СПОСОБ МУЛЬТИАНТЕННОЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА УСТАНОВИВШИХСЯ И НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
METHOD OF MULTI-ANTENNA ELECTROSTATIC DIAGNOSTICS OF GAS TURBINE ENGINES IN STEADY-STATE AND TRANSIENT OPERATING CONDITIONS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно для повышения эффективности и оперативности диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их испытаний и эксплуатации.
В последние годы широкое развитие получили новые перспективные способы диагностики газотурбинных двигателей. К таким способам относится метод электростатической диагностики состояния газотурбинных двигателей. В основе способа лежит регистрация заряженных частиц (электронов, ионов, микрочастиц) в авиационных двигательных струях и в газодинамическом течении 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 в потоке и окружающем его пространстве нестационарное электростатическое поле, которое регистрируется специальными зондами-антеннами. На основе полученных сигналов можно получить информацию о процессах, происходящих в двигателе, выявить и спрогнозировать аномалии, имеющиеся в нем. Это повышает безопасность эксплуатации авиационной техники, снижает затраты при ее обслуживании и обеспечивает оперативность принятия решений.
Известен способ регистрации неисправностей двигателей, патент США №5552711, НКИ 324/464, от 03.09.1996 г., на основе анализа частот электромагнитного излучения имеющихся в двигательной струе разного вида ионов, возникающих как при горении топливовоздушной смеси в камере сгорания, так и при появлении (и сгорании) в проточной части газотурбинного двигателя металлических частиц, образующихся при эрозии или разрушении элементов двигателя.
Недостатком данного технического решения является то, что данный способ довольно сложен и трудно применим на практике из-за необходимости точного определения частоты излучения регистрируемых ионов разного вида, выявления отличий ионов, возникших при неисправности двигателя от ионов, появляющихся в двигательной струе в результате процессов, происходящих в исправном двигателе. Дополнительной сложностью является необходимость учета влияния магнитного поля земли на результаты измерений.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятому за прототип является способ электростатической диагностики, описанный в патенте РФ на изобретение №2258923, МПК G01N 27/60, опубл. 20.08.2005 г., который описывает способ диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы при установке одной электростатической антенны за срезом сопла двигателя вне корпуса двигателя и вне его газодинамической струи. В процессе работы сигнал с антенны записывается и анализируется, и на основе установленных критериев делается заключение о наличии или отсутствии отклонений от нормальной работы диагностируемого двигателя в целом.
Недостатком данного способа является то, что одиночная антенна, установленная за срезом сопла двигателя, в ряде случаев не позволяет разделить аномалии на возникшие внутри двигателя и "внесенные" в двигатель извне попадающими на его вход частицами. Также не всегда удается определить место происхождения аномалии внутри двигателя из-за перезарядки или исчезновения (сгорания) частиц в процессе их движения к выходу из двигателя. Это усложняет принятие решения об исправности или неисправности двигателя.
Технической задачей заявляемого способа является повышение эффективности и оперативности диагностики технического состояния газотурбинных двигателей при их испытаниях и в эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в способе мультиантенной диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы, заключающемся в том, что регистрируют электрический сигнал от газодинамического потока, текущего по тракту двигателя и реактивной газодинамической струи двигателя с помощью электростатических антенн и по результатам статистической обработки сигнала диагностируют неисправность двигателя, устанавливают несколько электростатических антенн на входе, выходе и по тракту двигателя, регистрируют этими антеннами электрические сигналы от газодинамического потока и реактивной струи двигателя, определяют величины дисперсии зарегистрированных сигналов и спектральной мощности зарегистрированных сигналов, определяют характерные частоты в спектре мощности зарегистрированного антенной сигнала, сравнивают вычисленные дисперсии и спектральной мощности с заданным эталонными величинами для каждой антенны и при превышении вычисленных дисперсий своих эталонных значений и появлении в спектре мощности частот, отличных от эталонных, судят о наличии неисправности в двигателе и проводят разделение аномалий на внутридвигательные и аномалии двигателя от внешних источников.
ij
ij
i
j
ВД
ij
i
∗
За срезом сопла вне двигателя и вне его газодинамической струи, в воздухозаборнике двигателя, а также по тракту двигателя в его компрессоре устанавливают электростатические антенны для регистрации пульсаций электрического поля, создаваемого заряженными частицами (электронами, ионами, микрочастицами), присутствующими в двигательной струе. Контроль исправности двигателя осуществляют проведением статистического анализа зарегистрированного сигнала, вычисляют дисперсии сигналов σ по выборке из N точек регистрируемого сигнала на заданном интервале времени τ и сравнивают вычисленную текущую дисперсию σ с заданной эталонной величиной σ* для каждой антенны. При выходе величины σ из заданного диапазона производят контроль стационарности режима работы двигателя (n) и выдается сигнал "Неисправность". Аналогичный анализ проводится со спектральной реализацией зарегистрированных сигналов: на заданном интервале времени τ определяются частоты f, превышающие заданный уровень f  для каждой антенны. Частоту, на которой произошло превышение, сравнивают с частотами из базы данных аномальных режимов, и в случае совпадения выдается сигнал о наличии определенного типа неисправности. Если в базе данных частота отсутствует, то выдается сигнал "Неисправность". При наличии или отсутствии "аномальных" сигналов с антенн, установленных в компрессоре двигателя и в его воздухозаборнике, делается заключение о природе аномалии: внутридвигательная аномалия или аномалия, вызванная внешними частицами.
