СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF JET ENGINE LIFE DETERMINATION

Изобретение относится к области реактивной техники, в частности к области диагностирования и эксплуатации реактивных двигателей на жидких углеводородных горючих.
Известен «Способ диагностирования и ремонта одноразовых и короткоресурсных газотурбинных двигателей» (см. Белоусов В.А., Демкин Н.Б., Ротмистров Ю.П. Патент РФ на изобретение №2365892, 19.02.2008, МПК G01M 15/14), который включает в себя следующие этапы: доставку двигателя из эксплуатации; осмотр двигателя; разборку двигателя; отправку разобранной материальной части двигателя; отправку демонтированных с двигателя агрегатов и комплектующих на заводы-изготовители; отправку узлов и деталей двигателя на прохождение неразрушающих методов контроля; проведение лабораторных испытаний; проведение сравнения зарегистрированных критериев двигателя с эталонными значениями; формирование перечня агрегатов, узлов и деталей, подлежащих ремонту, замене и допуску годных для сборки; сборку двигателей; проведение приемосдаточных стендовых испытаний с отладкой параметров и регулировкой всех его систем и проверкой на соответствие техническим условиям качества сборки и основных параметров двигателя заданным значениям; проведение на отобранном из партии двигателе стендовых ресурсных испытаний; продолжение ресурсных испытаний (дополнительная наработка); формирование заключения по оценке ремонтной технологии и допуска двигателей к дальнейшей эксплуатации; осуществление приемки и отправки двигателей этой партии в эксплутацию; эксплуатацию двигателей.
Недостатками известного способа является то, что он трудоемкий, требующий проведения работ в несколько этапов, больших временных и материальных затрат на осуществление способа, а также проведение диагностики лишь на земле, что ограничивает возможности диагностирования, а следовательно снижает надежность и эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является «Способ оценки и поддержания надежности энергетических установок многоразового использования (ЭУМИ) на углеводородных горючих (УВГ) и охладителях» авторов: Алтунина В.А., Дрегалина А.Ф., Зарифуллина М.Е., Замалтдинова Ш.Я.-С., Ягофарова О.Х. Патент РФ на изобретение №2215671, МПК B64F 5/00. Бюл. №31 от 10.11.2003), который включает статистический учет и системный анализ изменения контролируемых параметров, в котором ведут постоянный или периодический контроль, результаты которого сравнивают с теоретически-экспериментальными и расчетными значениями, заложенными заранее в банк данных наземной и (или) бортовой ЭВМ. Данный способ также включает прямой контроль за негативным процессом осадкообразования в постоянном или периодическом режимах, причем результаты оперативного контроля поступают в блок оценки эффективности тяги, на табло наземного оператора (летчика, космонавта), после анализа, выбора и задействования средств борьбы с осадком срабатывает блок выбора двигательных установок и времени работы, а сигнал на включение командного блока запуска двигательных установок после принятия окончательного решения поступает от оператора (летчика, космонавта). Причем табло оператора (летчика, космонавта) содержит всю информацию о процессе осадкообразования во всех двигательных установках, их топливоподающих и охлаждающих системах, о новых (предполагаемых) значениях тяг, о времени возможной работы и числе запусков двигательных установок до начала аварийной ситуации, о результатах принятия экстренных мер и контроле их выполнения в автоматическом или ручном режимах.
Недостатком данного способа является сложность его и трудоемкость диагностирования, заключающаяся в контроле за осадкообразованием и за степенью закоксованности топливно-подающих каналов ЭУМИ на УВГ, в частности требующими непосредственной установки датчиков в труднодоступных частях топливно-подающей системы (к примеру, в каналах форсунок), и снижение надежности из-за отсутствует система контроля за закоксованностью топливно-подающих каналов на основе текущих данных по развиваемой тяге и осуществлении прямых замеров толщины твердого углеродистого осадка специальными и (или) комбинированными датчиками и системами контроля, имеющими погрешность измерения, а также осуществление способа по определению предполагаемой (теоретической) тяге без непосредственного прямого замера текущей тяги ведет к большой погрешности, снижая надежность, эффективность и в целом, ресурса энергоустановки.
Решаемой задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности определения ресурса реактивного двигателя в зависимости от развиваемой тяги путем прогнозирования выхода из строя реактивного двигателя по закоксованным форсункам.
