СПОСОБ КОНТРОЛЯ РЕЖИМА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И ДАТЧИК ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CONTROL METHOD OF THERMAL POWER PLANT MODE, AND SENSOR FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Технические решения относятся к средствам диагностики процесса горения в тепловых энергетических установках (ТЭУ) по величине косвенного параметра плазмы пламени - электронной концентрации N, который в наибольшей степени отражает динамизм процесса горения (Зарко В.Е. и др. Физика горения и взрыва, 2000, т.36, №1, с.68-78 [1]). В известных способах (Хилд М. Микроволновая диагностика плазмы - М.: Атомиздат, 1968 [2]; Голант Н.Е. Сверхвысокочастотная диагностика плазмы М.: Наука, 1968 [3]; Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1703920, БИ №1, 1992 г. [4]; Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1567943, БИ №20, 1990 г.[5]) о концентрации судят по отклику на сверхвысокочастотное облучение плазмы во внутрикамерном пространстве. Устройства, реализующие названные способы, содержат датчики, включающие антенны, генераторы СВЧ и детекторы. Некоторые из известных способов, реализованные в устройствах (Авторское свидетельство СССР №1638477, БИ №12, 1991 г. [6], Авторское свидетельство СССР №1829006, БИ №27, 1993 г. [7]), позволяют осуществить невозмущающий технологический контроль двигательных ТЭУ летательных аппаратов.
Недостатки названных способов состоят в низкой точности и ограниченной информативности контроля. Причины: подверженность датчиков температурному и вибрационному воздействию со стороны контролируемой ТЭУ. Существенный вклад вносят методическая погрешность, обусловленная влиянием соударений электронов с нейтральными частицами (в ТЭУ это сажа и несгоревшее топливо), и собственное радиоизлучение плазмы. Все перечисленные факторы несут информацию о процессе горения, то есть о режиме ТЭУ, но в известных способах выступают как помеховые факторы.
Недостаток устройств, реализующих способы, состоит в нарушении принципа невозмущающего контроля, поскольку для их установки необходимы неприемлемые конструктивные изменения камеры сгорания.
Прототипом заявленного способа является способ определения пространственного распределения электронов в плазменном образовании путем многочастотного зондирования направленным сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением с последующим преобразованием отраженных излучений в фазы (аналогично радиодальнометрии) [3].
Недостатки прототипа:
- подверженность вышеназванным помехам;
- нарушение принципа невозмущающего контроля из-за необходимости применения большеразмерных направленных антенн;
- выбор числа и значений зондирующих частот подчинен задаче измерения дальности до «критического слоя», что в ТЭУ второстепенно;
- низкая информативность как следствие вышеназванного.
Прототипом заявленного датчика является датчик параметров пламени по авторскому свидетельству №1829006, БИ №27, 1993 г., МПК F23N 5/12 [7], содержащий автогенератор СВЧ с резонатором в виде отрезка линии передачи, в торце которого прорезана щель, образующая невыступающую слабонаправленную антенну с излучением вовнутрь камеры сгорания. Датчик конструктивно сопрягаем с камерой, так как устанавливается в стандартный штуцер, а также обеспечивает длительный и невозмущающий контроль.
Недостатки прототипа:
- малые функциональные возможности, не отвечающие совокупности требований при использовании таких датчиков для многочастотного зондирования,
- низкая информативность из-за подверженности помехам,
- низкое качество контроля.
A
A
р
Техническая задача предлагаемого изобретения по способу и датчику состоит в повышении информативности и качества контроля. Детально это означает, что наряду с более точным измерением основного диагностического параметра - электронной концентрации в пламени N измеряются температура продуктов сгорания в пристенной области камеры Т, частота соударений нейтральных частиц ν (свидетельствующая o концентрации сажи и частиц несгоревшего топлива), виброперемещение элементов конструкции камеры сгорания V, а также снижается влияние собственного радиоизлучения плазмы пламени Е, нагрева датчика Т и его вибраций q.
