Способ полетной диагностики узлов турбореактивного двухконтурного двигателя со смешением потоков
METHOD OF FLIGHT DIAGNOSTICS OF UNITS OF TURBOFAN ENGINE WITH FLOW MIXING

Изобретение относится к авиадвигателестроению, касается определения в полете параметров турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков и может быть использовано для диагностики технического состояния узлов ТРДД в процессе эксплуатации.
Известен способ диагностики и прогнозирования надежности газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы, заключающийся в том, что бесконтактно регистрируют электрический сигнал от реактивной газодинамической струи двигателя с помощью электростатической антенны, установленной за срезом сопла двигателя вне его реактивной газодинамической струи (RU 2310180, 2007). При этом регистрируют пульсации электрического поля, определяют величину дисперсии зарегистрированного сигнала и ее производную по времени. Дополнительно регистрируют частоту вращения ротора двигателя, характеризующую режим работы двигателя. По превышению вычисленной дисперсии и ее производной от своих эталонных значений судят о неисправности двигателя.
Недостатками такого способа диагностики являются необходимость точных регистраций малых изменений электростатического поля, сложность обработки и интерпретации результатов измерений, подверженность самой антенны влиянию метеорологических и эксплуатационных факторов (окисляемость, загрязнение, повреждение), как следствие недостаточная информативность и точность измерений при дополнительных расходах на установку и эксплуатацию необходимого оборудования.
Известен способ полетной диагностики ТРДД, заключающийся в том, что в полете измеряют параметры внешней окружающей среды и рабочие параметры двигателя, обрабатывают измеренные параметры, вычисляют расход воздуха на входе в двигатель, определяют величину тяги двигателя и по ее значению судят о техническом состоянии двигателя (EP 0342970, 1989).
Тяга двигателя в известном способе определяется как разность тяги реактивного сопла и входного импульса с учетом углов атаки и скольжения. Для ее определения в качестве параметров внешней среды измеряют полную температуру, статическое давление и скорость набегающего потока воздуха на входе в двигатель, величину скорости и ускорения самолета, а в качестве рабочих параметров двигателя измеряют частоту вращения вала компрессора низкого давления, полное давление за компрессором низкого давления, полное давление за турбиной, полное давление во втором контуре, расход топлива, подаваемого в двигатель, термодинамические параметры газов и другие параметры, характеризующие термодинамические процессы в двигателе.
Недостатком известного способа является необходимость измерения большого количества параметров, сложность реализации и обработки данных измерений с достаточной точностью в полетных условиях. Как следствие рост погрешности при определении величины тяги двигателя и невозможность принятия достоверного решения о техническом состоянии двигателя, а также о состоянии его узлов.
Известен способ полетной диагностики ТРДД со смешением потоков, заключающийся в том, что измеряют на стационарном режиме работы двигателя параметры внешней окружающей среды и рабочие параметры двигателя, обрабатывают измеренные параметры, вычисляют расход воздуха на входе в двигатель, определяют величину тяги двигателя и по ее значению судят о техническом состоянии двигателя, причем в качестве параметров внешней окружающей среды измеряют полную температуру, статическое давление и скорость набегающего потока воздуха на входе в двигатель, а в качестве рабочих параметров двигателя измеряют частоту вращения вала компрессора низкого давления, полное давление за компрессором низкого давления, полное давление за турбиной и положение створок реактивного сопла (RU 2476915, 2013).
В известном способе определяют идеальное значение тяги реактивного сопла, соответствующее полному расширению выхлопной струи до атмосферного давления, а тягу двигателя определяют путем вычитания из полученного значения тяги реактивного сопла величины импульса набегающего потока.
Недостатком этого способа является то, что ограничивается возможность расчетной оценки тяги двигателя режимом работы с полным расширением выхлопной струи в сопле, и данный способ не позволяет определить техническое состояние отдельных элементов двигателя, что приводит к снижению точности и достоверности диагностирования его технического состояния в целом.