Техническим результатом от использования заявляемого изобретения является повышение эффективности определения ресурса путем диагностирования характеристик реактивного двигателя, основанного на определении степени закоксованных форсунок к незакоксованным, что способствует повышению безопасности эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в способе определения ресурса реактивного двигателя, основанного на определении закоксованности форсунок, выходящих из строя в ходе эксплутации, в компьютерную базу данных с заложенной соответствующей программой вводят заданные значения степени закоксованности форсунок и соответствующие им значения и параметры тяги реактивного двигателя, затем системой датчиков замеряют значения текущей максимальной тяги на любом из эксплуатационных режимов, которые поступают в компьютерную базу данных, затем сравнивают значения текущей максимальной тяги с заданным значением тяги и определяют оптимальное значение степени закоксованности форсунок по соотношению количества частично или полностью закоксованных форсунок к общему количеству незакоксованных и по которому определяют остаточный ресурс двигателя.
%
%
Для повышения эффективности способа, системой датчиков замеряют текущие значения максимальной суммарной тяги нескольких реактивных двигателей летательного аппарата, а затем определяют среднюю степень закоксованности и среднее значение остаточного ресурса двигателей. Известна теоретическая модель расчета степени закоксованности форсунок ВРД (см. Алтунин К.В., Влияние осадкообразования на работоспособность ВРД на жидком углеводородном горючем., Труды 45 Научных чтений, посвящ. разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского. РАН. РАКЦ. Казань: Центр Оперативной Печати, 2011. С.227-237.), где используется график, показанный на Фиг.1, соотношения тяги ВРД
к текущему процентному количеству незакоксованных форсунок K и отношения скоростей
. Причем K связано с процессом горения и равно:
где
- максимально возможная скорость распространения распыляемой свежей топливно-воздушной смеси в камере сгорания через одну незакоксованную форсунку, м/с;
- максимальная скорость распространения пламени, при которой возможно устойчивое горение в камере сгорания, м/с.
%
%
%
%
На фиг.1 изображены две оси абсцисс: линия
и линия К, значения которых выражены в процентах, откуда видно, что тяга достигает своего максимального значения в точке А, в остальной же области она снижается. Линия ВА - это линия постоянства значений
и
. Данную кривую можно построить, зная текущие значения
и К. Каждой точке на кривой ВА соответствует определенное значение тяги
и K. Как видно из фиг.1 значение тяги
достигает нуля в точке В при каком-то минимальном значении K. Однако, в реальности ВРД снимается с эксплуатации не при
, а при достижении предельно-допустимого значения по теоретически заданной тяге. Область фиг.1 внутри зоны, ограниченной кривыми ВА и AC, - это область влияния переменной скорости распространения пламени на
. В этой области
, а
уменьшается из-за ухудшения стехиометрических условий в камере сгорания (см. Талантов А.В. Основы теории горения. Казань: Казанс. авиац. ин-т, 1975. 252 с.). Открывается возможность более качественного анализа тяги реактивного двигателя.
Из фиг.1 видно, что у каждого ВРД может иметь место максимальная площадь, ограниченная кривой ВАС и осью абсцисс при каком-то максимальном значении тяги двигателя. Впервые введено понятие тягового совершенства реактивного двигателя:
где ψ - безразмерный параметр, определяющий тяговое совершенство реактивного двигателя, равный отношению располагаемой тяги к ее максимально возможному значению. Параметр ψ может быть выражен в процентах.
В случае турбовинтового реактивного двигателя вместо значения тяги
[кН] необходимо использовать значение мощности двигателя N [кВт]. Максимально возможный суммарный расход горючего через форсунки может быть достигнут лишь в начале работы ВРД, в точке А на фиг.1. В дальнейшем из-за закоксовывания и выхода из строя некоторых форсунок максимум расхода снижается, уменьшается и тяга (см. линия ВА, фиг.1). Необходимо отметить, что при частичном закоксовывании соплового отверстия форсунок возможен нерасчетный струйный распыл, при этом ухудшается полнота сгорания топлива и также снижается тяга ВРД.
%
%
Таким образом, для вычисления располагаемой (при закоксованности
необходимо по текущим значениям K и
построить граничную кривую ВА, а по значениям
и
- граничную кривую АС. На участке ВА необходимо пользоваться осью абсцисс K (до 100%), а на участке АС - осью
, используя значения от 100% и выше. В результате получится область ВАС, которая и равна
.