Техническая задача по датчику состоит в расширении функциональных возможностей, позволяющих более эффективно использовать его для реализации заявленного способа. Детально это означает обеспечение многочастотного зондирования с повышением информативности и качества контроля. Дополнительный эффект состоит в снижении затрат на установку контрольной аппаратуры (в камере - одно отверстие вместо пяти).
Решение технической задачи в способе контроля режима тепловой энергетической установки, включающем многочастотное зондирование внутрикамерного пространства сверхвысокочастотным радиоизлучением, достигается тем, что зондирование осуществляют ненаправленным излучением с автодинным преобразованием контролируемых параметров в изменение частот, причем средние значения этих частот удовлетворяют условиям:
1
пл
f≥(1,2…1,5)f,
2
пл
f≥(1,8…2,5)f>>ν
3
пл
f>>f,
,
5
пл
f<f,
где  - ленгмюровская (плазменная) частота,
N - электронная концентрация плазмы в пламени,
2
в=πm/e, m, е - масса и заряд электрона,
ν - частота соударений электронов с нейтральными частицами,
c - скорость света в вакууме,
пл
пл
4
4
2
2
2
ε=1-f /f +ν) - диэлектрическая проницаемость пламени по отношению к зондирующей частоте f.
макс
δl - максимальная амплитуда контролируемого виброперемещения,
по изменениям зондирующих частот определяют в линейном приближении спектры электронной концентрации, частоты соударений электронов с нейтральными частицами, температуры пламени в пристенной области камеры и вибраций элементов ее конструкции, а также оценивают среднюю температуру корпуса датчика и его вибрации.
Решение технической задачи в заявляемом датчике контроля режима тепловой энергетической установки, содержащем СВЧ-генератор с резонатором и щелевую антенну, достигается тем, что резонатор дополнен отрезками линии передачи числом (М-1), где М - число контролируемых параметров, причем между отрезками линии передачи установлены переключательные диоды, а длины отрезков линии передачи удовлетворяют соотношениям
, k=1, …, (M-1), i=1, …, M,
i
где f - зондирующие частоты,
P
ε - диэлектрическая проницаемость наполнителя резонатора и отрезков,
с - скорость света в вакууме.
На фиг.1 показан пример структуры устройства, реализующего заявленный способ контроля режима тепловой энергетической установки с параллельным опросом измерительных каналов.
На фиг.2 показана функциональная схема заявленного датчика.
На фиг.3 показан пример структуры устройства для реализации предложенного способа контроля режима тепловой энергетической установки с заявленным датчиком контроля режима тепловой энергетической установки.
На фиг.4 представлен приближенный график спектральных плотностей диагностируемых параметров, полученный методом кусочно-линейной аппроксимации.
На фиг.5 приведен алгоритм работы вычислительного блока.
A
A
Устройство, реализующее заявленный способ (фиг.1), содержит измерительные каналы по числу зондирующих частот, каждый из которых включает СВЧ-датчик 1 в виде генератора с антенной и детектор в детекторном блоке 2. Датчики установлены в штуцерах на стенке камеры сгорания 3, причем их огневые поверхности совпадают с раскрывом щелевых антенн и в рабочем положении расположены заподлицо с внутренней поверхностью камеры 3. Выходы детекторов в детекторном блоке 2 подключены ко входам вычислительного устройства 4 соответственно. Детекторный блок 2 и вычислительное устройство 4 обычно расположены в приборном отсеке, поэтому соединение с выходами датчиков 1 показано в виде линий передачи (коаксиалов). Сигналы на выходах вычислительного устройства 4 соответствуют контролируемым параметрам: N, ν, T, V.
i
П
2,3.4,5
i
Датчик контроля режима тепловой энергетической установки для осуществления предлагаемого способа (фиг.2) содержит антенну 5, генератор, образованный генераторным диодом 6, например диодом Ганна или ЛПД и резонатором 7, состоящим из нескольких последовательно соединенных отрезков линии передачи. В местах соединения отрезков линии передачи подключены переключательные диоды 8, i-порядковый номер переключательного диода. Питающее напряжение Е и управляющие напряжения U подаются на диоды через фильтры 9, где i - порядковый номер фильтра. Выход измерительного сигнала схемно и конструктивно может быть объединен фильтром питания, как это сделано в датчике по прототипу.
