СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR CONTROLLING VIBRATION COMBUSTION IN COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, может быть использовано для надежного и своевременного диагностирования вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя и позволяет устранить неустойчивый режим работы двигателя путем оперативного воздействия на различные системы регулирования.
Известен способ обнаружения режима вибрационного горения в системах топливопитания [патент СССР 646147, F02C 5/00, F23N 5/24, F23R 1/12, G01N 1/00, опубл. 05.02.1979], при котором определяют спектры вибраций на режимах вибрационного и невибрационного горения; сравнивают эти спектры, выбирают такую полосу частот при вибрационном горении, в пределах которой отсутствуют вибрации на режимах невибрационного горения, и по вибрации, замеренной в этой полосе частот, судят о режиме вибрационного горения.
Известен способ обнаружения виброгорения в камере сгорания газотурбинного двигателя [патент РФ 2382945, F23N 5/24, опубл. 27.02.2010], заключающийся в измерении посредством датчика, установленного на камере сгорания, динамического параметра, характеризующего наличие виброгорения; в качестве динамического параметра измеряют составляющие вибраций корпуса камеры сгорания в выделенном диапазоне частот, определенном путем построения амплитудно-частотной характеристики измерения уровня пульсаций давления в камере сгорания при испытаниях данного типа двигателей.
Недостатком аналогов является невысокая надежность, обусловленная большим влиянием вибрации конструкции, а также возможным изменением картины широкополосных вибраций двигателя в ходе его эксплуатации и резкими эволюциями летательного аппарата, что может привести к ложным срабатываниям.
Известен способ диагностирования склонности камеры сгорания к гудению и способ управления газовой турбиной [патент РФ 2548233, F23N 5/24, F23R 3/00, опубл. 20.04.2015], при котором осуществляют регистрацию термоакустической величины газового объема камеры сгорания и/или величины колебаний конструкции камеры сгорания в рабочем состоянии и определение параметрической величины по термоакустической величине и/или по величине колебаний; определение спектра параметрической величины в рабочем состоянии в виде ее амплитудной характеристики в зависимости от времени; идентификацию первого и второго резонансов параметрической величины с помощью спектра; определение амплитудного значения первого резонанса и амплитудного значения второго резонанса; расчет параметра стабильности в качестве функции амплитудного значения первого резонанса и амплитудного значения второго резонанса; определение нижнего и/или верхнего значения расстояния, на которое параметр стабильности лежит выше нижнего заданного порогового и/или ниже верхнего заданного порогового значения.
Недостатками аналогов является ограниченные функциональные возможности, так как отсутствует возможность бортового применения.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля вибрационного горения в камере сгорания [патент РФ 2272923 F02C 9, 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.
К недостаткам данного способа относится возможное влияние электростатических помех на анализируемый сигнал, а также снижение радиолокационной заметности летательного аппарата.
Задачей изобретения является повышение надежности работы газотурбинного двигателя.
Техническим результатом является обеспечение надежного обнаружения вибрационного горения для предотвращения нерасчетной работы и поломки двигателя.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе контроля вибрационного горения в камере сгорания газотурбинного двигателя производят регистрацию изменения частот колебаний параметров газодинамического движения частиц в газе и определение наличия или отсутствия вибрационного горения, согласно изобретению регистрацию изменения частот колебаний параметров газодинамического движения производят датчиком, чувствительным к электромагнитному излучению продуктов горения в камере сгорания, определяют спектральную плотность в спектре мощности временной реализации этого сигнала, сравнивают с эталонным значением спектральной плотности и в случае превышения определяемого параметра заданного эталонною значения определяют частоту, на 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.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 - частотный спектр излучения продуктов горения в камере сгорания с выявленным вибрационным горением.
Устройство контроля вибрационного горения состоит из последовательно соединенных оптического объектива 1, световода 2, фоточувствительного элемента 3, управляемого усилителя 4, фильтра низкой частоты 5, аналого-цифрового преобразователя 6 и вычислительного устройства 7, которое соединено с управляемым усилителем 4.
Устройство работает следующим образом.
Излучение продуктов горения в камере сгорания попадает на оптический объектив 1 с широкоугольной линзой, собирающей излучение с большой зоны камеры сгорания и фокусирующей его на торец световода 2. Электронная часть отнесена на безопасное расстояние от тепло- и вибронагруженных элементов двигателя, таких как камера сгорания и турбина. Излучение с малым поглощением в волокне выводится на фоточувствительный элемент 3, преобразуясь в электрический ток. Мощность слабого электрического тока повышается усилителем. Особенностью измерения излучения из камеры сгорания является большой динамический диапазон сигнала, достигающий шести и более порядков, диктующий необходимость в усилителе сигнала 4 с переменным коэффициентом усиления. После того как сигнал усилен, из него фильтром низкой частоты 5 удаляются высокочастотные шумы во избежание элайзинга. Далее сигнал оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе 6 для дальнейшего анализа вычислительным устройством 7. При определении характерных параметров сигнала, соответствующих вибрационному горению, вычислительное устройство отправляет сообщение в систему регулирования двигателя 8 по стандарту ГОСТ18977-79.
Пример конкретной реализации способа.
2
3
На объектив устройства, установленного на место штатных эндоскопических лючков кольцевой камеры сгорания, попадает электромагнитное излучение от горящей топливовоздушной смеси. Линза, изготовленная из монокристаллического сапфира AlO, фокусирует излучение на торце покрытого алюминием оптического металлизированного волокна. Излучение, выводимое из волокна, переносится на фотоприемник S1223, чувствительный в области 0,4 мкм - 1,1 мкм. Ток фотоприемника преобразуется в напряжение усилителем, затем фильтром низкой часты 2-го порядка удаляются гармоники из сигнала выше 25 кГц. Микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем производит оцифровку сигнала с частотой 50 кГц и для избегания искажения сигнала корректирует коэффициент усиления с помощью цифрового потенциометра при достижении сигналом граничных значений на аналого-цифровой преобразователь. Микроконтроллер производит вычисление быстрого преобразования Фурье по 256 точкам 100 раз в секунду. После преобразования происходит дальнейший анализ на основе выходного массива и вычисляются частоты гармоник сигналов. В результате анализа получены следующие гармоники - 78 Гц, 246 Гц, 344 Гц, что свидетельствует о вибрационном горении в камере сгорания.
Преимуществами данного способа является установка объектива системы на место штатных эндоскопических лючков камеры сгорания, а также отсутствие влияния вибрации двигателя на анализируемый сигнал. Преимуществом также является то, что описанный способ применим и для бортового использования на летательном аппарате в жестких условиях эксплуатации. Это позволяет определять вибрационное горение в не моделируемых на стенде условиях работы двигателя, например анализировать влияние воздушных ям на газодинамические процессы в камере сгорания.
Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить надежность определения вибрационного горения за счет приема электромагнитного излучения продуктов горения в камере сгорания.