Безразмерный параметр ψ определяет вероятность безотказной работы ВРД на жидких УВГ в зависимости от отказа форсунок. Например, из двух ВРД, имеющих совершенно одинаковые значения максимальной тяги
, целесообразнее выбрать реактивный двигатель, у которого ψ больше.
Выражение (2) не учитывает временные характеристики ВРД, например, наработку до отказа или максимальный ресурс двигателя. Введен еще один безразмерный параметр:
τ
1
1
1
где ψ - безразмерный параметр, определяющий тяговое совершенство реактивного двигателя по времени эксплуатации; R - ресурс двигателя, [час] или [цикл]; τ - наработка, выражающая единицу времени, например, τ=1 час или τ=1 цикл.
τ
Параметр ψ может быть выражен в процентах.
τ
τ
Безразмерный параметр ψ определяет вероятность безотказной работы и ресурс ВРД на жидких УВГ в зависимости от отказа форсунок и времени эксплуатации. Очевидно, что из двух ВРД, имеющих одинаковые значения ψ, реактивный двигатель с большим значением ψ обладает, соответственно, большим запасом по ресурсу.
В выражении (2) присутствует отношение скоростей
. Если пренебречь влиянием этого отношения, то можно получить:
δ
где ψ - безразмерный параметр, определяющий тяговое совершенство реактивного двигателя по степени закоксованности форсунок.
Соответственно и выражение (3) претерпевает изменения:
τδ
где ψ - безразмерный параметр, определяющий тяговое совершенство реактивного двигателя по времени эксплуатации и в зависимости от степени закоксованности форсунок ВРД.
δ
τδ
τ
δ
τδ
Параметры ψ и ψ также можно выразить в процентах. Таким образом, новые качественные параметры ψ, ψ, ψ, ψ, наряду с удельной тягой, удельной массой и др. параметрами (см. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1969. 547 с.) характеризуют качество и совершенство реактивного двигателя.
В данном изобретении предлагается способ определения ресурса реактивного двигателя. Необходимо отметить, что ресурс реактивного двигателя, в первую очередь, определяется степенью закоксованности форсунок, к примеру, при полном выходе из строя всех форсунок ресурс равен нулю.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом:
%
τ
δ
τδ
Вначале в компьютерную базу данных вводят экспериментальные значения степени закоксованности форсунок, параметры и значения тяги реактивного двигателя. Например, основу такой базы данных может составить экспериментальный график (см. фиг.1) для конкретного реактивного двигателя, где значения
, K и отношения скоростей
, а также качественные параметры ψ, ψ, ψ, ψ, определяют экспериментальным путем при одинаковых условиях (например, при нормальных атмосферных условиях на уровне моря).
%
В дальнейшем на любом из эксплуатационных режимов работы по значению текущей максимальной тяги, замеренной системой датчиков и сравнения с заданными значениями тяги с соответствующими значениями закоксованности определяют оптимальное значение K (см. фиг.1), по которому определяют оставшееся время (ресурс) до выхода из строя всего двигателя.
%
Также возможно определение ресурса нескольких реактивных двигателей летательного аппарата. Необходимо отметить, что возможно осуществление предлагаемого способа в воздухе при различных атмосферных условиях и на различных высотах, и в космосе, для значение К нужно ввести поправочные коэффициенты в базу данных (в изобретении не показаны).
Научной новизной данного изобретения является:
Впервые определение ресурса реактивного двигателя по степени закоксованности на основе значений текущей максимальной тяги на любом из эксплуатационных режимов реактивного двигателя, полученных системой датчиков замера, без необходимости снятия реактивного двигателя и отправки его в ремонт.
Известно, что одним из наиболее опасных этапов полета является взлет: ему соответствует наибольшая доля летных происшествий, приходящихся на единицу времени полета (≈20% летных происшествий на 2,5% времени полета), при этом ≈80% летных происшествий на взлете обусловлено отказами техники (см. Кричевский С.В. Методика оценки и пути повышения безопасности полетов самолетов-истребителей на взлете при отказах авиатехники: Монография. М.: Изд-во ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2011. 364 с.).
По сравнению с известными аналогами предлагаемый способ позволяет повысить эффективность определения ресурса реактивного двигателя путем прогнозирования выхода из стоя реактивного двигателя по количеству закоксованных форсунок к незакоксованным на земле (перед взлетом), в полете и на всех эксплуатационных режимах, что будет способствовать созданию простой и надежной диагностики реактивного двигателя, при этом избежать ряда непредвиденных катастроф.