Устройство для реализации предложенного способа контроля режима тепловой энергетической установки, представленное на фиг.3, также является примером осуществления заявленного способа. Оно содержит заявленный датчик 10, демультиплексор 11, блок детекторов 2, вычислительное устройство 4 и устройство управления 12. Выходы устройства управления 12 подключены ко входам управляющих напряжений датчика 10, в то время как один из выходов вычислительного устройства 4 соединен со входом устройства управления 12.
На фиг.4 представлен приближенный график спектральных плотностей диагностируемых параметров, полученный методом кусочно-линейной аппроксимации, где 13 - спектральная плотность флуктуации электронной концентрации в пламени, 14 - спектральная плотность частоты соударений нейтральных частиц, 15 - спектральная плотность температурных флуктуации в пристенной области камеры сгорания, 16 - спектральная плотность виброперемещения элементов конструкции камеры сгорания, 17 - спектральная плотность вибраций датчика, 18 - спектральная плотность температурных флуктуации, связанных с нагревом датчика и 19 - спектральная плотность адаптивного шума соответственно.
Рассмотрим осуществление способа контроля режима тепловой энергетической установки и работу устройства, реализующего предлагаемый способ, изображенного на фиг.1. Способ контроля режима тепловой энергетической установки включает многочастотное зондирование внутрикамерного пространства сверхвысокочастотным радиоизлучением, при этом зондирование осуществляют ненаправленным излучением с автодинным преобразованием контролируемых параметров в изменение частот, причем средние значения этих частот удовлетворяют условиям:
1
пл
f≥(1,2…1,5)f,
2
пл
f≥(1,8…2,5)f>>ν
3
пл
f>>f,
,
5
пл
f<f,
пл
где f= - ленгмюровская (плазменная) частота,
N - электронная концентрация плазмы в пламени,
2
в=πm/е, m, е- масса и заряд электрона,
v - частота соударений электронов с нейтральными частицами,
с - скорость света в вакууме,
пл
пл
4
4
2
2
2
ε=1-f /(f +ν) - диэлектрическая проницаемость пламени по отношению к зондирующей частоте f,
макс
δl - максимальная амплитуда контролируемого виброперемещения,
по изменениям зондирующих частот определяют в линейном приближении спектры электронной концентрации, частоты соударений электронов с нейтральными частицами, температуры пламени в пристенной области камеры и вибраций элементов конструкции, а также оценивают среднюю температуру корпуса датчика и его вибрации.
0i
Зондирование внутрикамерного пространства осуществляется датчиками 1 в виде автодинных приемопередатчиков, аналогичных прототипу и работающих на разных частотах с номиналами f(i=1,2,3,…,M). Электрофизические параметры плазмы N и v определяют ее диэлектрическую проницаемость
i
Ai
i
Величина ε различна для каждой из частот и это широко используется в диагностике плазмы [2], в том числе в способе и датчике по прототипам. В заявленном способе изменение N и (или) ν вызывает изменение сопротивления антенн Z и благодаря автодинному эффекту частоты генерации f (Boloznev V.V., Safonova E.V. // Proc. International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency control and Signal generation, June, St.Peterburg, Russia, 1998. p.139-143 [9])
A
i
A
где Г, (ε) - коэффициент отражения от антенны, зависящий от Z,
Q - добротность резонатора,
A
р
A
кроме того, при диагностике ТЭУ изменение частоты связано с нагревом антенны и резонатора до температур Т и Т, различных по средним значениям и, особенно, по спектрам (Boloznev V.V., Safonova E.V. // Proc. 2000 IEEE/EIA international frequency control symposium and exhibition, Kansas, USA, 2000. p.96-99 [10]), а также с вибровоздействиями. Последние разнохарактерны, так как в них входят отражение зондирующего поля от элементов конструкции камеры 3 V и вибродеформации датчика 1 (резонатора) g.
