Способ контроля и регистрации охлаждения лопаток турбины турбореактивного двигателя

Способ контроля и регистрации охлаждения лопаток турбины турбореактивного двигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 σ_j электростатического сигнала по выборке из N точек регистрируемого электростатического сигнала на заданном интервале времени τ и сравнивают вычисленную дисперсию σ_j с заданной эталонной величиной на режиме работы двигателя, когда начинается отбор дополнительного охлаждающего воздуха. При уменьшении величины σ_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 τ 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

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

где n_ВД - частота вращения ротора высокого давления;

α_РУД - угол поворота рычага управления двигателем.

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

и сравнивают с допустимым значением

где τ - время регистрации сигнала;

- предельное допустимое значение дисперсии сигнала;

N - количество точек, по которым производится расчет дисперсии;

Ф_i - амплитуда сигнала в i-й точке;

σ_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 σ_j+1 и σ_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.

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.