БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ АНТЕННА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве регистрирующего элемента в системе диагностики неисправностей газотурбинных двигателей при их производстве, эксплуатации и тестировании.
В последние годы широкое развитие получили нетрадиционные методы диагностики состояния газотурбинных двигателей, в частности метод бесконтактной электростатической диагностики. Суть метода электростатической диагностики заключается в том, что в двигательных авиационных струях имеются заряженные частицы, образующиеся в камере сгорания, либо при разрушении элементов двигателя, либо попадающие в двигатель извне. Заряженные частицы создают в струе и окружающем струю пространстве нестационарное электростатическое поле, которое регистрируют специальными устройствами (антеннами), расположенными вне двигателя и вне его струи. Анализируя полученный сигнал можно не только диагностировать аномалии
в работе двигателя, но и предсказывать их развитие, что повышает безопасность эксплуатации авиационной техники и снижает затраты на ее обслуживание.
Известен ″Электростатический зонд″, авторское свидетельство № 591050 от 10.06.76г., который состоит из чувствительного элемента, окруженного сплошным стационарным сеточным экраном для уменьшения помех. Данный зонд устанавливают непосредственно в струю двигателя и регистрируют заряженные частицы, присутствующие в струе.
Недостатком данного технического решения является то, что зонд относится к контактным средствам диагностики двигателей. С этим связаны повышенные требования к прочности конструкции и материалам, из которых изготовлен зонд и экран, чтобы он выдержал большие скорости, давление и температуры, имеющиеся в струе двигателя. При этом, математическая обработка полученных сигналов более сложная по сравнению с бесконтактным методом, так как необходимо разделять заряженные частицы, попавшие непосредственно на зонд и отдавшие полностью или частично ему свой заряд, и заряженные частицы пролетевшие мимо чувствительного элемента зонда и "зарядившие" его электростатическим способом. Кроме того, данный зонд нельзя считать узконаправленным, так как угол обзора такого зонда составляет 360°.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятому за прототип, является ″Бесконтактный кольцевой электростатический зонд для газотурбинных двигателей (ГТД)″, патент ЕР 0120087 В 1 от 29.09.83г., который состоит из чувствительного элемента, выполненного в виде кольца и охватывающего струю двигателя, разъема для подключения кабеля, изоляторов для крепления кольца к несущей рамке. В процессе работы зонд регистрирует электрические заряды, находящиеся в плоскости установки зонда и ее окрестности вверх и вниз по потоку.
Недостатком данного зонда является отсутствие экрана, что делает зонд чувствительным к посторонним источникам электромагнитного излучения.
Кольцевой зонд менее мобилен и его затруднительно использовать при штатной подготовке двигателя самолета в аэродромных условиях. Кроме того, кольцевой зонд не обеспечивает достаточную локализацию места измерения, что не позволяет с достаточной точностью оценить траекторию движения заряженных частиц в струе двигателя и локализовать с большей точностью место неисправности.
Технической задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности диагностики текущего состояния газотурбинного двигателя в целом и выявление аномальных режимов его работы.
Технический результат достигается за счет использования бесконтактной электростатической антенны, установленной рядом со струей двигателя за срезом сопла двигателя, которая содержит чувствительный элемент, платформу, изоляторы, разъем для подключения к регистрирующей аппаратуре. При этом в платформе установлен металлический экран, охватывающий чувствительный элемент и выполненный с прорезью, проходящей вдоль длины чувствительного элемента, что обеспечивает локальность проводимых измерений и повышает точность определения электрических параметров двигательной струи и, следовательно, точность диагностики состояния двигателя. Экран может поворачиваться вокруг своей оси, задавая требуемую направленность антенны. Причем линии, соединяющие края прорези металлического экрана с осью чувствительного элемента образуют угол 90°.
На фиг.1 представлена схема заявляемой бесконтактной электростатической антенны.
На фиг.2 изображена схема монтажа заявляемой антенны.
