.5 выполняется, то обеспечивают сигнал о нормальной работе системы охлаждения.

7. Если условие по п.5 не выполняется, то охлаждение лопаток недостаточно и необходима смена режима или остановка двигателя для выяснения причин неисправности.

Предлагаемый бесконтактный электростатический способ контроля и регистрации охлаждения лопаток турбины турбореактивного двигателя позволит повысить эффективность и надежность контроля за работой системы охлаждения лопаток турбины, повышая тем самым безопасность летной эксплуатации самолетов и оперативность принятия решения.