Сформированные таким образом измерительные сигналы поступают в детекторный блок 2, а продукты детектирования далее подвергаются линейной обработке в вычислительном устройстве 4. На его выходах формируются цифровые сигналы, соответствующие значениям искомых параметров - спектрам процессов N, ν, Т, V.
Рассмотрим роль и значимость введенных отличительных признаков.
Применение ненаправленного излучения обусловлено размерами и конструктивными особенностями большинства камер сгорания 3 (в авиации и космонавтике - всех камер). Установка направленной антенны дециметрового или сантиметрового диапазона, особенно, невыступающей либо невозможна, либо требует очень серьезных конструктивных экономически неприемлемых разработок. С другой стороны датчик 1 с ненаправленным излучением и невыступающей антенной установлен в стандартном штуцере, одинаковом со штуцером для запальной свечи. Автодинное преобразование контролируемых параметров в частоту обеспечивает защиту измерительных сигналов от помех при передаче их к детекторному блоку 2, расположенному в отдаленном приборном отсеке.
Выбор зондирующих частот - их количества и номиналов, с одной стороны, обеспечивает минимизацию ошибок при вычислительных процедурах, а с другой стороны, физическую и техническую реализуемость такой минимизации. Динамика устройства (фиг.1) по заявленному способу описывается совокупностью функционалов:
причем Fi(t) - нелинейное дифференциальное уравнение автодина с переменными параметрами. В линейном (по Тейлору) приближении приращения искомых параметров связаны соотношениями:
где r=N,ν,T,V,E,
ri
i
K(f)=df/dr - коэффициенты преобразования воздействий в частоту, символ f указывает на частотную зависимость коэффициентов, реально она имеет сложный характер только для температурного коэффициента.
После частотного детектирования и в приложении к спектрам процессов система уравнений принимает вид
д
i
r
где К - коэффициент детектирования, S(f) - спектр на выходе детектора, S(f) - искомые спектры, примерный вид которых (для воздушного реактивного двигателя) показан на фиг.4.
TA
TP
V
q
В соответствии с выявленными в наших работах ([10], Болознев В.В. и др. Метод повышения качества автодинного контроля режимов тепловой энергетической установки (ТЭУ) // Сборник докладов тринадцатой международной научно-технической конференции: Радиолокация, навигация, связь. Воронеж, Россия, 2007, том 1, стр.157-163. [11]; Болознев В.В., Сулейманов С.С. Многоканальный автодинный метод контроля тепловой энергетической установки (ТЭУ) // Шестая международная научно-техническая конференция: Физика и технические приложения волновых процессов. Казань, Россия, 2007. - стр.262-263 [12]) закономерностями спектры температурных и вибрационных процессов представлены суммами: S,S - нагрев антенны и резонатора соответственно, S,S - вибрации деталей камеры и корпуса датчика. В той и другой парах спектры заметно разнесены, их разделение друг от друга не входит в решаемую задачу, а соответствующие операции не содержат существенной новизны.
r
Нахождение спектров S(f) состоит в решении системы линейных уравнений (5) по Крамеру:
2
2
ri
r
Дi
i
где D(f) - главный определитель системы (5), составленный из коэффициентов K (f), D(f) - дополнительные определители, полученные заменой r-того столбца главного определителя свободными членами К S(f), то есть сигналами на выходах детекторов (контрольными сигналами). Данная операция линейна, относится к числу наиболее простых в вычислительной математике и поэтому может быть выполнена в реальном масштабе времени.
2
2
2
2
N1
ν2
N2
v1
N1
2
ν1
V2
Решение возможно, если главный определитель (базисный) определитель не равен нулю. При наличии неизбежных погрешностей в измерении частот, то есть в преобразовании и детектировании, вычислительная погрешность тем меньше, чем больше основной определитель D(f). Так, при простейшей реализации способа: два канала при измерении N и v имеем D(f)=K ·K -K ·K , а результат тем точнее, чем сильнее отличаются отношения К/КN и K/K друг от друга. Это одно из условий, положенное в основу выбора зондирующих частот. Действительно:
причем (сравните с (1))
i
не зависит от конструкции датчика, а только от выбора частоты f.
Соотношение (8) положено в основу почти всех методов СВЧ-диагностики плазмы.