На фиг.3 приведена осциллограмма характерного сигнала. Бесконтактная электростатическая антенна, представленная на фиг.1, состоит из чувствительного элемента 1 - металлического стержня. Чувствительный элемент 1 окружают металлическим цилиндрическим экраном 2 с прорезью 3, которая обеспечивает угол обзора антенны 90°. Чувствительный элемент 1 и экран 2 закреплены в изоляторах 4 и вмонтированы в платформу
5 выполненную из изоляционного материала. Экран 2 выполнен с возможностью поворота, задавая при этом нужное направление обзора антенны. В платформу 5 вставляют стандартный разъем 7, например, типа СР-50 для подключения предусилителя или аппаратуры регистрации (на фигуре не показаны), записи и обработки сигнала. С помощью контакта 6 обеспечивают соединение экрана 2 с землей через земляной контакт разъема, например, СР-50. К платформе 5 прикрепляют металлический корпус 8. Корпус 8, на фиг.1, служит для непосредственного крепления антенны к штатным аэродромным устройствам, например, к домкрату, для этого в корпусе 8 сделано специальное отверстие. Фиксацию антенны в месте крепления осуществляют с помощью стопорного винта 10. Платформа 5 и корпус 8 соединяют накладными металлическими крышками 9 служащие также для усиления конструкции антенны.
Работа бесконтактной электростатической антенны, схематично изображенной на фиг.1 и фиг.2, осуществляют следующим образом.
Корпус антенны 11 устанавливают, на фиг.2, на штатном аэродромном домкрате 12 и фиксируют стопорным винтом 10. Домкрат 12 устанавливают вниз по потоку от среза сопла двигателя, обеспечивая заданное расстояние между чувствительным элементом 1 антенны и границей струи 13 двигателя. Особое внимание обращают на то, что антенна расположена вне двигательной струи 13. С помощью поворотного экрана 2 обеспечивают необходимую направленность антенны, при этом желательно отсутствие в поле зрения антенны близких посторонних источников электромагнитного излучения, кроме двигательной струи 13. Затем к разъему, например, СР-50, антенны подсоединяют предусилитель (на фиг. не показан), аппаратуру записи и обработки электрических сигналов, например, магнитограф, осциллограф, компьютер. При работе двигателя заряженные частицы, присутствующие в струе 13 двигателя, создают вокруг себя в общем случае нестационарное электромагнитное поле. Расчеты показали, что в условиях проведения испытаний данное поле можно считать электростатическим. Данное поле индуцирует заряд
на чувствительном элементе антенны, который стекает по цепи соединения антенны. При этом на осциллографе или другой вторичной аппаратуре регистрируется сигнал, характеристики которого зависят от характера движения и количества заряженных частиц в струе.
На фиг.3 приведена осциллограмма характерного сигнала, полученного с помощью бесконтактной электростатической антенны в результате испытаний. Анализ зарегистрированного сигнала дает информацию о состоянии двигателя и режиме его работы.
Таким образом предлагаемое техническое решение позволяет зарегистрировать с высокой точностью электрические сигналы двигательной струи газотурбинного двигателя, анализ характеристик которых, в результате специального анализа, позволяет сделать заключение о состоянии двигателя в целом и об особенностях режима его работы. При этом монтаж электростатической антенны не требует специального препарирования двигателя, антенну устанавливают бесконтактно, вне двигателя и вне его струи. Работу по электростатической диагностики двигателя проводят, например, при предполетной и межполетной подготовке двигателя, а также на штатных режимах его работы. Особенностью антенны является ее мобильность и легкость установки на штатных аэродромных устройствах, например, домкратах, а поворотный экран с прорезью обеспечивает задание необходимого поля обзора антенны и локальность проводимых измерений, что повышает точность анализа. Указанные особенности технического решения позволяют повысить безопасность эксплуатации газотурбинных двигателей и снизить стоимость их обслуживания.