Наиболее близким аналогом изобретения является способ полетной диагностики ТРДД со смешением потоков, заключающийся в том, что по меньшей мере на одном выбранном стационарном полетном режиме работы двигателя измеряют его рабочие параметры, параметры окружающей среды, вычисляют расход воздуха на входе в двигатель и определяют величину тяги двигателя (RU 2596413, 2016). В качестве параметров окружающей среды измеряют полную температуру, статическое давление и скорость набегающего потока воздуха на входе в двигатель, а в качестве рабочих параметров двигателя измеряют частоту вращения вала компрессора низкого давления, полное давление за компрессором низкого давления, полное давление за турбиной низкого давления, полное давление во втором контуре, расход топлива, подаваемого в двигатель и положение створок реактивного сопла, по которому судят о площади его критического сечения.
В известном способе диагностирования величину тяги двигателя определяют с учетом реальной величины расширения выхлопной струи в реактивном сопле, что позволяет снизить погрешность при определении величины силы тяги двигателя в полете и повысить функциональные возможности применения этого способа. Однако данный способ так же не позволяет своевременно определить более существенное ухудшение состояния отдельных узлов двигателя, компенсируемое изменением параметров рабочего процесса остальных элементов двигателя, что приводит к снижению достоверности диагностирования его состояния.
В процессе эксплуатации состояние каждого из узлов двигателя изменяется неравномерно в результате большого комплекса разнородных факторов и может приблизиться к критическому состоянию. Своевременное определение такого состояния у отдельного узла вносит существенный вклад в достоверность диагностирования работоспособности двигателя в целом.
Техническая проблема заключается в недостаточной достоверности полетного диагностирования технического состояния ТРДД, что может привести к поломке двигателя и/или его узла и стать причиной летного происшествия.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности полетного диагностирования технического состояния ТРДД путем определения критического состояния его основных узлов.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа полетной диагностики узлов турбореактивного двухконтурного двигателя со смешением потоков по меньшей мере на одном выбранном стационарном полетном режиме работы двигателя измеряют его рабочие параметры, параметры окружающей среды, вычисляют расход воздуха на входе в двигатель и определяют величину тяги двигателя, причем в качестве параметров окружающей среды измеряют полную температуру, статическое давление и скорость набегающего потока воздуха на входе в двигатель, а в качестве рабочих параметров двигателя измеряют частоту вращения вала компрессора низкого давления, полное давление за компрессором низкого давления, полное давление за турбиной низкого давления, полное давление во втором контуре, расход топлива, подаваемого в двигатель и положение створок реактивного сопла, по которому судят о площади его критического сечения, в качестве рабочих параметров двигателя дополнительно измеряют полную температуру за компрессором низкого давления, полное давление и температуру за компрессором высокого давления, частоту вращения вала компрессора высокого давления, полную температуру газа за турбиной низкого давления. После определения величины тяги двигателя вычисляют величины относительного отклонения тяги двигателя от ее эталонного значения на пяти выбранных стационарных полетных режимах и по ним рассчитывают величины относительного снижения коэффициентов полезного действия компрессоров и турбин, а также коэффициента полноты сгорания топлива в камере сгорания. Далее оценивают техническое состояние компрессоров, турбин и камеры сгорания двигателя, причем по измеренным величинам определяют коэффициент полезного действия компрессора высокого давления и отношение частот вращения валов компрессора высокого и низкого давления и по ним, а также по определенным ранее величинам относительного снижения коэффициентов полезного действия компрессоров оценивают состояние компрессоров низкого и высокого давления. По величинам относительного снижения коэффициентов полезного действия турбин низкого и высокого давления и измеренной температуре газа за турбиной низкого давления оценивают состояние турбин, а по величине относительного снижения коэффициента полноты сгорания топлива и измеренной температуре газа за турбиной низкого давления оценивают состояние камеры сгорания. В случае недопустимого технического состояния хотя бы одного из перечисленных узлов, выявленного по результатам оценки их состояния, формируют предупредительный сигнал.
