Способ бесконтактной ранней диагностики разгара камеры ракетного двигателя по напряжённости собственного магнитного поля продуктов сгорания
METHOD OF THE NON-CONTACT EARLY BURNOUT DIAGNOSTICS OF THE ROCKET CHAMBER ON THE SELF-MAGNETIC FIELD INTENSITY OF COMBUSTION PRODUCTS

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.
i
i
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 и получают амплитудный спектр F по формуле
i
где F - амплитудный спектр напряженности магнитного поля, регистрируемой датчиком магнитного поля;
N - количество точек выборки на интервале времени τ=1 с;
i
x - значение сигнала напряженности магнитного поля.
i
i
Затем определяют спектральную плотность сигнала напряженности магнитного поля G в спектре мощности на частоте f согласно выражению
i
где G - спектральная плотность сигнала напряженности магнитного поля;
i
f - частота опроса, задаваемая аппаратно-программным комплексом.
i
0.
i
0
i
прог
Далее сравнивают спектральную плотность сигнала G с заданной эталонной величиной GВ случае превышения G эталонной величины G проводится выделение частоты f, соответствующей частоте начала прогара f.
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.