3,4
3,4
1,2
3,4
3,4
ri
Второй физической предпосылкой введения различия в коэффициенты преобразования является зависимость коэффициентов преобразования от электрических размеров антенны и виброперемещения, отнесенных к длине волны. В классической электродинамике соответствующие соотношения получены только для антенны (Воробьев Н.Г. и др. Проектирование слабонаправленных невыступающих антенн, Казань, КАИ, 1984 [13]), а для виброперемещения - только для направленного излучения в дальней зоне. Поэтому выбор частот fпроведен с учетом результатов [9]. Поскольку f>/f, то зависимость результата измерения Δf от концентрации и частоты соударений в силу (8) слабее. По другому: с ростом зондирующей частоты вклад температурного и вибрационного членов в f (4) возрастает, что эквивалентно изменению отношений между коэффициентами К.
1,2,3,4
5
5
пл
A
р
Для частот f плазма пламени радиопрозрачна. Для выбора частоты f использована третья физическая предпосылка: при f<f, излучения нет [2,3], антенна закорочена, автодин не реагирует на N,ν, температуру (то есть температурное расширение) антенны Т и на внешние вибрации. Контрольный сигнал зависит от температуры и вибрации только резонатора: Т и g.
A
р
Воздействие помехи в виде собственного радиоизлучения плазмы пламени, имеющее в данном диапазоне (единицы-десятки ГГц) равномерный (белый) спектр, не связано с автодинным эффектом и приблизительно одинаково во всех каналах, кроме пятого, где оно равно нулю. Однако решению системы (5) по отношению к остальным параметрам это не препятствует и пятиканальное устройство (фиг.1) с учетом разделения сигналов Т и V фильтрами (фиг.4) позволяет контролировать четыре основных N, ν, Т, V и два вспомогательных Т и g параметра.
i
Датчик (фиг.2) работает следующим образом. СВЧ-генератор, содержащий диод 6 и резонатор 7, возбуждает антенну 5 на одной из частот f, приближенное значение которой
1
2
3
4
i
i
i
i
i
i+1
i
причем общая длина резонатора 7  определяется расстоянием от антенны 5 до открытого pin- диода 8,8,8,8 по его структуре. Соответственно отпирающее напряжение U подано только на этот диод 8, i -порядковый номер переключательного диода. Остальные заперты. Сопротивление антенны 5 изменяется сообразно изменению ε, a уточненное значение частоты f вследствие автодинного эффекта изменяется под влиянием всех подлежащих измерению факторов. Таким путем формируется измерительный сигнал. Переключение датчика контроля режима тепловой энергетической установки на другую частоту f осуществляется отпиранием соответствующего диода 8 и запиранием 8.
Рассмотрим осуществление способа контроля режима тепловой энергетической установки и работу устройства, приведенного на фиг.З, реализующего заявленный способ с использованием заявленного датчика, построеного по принципу последовательного опроса измерительных каналов, тогда как в устройстве (фиг.1) опрос параллельный.
Способ контроля режима тепловой энергетической установки включает многочастотное зондирование внутрикамерного пространства сверхвысокочастотным радиоизлучением, при этом зондирование осуществляют ненаправленным излучением с автодинным преобразованием контролируемых параметров в изменение частот, причем средние значения этих частот удовлетворяют условиям:
1
пл
f≥(1,2…1,5)f,
2
пл
f≥(1,8…2,5)f>>ν
3
пл
f>>f,
,
5
пл
f<f,
пл
где f=- ленгмюровская (плазменная) частота,
N - электронная концентрация плазмы в пламени,
2
в=πm/e, m, е - масса и заряд электрона,
ν - частота соударений электронов с нейтральными частицами,
с - скорость света в вакууме,
4
- диэлектрическая проницаемость пламени по отношению к зондирующей частоте f,
макс
δl- максимальная амплитуда контролируемого виброперемещения,
по изменениям зондирующих частот определяют в линейном приближении спектры электронной концентрации, частоты соударений электронов с нейтральными частицами, температуры пламени в пристенной области камеры и вибраций элементов конструкции, а также оценивают среднюю температуру корпуса датчика и его вибрации.