Существенность отличительных признаков способа полетной диагностики узлов ТРДД со смешением потоков подтверждается тем, что только совокупность всех действий и операций, описывающая изобретение позволяет решить поставленную техническую проблему с достижением заявленного технического результата.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием системы диагностики узлов ТРДД, которая схематично представлена на фигуре, и способа полетной диагностики узлов ТРДД со смешением потоков, который реализуется с использованием данной системы.
Диагностируемый ТРДД со смешением потоков содержит входное устройство 1, компрессор низкого давления 2 (КНД), компрессор высокого давления 3 (КВД), основную камеру сгорания 4 с системой 5 подачи топлива, турбину высокого давления 6 (ТВД), турбину низкого давления 7 (ТНД), камеру смешения 8, канал 9 второго контура и реактивное сопло 10.
Система диагностики ТРДД содержит датчики 11 параметров внешней окружающей среды, установленные на входе в двигатель во входном устройстве 1, в частности датчик 12 полной температуры, датчик 13 статического давления атмосферного воздуха и датчик 14 скорости набегающего потока воздуха, подключенные через преобразователи 15 к блоку 16 расчета тяги.
За КНД 2, КВД 3, ТНД 7 и в канале 9 второго контура установлены датчики 17, 18, 19, 20 полного давления соответственно. Указанные датчики 17, 18, 19, 20 полного давления снабжены преобразователями 21.
За КНД 2, КВД 3, и ТНД 7 установлены датчики 22, 23, 24 полной температуры соответственно. Датчики 22, 23, 24 полной температуры снабженные преобразователями 25.
Датчик 26 расхода топлива с преобразователем 27 установлен в камере сгорания 4, а датчик 28 положения с преобразователем 29 сигнала установлен на приводных элементах реактивного сопла 10, определяющий величину площади критического сечения реактивного сопла 10.
Для измерения частоты вращения вала КНД 2 и КВД 3 установлены датчики 30, 31 оборотов соответственно. Датчики 30, 31 оборотов снабженные преобразователями 32.
Для определения величины тяги двигателя используют блок 16 расчета, к которому подключены через указанные преобразователи датчики 12, 13, 14, 17, 19, 20, 26, 28 и 30.
Результаты вычислений тяги двигателя на выбранных стационарных режимах передаются в блок 33 определения относительного снижения коэффициентов полезного действия узлов двигателя, к которому подключено запоминающее устройство 34 с данными по эталонным значениям силы тяги и рассчитанными по математической модели двигателя параметрами влияния величин относительного снижения коэффициентов полезного действия узлов на относительное отклонение тяги на этих режимах.
Для определения коэффициента полезного действия КВД 3 используют блок 35 расчета, к которому подключены, через указанные преобразователи датчики 17, 18, 22, и 23.
Для определения отношения частот вращения валов КВД 3 и КНД 2 используют блок 36 расчета, к которому подключены через указанные преобразователи датчики 30 и 31.
В блок 37 сравнения через преобразователь 25 передаются показания датчика 24. Кроме того, в блок 37 передаются результаты вычислений в блоках 33, 35, 36.
К блоку 37 подключено задающее устройство 38 с данными об эталонных величинах отношения частот вращения валов компрессоров, коэффициента полезного действия КВД 3 и температуры газа за ТНД 7. При этом задающее устройство 38 содержит данные о допустимых значениях величин относительных снижений коэффициентов полезного действия КНД 2, КВД 3, ТНД 7, ТВД 6 и полноты сгорания топлива в камере сгорания 4, а так же эталонные значения величин отношения частот вращения валов компрессоров, коэффициента полезного действия КВД 3 и температуры газа за ТНД 7 и значения допустимых отклонений данных величин от их эталонных значений.
При превышении заданных допустимых значений для величин относительного снижения коэффициентов полезного действия компрессоров, а так же превышении допустимых отклонений от эталонных значений для рассчитанного отношения частот вращения валов компрессоров и коэффициента полезного действия КВД 3 на сигнализатор 39 подаются данные о недопустимом техническом состоянии компрессоров.