На фиг.1 представлена типичная временная развертка сигнала, зарегистрированного с помощью электростатической антенны.
Реализация заявляемого способа мультиантенной электростатической диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы осуществляются следующим образом.
1. Выбирают длительность τ выборки, на которой анализируется сигнал. Выбирают количество точек N в выборке (определяет частоту записи сигналов с антенн).
i эт
i эт
ВД
i
i
i
ВД
ij аном
I эт
i
i
ij аном
∗
∗
2. Вводят эталонную характеристику дисперсии регистрируемого сигнала для каждой i-й антенны в зависимости от работы двигателя σ=σ (n) и назначают предельный допуск дисперсии сигнала σ  для каждой антенны. Вводят зависимость S(f)∗=S(f)∗(n) - предельное значение спектральной мощности сигнала для каждой антенны в зависимости от режима работы двигателя. Вводят значения характерных частот аномальных режимов (например, вращающийся срыв, помпаж, нестационарное горение и др.) для каждой антенны f. Введению характеристик σ, σ , S(f)∗, f должны предшествовать испытания данного двигателя или двигателя данного типа.
ВД
ij
ij
i
3. На установившимся режиме для текущего n на участке длительностью τ обрабатывают N точек электростатического сигнала каждой антенны для вычисления текущего j-го значения дисперсии для i-й антенны σ. Проверяют условие σ≤σ∗.
ВД
Если условие для всех антенн выполняется, то следует обработка следующей выборки сигнала для каждой антенны. Если условие не выполняется, то производят контроль изменения режима работы двигателя по параметру n (отсутствие переходного режима работы).
ВД
i
ВД
4. Если параметр n изменился, то производят корректировку параметров σ∗ к новому n и обработку следующей выборки сигнала для каждой антенны.
ВД
5. Если параметр n не изменился, то выдается сигнал "Неисправность", снижение режима и выяснение причины появления аномалии.
i
i
6. Одновременно с вычислением дисперсии проводят вычисление спектра по выбранной реализации сигналов антенн и сканирование вычисленных спектров на предмет сравнения величин спектральной мощности S≤S∗.
ВД
Если условие для всех антенн выполняется, то следует обработка следующей выборки сигнала для каждой антенны. Если условие не выполняется, то производят контроль изменения режима работы двигателя по параметру n (отсутствие переходного режима работы).
ВД
i
ВД
7. Если параметр n изменился, то производят корректировку параметров S∗ к новому n и обработку следующей выборки сигнала для каждой антенны.
ВД
i
ij аном.
8. Если параметр n не изменился, то выдается сигнал "Неисправность", снижение режима и выяснение причины появления аномалии. При этом проводится сканирование всего спектра и сравнение частот, на которых произошло превышение S∗ с частотами f. В случае совпадения выдается сигнал о конкретном аномальном режиме ("Нестационарное горение" и др.).
9. Если сигнал "Неисправность" выдан по сигналу антенны, расположенной в воздухозаборнике, то аномалия считается "внешней". В противном случае аномалия считается "внутридвигательной".
Здесь:
ВД
n - частота вращения ротора высокого давления,
τ - длительность выборки, по которой производится расчет,
N - количество точек выборки,
i эт
σ - эталонное значение дисперсии сигнала исправного двигателя,
ij
σ - текущее значение дисперсии сигнала i-й антенны,
i
S(f)∗ - предельное допустимое значение величины спектральной мощности сигнала i-й антенны,
ij аном
f - значения характерных частот конкретного аномального режима для i-й антенны.
На переходных режимах поведение электростатического сигнала, связанное с ростом до максимального уровня и последующим снижением его амплитуды не следует считать аномальным режимом. В процессе приемистости, как показали исследования, происходит достаточно быстрая перестройка временной развертки и спектра электрического сигнала. Увеличение уровня сигнала до максимального значения происходит при увеличении расхода топлива в основной камере сгорания автоматом приемистости системы автоматического управления двигателем.
Предлагаемый способ мультиантенной электростатической диагностики газотурбинных двигателей на штатных установившихся и неустановившихся режимах его работы позволяет при использовании понизить эксплуатационные расходы и время для проведения диагностики как в ходе предполетной, так и межполетной подготовки двигателя, обеспечивает высокую точность регистрации заряженных частиц в авиационных двигательных реактивных струях, повышая тем самым безопасность его летной эксплуатации.