i
Устройство (фиг.3) работает следующим образом. Устройство управления 12 подает отпирающее напряжение на один из диодов 8 (фиг.2), одновременно подключая выход генератора (фиг.2) к соответствующему i-тому детектору в блоке дететекторов. Сформированный таким путем i-тый измерительный канал работает аналогично одному из каналов устройства (фиг.1), в частности, частота автодинного отклика подчиняется формуле (2). В процессе каждого цикла измерения вычислительное устройство 4 совершает операции в соответствии с формулой (6) и алгоритмом, приведенным в приложении. Причем каждый цикл возобновляется подачей соответствующего сигнала вычислительным устройством 4 на устройство управления 12.
Экономический эффект заявленного способа обусловлен двумя группами факторов:
- улучшением режима ТЭУ, включая такие показатели, как экономия топлива, долговечность, предотвращение аварий,
- конструктивной простотой самих контрольных устройств и минимальным изменением конструкции камеры сгорания.
Эффекты первой группы зависят от быстродействия и помехозащищенности контрольной системы. В данном случае устройства, реализующие способ, обладают быстродействием радиолокаторов ближней локации; так постоянная времени автодинного отклика (сравнить с формулой (2))
.
A
A
Быстродействие сочетается с помехозащищенностью, достигнутой использованием нескольких косвенных параметров: N,ν,T,V, а также формированием достаточно сильного сигнала с преобразованием параметров в частоту и эффективностью вторичной обработки, которая предопределена выбором зондирующих частот.
Эффекты второй группы обусловлены применением автодина с ненаправленным излучением (как наиболее компактного радиолокатора), конструктивно сопряженного со стандартным штуцером. В ряде мелкосерийных РД резервный штуцер уже имеется (он используется при стендовой наладке двигателя, а при эксплуатации заглушен), в этом случае установка контрольного оборудования по заявленному способу не требует никаких конструктивных изменений камеры сгорания.
Литература
1. 3арко В.Е. и др. Физика горения и взрыва, 2000, т.36, №1, с.68-78 (обзорная статья с обширным библиографическим перечнем).
2. Хилд М., Уортон Д. Микроволновая диагностика плазмы - М.: Атомиздат, 1968.
3. Голант Н.Е. Сверхвысокочастотная диагностика плазмы. М.: Наука, 1968.
4. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1703920, БИ №1, МПК F23N 5/12, 1992 г.
5. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1567943, БИ №20, МПК G01N 22/00 1990 г.
6. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1638477, БИ №12, МПК F23N 5/12, 1991 г.
7. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1829006, БИ №27, МПК F23N 5/12, 1993 г.
8. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1285176, БИ №22, МПК G01N 22/00, 1986 г.
9. Boloznev V.V., Safonova E.V. Diode microwave active oscillator with a multilink resonator // Proc. International Symposium. on Acoustoelectronics, Frequency control and Signal generation, June, St.Peterburg, Russia, 1998. - p.139-143.
10. Boloznev V.V., Safonova E.V. Determination of the frequency of oscillations in the autodyne's sensor under the regular and casual temperature mode variations // Proc. 2000 IEEE/EIA international frequency control symposium and exhibition, Kansas, USA, 2000. - p.96-99.
11. Болознев В.В., Сафонова Е.В., Султанов Ф.И., Станченков М.А., Мирсаитов Ф.Н., Сулейманов С.С. Метод повышения качества автодинного контроля режимов тепловой энергетической установки (ТЭУ) // Сборник докладов тринадцатой международной научно-технической конференции: Радиолокация, навигация, связь. Воронеж, Россия, 2007, том 1, стр.157-163.
12. Болознев В.В., Сулейманов С.С. Многоканальный автодинный метод контроля тепловой энергетической установки (ТЭУ) // Шестая международная научно-техническая конференция: Физика и технические приложения волновых процессов. Казань, Россия, 2007. - Стр.262-263.
13. Воробьев Н.Г. и др. Проектирование слабонаправленных невыступающих антенн, Казань, КАИ, 1984.