При превышении заданных допустимых значений для величин относительного снижения коэффициентов полезного действия ТНД 7, ТВД 6 и коэффициента полноты сгорания топлива, а так же превышении допустимого отклонения температуры газа за ТНД 7 от эталонного значения на сигнализатор 39 подаются данные о недопустимом техническом состоянии турбин и камеры сгорания 4.
Для проведения полетной диагностики узлов ТРДД со смешением потоков необходимо предварительно расчетом по математической модели двигателя на пяти стационарных режимах определить параметры влияния (В) величин относительного снижения коэффициентов полезного действия от их эталонных значений
эт
эт
δη=(η-η)/η
для основных узлов двигателя (КНД 2, КВД 3, ТНД 7, ТВД 6) и коэффициента полноты сгорания топлива в камере сгорания на относительное отклонение тяги двигателя
эт
эт
δR=(R-R)/R
от ее эталонной величины:
кнд
кнд
кнд
квд
квд
квд
г
г
г
тнд
тнд
тнд
твд
твд
твд
В=δR/δη, В=δR/δη, В=δR/δη, В=δR/δη, В=δR/δη.
Причем δη - относительное снижение коэффициента полезного действия,
кнд
квд
тнд
твд
δη, δη, δη, δη - относительное снижение коэффициента полезного действия КНД 2, КВД 3, ТНД 7, ТВД 6 соответственно,
г
δη - относительное снижение коэффициента полноты сгорания топлива,
η - коэффициент полезного действия,
кнд
квд
тнд
твд
η, η, η, η - коэффициент полезного действия КНД 2, КВД 3, ТНД 7, ТВД 6 соответственно,
г
η - коэффициент полноты сгорания топлива,
эт
η - эталонное значение коэффициента полезного действия,
δR - относительное снижение тяги двигателя,
R - тяга двигателя,
эт
R - эталонное значение тяги двигателя,
кнд
квд
тнд
твд
δR, δR, δR, δR - относительное снижение тяги двигателя при снижении коэффициента полезного действия КНД 2, КВД 3, ТНД 7, ТВД 6 соответственно,
г
δR - относительное снижение тяги двигателя при снижении коэффициента полноты сгорания топлива,
кнд
квд
тнд
твд
В, В, В, В - параметр влияния величины относительного снижения коэффициента полезного действия КНД 2, КВД 3, ТНД 7, ТВД 6 соответственно на относительное отклонение тяги двигателя от ее эталонного значения,
г
В - параметр влияния величины относительного снижения коэффициента полноты сгорания топлива на относительное отклонение тяги двигателя от ее эталонного значения.
Полученные параметры влияния и эталонные величины тяги заносятся в запоминающее устройство 34.
Способ полетной диагностики узлов ТРДД со смешением потоков реализуется следующим образом.
п
н
вх
1
т
c
2
В полетных условиях в блоке 16 расчета на пяти выбранных стационарных полетных режимах измеряют рабочие параметры ТРДД со смешением потоков, параметры окружающей среды, вычисляют расход воздуха на входе в двигатель и определяют величину тяги (R) двигателя в полете, причем в качестве параметров окружающей среды измеряют полную температуру , статическое давление (Р) и скорость (V) набегающего потока воздуха на входе в двигатель, а в качестве рабочих параметров двигателя измеряют частоту вращения (n) вала КНД 2, полное давление  за КНД 2, полное давление  за ТНД 7, полное давление во втором контуре , расход топлива (G), подаваемого в двигатель и положение створок реактивного сопла 10, по которому судят о площади (F) его критического сечения, в качестве рабочих параметров двигателя дополнительно измеряют полную температуру  за КНД 2, полное давление  и температуру  за КВД 3, частоту вращения (n) вала КВД 3, полную температуру  газа за ТНД 7.
После определения величины тяги двигателя в блоке 33 путем решения системы линейных уравнений вычисляют величины относительного отклонения тяги двигателя от ее эталонного значения на пяти выбранных стационарных полетных режимах и по ним рассчитывают величины относительного снижения коэффициентов полезного действия компрессоров и турбин, а также коэффициента полноты сгорания топлива в камере сгорания 4.
Система линейных уравнений формируется в соответствии с методом малых отклонений (А.Я. Черкез. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. М.: Машиностроение, 1965) приравниванием величин относительного отклонения тяги
п
п
эт
эт
δR=(R-R)/R
кнд
квд
г
тнд
твд
кнд
квд
г
тнд
твд
к сумме произведений величин относительного снижения каждого из коэффициентов δη, δη, δη, δη, δη - на величину его влияния (В, В, В, В, В) на изменение тяги для данных пяти стационарных режимов:
п
эт
эт
1
кнд
кнд1
квд
квд1
г
г1
тнд
тнд1
твд
твд1
((R-R)/R)=δη⋅В+δη⋅В+δη⋅В+δη⋅ В+δη⋅В,
п
эт
эт
2
кнд
кнд2
квд
квд2
г
г2
тнд
тнд2
твд
твд2
((R-R)/R)=δη⋅В+δη⋅В+δη⋅В+δη⋅ В+δη⋅В,
п
эт
эт
3
кнд
кнд3
квд
квд3
г
г3
тнд
тнд3
твд
твд3
((R-R)/R)=δη⋅В+δη⋅В+δη⋅В+δη⋅ В+δη⋅В,
п
эт
эт
4
кнд
кнд4
квд
квд4
г
г4
тнд
тнд4
твд
твд2
((R-R)/R)=δη⋅В+δη⋅В+δη⋅В+δη⋅ В+δη⋅В,
п
эт
эт
5
кнд
кнд5
квд
квд5
г
г5
тнд
тнд5
твд
твд5
((R-R)/R)=δη⋅В+δη⋅В+δη⋅В+δη⋅ В+δη⋅В.
Так же, на данных режимах работы двигателя в блоке 36 рассчитывают отношения частот вращения валов КВД 3 и КНД 2
2
1
n/n,
а с использованием блока 35 расчета определяют коэффициенты полезного действия КВД 3 (см. «Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей». Под редакцией С.М. Шляхтенко. М.: Машиностроение. 1987 г. стр. 107):
.
Далее в блоке 37 сравнения оценивают техническое состояние компрессоров, турбин и камеры сгорания 4 двигателя. По определенному в блоке 35 коэффициенту полезного действия КВД 3 и по определенному в блоке 36 отношению частот вращения валов КВД 3 и КНД 2, а также по определенным ранее в блоке 33 величинам относительного снижения коэффициентов полезного действия компрессоров оценивают состояние КНД 2 и КВД 3.
Также в блоке 37 по величинам относительного снижения коэффициентов полезного действия ТНД 7 и ТВД 6, определенным в блоке 33, и измеренной температуре газа за ТНД 7 оценивают состояние турбин. По величине относительного снижения коэффициента полноты сгорания топлива, определенной в блоке 33, и измеренной температуре газа за ТНД 7 оценивают состояние камеры сгорания 4.
кнд
квд
г
тнд
твд
квд
2
1
кнд
квд
г
тнд
твд
квд
2
1
Оценки технического состояния узлов (КНД 2, КВД 3, ТНД 7, ТВД 6, камеры сгорания 4) в блоке 37 производят путем сравнения величин δη, δη, δη, δη, δη с их допустимыми значениями, а для величин η, n/n,  путем определения их отклонений от эталонных значений и сравнения полученных отклонений с допустимыми значениями. Допустимые значения величин δη, δη, δη, δη, δη, а так же эталонные значения величин η, n/n, , и допустимые отклонения данных величин содержатся в задающем устройстве 38.
В случае недопустимого (критического) технического состояния хотя бы одного из перечисленных узлов, выявленного по результатам оценки их состояния в блоке 37, формируют предупредительный сигнал, подающийся в сигнализатор 39.
Таким образом, своевременное определение в полете критического состояния основных узлов вносит существенный вклад в достоверность диагностирования работоспособности двигателя в целом и позволяет снизить вероятность летного происшествия.
Предложенный способ полетной диагностики так же обеспечивает экономию средств и времени при техническом обслуживании ТРДД со смешением потоков, так как позволяет определить область, подлежащую ремонту и замене, в виде конкретного узла.